《機電一體化第二章機電一體化系統(tǒng)總體設計技術.ppt》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《機電一體化第二章機電一體化系統(tǒng)總體設計技術.ppt（56頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。
1、第二章 機電一體化系統(tǒng)總體設計技術,第一節(jié) 機電一體化系統(tǒng)總體設計概述 第二節(jié) 機電系統(tǒng)設計技術參數(shù)與技術指標制定方法 第三節(jié) 機電一體化系統(tǒng)原理方案設計 第四節(jié) 機電一體化系統(tǒng)結構方案設計,下一頁,第五節(jié) 機電一體化系統(tǒng)總體布局與應用設計 第六節(jié) 機電一體化系統(tǒng)總體設計 習題與思考題,上一頁,下一頁,第一節(jié) 機電一體化系統(tǒng)總體設計概述,機電一體化系統(tǒng)設計的第一環(huán)節(jié)是總體設計，在具體設計之前，對所要設計的機電一體化系統(tǒng)的各方面，根據(jù)簡單、實用、經(jīng)濟、安全、美觀等基本原則，進行綜合性設計。其主要設計內(nèi)容有：主要技術參數(shù)及技術指標的制定，機電系統(tǒng)原理方案設計，結構方案設計，總體布局與環(huán)境設計，總體
2、方案的評價與決策，可靠性設計，安全性設計等。 在總體設計過程中，應完成以下技術文件與圖紙設計資料。 (1) 機電系統(tǒng)組成的結構方塊圖，工作原理流程圖； (2) 機電系統(tǒng)組成單元工作原理圖； (3) 機電系統(tǒng)單元裝配圖，電路單元布線圖； (4) 機電系統(tǒng)總裝配圖； (5) 總體設計技術報告； (6) 總體設計方案論證報告； (7) 總體設計資料匯編； (8) 總體設計評審報告。,上一頁,返回,第二節(jié) 機電系統(tǒng)設計技術參數(shù)與技術指標制定方法,一、 機電系統(tǒng)技術參數(shù)與技術指標設計分析 機電一體化系統(tǒng)的主要技術參數(shù)是能夠基本表征該系統(tǒng)的概貌與特征的。由于機電一體化系統(tǒng)所代表的設備與產(chǎn)品廣泛分布在各個領
3、域，所以不同的系統(tǒng)功能的主要技術參數(shù)或技術指標的內(nèi)容有很大不同。 二、 機電系統(tǒng)參數(shù)和技術指標制定方法 1 根據(jù)設備或產(chǎn)品的用途設計 在設計前進行的市場信息調(diào)查中，用戶在提出設備或產(chǎn)品的設計要求時，往往只提出使用要求，設計技術人員必須將使用要求轉換成設計工作所需要的技術參數(shù)和技術指標，這項工作有時很復雜，需要首先進行原理方案設計，進行大量的實驗研究，通過實驗研究分析整理，再制定機電系統(tǒng)設計技術參數(shù)和技術指標。,上一頁,下一頁,2. 根據(jù)機電系統(tǒng)控制量的特性設計 機電系統(tǒng)的控制量是指輸入量、輸出量所包括是能量流、信息流。這些量本身的性質(zhì)，特點，尺寸等都可能成為系統(tǒng)技術參數(shù)與指標的確定依據(jù)。 3.
4、 根據(jù)加工條件對系統(tǒng)精度要求設計 機電一體化系統(tǒng)的主要特點是精度高，可靠性好。為了保證系統(tǒng)的精度，在總體設計時，必須以保證輸出量的精度作為主要技術指標為依據(jù)。 4. 根據(jù)系統(tǒng)應用場合要求設計 在機電一體化系統(tǒng)設計中，對于系統(tǒng)本身的技術參數(shù)及性能指標考慮的比較多，對于應用條件考慮的較少，直接影響到系統(tǒng)的應用范圍。,上一頁,返回,第三節(jié) 機電一體化系統(tǒng)原理方案設計,一、 機電一體化系統(tǒng)原理方案設計分析 在機電一體化系統(tǒng)總體設計中，所設計的機電系統(tǒng)技術性能和功能不同、使用要求不同、設計方案不同、所選用的單元部件不同、設計的原理方案更不同，所以，原理方案設計沒有確定的格式可采用。 二、 機電一體化系統(tǒng)
5、組成功能結構分析 機電一體化系統(tǒng)是由多個功能單元組成的。系統(tǒng)功能就是指輸入量與輸出量之間的關系，利用功能簡圖方式表示，有利于設計和分析信號的傳輸過程。如圖2-1。由檢測傳感器，放大器，控制器部分組成檢測控制系統(tǒng)。,上一頁,下一頁,圖2-1 定位檢測控制系統(tǒng),機電一體化系統(tǒng)設計中常用的基本功能單元可分為:物理功能單元、邏輯功能單元、數(shù)學功能單元、機械結構功能單元、操作使用單元等組成。 1. 物理信號檢測單元 可以實現(xiàn)不同形式的能量之間的變換單元，例如：把物理信號利用不同的傳感器轉換為電信號，把電能轉換為機械能等。在設計中根據(jù)具體要求，確定物理功能單元。 2. 控制功能單元 根據(jù)機電一體化系統(tǒng)工作
