第3章 典型机电一体化产品规划和概念设计

第3章典型机电一体化产品规划和概念设计3.1概述机电一体化技术是一门多学科交叉的学科，而机电一体化产品覆盖面很广，在系统构成上有着不同的层次，但系统设计还是有着共同的规律可循。机电一体化系统设计流程如图2－1所示，主要有产品规划、概念设计、详细设计、设计实施和设计定型5个阶段。本章及以后各章将以大家较为熟悉的典型机电一体化产品——数控机床为例，探讨机电一体化系统设计流程中的产品规划、概念设计两个阶段。但是这并不意味着其他阶段，不重要，而是由于它们的实践性很强，泛泛而谈收效甚微。以数控机床为例探讨产品规划、概念设计中，重点强调设计方法、设计步骤和设计过程，并不在于所设计的数控机床的创新性。3.2数控机床的产品规划产品规划的任务是为企业提出在未来一段时间内将要开发的新产品或发展方向。产品规划的主要工作是进行需求分析和需求设计。1.数控机床的需求分析需求分析的任务是将不具体的市场需求具体化，明确设计任务的要求，用以自始至终地指导设计工作的进行。需求分析主要是通过市场调查和市场需求预测，提出新产品的研制规划，经过可行性论证后，拟定出设计任务书。根据第2章产品规划中的市场调查和市场预测方法，提出高速高精度、高可靠性、网络化数控机床在目前和未来相当长的时间内，市场需求量将不断增加，具有很好的市场前景。2.数控机床的需求设计需求设计主要是对用户的需求进行理论抽象，明确设计要求，确定产品的规格、技术性能指标。例如，通过市场需求分析、需求设计和论证，要设计高速高精度、高可靠性、网络化的立式数控铣床，其规格和主要技术性能指标如下。机械行程：x轴约600mmy轴约300mmZ轴约450mm主轴最高转速：10000r／min工作台面积：约700mm×310mm工作台最大负重：约400kg传动系统切削进给速度：1～10000mm／minx、y、z轴快速进给速度：20m／min精度：定位精度：士0.008mm重复定位精度：士0.005mm数控系统具有网络通信功能和基本的网络故障诊断功能。3.3数控铣床的概念设计本节主要以上面产品规划所提出的数控铣床的规格和技术指标为基础，运用前面格念设计的基础知识和方法，对数控铣床进行概念设计，包括功能设计、原理设计、结构设计等。1.数控铣床的功能设计功能设计就是对设计任务抽象化，从而确定总功能；然后对总功能进行逐级分解，直到满足功能要求的最小单位——功能元。立式数控铣床的总功能及功能分解如图3－1所示。信息功能本已包含在检测和控制功能内，因网络化需要增加外部网络接口，在此作为总功能的一个分功能。2.数控铣床的原理设计产品的原理设计就是根据上节的功能设计，求解子功能或功能元，寻找实现子功能或功能元的基本原理。如x轴位置检测功能元可以用基于光电基本原理的光电编码器或光栅；主轴驱动传动可以用基于电磁基本原理的交流伺服主轴电机等。对于数控铣床，其子功能或功能元的解在目前市场上都能找到解的功能载体，不需要原创性设计；但是对于新产品，如果其子功能或功能元的解在目前市场上找不到解的功能载体，则需要根据物理效应、化学效应或生物效应进行新的设计。3.数控铣床的结构设计结构设计是进行行为→结构的映射，或直接进行功能→结构的映射而得到结构，即结构建模。产品的结构设计首先寻找承载功能的功能载体，再通过考虑功能载体之间合理的空间连接、相互配合之后，形成零件粗略尺寸、装配空间的整体布置以及它们之间的连接关系，而不关心具体细节。对于如图3－1所示立式数控铣床所分解的功能元或子功能，可以分别寻找它们的功能载体，然后用形态学矩阵表达于功能求解的结果，将相容的子功能解根据功能结构合理组合，得到实现立式数控铣床总功能的整体方案。显然，对于数控铣床这类复杂的机电一体化系统，如果用一个形态学矩阵就会极为庞大，但是可将各底层或相对独立部分的子功能或功能元先建立形态学矩阵，分别考虑局部的设计方案，然后再综合为总体方案。以x进给轴的位置检测、速度检测、驱动传动子功能为例，其形态学矩阵如表3－1所示，可能组合出方案数为N=5×6×5=150。不同的组合可以得到不同的方案。在上述形态学矩阵组成的不同方案中，交流伺服电动机－光栅尺－丝杆螺母组合用于构成全闭环的高速高精度的进给驱动传动系统；交流伺服电动机－光电编码器－丝杆螺母组合、交流伺服电动机－旋转变压器－丝杆螺母组合用于构成半闭环的高速高精度的进给驱动传动系统；步进电动机－齿轮－丝杆螺母组合用于构成开环的一般速度和精度的进给驱动传动系统；直线电动机置位移速度检测、驱动传动于一体，可以构成超高速高精度的进给驱动传动系统。