第二讲-机电一体化系统总体方案设计

第2讲机电一体化系统总体方案设计主讲教师：姜淑娟沈阳大学机械工程学院1.1概述1、总体方案设计总体方案设计是系统设计的前期工作，是一种概念性的设计，是从系统设计角度出发，根据设计目标的要求，综合考虑系统各个部分之间的关系，从系统角度进行优化，确定系统的最优设计方案。总体方案的作用决定性、战略性、关键性作用。1.1概述2、总体方案设计的主要内容①总体结构方案设计：包括总体结构方案设计、布局及外观设计等内容。②驱动方案设计：包括传动方案设计、驱动方式设计和驱动元件选择等内容。③控制方案设计：包括计算机控制方案设计、伺服控制方案设计和接口方案设计等内容。④人机工程设计：包括人机接口设计和人机环境设计等内容。⑤可靠性设计：包括系统可靠性和人机安全性设计及评价等内容。1.2总体结构方案设计1、主体机械结构主体机械结构方案包括：主要几何尺寸确定、布局、作业空间的确定、运动自由度数的确定和操作环境的确定。作用：主体结构方案的合理影响系统的基本功能、系统的工作特性、制造工艺性和制造成本。机构设计应遵循的基本原则：①明确——结构方案应能明确体现各个方面的设计指标。首先是所选方案的工作原理要明确，才能使所设计的结构能可靠地实现所要求的目标；其次，要明确工作条件，如载荷情况和运行速度；还要明确作业空间参数和使用条件。②简单——满足设计目标要求的条件下，系统结构尽量简单。③安全可靠——包括机器的工作安全性和操作安全性两方面内容，是总体结构方案设计必须考虑的内容。1.2总体结构方案设计2、总体布局总体布局是总体设计的重要环节，布局的设计任务是，确定系统各个主要部件的相对位置关系以及它们所需要的相对运动关系。总体布局应遵循的基本原则：①功能合理：各个子功能要变于实现，不论是在系统的内部还是外观上都应考虑功能目标的总体布局。②结构紧凑：内部机构的紧凑要便于装配和维修，外部结构的紧凑是艺术造型的良好基础。③层次分明：总体结构的所有部件的布局应层次分明，一目了然。④比例协调：获得美观的外形。⑤总体布局由装置或者零部件的形状、大小、数量、位置和顺序等5个基本因素决定。总体布局要与主体机械结构、电气控制装置、辅助装置、人机操作接口的设计以及使用环境的要求来一起考虑。1.3驱动方案设计1、传动方案设计常用的执行机构按运动形式的不同可以划分为直线输出型和转动输出型两大类。（1）直线运动机构的驱动①直线驱动元件直接驱动②回转型驱动元件实现的直线运动驱动1.3驱动方案设计1、传动方案设计直线步进电机、阀控油缸、气缸都可以直接驱动负载，产生直线运动。优点：负载与驱动元件直接连接，不需要中间转换机构，负载的运动精度不受中间机构的影响，直接反映驱动元件的精度，执行机构结构简单。缺点：直线驱动元件的种类相对较少，尺寸较大。气缸和油缸的结构比较简单，但需要控制阀、动力源等辅件，占地空间较大，液压源的噪声较大，也有环境污染问题。功率型直线步进电机和直流电机的体积都比较大，价格也比较昂贵。（1）直线运动机构的驱动①直线驱动元件直接驱动1.3驱动方案设计1、传动方案设计（1）直线运动机构的驱动表1常用的直线驱动元件的主要特点及适用场合①直线驱动元件直接驱动1.3驱动方案设计②回转型驱动元件实现的直线运动驱动回转型驱动元件如直流电动机、步进电机、交流伺服电机经过一定传动装置将其转动变换成直线运动。常用的驱动方式有电动机丝杠螺母机构、电动机齿轮齿条（齿形带）机构和电动机连杆机构。1、传动方案设计（1）直线运动机构的驱动特点：是通过一个中间传动机构将电动机的运动传递给负载，通常中间机构可以实现很大的传动比、具有较大的驱动能力和较小的折算惯量、控制性能较好。1.3驱动方案设计（2）转动输出型驱动机构负载是转动形式运动，实现负载的转动运动既可以使用回转驱动元件，也可以使用直线型驱动元件。回转主动元件有电动机、气压或液压马达。2、驱动方式选择（1）家用电器，医疗器械应满足无污染、低噪声、体积小、重量轻的要求。