6、狀態(tài)、工作方法、設計的控制系統(tǒng)，按照事先設計的邏輯關系實現(xiàn)，邏輯關系與操作方式、順序、安全性、可靠性，抗干擾性有關。,上一頁,下一頁,3. 計算功能單元 計算功能是由程序?qū)崿F(xiàn)計算微分、積分、濾波、信號分析、信號處理等功能。可根據(jù)設計系統(tǒng)要求選用以上計算功能單元。 4. 機械結構功能單元 機械結構是根據(jù)機電一體化系統(tǒng)（或產(chǎn)品）的功能需求設計的，有組合結構，整體結構，立式結構，框架結構，裝置主體等功能單元。 5. 操作使用單元 在設計任何類型的機電一體化系統(tǒng)（或產(chǎn)品）中操作使用單元是十分重要的，是根據(jù)產(chǎn)品特點，使用特點，外形美觀而設計的操作使用單元。,上一頁,下一頁,6. 功能單元原理方案的選擇
7、在設計機電一體化系統(tǒng)中，為了選用最佳的功能單元實施原理方案，可以通過以下幾種途徑，實現(xiàn)正確合理的選擇。 (1) 參考有關資料，專利或新產(chǎn)品。 (2) 利用創(chuàng)造性思維方法開闊思路，探討新穎性設計。 (3) 根據(jù)設計要求，詳細分析，借助于其他產(chǎn)品設計功能單元原理方案，合理的轉化為新原理方案的應用。 7. 功能單元原理方案設計問題 (1) 在設計機電一體化系統(tǒng)（或產(chǎn)品）中，在滿足設計要求的條件下，要考慮附加要求 (2) 在設計中所選擇的功能單元，應從全局考慮，綜合設計，互相補充。采用配套性方法，使原理方案簡化。 (3) 對于體現(xiàn)產(chǎn)品特色的，關鍵性功能單元，應多采用創(chuàng)造性設計方法。 (4) 對于實現(xiàn)功
8、能單元，應多提出幾種原理方案，以便總體設計評價擇優(yōu)采用。,上一頁,下一頁,三、 機電一體化系統(tǒng)功能結構圖的設計方法, 在設計機電一體化系統(tǒng)中，根據(jù)所設計的系統(tǒng)按照功能分解：機械單元，檢測單元，控制單元，信息處理單元，執(zhí)行單元等，最后組合起來應能滿足總功能的要求。 1基本功能結構類型 以功能單元為基礎，組合成功能結構的方式有三種基本類型，如圖 2-2所示，分別為串聯(lián)結構，并聯(lián)結構，回路結構。 ,上一頁,下一頁,圖2-2 基本功能結構(a)竄連結構；(b)并連結構；(c)回路結構,2. 機電系統(tǒng)功能原理結構圖的設計 機電系統(tǒng)功能結構圖的設計，首先把所設計的系統(tǒng)按系統(tǒng)功能分解，分析單元功能之間的關系
9、，再設計功能結構圖。以壓力傳感器動態(tài)校準系統(tǒng)為例，說明功能結構圖的設計方法。壓力傳感器動態(tài)校準系統(tǒng)是一個高精度壓力傳感器動態(tài)標定系統(tǒng)，它由發(fā)生器主機、壓力源調(diào)節(jié)系統(tǒng)、標定頻率控制系統(tǒng)、標定信號測試系統(tǒng)組成。功能結構圖設計如下： (1) 正弦壓力發(fā)生器主機。 正弦壓力發(fā)生器主機系統(tǒng)由控制盤、功能盤、壓力室組成如圖2-3所示。,上一頁,下一頁,圖2-3 正弦壓力發(fā)生器主要功能結構,(2) 標定頻率控制系統(tǒng)。 標定頻率控制系統(tǒng)由計算機、控制板、接口電路、電機驅(qū)動器、步進電動機組成，如圖2-4所示。,上一頁,下一頁,圖2-4 標定頻率控制系統(tǒng),(3) 壓力源調(diào)節(jié)系統(tǒng)。壓力源調(diào)節(jié)系統(tǒng)由高壓氣瓶、過濾器、
10、減壓閥、高壓電磁閥組成。如圖2-5所示。,上一頁,下一頁,圖2-5 壓力源調(diào)節(jié)系統(tǒng),圖2-6 標定信號測試系統(tǒng),(4) 標定信號測試系統(tǒng)。 標定信號測試系統(tǒng)由參考傳感器、被標傳感器、動態(tài)電阻應變儀、動態(tài)測試分析儀組成。如圖2-6所示。,上一頁,下一頁,(5) 正弦壓力標定系統(tǒng)功能結構總圖。 壓力傳感器動態(tài)標定系統(tǒng)如圖2-7所示,按照這種方式，建立系統(tǒng)功能結構圖，無論系統(tǒng)多么復雜，功能結構的設計工作都可以有計劃、有步驟、有條不紊地進行。系統(tǒng)規(guī)模再大、再復雜的系統(tǒng)、均可以按功能單元分解，設計出單元功能結構圖，為系統(tǒng)總體設計提供了詳細的功能圖。,上一頁,下一頁,圖2-7 壓力傳感器動態(tài)標定系統(tǒng)圖,上
11、一頁,下一頁,四、 機電一體化系統(tǒng)原理方案的選擇原則 在機電一體化系統(tǒng)設計中，根據(jù)設計要求，對系統(tǒng)功能單元及系統(tǒng)原理方案設計，可實現(xiàn)的原理方案是多解的，每種原理方案不同，技術上實現(xiàn)不同，投入的研制費用不同，性能和功能也不同，必須進行詳細分析對比選擇最佳方案。選擇的原則： (1) 新穎性、先進性、使用性。 (2) 技術可實現(xiàn)性。 (3) 經(jīng)濟性、可靠性好。 (4) 結構合理，外觀造型好。 (5) 操作簡單，使用方便。,上一頁,返回,第四節(jié) 機電一體化系統(tǒng)結構方案設計,機電一體化系統(tǒng)原理方案確定之后，對于系統(tǒng)所確定的各種功能單元，可分成兩大類：一類是機械類單元，例如：機械傳動系統(tǒng)、導向系統(tǒng)、主軸組