在这几种组合方案中，由于直线电动机目前价格还比较贵，应用受到制约。而形态学矩阵中的其他组合，目前应用较少。主轴的位置检测在这里主要是指主轴的准停位置检测，用于自动换刀等。则主轴的位移速度检测及驱动传动形态学矩阵如表3－2所示，可以组合出方案数为N=4×4×2=32。在由上述形态学矩阵的不同方案中，交流伺服电动机－光电编码器－齿形带（齿轮）组合，主要用于具有自动换刀功能的加工中心或具有螺纹铣削功能的铣床，并且有较高转速主轴的驱动传动；变频电动机－齿轮（齿形带）组合主要用于不需要准停功能的主轴驱动传动；直流伺服主轴电动机－旋转变压器－齿轮组合主要用于不具有准停功能，主轴速度一般的驱动传动；电主轴－光电编码器可用于高速（或超高速）主轴的驱动传动，其价格目前较其他组合高。对于运动支撑，无论是旋转运动支撑还是直线运动支撑，都能找到功能元或子功能对应的功能载体。如在数控机床中，旋转运动支撑最重要的是主轴，可以采用滚动轴承支撑、静动压轴承支撑、磁浮轴承支撑等；直线运动支撑可以采用滑动导轨支撑、滚动导轨支撑、静动压导轨支撑、磁浮导轨支撑、气浮导轨支撑等。远程诊断和维修指示子功能可以凭借网络功能硬件模块及软件模块实现。而该功能的实现会因CNC系统结构的不同而异。如果CNC系统采用单板或大板结构，则需要设计专用的网络模块；如果CNC系统采用基于PC的结构，则可借助其网络硬件实现网络功能。同样，总功能的其他功能元或子功能都能找到对应的功能载体。这样，根据已有的知识、经验、能力和灵感，借鉴类似设计和前期构思中形成的初步方案，通过较优功能元或子功能载体的组合，通过相容性检查、技术经济效益角度的衡量、安全环境方面的考察，就能组合成少数几个较好的整体方案，然后再经过评价和决策，就可以设计出整体方案。3.3.4数控铣床的评价与决策数控机床是一个复杂的机电一体化系统，因此，对数控机床的评价与决策也很复杂。可行的方法是对该复杂系统的总功能进行分解，然后对各个部分进行评价和决策。具体做法可参考本章功能分解和第2童的方法。在各阶段均贯穿着围绕产品设计的目标所进行的“基本原理－总体布局－细部结构”三次循环设计，每一阶段均构成一个循环体，即以产品的规划和讨论为中心的可行性设计循环；以产品的最佳方案为中心的概念性设计循环；以产品性能和结构优化为中心的技术性设计循环。主轴准停装置数控机床为了完成ATC（刀具自动交换）的动作过程，必须设置主轴准停机构。由于刀具装在主轴上，切削时切削转矩不可能仅靠锥孔的摩擦力来传递，因此在主轴前端设置一个突键，当刀具装入主轴时，刀柄上的键槽必须与突键对准，才能顺利换刀；为此，主轴必须准确停在某固定的角度上。由此可知主轴准停是实现ATC过程的重要环节有2种方式，即机械式与电气式机械方式：(1)机械凸轮机构(2)光电盘方式进行粗定位，然后有一个液动或气动的定位销插入主轴上的销孔或销槽实现精确定位，完成换刀后定位销退出，主轴才开始旋转。采用这种传统方法定位，结构复杂，在早期数控机床上使用较多。而现代数控机床采用电气方式定位较多。(1)用磁性传感器检测定位，在主轴上安装一个发磁体与主轴一起旋转，在距离发磁体旋转外轨迹1~2mm处固定一个磁传感器，它经过放大器并与主轴控制单元相连接，当主轴需要定向时，便可停止在调整好的位置上。(2)主轴编码器检测定位，这种方法是通过主轴电动机内置安装的位置编码器或在机床主轴箱上安装一个与主轴1∶1同步旋转的位置编码器来实现准停控制，准停角角度可任意设定。为什么加工中心要有主轴准停？数控机床为了完成ATC(刀具自动交换)的动作过程，必须设置主轴准停机构。由于刀具装在主轴上，切削时切削转矩不可能仅靠锥孔的摩擦力来传递，因此在主轴前端设置一个突键，当刀具装入主轴时，刀柄上的键槽必须与突键对准，才能顺利换刀：为此，主轴必须准确停在某固定的角度上。由此可知主轴准停是实现ATC过程的重要环节。当主轴电机跟主轴之间有减速比的话，1:10以下（非1:1直连）的建议采用：(2)主轴编码器检测定位主轴准停有时不准如何解决？反复执行M19定位查看是否频繁的出现准停不准的现象1.如果每次都不准，但每次准停的位置相同，就通过调整参数进行修正，伺服主轴在系统参数上调整，变频主轴在变频器上调整2.如果偶尔出现不准，且偏差不大，检查电机定位系统，如果有外部定位开关的，先检查定位开关的灵敏性，如果没有检查伺服与电机编码器线3.如果频繁出现，且定位偏差每次不一样，时大时小，通常是应用内部定位的，检查电机与主轴的连接，是否出现松动不同步的情况