机电一体化系统设计第一章

机电一体化系统设计实例分析课程基本情况总学时：32学时，课堂教学：32学时。先修课：大学计算机基础；电液伺服系统；高等数学；机械控制工程基础；机械设计；模拟电子技术；计算机控制技术。教材和参考书：《机电一体化系统设计实例精解》，机械工业出版社，高安邦等编著。《机电一体化系统设计》，机械工业出版社，赵松年等编著《机电一体化应用实例集锦》，国防工业出版社，杨志勤等编著关于考试的说明：期末考试占70%；平时作业及学习情况占30%学时分配序号名称学时分配一机电一体化系统设计综述4二现代伺服系统设计实例分析10三基于LabVIEW的测控系统实例分析6四基于LonWorks现场总线的测控系统设计实例分析

4五智能机器人设计实例分析4六全自动洗衣机机电一体化设计4合计32第一章机电一体化系统设计综述机电一体化系统的基本概念机电一体化系统的类型机电一体化系统的功能组成机电一体化系统设计步骤和方法机电一体化系统的可靠性设计1.0机电一体化系统的基本概念美国《技术评论》认为，有十种新兴技术在不远的将来会产生巨大影响：卵子干细胞，超效太阳能，光场摄影术，太阳能微电网，3D晶体管，更快的傅里叶变换，纳米孔测序，公众集资，快速发掘新材料，“脸谱”时间轴。什么是机电一体化？机械手模型什么是机电一体化？液面控制系统什么是机电一体化？什么是机电一体化？“机电一体化”一词(Mechantronics)在20世纪70年代起源于日本。它取英语Mechanics(机械学)的前半部和Electronics（电子学）的后半部分拼成一个新词，即机械电子学或机电一体化。机电一体化是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术、信息技术，将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。什么是机电一体化机电一体化技术综合应用了机械技术、微电子技术、信息处理技术、自动控制技术、检测技术、电力电子技术,接口技术及系统总体技术等技术。普通车床数控车床机电一体化技术在制造业的应用从一般的数控机床、加工中心和机械手发展到智能机器人、柔性制造系统（FMS）、无人生产车间和将设计、制造、销售、管理集于一体的计算机集成制造系统（CIMS）。机电一体化技术是其他高新技术发展的基础,机电一体化的发展依赖于其他相关技术的发展。机电一体化产品的优越性安全性和可靠性提高机电一体化产品一般都具有自动监视、报警、自动诊断、自动保护等功能。在工作过程中，遇到过载、过压、过流、短路等电力故障时，能自动采取保护措施，避免和减少人身和设备事故的发生，显著提高设备的使用安全性。改善使用性能机电一体化产品普遍采用程序控制和数字显示，操作按钮和手柄数量显著减少，使得操作大大简化并且方便、简单。机电一体化产品的优越性工作效率和质量得以提高具有信息自动处理和自动控制功能，其控制精度有很大程度的提高，使之不受机械操作者主观因素的影响，从而实现最佳操作，保证最佳的工作质量和产品的合格率。同时由于机电一体化产品实现了工作的自动化，使生产效率得以大大提高。机电一体化产品的优越性调整和维护方便可以事先存入若干套不同的执行程序，根据不同的工作对象，即可按指定的预定程序进行自动工作。机电一体化产品的自动化检验和自动监视功能可对工作过程中出现的故障自动采取一定的措施，使工作恢复正常。功能多、适用面广产品的功能水平和自动化程度大大提高，能应用于不同的场合和不同领域，满足用户需求的应变能力较强。典型的机电一体化产品加工制造业：数控机床、机器人家用电器：洗衣机航空航天设备：雷达、飞船医疗仪器设备：CT、分析仪汽车业：其他：、电子排版印刷系统、CAD／CAM系统等机电一体化的科幻产品1.1机电一体化系统的类型机电一体化系统的设计类型开发性设计：根据抽象的设计原理和要求，没有参照样品的设计——全新的机电一体化产品适应性设计：在总的原理基本保持不变的情况下，对现有产品进行局部更改——采用电子技术或计算机控制技术代替机械机构产生的新一代机电一体化产品，如全自动洗衣机，数控机床等变异性设计：设计方案和功能结构不变，仅改变现有产品的规格尺寸——系列化设计机电一体化系统的结构形式机器的总功能分解成若干个子功能，再把子功能分解成若干功能元素，把子功能或功能元素按一定的逻辑关系连接起来，就形成了系统的功能结构。功能结构有三种基本形式：串联；并联；反馈连接机电一体化系统的控制类型按照有无输出量的反馈开环控制系统：结构简单,成本低,维修方便；但精度较低,对输出和干扰没有诊断能力。常用于精度要求不高的场合。闭环控制系统：精度高、抗干扰能力强，但结构复杂成本高。现代机电一体化系统常采用闭环控制，如数控机床，机器人，雷达等。机电一体化系统的控制类型按照控制器的实现方式不同模拟控制系统：模拟放大器，分立元件为基本单元数字控制系统：微处理器，软件算法和接口电路动力机构不同机械式电气式流体式（液压和气动）单输入单输出系统、多输入多输出系统1.2机电一体化系统的功能组成内部功能