12、件、機械主機、機箱體等；另一類是電氣系統(tǒng)功能單元，例如: 檢測傳感器、電壓放大器、控制電路、控制電機、計算機硬件系統(tǒng)等。 電路結構設計工作包括兩個方面，即電路原理圖設計，電路安裝圖布局設計。由元器件尺寸確定電路結構尺寸，相互之間的布局合理性設計，安裝圖設計，安裝工藝的設計等。結構方案設計的目的不僅是將原理方案結構化，而且要實現(xiàn)結構的優(yōu)化與創(chuàng)新設計。所以在結構方案設計時，應遵循普遍使用的原則和原理，同時，還應將現(xiàn)代化的設計理論和設計方法引入到設計中，采用現(xiàn)代化的高新技術設計出最佳的機電系統(tǒng)的結構方案。,上一頁,下一頁,一、 機電一體化系統(tǒng)結構方案設計程序,結構設計階段的工作特點與原理方案構思有很
13、大的不同。原理方案構思主要靠創(chuàng)造性思維和系統(tǒng)化方法，而結構設計的復雜性和具體性，則要求除了創(chuàng)新思維之外，更多地進行緊密聯(lián)系實際的綜合分析和設計工作。 1. 初步設計分析 這一階段主要是完成主功能載體的初步設計。一般把功能結構中對實現(xiàn)的能量，信號的轉換等。 2. 詳細設計分析 第一步是進行副功能單元設計，在明確實現(xiàn)主功能需要那些副功能單元的條件下，實現(xiàn)副功能盡量直接選用現(xiàn)有的結構部件 。 3. 結構方案的完善與評價 這一階段的任務是在前面階段工作的基礎上，進行設計工作的評價，目的是對單元設計的關鍵技術問題和薄弱環(huán)節(jié)進行優(yōu)化設計，并進行設計分析、經(jīng)濟性分析、可實現(xiàn)性分析、檢查預計成本等是否達到預期
14、目標。,上一頁,下一頁,二、 機電系統(tǒng)結構方案設計的基本原則,機電系統(tǒng)結構方案設計應遵循以下基本設計原則： 1. 明確設計要求 在結構方案設計時，所考慮的各個要求均應體現(xiàn)明確性。 2. 簡單性設計 這里的“簡單”應廣義地理解為、簡化、簡明、簡要、簡便、減少等多種含義。 3. 安全可靠性設計 (1) 電路與構件的可靠性。即在規(guī)定的外載荷下，規(guī)定的時間內(nèi)，電路與構件不發(fā)生過度變形與磨損、器件老化、器件失效、外界影響工作不穩(wěn)定等。 (2) 功能可靠性。即保證在規(guī)定的條件下實現(xiàn)總功能。 (3) 工作安全性。是指對操作人員保證工作安全、身心健康。 (4) 環(huán)境適應性。即不得造成超標準的環(huán)境污染，并能保證
15、機器適應環(huán)境工作條件。,上一頁,下一頁,4. 運動學設計原則 運動學設計原則就是根據(jù)物體需要實現(xiàn)的運動方式，工作狀態(tài)，負載特性，設計選擇控制方案，并施加約束條件。按照該原則的設計方法具有以下優(yōu)點： (1) 每個零件是用最少的接觸點來約束的，且接觸點的位置不變，這樣作用在物體上的力就可以按力學方法預先計算，因此可加以控制，就可避免由于過大的力引起材料變形而影響機構的正常工作性能，并且定位精確可靠。 (2) 工作表面的磨損及尺寸加工精度對約束的影響很小，用大公差也可以達到高精度，所以降低了對加工精度的要求。即使接觸面磨損了，稍加調(diào)整，就可以補償磨損造成的位移。 (3) 零件被拆卸后能方便而精確地復
16、位。采用運動學設計原則要求施加點約束，但實際中不存在理想“點”，點接觸處的壓力很大，使材料發(fā)生變形，接觸處實際是一塊小面積。,上一頁,下一頁,5. 基面合一原則 在機械結構方案設計時，要盡量滿足基面合一原則，即應使定位基面盡量與使用基面和加工基面合為一體，這樣可以減小由于基面不一致所帶來的加工誤差。 6. 最短傳動鏈原則 在機電一體化結構設計時，可以盡量使驅(qū)動系統(tǒng)的自動調(diào)速范圍要寬，且運動形式與執(zhí)行機構形式一致，這樣就可以用最短的傳動鏈，實現(xiàn)執(zhí)行機構的運動要求。這是機電一體化系統(tǒng)設計與一般機械系統(tǒng)設計的不同之處。 7. 標準化設計原則 所謂的標準化是指產(chǎn)品部件的系列化，產(chǎn)品部件的通用化和標準化
17、。在機電一體化系統(tǒng)設計中，必須采用標準化、系列化和通用化原則進行設計，可以保證零部件的互換性，實現(xiàn)工藝過程典型化，有效地縮短研制周期，降低成本，并為以后的使用維護帶來方便。 8.“老化”處理原則 所謂“老化”是指設計的控制系統(tǒng)，電路系統(tǒng)中的元器件進行使用前的“老化”處理，常用的有高溫老化處理，長時間連續(xù)工作處理等。,上一頁,下一頁,9. 結構強度的設計原則 (1) 等強度原則。在設計零部件時，應盡量使同一零部件各處的強度接近相等，以使各處都能充分利用其強度，保證最有效地利用材料和減輕體積和重量，使各處的壽命相等。 (2) 力自平衡原則。在機電系統(tǒng)設計中某些部件在運行中會產(chǎn)生額外的力矩或受力，若
