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機(jī)電一體化總體設(shè)計(jì)
機(jī)電一體化總體設(shè)計(jì)【1】
【摘 要】機(jī)電一體化設(shè)計(jì)是機(jī)床設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)是一個(gè)重要內(nèi)容，總體設(shè)計(jì)應(yīng)該從總體機(jī)械結(jié)構(gòu)出發(fā)，綜合考慮驅(qū)動(dòng)方案和系統(tǒng)的可靠性，選擇最合理的方案，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化產(chǎn)品整體的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
【關(guān)鍵詞】主體機(jī)械結(jié)構(gòu);驅(qū)動(dòng)方案;可靠性
1 主體機(jī)械結(jié)構(gòu)
主體機(jī)械結(jié)構(gòu)方案包括：機(jī)械的主要幾何尺寸確定、布局、作業(yè)空間的確定、運(yùn)動(dòng)自由度數(shù)的確定。
機(jī)床主體在設(shè)計(jì)時(shí)候要遵循以下幾點(diǎn)原則：
明確――結(jié)構(gòu)方案應(yīng)能明確體現(xiàn)各個(gè)方面的設(shè)計(jì)指標(biāo)。
首先是所選方案的工作原理要明確，才能使所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)能可靠地實(shí)現(xiàn)所要求的目標(biāo);其次，要明確工作條件，如載荷情況和運(yùn)行速度;還要明確作業(yè)空間參數(shù)和使用條件。
簡(jiǎn)單――滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求的條件下，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單。
安全可靠――包括機(jī)器的工作安全性和操作安全性兩方面內(nèi)容，是總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)必須考慮的內(nèi)容。
例如，在機(jī)械行業(yè)中最有名氣的車(chē)床CA6140，它在主體設(shè)計(jì)時(shí)車(chē)床的床身、床腳、油盤(pán)等采用整體鑄造結(jié)構(gòu)，剛性高，抗震性好，符合高速切削機(jī)床的特點(diǎn);車(chē)機(jī)床潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理可靠，車(chē)頭箱、進(jìn)給箱、溜板箱均采用體內(nèi)飛濺潤(rùn)滑，并增設(shè)線泵、柱塞泵對(duì)特殊部位進(jìn)行自動(dòng)強(qiáng)制潤(rùn)滑。
2 驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)
直線驅(qū)動(dòng)元件直接驅(qū)動(dòng)：
直線步進(jìn)電機(jī)其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，傳感器采用磁電式或直接開(kāi)環(huán)控制，控制特點(diǎn)是使用專(zhuān)用傳感器，開(kāi)環(huán)控制位置精度高，低速振動(dòng)較大，直線步進(jìn)電機(jī)適用場(chǎng)合為并聯(lián)機(jī)器人，成本較高。
氣壓缸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳感器是直接型位移傳感器，控制特點(diǎn)是使用氣壓控制閥控制，快速性好，負(fù)載能力差，適用場(chǎng)合為包裝機(jī)，成本較低。
液壓缸，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，傳感器為直接型位移傳感器，控制特點(diǎn)是使用電液伺服閥控制，快速性好，負(fù)載能力強(qiáng)，適用場(chǎng)合為并聯(lián)機(jī)器人和包裝機(jī)，成本較高。
3 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
機(jī)床的控制系統(tǒng)是非常重要的，如果沒(méi)有控制系統(tǒng)，那么機(jī)床就是一個(gè)不完整的，說(shuō)嚴(yán)重一些就是一個(gè)廢品，那么機(jī)床也不可能為人們服務(wù)了。
機(jī)床控制系統(tǒng)按原理分為：開(kāi)環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)控制。
開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)也就是沒(méi)有反饋元件。
閉環(huán)控制系統(tǒng)是有反饋元件，反饋元件直接安裝在最終的運(yùn)動(dòng)部件上。
半閉環(huán)控制系統(tǒng)是檢測(cè)元件安裝在機(jī)床的中間環(huán)節(jié)上。
4 可靠性設(shè)計(jì)
4.1 可靠度函數(shù)與失效概論
可靠度函數(shù)是產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間t內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率，以R(t)表示;反之，不能完成規(guī)定功能的概率稱(chēng)為失效概率，以F(t)表示。