机电一体化系统输入：材料，能源和信息；输出：物质，能量和信息（目的）主功能（变换，传递和储存）：实现目的功能动力功能：提供动力检测和控制功能：系统外部和内部信息结构功能：位置子系统和零部件的相互关系接口功能：系统外部和内部各要素的相互连接内部功能的评价指标和设计要求机电一体化系统的基本组成位置,速度检测单元电机机械部件位置,速度反馈CNC数控机床伺服系统组成机电一体化系统的基本组成上述组成要素内部及其之间,形成通过接口耦合来实现运动传递、信息控制、能量转换等有机融合的一个完整系统。(a）机电一体化系统的组成要素;(b）机电一体化系统的功能

机电一体化系统的基本组成机械本体系统所有功能元素的机械支持结构，包括机身、框架、联接等。要求：可靠，小型，美观，使用、操作和维护方便执行机构根据控制信息和指令，完成要求的动作。工作部分：形状和结构与工作对象有关导向部分：直线运动和回转运动、空间轨迹机电一体化系统的基本组成执行机构的设计要求实现所需的运动：精度、轨迹、灵敏度传递必要的动力：强度、刚度有良好的动态品质执行机构的分类电动式流体传动其他物理效应工作特点机电一体化系统的基本组成动力和驱动部分按照系统控制要求，为系统提供能量和动力使系统正常运行。用尽可能小的动力输入获得尽可能大的功能输出。驱动部分在控制信息作用下，驱动各执行机构完成各种动作和功能。其功能是把控制器输出的微小信号放大成与执行元件相匹配的功率信号。驱动部分的主要功能是放大，变换和匹配，要求：满足快速响应和工作平稳性要求足够的功率余量良好的散热措施自动保护措施：过压、过流、过热等机电一体化系统的基本组成检测部分对系统运行中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，变成可识别信号，传输到信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的控制信息。其功能一般由专门的传感器和仪器仪表完成。传感器的要求快速，精确，价格低廉安全可靠，环境适应性强稳定性好，信噪比高体积小，重量轻机电一体化系统的基本组成传感器的分类按使用目的：位置、速度、力、……按是否接触：接触式、非接触式按输入信号形式：二值型模拟型数字型机电一体化系统的基本组成控制器及信息处理单元一般由计算机、可编程控制器(PLC)、数控装置以及逻辑电路、A／D与D／A转换、I／O(输入输出)接口和计算机外部设备等组成。将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、储存、分析、加工，根据信息处理结果，按照一定的程序和节奏发出相应的指令控制整个系统有目的地运行。要求：提高信息处理速度，提高可靠性，增强抗干扰能力以及完善系统自诊断功能，实现信息处理智能化和小型、轻量、标准化等。应具有信息储存、处理和传送功能。机电一体化系统的基本组成控制器及信息处理单元性能指标：稳定性、快速性、准确性几种微型计算机的应用：工控机，PLC，单片机各种控制理论的适用范围古典控制：传递函数法现代控制：状态空间法，矩阵理论模糊控制：模糊控制规则神经网络：模仿人脑，把它是作为控制系统的补偿环节，具有自组织及自学习能力。机电一体化系统的基本组成接口耦合与能量转换变换：通过接口完成信息或能量的统一的过程。如：数字量与模拟量、串行码与并行码、连续脉冲与序列脉冲等等放大：在两个信号强度相差悬殊的环节间,经接口放大,达到能量的匹配如：电液阀耦合：变换和放大后的信号必须遵循一致的时序、信号格式和逻辑规范。接口具有保证信息的逻辑控制功能,使信息按规定模式进行传递。能量转换：其执行元件包含了执行器和驱动器