18、能予以力平衡，可抵消其不利影響，使整機正常穩(wěn)定運行。例如：在設計大力值標準系統(tǒng)中采用力自平衡原理，使整機設計體積更小，質(zhì)量更輕等。 (3) 力自加強原則。例如：在設計液壓密封裝置時，對密封件的位置安裝應使其工作時在兩邊液體壓力差作用下，越貼越緊，以自動加強密封效果。 (4) 力作用路徑最短原則。在力或力矩作用路徑中，均要產(chǎn)生應力和變形，縮短力作用路徑，一方面可減少材料、簡化結構，另一方面使變形環(huán)節(jié)減少，有利于提高構件強度，提高整機精度。 (5) 力自保護原則。機電系統(tǒng)運行時，如偶遇外力或故障，可能會使某些部件受到異常大的力或力矩作用，發(fā)生損壞或斷裂，若在設計中將異常力作用于這些部件時能及時脫離
19、而得到自保護，則可避免事故或發(fā)生意外。例如，加入檢測系統(tǒng)可事先報警。,上一頁,返回,第五節(jié) 機電一體化系統(tǒng)總體布局與應用設計,一、 人 - 機系統(tǒng)設計方法 人 - 機系統(tǒng)設計是機電一體化系統(tǒng)總體設計的重要部分之一，它是把人看成系統(tǒng)中的組成因素，設計以人為主體，進行詳細分析人和系統(tǒng)的關系，其中主要是外形美觀設計，最佳操作界面設計，安全可靠性設計。目的是提高人機系統(tǒng)的整體效能，使人能夠舒適、安全、可靠及高效地使用。 1. 人 - 機系統(tǒng)設計的基本要求 人-機系統(tǒng)設計應與人體的機能特性和人的生理、心理特性相適應，具體有以下要求： (1) 總體操作布局與人體高度尺寸相適應； (2) 系統(tǒng)工作操作臺顯示
20、清晰，易于觀察，便于監(jiān)控； (3) 操作方便省力，減輕疲勞； (4) 信息的檢測與處理與人的感知特性和反應速度相適應； (5) 安全性、可靠性好、舒適性好，使操作者心情舒暢。,上一頁,下一頁,2 人 - 機系統(tǒng)的結合形式 人-機結合具體形式是有很大差別的但都會有信號傳遞、信息處理、控制和反饋等基本功能。 3 人 - 機系統(tǒng)設計要點 人- 機系統(tǒng)的設計核心是確定最優(yōu)的人機功能分配，將人和系統(tǒng)有機地結合起來組成高效的完整系統(tǒng)。 (1) 顯示器設計。顯示器設計的基本要求是，使操作者獲取信息的過程迅速，準確而不疲勞。人機系統(tǒng)設計所要解決的不是具體的技術問題，而是從適合人的使用的角度，向設計人員提供必要
21、的參數(shù)和要求。 (2) 控制器設計。利用人本身的功能信號去控制系統(tǒng)工作的裝置叫做控制器。根據(jù)人體的特性可以設計出手動控制器、腳動控制器、聲控器及光電控制等各種控制器?？刂破髟O計的核心是實現(xiàn)最簡單、最方便的操作。,上一頁,下一頁,(3) 監(jiān)控系統(tǒng)設計。由顯示器、控制器和操作者組成的子系統(tǒng)就是監(jiān)控系統(tǒng)。把顯示器與人的獲取信息與輸出信息的特性結合起來全盤考慮。根據(jù)人體功能特點，希望在系統(tǒng)操作上面部位配置顯示部分，在系統(tǒng)下方部位或面前方配置控制部分。 二、 機電系統(tǒng)藝術造型設計方法 機電產(chǎn)品進入市場后，首先給人以重要的直覺印象就是其外觀造型，以人為主是用戶普遍的心理反映。 1. 藝術造型設計的基本要求
22、 (1) 布局清晰。條理清晰的總體布局是良好藝術造型的基礎； (2) 結構緊湊。節(jié)約空間的緊湊的結構方式有利于小型化，有利于良好的藝術造型； (3) 結構簡單。應使可見的，不同功能的部件數(shù)減少到最少限度，重要的功能操作部件及顯示器布置方式一目了然；,上一頁,下一頁,(4) 統(tǒng)一與變化。整體藝術造型應顯示出統(tǒng)一成型的風格和外觀形象，并有節(jié)奏鮮明的顯示，給人以和諧感，外形美觀感； (5) 功能合理。藝術造型應適于功能表現(xiàn)，結構形狀和尺寸都應利于功能目標的體現(xiàn)； (6) 體現(xiàn)新材料和新工藝。目的是體現(xiàn)新材料的優(yōu)異性能和新工藝的精湛水平； (7) 微型化、數(shù)字化、智能化合理組合。 2藝術造型設計的三要
23、素 藝術造型設計是運用科學原理和藝術手段，通過一定的技術與工藝實現(xiàn)的。技術與藝術的融合是藝術造型設計的依據(jù)。系統(tǒng)功能、物質(zhì)條件和藝術設計構成了機電系統(tǒng)造型設計的三要素。這些要素之間存在著辯證統(tǒng)一關系，在藝術造型的設計過程中要科學地反映它們之間的 內(nèi)在聯(lián)系，通過藝術造型設計充分體現(xiàn)產(chǎn)品的功能美、外形美。,上一頁,下一頁,3藝術造型設計的基本原理 對一個機電產(chǎn)品藝術造型的具體構思來說，考慮問題是經(jīng)過由功能到造型，由造型再到功能的反復過程；同時又要經(jīng)過由總體到局部，由局部返回到總體的反復過程。造型設計還與使用材料、顏色有關。 因此造型設計貫穿了產(chǎn)品設計的全過程，其設計特點是以形象思維為主，突出美觀，