选用电子能源，应采用220伏市电，避免三相动力电；还可以考虑电池供电；传动方式上，考虑噪声低的传动方式，如采用同步齿形带。（2）食品，医疗生产机电产品应避免污染，可采用气动或电动驱动，不宜采用液压驱动。（3）水下设备考虑高压密封问题，比如采用液压驱动较电驱动易实现密封，使用复合材料轴承代替普通滚动轴承可延长寿命，改善关节性能。（4）一般工业设备可采用电、气、液三种驱动方法，根据具体情况进行具体分析。1.4控制系统方案设计1、伺服驱动方案设计（1）伺服驱动系统的作用①伺服驱动系统是“机”和“电”之间的接口，通过它把电信号转换成执行机构的动力输出量。②系统的精度和动态性能指标主要是由伺服驱动系统的性能决定的。③伺服驱动系统的工作可靠性直接影响整个系统的可靠性。④伺服驱动系统的成本对系统的成本影响很大。⑤伺服驱动系统对系统的噪声、对环境的影响起决定作用。1.4控制系统方案设计1、伺服驱动方案设计（2）对伺服驱动系统的要求①好的动、静态指标。②合理的结构，体积小、重量轻。③高效率、低功耗。④高可靠性。⑤低成本。⑥环境无害。1.4控制系统方案设计（3）伺服驱动方案①按照控制器的实现方法分为：模拟式和数字式。模拟式伺服控制系统一般只用在双闭环控制系统的内环、精度要求不高的交流或直流伺服系统中。数字式伺服控制系统比较常用，可用于开环、半闭环和闭环控制系统中。②按照控制原理分为：开环、半闭环和闭环控制。图1开环控制系统框图图2闭环控制系统框图图3半闭环控制系统框图2、计算机控制系统方案（1）基于产品类型的控制方案设计考虑保证实现系统的基本控制功能、性能指标外，还要综合考虑其他一些因素，包括：①单件小批量还是大批量生产大批量生产→主要考虑生产效率、生产成本和可维护性→设计专用计算机控制系统→提高计算机资源的利用率，降低生产成本，提高系统的可靠性。单件小批量产品→通用计算机产品，以便降低成本，缩短生产周期。②一般工业产品还是满足特殊要求的产品对一般的工业产品→成本和生产周期应作为主要指标来考虑。对军事、航天、水下等殊要求的场合→重要的是可靠性和环境适应性。③产品开发还是科研样机对于产品开发要考虑将来的生产成本、生产周期、可维修性等因素。对科研样机的研制主要是要研究装置的工作原理、获取必要的数据，这时应该选择硬件接口资源比较丰富、软件开发方便及速度快、兼容性好的专用计算机系统。④工业产品与民用产品对于小型家电、便携式仪器仪表→体积、重量、功耗、成本等应优先考虑，这些产品应尽量考虑使用专用的单片机控制系统或微处理器。对一般工业产品，可靠性应作为主要考虑的因素。（2）基于系统规模的控制方案设计①分级控制特点：功能分散、任务分散、维护容易、可靠性高，适用于回路较多的控制系统。上位机：实现命令及数据的输入、状态显示，接受下位机反馈回来的信息，经过轨迹规划、控制算法，向下位机发出控制命令。下位机：接受上位机发来的信息并向上位机反馈工作状态，完成反馈信息采样、滤波算法、伺服控制算法和控制信号的输出。②集中控制轨迹规划、系统管理、伺服控制都由一台计算机完成，要求速度快、实时性好、接口功能强，一般采用工业PC等系统机或者DSP。2、计算机控制系统方案图4上、下位双极控制结构原理图图5集中控制结构原理图（3）基于工作环境的控制方案设计家用电器家用电器的工作环境相对较好，提高家电的抗干扰能力会增加其成本，因此一般不需对其进行抗干扰设计。但是，对于一些涉及家电安全和人身安全的问题，在开发家电产品时就必须加以考虑。如热水淋浴器的缺水保护、断电保护、漏电保护；电冰箱突然停电，对压缩机的保护等。办公设备办公设备的工作环境相对较好，办公室内一般不会有大功率的设备，各种干扰相对较小，一般并不需要对控制系统提出特殊的要求。在选择控制系统时主要考虑使其体积小、移动方便、操作简便、功耗小、噪声低、通用性好等问题。