如：电动机、液压泵机电一体化系统的基本组成1.3机电一体化系统设计机电一体化系统设计方法机电一体化的三大效果：节能、省资源、智能化从规范性、通用性、耐环境性、可靠性、经济性等多方面综合分析，结合现代设计方法和手段，提高机电产品的附加值和自动化程度。设计方法机电互补法：利用通用或专用电子部件取代传统机械产品系统中复杂的机械部件或子系统。1.3机电一体化系统设计机电结合法：将系统各组成要素有机融为一体，构成专用或通用的功能部件，其要素之间的机电参数融合比较充分。机电功能部件的组合：将机电结合或机电互补途径制成的功能模块像积木那样组合成各种机电一体化系统。系统设计的过程就是“目标—功能—结构—效果”的多次分析与综合的过程。市场调查：收集市场需求和经销方面的有关资料初步设计：总体结构方案设计功能和技术性能设计确定信息模型找出关键技术确定系统配置确定实施进度提出经费预算详细设计：机械系统设计，控制系统设计，接口设计机电一体化系统设计步骤技术经济效益分析编写初步设计报告机械系统设计主要包括：执行部件，机械本体和整体结构应具有良好的动态响应特性主要工作：执行部件的运动计算：包括运动轨迹、速度、方向和行程等执行部件的动力计算：必要的强度、刚度验算对结构总体或局部进行动、静特性的分析计算和测定：采用相似设计、有限元分析、仿真技术等控制系统设计控制系统构成控制系统设计主要内容确定系统总体方案确定控制算法选择控制器系统硬件和软件设计系统联调控制器执行机构被控对象Σ传感与检测装置给定值控制装置输出确定整体控制方案确定控制任务：对控制对象进行分析，确定控制要求构思控制系统的整体方案确定结构形式：开环or闭环选择传感器，考虑其安装、使用环境等选择执行元件工作方式：电动，气动，液压明确微机在系统中的作用，绘制原理框图，估算成本。确定控制方法建立系统的数学模型，有时需要反复试探对系统的动、静态特性进行计算根据不同的控制对象和性能指标，选择合适的控制算法利用计算机仿真，对控制算法进行完善选择微型计算机原则：充分发挥选用微机的功能，且留有一定的功能余量微机应满足要求：完善的中断系统足够的存储容量完善的输入输出通道合适的微处理器合适的系统总线控制系统总体设计解决微机、被控对象和操作者之间进行可靠地信息交互及分时控制的时序安排接口设计：机械接口，电气接口零接口：直接连接普通转换接口：不含微处理器的接口智能转换接口：包含微处理器操作控制台设计数据输入键功能键或转换开关：启动、停止等显示装置控制系统总体设计软件设计过程控制：数据处理：采集、滤波、变换，数值计算、后处理系统联调 控制系统硬件：制作、安装、试验，连续烤机运行软件：各模块分别调试硬件和软件联合起来模拟试验现场试验：不同对象，现场试验的步骤不同机电一体化系统的可靠性设计可靠性设计的基本概念定义：产品在规定条件下和规定时间内，完成规定全部功能的能力。产品可靠性定义的要素是三个“规定”。“规定条件”包括使用时的环境条件、工作条件和应力条件等。“规定时间”是指产品规定了的工作时间。“规定功能”是指产品规定了的必须具备的全部功能及其技术指标。可靠性的作用和价值可靠性是产品质量的一项重要指标重要关键产品的可靠性问题突出，如航空航天产品；量大面广的产品，可靠性与经济性密切相关，如洗衣机等；对于高可靠性产品，其市场竞争力强产品质量功能有效性可靠性维修性固有可靠性使用可靠性环境适应性性能可靠结构可靠可靠性的特点性能可靠性确定性可重复真值可测可见应用传统学科知识不确定性/随机性不可重复真值不可测不可见以传统学科知识为基础，考虑不确定性机电产品可靠性的特点电子产品机械产品失效模式比较简单失效模式比较复杂失效主要是由偶然因素造成失效通常是由于疲劳、老化、磨损、腐蚀等剔除早期失效，经济合理有效的寿命和可靠性试验一般是小子样，试验时间较长，费用高

失效率接近常数，有标准手册，可利用国军标GJB299-或MIL-HBK-217预计多是专用件，标准件少，环境影响严劣，失效率不是常数维修主要以更换元器件为主修复和更换相结合可靠性常用指标失效率：产品在规定条件和规定时间内未完成规定功能的概率，也称为不可靠度。早期失效期：通常由于设计和制造工艺上的缺陷而导致产品失效偶然失效期：失效率与时间关系不大，纯属偶然损耗失效期：主要由于产品的老化、疲劳和损耗适用于电子元器件、系统、子系统等产品的失效率和时间的关系。可靠性常用指标失效率公式：例：100件产品，实验10小时2件失效。再观测1小时，发现有1件失效，求失效率若实验到50小时时共有10件失效。再观测1小时，也发现有1件失效，求失效率为平均失效率可靠性常用指标可靠度：产品在规定条件和规定时间内完成规定功能的概率，用R表示。用统计方法：若有N个相同的产品同时投入试验，经历时间ｔ后有n(t)件产品失效失效概率为：可靠度为：可靠性常用指标平均寿命：无故障工作时间的平均值。不可修产品为平均无故障时间MTTF(MeanTimeToFailure)可修产品为平均故障间隔时间MTBF(MeanTimeBetweenFailure）可靠性常用指标可靠寿命即可靠度为给定值R时的工作寿命。例如轴承常采用可靠度为0.9时的寿命作为可靠性度量参数(额定寿命)。可靠寿命一般通过统计试验确定，其观测值是能完成规定功能的产品的比例恰好等于给定可靠度时所对应的时间。