24、色調(diào)協(xié)調(diào)，操作方便，顯示直觀等。圖2-8所示為藝術造型設計流程圖。,上一頁,下一頁,圖2-8 藝術造型設計流程圖,,上一頁,下一頁,4. 藝術造型設計要點 (1) 穩(wěn)定性。對于靜止的或運動緩慢且較重的產(chǎn)品，應該在布置上力求使其重心得到穩(wěn)固的支撐。并從外觀形態(tài)到色彩搭配運用都給人以穩(wěn)定的感覺。 (2) 運動特性?？傮w結構利用對稱原理可使產(chǎn)品具有可運動的特性。例如許多運輸設備，無論從上看，從前面看，或從后看都是對稱的，給人以穩(wěn)定感，但從側面看不對稱的前后部分可使形狀產(chǎn)生動態(tài)感，設計要求具有立體感。左右、上下、有對稱感。 (3) 輪廓。產(chǎn)品的外形輪廓給人的印象十分重要，通常采用“優(yōu)先數(shù)系”來分割產(chǎn)品
25、的輪廓，塑造產(chǎn)品協(xié)調(diào)，成比例的外觀給人以和諧的美感。 (4) 簡化。產(chǎn)品外形上不同形狀和大小的構件愈多，就愈顯得繁雜，難于與簡單、統(tǒng)一協(xié)調(diào)的要求相吻合。因此，把一些構件組合起來，盡量減少外露件的數(shù)目。 (5) 色調(diào)。色調(diào)的效果對人的情緒影響很大。選用合理的色調(diào)，根據(jù)不同類型的產(chǎn)品，應用不同的場合，運用顏色的搭配組成良好的色彩環(huán)境，能使產(chǎn)品的藝術造型特征得以充分的發(fā)揮，滿足人們心理的審美要求。,上一頁,下一頁,三、 機電系統(tǒng)總體布局設計方法,機電系統(tǒng)總體布局設計是總體設計的重要環(huán)節(jié)。 1 總體布局設計的基本原則 (1) 功能合理。各分功能既易于實現(xiàn)又便于實現(xiàn)總功能，不論在系統(tǒng)的內(nèi)部還是外觀上都不
26、應采用不利于功能目標的布局方案。例如：機電系統(tǒng)強電設備與弱電系統(tǒng)分開布局可提高抗干擾能力。 (2) 結構緊湊。內(nèi)部的結構緊湊要保證便于裝配維護，外部的結構緊湊是藝術造型的良好基礎。 (3) 層次分明。總體結構和所有部件的布置應力求層次分明，一目了然。 (4) 比例協(xié)調(diào)。這一原則按藝術造型方法實現(xiàn)。,上一頁,下一頁,2 機電系統(tǒng)總體布局的基本類型 根據(jù)系統(tǒng)的形狀、大小、數(shù)量、位置、順序五個基本方面進行綜合考慮，可得出布局的類型： (1) 按主要工作機構的空間幾何位置，可分為平面式、空間式等； (2) 按主要工作機構的相對位置，可分為前置式、中置式、后置式等； (3) 按主要工作機構的運動軌跡可分
27、為回轉式、直線式等； (4) 按主要工作機構的布置方向可分為水平式、直立式、傾斜式等； (5) 按機架或機殼的結構形式，可分為整體式、組合式等。,上一頁,下一頁,3 總體布局設計實例 正弦壓力校準系統(tǒng)總體布局設計。這里以智能式正弦壓力校準系統(tǒng)為例，來說明總體布局所要考慮的設計基本問題與解決方法。正弦壓力校準系統(tǒng)的總體布局可從幾個方面考慮， 一是校準系統(tǒng)中的控制子系統(tǒng)：電機減速器，驅(qū)動器，雙電機控制器；二是校準系統(tǒng)主機子系統(tǒng)；三是高低壓調(diào)壓控制子系統(tǒng)：高壓壓力表、低壓壓力表、減壓閥、控制閥等。為了實現(xiàn)以上所論述的總體設計要求和設計原則，藝術造型的設計要求。 應根據(jù)該系統(tǒng)的性能、特點及功能，主機部
28、分采用雙電機控制，要求控制的穩(wěn)定性，可靠性很高，主機主軸不能直接由電機帶動，采用皮帶帶動電機，并且兩個電機分開帶動主機，這就要求電機采用臥式布置有利于雙電機控制功能目標的實現(xiàn)。而采用立式布置時，雙電機減速器安裝固定十分困難，與主機控制不協(xié)調(diào)，體積增大。所以，在設計中采用臥式布局方法，將步進電機 A ，減速器布置在左側，步進電機 B 布置在右側，雙電機控制器布置在控制驅(qū)動器中間，把電機控制系統(tǒng)布局在總體的下端更加合理，使用方便，如圖2-9所示控制子系統(tǒng)布置圖,上一頁,下一頁,圖2-9 動態(tài)壓力標定系統(tǒng)控制子系統(tǒng)布置圖,,上一頁,下一頁,正弦壓力校準系統(tǒng)主機子系統(tǒng)和高低壓調(diào)壓控制子系統(tǒng)，布局在總體
29、上端，上下端間距以操作使用方便為主，選擇整體高度700 mm。 主機和調(diào)壓系統(tǒng)同樣采用臥式布置方式。把主機布置在左側中心位置與下端電機布局要求一致性，中間布置高壓顯示表和低壓顯示表，右側布置高壓減壓閥和低壓控制閥。 這種布局有利于調(diào)壓系統(tǒng)的操作調(diào)節(jié)方便，外形美觀，緊湊合理，整體結構體積小，質(zhì)量輕，放在小車上，現(xiàn)場使用方便，靈活性好。如圖2-10所示主機和調(diào)壓系統(tǒng)圖。,上一頁,下一頁,圖2-10 動態(tài)壓力標定系統(tǒng)主機和調(diào)壓系統(tǒng)圖,,上一頁,返回,第六節(jié) 機電一體化系統(tǒng)總體設計,一、 機電一體化系統(tǒng)總體方案設計 1詳盡搜集市場信息對所設計產(chǎn)品的需求 設計任何類型的機電系統(tǒng)，首先要收集所有相關的信息