生产设备数控机床、工业机器人、自动包装机、自动生产线等用于工业生产的机电一体化设备，长期地在工厂、车间内工作，环境的电磁干扰、电网干扰都很大，车间的温差也很大。因此，对这类机电一体化产品必须进行抗干扰设计。2、计算机控制系统方案（3）基于工作环境的控制方案设计常见的抗干扰设计方法有：①选择抗干扰能力强的控制计算机。②采用抗干扰电源。③屏蔽，接地保护。④系统防尘、防潮设计。⑤抗振设计。⑥抗干扰软件。⑦抗干扰硬件。⑧冗余设计。⑨恒温控制。2、计算机控制系统方案1.5可靠性设计1、系统可靠性（1）可靠性指标①可靠度函数与失效概论可靠度函数是产品在规定的条件下和规定的时间t内，完成规定功能的概率，以R(t)表示；反之，不能完成规定功能的概率称为失效概率，以F(t)表示。产品工作到t时刻时，单位时间内失效数与t时刻尚存的有效产品数R(t)的比称为失效率，以表示，反映任意时刻失效概率的变化情况。dttdFtRtftRdttdFtt1.5可靠性设计1、系统可靠性（1）可靠性指标1.5可靠性设计1、系统可靠性（2）可靠性预测通过预测，对新产品设计的可靠性做出估计，提供方案修改、调整及优选的依据，并可由此对产品的维修费用以至全寿命运行费用做出估计。包括元件可靠性预测和系统可靠性预测。①元件可靠性预测包括以下两种方法：实验统计法—通过模拟实验，确定元件在任何规定的使用时间内的可靠性。经验法—查可靠性手册或根据类似元件的使用经验积累的可靠性数据，考虑在新产品设计中的使用条件，估计出元件的可靠性水平。1.5可靠性设计1、系统可靠性（2）可靠性计算②系统的可靠度主要取决于元件的可靠度和元件的组合方式两个因素。最基本的组合方式为串联和并联，串联系统的可靠度R，等于各组成单元可靠度Ri的乘积：并联模型也叫做并联冗余系统，可分为工作储备和非工作储备，通常称为热储备和冷储备。niiRR1热储备是使用多个零部件来完成同一任务的组合。在系统中，所有零部件一开始就同时工作，但其中任一零部件都单独地支持整个系统工作，因此系统的可靠度冷储备是指系统中零部件的某一个处于工作状态，其他的则处于“待命状态”，当工作状态的零部件出现故障后，处于“待命状态”的零部件立即转入“工作状态”。niiRR111思考题：某系统由3个元件组成，其可靠度分别为0.9，0.8和0.7，各元件以串列的方式联接，求系统的可靠度。若以并联方式联接，其可靠度为多少。1.5可靠性设计1、系统可靠性（3）可靠性指标的分配①等同分配法按照各组成单元可靠性相等的原则分配。②按比例分配法其分配原则是按照各组成单元的预计失效概率的比例进行分配。③按重要性分配法考虑各组成单元的重要程度、复杂程度及工作时间等差别的分配方法。④最优化分配法根据系统中起主导作用的特性参数的优化目标和各种限制性约束条件选取最优化分配方案。1.5可靠性设计（4）冗余设计冗余设计也成为储备设计，常用的方法有：①在满足产品性能要求的前提下，尽可能简化产品结构，次要部件和不必要的复杂机构只会增加产品发生故障的概率。②提高产品各部件的可靠性。③在可靠性低的部件上使用并联储备。④采用冷储备，即在部件出现故障时，由备用部件自动转入工作。⑤维修维护，即更换或修理故障部件，与冷储备不同之处，在于部件不是自动转入工作。⑥预防性维修，即不论部件是否发生故障，到了一定的工作周期均用新部件取代旧部件。2、人机安全性安全性是机电一体系统设计中必须认真解决的问题，它包括：(1)机电一体化系统本身的工作安全性自动设置安全工作区限，设计互锁安全操作，工作环境条件的监测、监控，非正常工作状态的自动停机，对操作失误的自动安全处理等。(2)操作人员的安全性采取各种保障人身安全的措施，如漏电保护、报警指示、急停操作和快速制动等，同时对危险工作区要设置自动光电栅栏、工作区自动防护及有害物和危险物的自动封闭等。等同分配法按照各组成单元可靠性相等的原则分配。设系统的可靠的的指标R含有n个单元，各单元的分配可靠度Ri串联系统并列系统1niRR111niRR