例如，对100个产品进行寿命试验，指定可靠度R=0.9，若当第10个产品发生失效时的时间为250小时，则可靠度为0.9的可靠寿命约为250小时。可靠性常用指标寿命任何机电产品均有使用寿命问题，例如汽车的设计寿命一般为50万公里，飞机的设计寿命为60000飞行小时。在现代设计中，一般采用等寿命设计方法，因此其寿命本质上取决于关键零部件的寿命。对机电零部件而言，大多是不可修复的，如果出现失效，在维修时一般给予更换。所以设计机电零件，不但要确保其可靠度，更为重要的是使其设计寿命达到要求。机电产品可靠性设计的特点不存在一个综合性的可靠性指标可靠性设计方法涉及的因素很多，不可能像传统的设计方法那样用安全系数作为唯一的评价度量。根据具体情况可以选用如失效率、可靠度、MTBF、有用度等作为评价的指标。“把可靠性设计到零件中”如果设计不当，就不能生产出本质上可靠的零件；不论工艺水平多高都不能得到高可靠的产品，因此，机械产品的失效主要是由于设计不当造成的。机电产品可靠性设计的特点必须考虑环境因素高温、低温、冲击、振动和盐雾等环境条件都是导致产品可靠性下降的重要原因。可靠性设计与维修性设计相结合在耗损期中失效率急剧升高，这时就要通过更换或维修恢复产品的可靠性，因此设计时必须考虑到维修方便。可靠性设计过程是可靠性增长过程可靠性增长是指随着产品的设计、试制、生产各阶段的进展，产品可靠性水平逐步提高的过程。可靠性设计要贯彻系统工程的观点从整体出发，全面权衡可靠性设计，切忌“头痛医头，脚痛医脚”的权宜之计。可靠性设计贯彻人-机工程观点可靠性设计贯彻全寿命周期总费用最优的观点，而不只是考虑造价。可靠性设计的主要内容迭代选择方案，预计系统的可靠性水平，找出薄弱环节提高系统可靠性可靠性预计和分配故障模式分析采取各种设计方法元器件是基础，设计是关键，环境是保证。可靠性设计的主要内容提出产品的可靠性指标连续工作的产品：常用可靠度指标一次性产品：常用成功率或失败率表示建立可靠性模型目的：对产品的可靠性进行定量分配、预测和评价系统的原理图、功能框图和功能流程图是建立系统可靠性模型的基础。可靠性模型描述了系统及其组成单元之间的故障逻辑关系。建模步骤1.规定产品定义①确定任务和功能功能分析②确定工作模式③规定性能参数及范围故障定义④确定物理界限与功能接口⑤确定故障判据⑥确定寿命剖面及任务剖面时间及环境条件分析2.建立可靠性框图⑦明确建模任务并确定限制条件⑧建立系统可靠性框图⑨确定未列入模型的单元3.确定数模⑩系统可靠性数学模型建立可靠性模型一般包括可靠性框图和可靠性数学模型借助于可靠性框图可以精确地表示出各个功能单元在系统中的作用和相互之间的关系。可靠性框图（收音机）可靠性设计的主要内容可靠性分配和预测直到元器件都分配到合适的可靠性指标为止是在组成部分都已达到可靠性水平的基础上进行的是对人力、物力和财力的统一平衡和协调可靠性预测是根据组成部分的可靠性数据，通过产品的可靠性模型估算产品的可靠性，若不满足设计要求：提高某些组成部分的可靠性采用并联模型可靠性设计的主要内容可靠性分析失效模式、效应和后果分析：失效树分析：应力-强度分析：应力：导致失效的任何因素；强度：耐受外界影响的能力参数飘移和极值分析：可靠性设计的主要内容确定可靠性产品的关键部件指设计复杂，采用新技术，对潜在故障还没有充分掌握或可靠性要求较高的硬件和软件对产品安全性、有效性、维修费用有较大的影响，一半占总数的10%左右目的：明确重点、抓住关键可靠性验证试验：突出重点试验方法要真实的模拟使用情况产品的生产加工工艺要稳定保证机电产品可靠性的措施总体设计总体设计时，通过系统可靠性指标的分配和预计，进行优