30、，包括設計需求，設計技術資料，基礎條件，技術條件，在該領域中的發(fā)展方向等。 (1) 設計對象自身的工作效率。包括年工作效率及小時工作效率。對于動力傳動系統(tǒng)還要了解機械效率方面的需求。 (2) 設計對象所具有的主要性能和功能。包括總功能及實現(xiàn)總功能的單元功能的工作特點，特別是操作人員在總功能實現(xiàn)中所介入的程度。 (3) 設計對象與其工作環(huán)境的界面。這主要有輸入、輸出界面、裝載工件形式、操作員控制器的界面，輔助裝置的界面，溫度、濕度、灰塵等情況，以及這些界面中哪些是由設計人員保證的，哪些是由用戶提供的。,上一頁,下一頁,(4) 設計對象對操作者技術水平的需求。要求操作人員達到什么技術等級，并具備哪
31、些專業(yè)知識。 (5) 設計對象是否被制造過，假如與設計對象類似的產(chǎn)品已在生產(chǎn)，則應參觀生產(chǎn)過程，并收集有關的設計與生產(chǎn)文件。再根據(jù)設計對象要求進行創(chuàng)新設計。 (6) 了解用戶自身的一些規(guī)定、標準、廠標、部標、軍標等。一般技術要求，應用條件的要求，對產(chǎn)品表面的要求（防蝕、色彩等），使用場合的要求等。,上一頁,下一頁,2. 設計對象工作原理的設計 明確了設計對象的需求之后，就可以開始工作原理設計了，這是總體設計的關鍵。設計質(zhì)量的優(yōu)劣取決于設計人員能否很好地對設計系統(tǒng)的總功能進行合理的分解，并能合理地利用現(xiàn)有設計技術和現(xiàn)有的物質(zhì)條件更好地進行創(chuàng)新設計，勇于開拓新的領域，探索新的工作原理。 總體設計方
32、案最佳化，必須在單元系統(tǒng)設計中采用最佳設計方案，才能使總體設計方案更合理、更先進。 3. 主體結構方案的選擇 機電系統(tǒng)機械結構類型很多，選擇主要結構方案時，必須保證系統(tǒng)所要求的精度、工作穩(wěn)定可靠、制造工藝等。若是外形結構，在允許條件下，應符合體積小、質(zhì)量輕、外形美觀、結構合理。若是主機運動單元，應符合運動學設計原則或誤差均化原理。,上一頁,下一頁,4. 摩擦形式的選擇 設計機電一體化機械系統(tǒng)時要認真選擇運動機構的摩擦形式，如果處理的不好，由于動、靜摩擦力差別很大，造成爬行，會影響控制系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。因此總體方案設計時，必須選取具有適應于工作要求摩擦形式的導軌。 5. 電路結構方案的設計 在機
33、電一體化系統(tǒng)設計中，檢測系統(tǒng)設計，控制系統(tǒng)設計，從電路結構方案設計方法可分為兩大類：一類是設計選擇式，根據(jù)系統(tǒng)設計總體功能及單元性能要求，分別選擇傳感器、放大器、電源、驅(qū)動器、控制器、電機、記錄儀等，進行合理的組合，滿足總體方案設計要求。 另一類設計是以設計為主，選擇單元為輔，設計人員必須根據(jù)系統(tǒng)設計總體功能及檢測系統(tǒng)，控制系統(tǒng)性能進行設計，在設計中必須選擇穩(wěn)定性好、可靠性好、精度高的器件。電路結構原理方案設計要合理，并且設計抗干擾、過壓保護和過流保護電路。,上一頁,下一頁,6. 機電系統(tǒng)簡圖的設計 在機電一體化系統(tǒng)總體設計完成各功能單元后，采用各種符號或方塊圖形式表示各子系統(tǒng)功能單元。包括控
34、制系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、電器系統(tǒng)、傳感檢測系統(tǒng)、機械執(zhí)行系統(tǒng)、機械主機系統(tǒng)等。 7. 總體準確度分析與設計 總體準確度是衡量機電系統(tǒng)性能和質(zhì)量的一個主要的技術指標。由于現(xiàn)代機械電子設備和產(chǎn)品的自動化程度愈來愈高，功能也更先進，因此機、電、光等多學科相互滲透的程度更強，機電系統(tǒng)總的準確度指標是由各子系統(tǒng)共同作用的結果。 8. 總體設計報告 總結上述設計過程的各個方面，寫出總體設計報告，為總體裝配圖和部件裝配圖的繪制做好準備。總體設計報告要突出設計重點，將所設計系統(tǒng)的特點闡述清楚，同時應列出所采取的措施及注意事項。,上一頁,下一頁,二、 機電系統(tǒng)可靠性設計,在機電一體化系統(tǒng)（或產(chǎn)品）設計中，它是由多個單
35、元子系統(tǒng)組合體，每個單元子系統(tǒng)的可靠性如何直接影響到系統(tǒng)總體性能的可靠性。因此，可靠性設計是系統(tǒng)設計的重要內(nèi)容。對于機電系統(tǒng)（或產(chǎn)品）的可靠性設計問題論述如下： 1. 可靠性的基本概念 為了發(fā)揮機電一體化系統(tǒng)應有的作用，首先應使它可靠地工作。在設計一個新的機電系統(tǒng)時，要對各種設計方案進行分析比較，要想得到一個最佳方案，不考慮可靠性問題是不可能的。 因此，可靠性設計問題是機電一體化系統(tǒng)設計的一個重要組成部分。所謂可靠性，是指“產(chǎn)品（或系統(tǒng)）在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力”?！巴瓿梢?guī)定功能”就是能夠連續(xù)地保持產(chǎn)品（或系統(tǒng)）的工作能力，使各項技術指標符合使用要求。,上一頁,下一頁,2.
