第二章 机电一体化系统总体方案设计

第1章机电一体化系统总体方案设计1.1概述1.2总体结构方案设计1.3驱动方案设计1.4控制系统方案设计1.5可靠性设计习题

1.1概述

一、总体方案的作用二、总体方案设计的主要内容

1.2.1主体机械结构设计应遵循的原则：

1.明确 能够全面的体现各方面的设计指标。

2.简单 在满足设计目标要求的条件下，结构尽量简单，组成零件尽可能少，几何形状尽可能规则，便于装配、安装、维修和操作，简化工艺，降低成本。

3.安全可靠 工作安全性和操作安全性。

1.2总体结构方案设计

1.2.2总体布局的设计原则 1.功能合理 2.结构紧凑 3.层次分明4.比例协调（P19）1.3驱动方案设计

1.3.1传动方案设计

机械传动是一种把动力机产生的运动和动力传递给执行机构的中间装置，是一种扭矩和转速的变换器，其目的是在动力机与负载之间使扭矩得到合理的匹配，并可通过机构变换实现对输出的速度调节。在机电一体化系统中，伺服电动机的伺服变速功能在很大程度上代替了传统机械传动中的变速机构，只有当伺服电机的转速范围满足不了系统要求时，才通过传动装置变速。由于机电一体化系统对快速响应指标要求很高，因此机电一体化系统中的机械传动装置不仅仅是解决伺服电机与负载间的力矩匹配问题。而更重要的是为了提高系统的伺服性能。为了提高机械系统的伺服性能，要求机械传动部件转动惯量小、摩擦小、阻尼合理、刚度大、抗振性好、间隙小，并满足小型、轻量、高速、低噪声和高可靠性等要求。机械传动系统的特性转动惯量小、摩擦小、阻尼合适、刚度大、抗振性能好、间隙小转动惯量大会是机械负载增大、系统响应性能变慢、灵敏度降低、固有频率下降，容易谐振。同时，使电气驱动部件谐振频率降低，阻尼增大。阻尼越大，最大振幅越小，衰减越快。但定位精度降低，易产生爬行；稳态误差大，精度降低。刚度大，失动量小。提高刚度可增加闭环系统的稳定性。一、直线运动机构的驱动

1、直线驱动元件直接驱动

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。直线运动的优点是负载与驱动元件直接连接，不需要中间转换机构运动精度影响因素较小，执行结构简单。

缺点是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，占地空间大，液压源噪声大，环境也有污染。

常用的直线驱动元件主要特点及适用场合：参看教材第20页表1-1。2、回转型驱动元件实现的直线运动驱动

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。这种驱动方式的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；可以使用转动型传感器，也可以使用直线型传感器。

回转型驱动元件主要有电动机、气压或液压马达。二、转动输出驱动机构 参看教材第22页表1-2电动机、液压马达和丫丫刚实现转动输出型驱动的特点。1.3.2驱动方式选择1.4控制系统方案设计 1.4.1伺服驱动系统的作用伺服驱动系统由伺服控制器、动力驱动元件、传感元件和执行机构等组成。 二、伺服驱动方案1、开环控制2、闭环控制3、半闭环控制参看教材第24页~第25页。1.5计算机控制系统方案

一、基于产品类型的控制方案设计

二、基于系统规模的控制方案设计三、给予工作环境的控制方案设计1.5可靠性设计一、可靠性指标及相关概念：1.可靠度可靠度就是在规定的时间内和规定的条件下系统完成规定功能的成功概率。有N0个同样的系统，使它们同时工作在同样的条件下，从它们开始运行到t时刻的时间内，有Nf(t)个系统发生故障，Ns(t)个系统工作完好，则该系统t时间的可靠度可表示为：系统的不可靠度F(t)可相应地表示为：(1―1)(1―2)因为一个系统发生故障和无故障是互斥事件，必须满足R(t)+F(t)=1。故可靠度还可以写成：(1―3)例1某种系统(或部件或元件)1000个，工作1000h，有10个发生故障。我们可以计算出这种系统(或部件或元件)千小时的可靠度为：2.失效率失效率为系统运行到t时刻后单位时间内，发生故障的系统数与时刻t时完好系统数之比。失效率有时也称为瞬时失效率或简单地称为故障率。假定N0个系统的可靠度为R(t)，在t时刻到t+Δt时刻的失效率为N0［R(t)-R(t+Δt)］。那么，单位时间内的失效数为N0［R(t)-R(t+Δt)］/Δt。t时刻完好系统数为N0R(t)=Ns(t)。于是，失效数λ(t)可以用下式表示：(1―4)将上式写成微分形式：上式又可以写成：(1―5)(1―6)对(5―6)式从0到t积分，可以得到：(1―7)理论及实践均已证明，对一般电子设备，当然也包括微机应用系统，经过一段时间老化后，λ(t)基本保持不变。因此，λ(t)可用λ代替。于是(5―7)式便可写成：(1―5)失效率也可以用下式进行计算：(1―9)例2有10000个元件运行10000h，有20个元件失效，则该元件的失效率为：失效数3.平均故障间隔时间描述可靠性的另一个重要参数称为平均故障间隔时间MTBF或平均无故障时间(也称为故障前平均时间)MTTF。前者用来描述可修复的产品；后者用于描述不可修复产品。一般情况下，通常都用MTBF来表示：例如，1000台微型计算机，运行1000h，累计出现10次故障，则这种微型机的MTBF计算如下：

4.平均修复时间和利用率平均维修时间和利用率则又从另一角度来描述一个系统(或部件或元器件)的可靠性。对一台微型机来说，当它出现故障时是可以进行维修的。为了表征系统的可维修性，引入平均修复时间MTTR。它也是一个统计值，用下式表示：系统的可用性通常用利用率来表示。利用率就是系统长时间工作中正常工作的概率，也就是系统的使用效率，利用率A用下式表示：(5―11)(5―12)二、可靠性预测

1、试验统计法；2、经验法。（提请各位同学注意教材第29页式1.41.5）三、可靠性指标的分配1、等同分配法2、按比例分配法3、按重要性分配法4、最优化分配法四、冗余设计所谓冗余，就是为了保证整个系统在局部发生故障时能够正常工作，而在系统中设置一些备份部件，一旦故障发生便启动备份部件投入工作，使系统保持正常工作的方法。1)两种结构(1―15)对于n个装置的串联系统，其中任何一个装置出现故障，则整个系统就无法工作。那么，串联系统的可靠度RS为：(1―16)图1.23串并联系统在串并联系统中，每个装置由n个部件串联构成；而系统又由m个装置并联构成。设第i个装置的第j个部件的可靠度为Rij(其中i=1,2，…，m;j=1,2，…，n)，则该串并联系统的可靠度为：(1―17)图1.24并串联系统如果m个部件并联构成装置，n个装置串联构成系统，则并串联系统的可靠度RSP为:2)并联冗余(1)部件级的冗余(2)微型计算机双机并联①同步问题。②故