產(chǎn)品工作到t時(shí)刻時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)失效數(shù)與t時(shí)刻尚存的有效產(chǎn)品數(shù)R(t)的比稱(chēng)為失效率，以λ(t)表示，反映任意時(shí)刻失效概率的變化情況。
4.2 系統(tǒng)可靠性
可靠性預(yù)測(cè)，通過(guò)預(yù)測(cè)，對(duì)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可靠性做出估計(jì)，提供方案修改、調(diào)整及優(yōu)選的依據(jù)，并可由此對(duì)產(chǎn)品的維修費(fèi)用以至全壽命運(yùn)行費(fèi)用做出估計(jì)。
包括元件可靠性預(yù)測(cè)和系統(tǒng)可靠性預(yù)測(cè)。
(1)元件可靠性預(yù)測(cè)包括以下兩種方法：
實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法―通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)，確定元件在任何規(guī)定的使用時(shí)間內(nèi)的可靠性。
經(jīng)驗(yàn)法―查可靠性手冊(cè)或根據(jù)類(lèi)似元件的使用經(jīng)驗(yàn)積累的可靠性數(shù)據(jù)，考慮在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的使用條件，估計(jì)出元件的可靠性水平。
(2)系統(tǒng)的可靠度主要取決于元件的可靠度和元件的組合方式兩個(gè)因素。
最基本的組合方式為串聯(lián)和并聯(lián)，串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度R，等于各組成單元可靠度Ri的乘積。
4.3 優(yōu)化指標(biāo)
設(shè)某個(gè)產(chǎn)品共有m個(gè)可行的方案，每個(gè)方案都選定n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo);Kij為第i個(gè)方案中第j項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)值;Kmaxj是第j項(xiàng)指標(biāo)在各方案中的最大值;Wj是第j項(xiàng)指標(biāo)的加權(quán)值，它反映了這項(xiàng)指標(biāo)在該產(chǎn)品中相對(duì)于其它各項(xiàng)指標(biāo)的重要程度，且滿足：
Wj=1 0≤Wj≤1(1)
則采i個(gè)方案的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)(即評(píng)價(jià)函數(shù))為：
Hi=Wj， i=1，2，...，m(2)
求出各方案的最佳評(píng)價(jià)函數(shù)值Himax：
Hmax=max{Himax，(i=1，2，...，m)}(3)
通過(guò)(1)，(2)，(3)求出數(shù)據(jù)，通過(guò)下列方案進(jìn)行對(duì)比選出最佳方案。
可行方案1，失效率Ki1/10-6h-1為120，成本Ki2為7千元，模塊化程度Ki3是0.5，評(píng)價(jià)函數(shù)Himax是-0.46，權(quán)重系數(shù)Wj為0.5。
可行方案2，失效率Ki1/10-6h-1為170，成本Ki2為4千元，模塊化程度Ki3是0.8，評(píng)價(jià)函數(shù)Himax是-0.37，權(quán)重系數(shù)Wj為0.3。
可行方案3，失效率Ki1/10-6h-1為180，成本Ki2為4千元，模塊化程度Ki3是0.7，評(píng)價(jià)函數(shù)Himax是-0.42，權(quán)重系數(shù)Wj為0.2。
可行方案4，失效率Ki1/10-6h-1為210，成本Ki2為3千元，模塊化程度Ki3是0.5，評(píng)價(jià)函數(shù)Himax是-0.50.
機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程【2】
摘要: 機(jī)電一體化是多學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域綜合交叉的技術(shù)密集型系統(tǒng)工程,因此在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過(guò)程中,要特別強(qiáng)調(diào)技術(shù)融合,學(xué)科交叉的作用。
闡述機(jī)電一體化產(chǎn)品典型設(shè)計(jì)進(jìn)程,它通常劃分為四個(gè)階段,包括準(zhǔn)備階段,理論設(shè)計(jì)階段,設(shè)計(jì)實(shí)施階段,設(shè)計(jì)定型階段。
關(guān)鍵詞: 機(jī)電一體化;設(shè)計(jì)方法;步驟
機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)是多個(gè)學(xué)科的交叉和綜合,涉及的學(xué)科和技術(shù)非常廣泛,其技術(shù)發(fā)展迅速,水平越來(lái)越高。
由于機(jī)電一體化產(chǎn)品覆蓋面很廣,在系統(tǒng)的構(gòu)成上,有著不同的層次,但在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面有著相同的規(guī)律。