36、 保證機電系統(tǒng)（或產(chǎn)品）可靠性的方法 保證設計產(chǎn)品具有很好的可靠性，是一個綜合性問題，不能單純依靠某一特定的方法。 在保證產(chǎn)品可靠性的方法中，提高產(chǎn)品的設計和制造質(zhì)量是最根本的方法，它的作用是消除故障于發(fā)生之前，或者降低故障率。但從某種意義上來講，由于故障是一種隨機性事件，因而是不可避免的。在這種情況下，冗余技術就成為保證產(chǎn)品可靠性的一種重要方法。 （1）提高產(chǎn)品的設計和制造質(zhì)量。保證產(chǎn)品的可靠性，要從設計和制造入手。在保證實現(xiàn)各種基本性能指標的同時，還要保證可靠性。 對于軍工類的機電產(chǎn)品，采用裕度法，可以加大設計的安全系數(shù)，以保證一定的可靠性儲備。設計產(chǎn)品的某一輸出參數(shù)為Y，而Y值是一個隨機
37、量，它可能在極限條件下達到極值 Ylim。這種極限條件可能是最惡劣的使用條件（如最大的工作規(guī)范、缺乏潤滑等）和環(huán)境條件（如高溫、潮濕等）。如果Y達到Ylim時還沒有達到失效時的參數(shù)值Ymax，則稱為具有可靠性儲備，用可靠性儲備系數(shù)KR表示,可靠性儲備系數(shù)也可按下式計算：,上一頁,下一頁,式中Y為Y值不超出極限范圍的概率為R時的值。,上一頁,下一頁,（2） 冗余技術。冗余技術又稱儲備技術。它是利用系統(tǒng)的并聯(lián)模型來提高系統(tǒng)可靠性的一種手段。冗余有工作冗余和后備冗余兩類。 工作冗余，又稱工作儲備或掩蔽儲備，是一種兩個或兩個以上單元并行工作的并聯(lián)模型。 后備冗余，又稱非工作儲備或待機儲備。平時只需一個
38、單元工作，另一個單元是冗余的，用于待機備用。 （3） 診斷技術。從本質(zhì)上來看，診斷技術是一種檢測技術，用來取得有關產(chǎn)品中產(chǎn)生的失效（故障）類型和失效位置信息。它的任務有：一是出現(xiàn)故障時，迅速確定故障的種類和位置，以便及時修復；二是在故障尚未發(fā)生時，確定產(chǎn)品中有關元器件距離極限狀態(tài)的程度，查明產(chǎn)品工作能力下降的原因，以便采取維護措施或進行自動調(diào)整，防止發(fā)生故障。,上一頁,下一頁,3. 干擾和抗干擾措施 在機電一體化系統(tǒng)（或產(chǎn)品）中，電場、磁場的干擾是產(chǎn)生源、部件失效或數(shù)據(jù)傳輸、處理失誤，進而影響其可靠性的最常見和最主要的因素。這是機電一體化系統(tǒng)設計中不可忽視的問題之一。 (1) 干擾源。一般說來
39、，在機電一體化系統(tǒng)中，用專用或通用微型計算機組成的控制器，其硬件經(jīng)過篩選和老化處理，可靠性非常高，平均無故障工作時間較長，因此，引起控制系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)單元，計算機系統(tǒng)單元故障（失效）的原因多半不在于其本身。 供電干擾?？刂破饕话愣寂鋫溆袑Ｓ玫闹绷鞣€(wěn)壓電源，即使如此，從交流供電網(wǎng)傳來的干擾信號仍然可能影響電源電壓的穩(wěn)定性，并可能經(jīng)過整流電源竄入控制系統(tǒng)。,上一頁,下一頁, 強電干擾。驅(qū)動電路中的強電元件如繼電器、電磁鐵和接觸器等感性負載，在斷電時會產(chǎn)生過電壓和沖擊電流。 接地干擾。接地干擾是由于接地不當、形成接地環(huán)路產(chǎn)生的。接地環(huán)路的兩種典型情況：由于接地點遠而形成的環(huán)路，在不同位置的接地點
40、一般不可能電位相同，因此形成地電位差 15120 V。 當用公用地線串聯(lián)接地形成的環(huán)路，由于各設備負載不平衡、過載或漏電等原因，可能在設備之間形成電位差525 V。無論在哪種情況下形成的地電位差，都會產(chǎn)生一個干擾電流，而干擾低電平信號電路。 輻射干擾。如果在控制系統(tǒng)附近存在磁場、電磁場、靜電場或電磁波輻射源，就可能通過空間感應，直接干擾系統(tǒng)中的各設備（控制器、驅(qū)動接口、轉換接口等）和導線，使其中的電平發(fā)生變化，或產(chǎn)生脈沖干擾信號。,上一頁,下一頁,(2) 抗干擾措施。用來抑制上述各種干擾信號的產(chǎn)生或防止干擾信號危害的抗干擾措施，既有針對各種干擾源的性質(zhì)和部位而采取的措施，也有從全局出發(fā)而采取的
41、提高產(chǎn)品可靠性的措施。 供電系統(tǒng)的抗干擾措施。針對交流供電網(wǎng)絡這個干擾所采取的抗干擾措施主要是采用穩(wěn)壓源、濾波器、光電耦合法。采用電子交流穩(wěn)壓供電，可以進一步提高電源電壓的穩(wěn)定性，抗電源高頻干擾能力。 接口電路的抗干擾措施。在控制器與執(zhí)行元件之間的驅(qū)動接口電路中，少不了由弱電轉強電的電感性負載，以及用來通、斷電感負載的接點，這些都是產(chǎn)生強電干擾的干擾源。對于這種干擾，首先是采取吸收的方法，抑制其產(chǎn)生，然后采取隔離的方法，阻斷其傳導。,上一頁,下一頁, 系統(tǒng)接地的抗干擾措施。要防止從系統(tǒng)接地傳來的干擾，主要的方法是切斷接地環(huán)路，通常采用以下措施。 單點接地，由于接地點遠而形成的環(huán)路，可采用單
42、點接地的方法來切斷地電位差產(chǎn)生的干擾信號。 接地線采用屏蔽導線。 并聯(lián)接地，對由多個設備采用公用地線串聯(lián)接地而形成的環(huán)路，可用并聯(lián)接地的方法來切斷地電位差干擾信號。 光電隔離，對于用長線傳輸?shù)臄?shù)字信號，可用光電耦合器來切斷接地環(huán)路。 最佳組合抗干擾措施。在設計機電一體化系統(tǒng)中，對檢測系統(tǒng)，計算機控制系統(tǒng)，各個單元部件采用最佳組合法，正負信號接線一致，相互之間阻抗匹配，信號傳輸線采用屏蔽導線法，可有效抑制儀器之間的干擾信號和外界干擾信號。,上一頁,下一頁, 設計法抑制噪聲干擾。在設計電路中，對于所選擇的器件，應進行篩選，選擇噪聲小的器件，電路布局把強電和弱電電路分開布局，對于集成電路電源端并用0