機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)是根據(jù)系統(tǒng)論的觀點(diǎn),運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)的方法構(gòu)造產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、賦予產(chǎn)品性能并進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過(guò)程。
整個(gè)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程按步驟可劃分為四個(gè)階段:
1 設(shè)計(jì)籌劃階段
1)在籌劃階段中要對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行機(jī)理分析,對(duì)客戶的要求進(jìn)行理論性抽象,以確定產(chǎn)品的性能、規(guī)格、參數(shù)。
在這個(gè)階段,因?yàn)橛脩粜枨笸敲嫦虍a(chǎn)品的使用目的,并不全是設(shè)計(jì)的技術(shù)參數(shù),所以需要對(duì)用戶的需求進(jìn)行抽象,要在分析對(duì)象工作原理的基礎(chǔ)上,澄清用戶需求的目地、原因和具體內(nèi)容,經(jīng)過(guò)理論分析和邏輯推理,提煉出問(wèn)題的本質(zhì)和解決問(wèn)題的途徑,并用工程語(yǔ)言描述設(shè)計(jì)要求,最終形成產(chǎn)品的規(guī)格和參數(shù)。
對(duì)于加工機(jī)械而言,它包括如下幾個(gè)方面:
�、� 運(yùn)動(dòng)參數(shù):表征機(jī)器工作部件的運(yùn)動(dòng)軌跡和行程、速度和加速度。
�、� 動(dòng)力參數(shù):表征機(jī)器為完成加工動(dòng)作應(yīng)輸出的力(或力矩)和功率。
�、� 品質(zhì)參數(shù):表征機(jī)器工作的運(yùn)動(dòng)精度、動(dòng)力精度、穩(wěn)定性、靈敏度和可靠性。
�、� 環(huán)境參數(shù):表征機(jī)器工作的環(huán)境,如溫度、濕度、輸入電源。
�、� 結(jié)構(gòu)參數(shù):表征機(jī)器空間幾何尺寸、結(jié)構(gòu)、外觀造型。
�、� 界面參數(shù):表征機(jī)器的人機(jī)對(duì)話方式和功能。
2)在這個(gè)階段中要根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)的需求,開(kāi)展技術(shù)性分析,制定系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案,劃分出構(gòu)成系統(tǒng)的各功能要素和功能模塊,然后對(duì)各類(lèi)方案進(jìn)行可行性研究對(duì)比,核定最佳總體設(shè)計(jì)方案、各個(gè)模塊設(shè)計(jì)的目標(biāo)與相關(guān)人員的配備。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案文件的內(nèi)容包括:
① 系統(tǒng)的主要功能、技術(shù)指標(biāo)、原理圖及文字說(shuō)明。
�、� 控制策略及方案。
�、� 各功能模塊的性能要求,模塊實(shí)現(xiàn)的初步方案及輸出輸入邏輯關(guān)系的參數(shù)指標(biāo)。
�、� 方案比較和選擇的初步確定。
�、� 為保證系統(tǒng)性能指標(biāo)所采取的技術(shù)措施。
⑥ 抗干擾及可靠性設(shè)計(jì)策略。
�、� 外觀造型方案及機(jī)械主體方案。
�、� 經(jīng)費(fèi)和進(jìn)度計(jì)劃的安排。
2 理論設(shè)計(jì)階段
首先,根據(jù)系統(tǒng)的主功能要求和構(gòu)成系統(tǒng)的功能要素進(jìn)行系統(tǒng)要素進(jìn)行主功能分解,劃分出功能模塊,畫(huà)出機(jī)器工作時(shí)序圖和機(jī)器傳動(dòng)原理簡(jiǎn)圖;對(duì)于有過(guò)程控制要求的系統(tǒng)應(yīng)建立各要素的數(shù)學(xué)模型,確定控制算法;計(jì)算出各功能模塊之間接口的輸入、輸出參數(shù),確定接口設(shè)計(jì)的任務(wù)分配。
應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是,系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的接口設(shè)計(jì)是對(duì)接口輸入輸出參數(shù)或機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì),而功能模塊設(shè)計(jì)中的接口設(shè)計(jì)則是遵照系統(tǒng)設(shè)計(jì)制定的接口參數(shù)進(jìn)行細(xì)部設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)接口的技術(shù)物理效應(yīng),兩者在設(shè)計(jì)內(nèi)容和設(shè)計(jì)分工上是不同的。
不同類(lèi)型的接口,其設(shè)計(jì)要求有所不同。