43、.1F電容法，可提高電路的抗電源波動干擾的能力。在電路設計中輸入端采用電容濾波法，可減小高頻干擾影 響，達到可靠性的作用。 4. 軟件的可靠性技術 (1) 利用軟件來提高系統(tǒng)的可靠性。由于系統(tǒng)是由硬件和軟件組成的，因而系統(tǒng)的可靠性可分為硬件可靠性和軟件可靠性兩個方面，通過提高元器件的質(zhì)量，采用冗余設計，進行預防性維護，增設抗干擾裝置等措施，能夠提高硬件的可靠性。 (2) 提高軟件的可靠性。盡管采用軟件功能提高系統(tǒng)可靠性，但值得指出的是，由于種種原因，軟件本身也會發(fā)生故障。,上一頁,下一頁,5. 軟件可靠性測試 測試的基本方法是給軟件一個典型的輸入，觀測輸出是否符合要求，如發(fā)現(xiàn)結果有錯，應設法將
44、可能產(chǎn)生錯誤的程序進行修改，經(jīng)修改后，再次調(diào)試，直到消除所有錯誤為止。 測試按照下述步驟進行： (1) 單元測試，即對每個程序塊單獨地進行測試，通過對各程序塊的測試，找出程序設計中的錯誤，測試可利用事先準備好的經(jīng)過某種算法產(chǎn)生的測試碼來進行； (2) 局部或系統(tǒng)測試，即對由若干程序塊組成的局部程序或系統(tǒng)程序進行測試，以發(fā)現(xiàn)各程序塊之間連接的正確性； (3) 系統(tǒng)功能測試，測試該軟件能實現(xiàn)的功能； (4) 現(xiàn)場安裝，綜合驗收測試。,上一頁,下一頁,三、 機電系統(tǒng)安全性設計方法,隨著機電一體化系統(tǒng)設計技術的發(fā)展，各種機電一體化產(chǎn)品，各種自動化生產(chǎn)系統(tǒng)的自動化程度的提高，大型核電生產(chǎn)系統(tǒng)，大型電力系
45、統(tǒng)等，對于安全性設計越來越重要。從工業(yè)安全角度，家用電器使用安全角度來看，要減小產(chǎn)生事故和使用產(chǎn)品事故的發(fā)生，在設計機電一體化系統(tǒng)中，提高安全性設計水平。 1. 工業(yè)機器人的安全措施設計 安全措施之一是故障自動保護法。一是必須具有通過伺服系統(tǒng)對機器人的誤動作進行監(jiān)視的功能。 一有異常動作應自動切斷電源；二是必須具有當人誤入危險區(qū)時，能立即測知并自動停機的故障自動檢測系統(tǒng)。具體的安全措施設計大致有：,上一頁,下一頁,(1) 設置安全開關。具備連接功能，即拔出門上的安全插銷時，機器人就自動停止。 (2) 安裝警示燈。在自動運轉中開啟指示燈，提醒操作人員不要進入因等待條件而停止的機器人的工作區(qū)。 (
46、3) 安裝監(jiān)視器。采用光電式、靜電電容式傳感器或安全網(wǎng)等，設置監(jiān)視人的不安全動作的系統(tǒng)。 (4) 安裝防越程裝置。即使機器人可以回轉270，一般也應限制其使用范圍。為防止超越使用范圍，必須安裝限位開關和機械式止動器。 (5) 安裝緊急停止裝置。對于微機控制的機電一體化設備，一般采用軟件方式進行減速、停止定位，但從控制裝置容易發(fā)生故障的現(xiàn)狀來看，在安全上仍然存在很大問題。,上一頁,下一頁,因此，緊急停止功能是很重要的。通常對緊急停止裝置的要求是： 應能緊急停止； 電路應是獨立的，以確保高可靠性； 除控制臺以外，在作業(yè)位置上也要安裝緊急停止按鈕； 緊急停止后不能自動恢復工作。 (6) 低速示教。
47、為了確保安全，應設置較低的示教速度，即示教中產(chǎn)生誤動作，也不致造成重大事故。隨著機器人的構造與功能的進步，機器人的自由度增加了、運動范圍擴大了，其應用范圍也在不斷擴大，人機的安全問題就更加突出。,上一頁,下一頁,2. 高溫暖氣鍋爐系統(tǒng)的安全措施設計 高溫暖氣鍋爐系統(tǒng)當發(fā)生鍋爐內(nèi)壓力增大，溫度升高時，供水管道出現(xiàn)斷裂時，必然會發(fā)生爆炸問題。具體采取的安全措施設計有： (1) 鍋爐內(nèi)壓力檢測控制系統(tǒng)，當壓力升高超過允許量程時，自動顯示檢測壓力，并發(fā)出報警信號的同時控制鍋爐供油系統(tǒng)停止供油，打開安全閥。 (2) 鍋爐內(nèi)水量檢測控制系統(tǒng)，自動檢測水量大小，當水量減少到設定極限時，自動發(fā)出報警信號的同時
48、控制啟動鍋爐備用供水系統(tǒng)，達到安全供水。 (3) 鍋爐內(nèi)溫度檢測控制系統(tǒng)，自動顯示溫度值,當溫度升高時，在報警顯示的同時控制鍋爐供油系統(tǒng)停止供油。確保鍋爐的安全，當溫度降低到設定溫度時，提高控制供油量，確保供暖系統(tǒng)的正常工作，達到了節(jié)能安全作用,上一頁,下一頁,習題與思考題,2-1. 機電系統(tǒng)原理方案的選擇原則？ 2-2. 機電系統(tǒng)總體設計的基本原則？ 2-3. 為了提高機電系統(tǒng)的抗干擾能力，總體布局如何設計？ 2-4. 提高機電系統(tǒng)可靠性的設計方法？ 2-5. 舉例說明總體設計思路。 2-6. 舉例說明藝術造型設計的基本原則。 2-7. 自擬題目寫出機電系統(tǒng)可靠性設計論證報告。 2-8. 機電系統(tǒng)設計評審的作用是什么？ 2-9. 機電系統(tǒng)總體安全性設計應具備哪些技術？ 2-10. 機電一體化系統(tǒng)總體結構由哪幾部分組成？設計的要求是什么,上一頁,返回,
機電一體化第二章機電一體化系統(tǒng)總體設計技術.ppt