傳感器是機(jī)電一體化系統(tǒng)的感覺(jué)器官,它從待測(cè)對(duì)象那里獲得反映待測(cè)對(duì)象特征與狀態(tài)的信息,監(jiān)視監(jiān)測(cè)整個(gè)設(shè)備的工作過(guò)程,傳感器接口要求傳感器與被測(cè)對(duì)象機(jī)械量信號(hào)源應(yīng)有直接關(guān)系,保證標(biāo)度轉(zhuǎn)換及數(shù)學(xué)建模快速、準(zhǔn)確、可靠,傳感器與機(jī)械本體之間聯(lián)接簡(jiǎn)潔、牢固,靈敏度高、動(dòng)態(tài)性能好,抗機(jī)械諧波干擾性強(qiáng),正確反映待測(cè)對(duì)象的被測(cè)參數(shù)。
變送接口要滿足傳感器模塊的輸出信號(hào)與微機(jī)前向通道電氣參數(shù)的匹配及遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸?shù)囊?接口信號(hào)的傳輸要精確,可靠性強(qiáng),抗干擾能力強(qiáng),噪音容限較低;傳感器的輸出阻抗要與接口的輸入阻抗相配合;接口輸出的電平要與微機(jī)的電平一致;為方便微機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理,接口輸入信號(hào)和輸出信號(hào)之間的關(guān)系須是線性關(guān)系。
驅(qū)動(dòng)接口要能滿足接口的輸入端與微機(jī)系統(tǒng)的后向通道在電平上保持一致,接口的輸出端與功率驅(qū)動(dòng)模塊的輸入端之間電平匹配的同時(shí),阻抗也要匹配。
其次,為防止功率設(shè)備的強(qiáng)電回路反竄入微機(jī)系統(tǒng),接口必須采取有效的抵抗干擾措施。
傳動(dòng)接口是一個(gè)機(jī)械接口,要求它的聯(lián)接結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧,具有較高的傳動(dòng)精度和定位精度,安裝、維修、調(diào)整簡(jiǎn)單方便,傳動(dòng)效率高,剛度好,相應(yīng)快。
其次,以功能模塊為單元,依據(jù)以上接口設(shè)計(jì)參數(shù)的要求對(duì)信號(hào)檢測(cè)與轉(zhuǎn)換、機(jī)械傳動(dòng)與工作機(jī)構(gòu)、控制微機(jī)、功率驅(qū)動(dòng)及執(zhí)行元件等進(jìn)行各個(gè)功能模塊的選型、組配、設(shè)計(jì)。
在此階段的設(shè)計(jì)工作量較大,既包括機(jī)械、電氣、電子、控制與計(jì)算機(jī)軟件等系統(tǒng)的設(shè)計(jì),又包括總裝圖、零件圖的具體模塊選型、組配。
一方面不僅要求在機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)選擇的機(jī)械系統(tǒng)參數(shù)要與控制系統(tǒng)的電氣參數(shù)相匹配,同時(shí)也要求在進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),要根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的固有結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)選擇及確定相關(guān)電氣參數(shù),綜合應(yīng)用微電子技術(shù)與機(jī)械技術(shù),讓兩項(xiàng)技術(shù)互相結(jié)合、互相協(xié)調(diào)、互相補(bǔ)充,把機(jī)電一體化的優(yōu)越性充分體現(xiàn)出來(lái)。
為提高工效,應(yīng)該盡量應(yīng)用各種cad、PRO/E等輔助工具;整個(gè)設(shè)計(jì)應(yīng)盡量采用通用的模塊和接口,以利于整體匹配,利于后期進(jìn)行產(chǎn)品的更新?lián)Q代。
最后,以技術(shù)文件的方式對(duì)完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)采取整體技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析,設(shè)計(jì)目標(biāo)考核與系統(tǒng)優(yōu)化,擇優(yōu)選擇出綜合性能指標(biāo)最優(yōu)的方案。
其中,系統(tǒng)功能分解應(yīng)綜合運(yùn)用機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)各自的優(yōu)勢(shì),努力使系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單化、模塊化。
經(jīng)常用到的設(shè)計(jì)策略有如下幾種:
�、� 用電子裝置替代機(jī)械傳動(dòng),縮減機(jī)械傳動(dòng)裝置,簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu),減小尺寸,減輕重量,增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)精度和控制靈活性。
�、� 在選擇功能模塊時(shí)要選用標(biāo)準(zhǔn)模塊,通用模塊,防止重復(fù)設(shè)計(jì)低水平的功能模塊,采用可靠的高水平模塊,以利于減少設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的周期。
③ 加強(qiáng)柔性應(yīng)用功能,改變產(chǎn)品的工作方式,讓硬件的組成軟件化,讓系統(tǒng)的構(gòu)成智能化。
�、� 設(shè)計(jì)策略選擇要以微機(jī)系統(tǒng)作為整個(gè)設(shè)計(jì)的核心。
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