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1、第二章 機(jī)電一體化系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)技術(shù),第一節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)概述 第二節(jié) 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)與技術(shù)指標(biāo)制定方法 第三節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)原理方案設(shè)計(jì) 第四節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì),下一頁(yè),第五節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)總體布局與應(yīng)用設(shè)計(jì) 第六節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 習(xí)題與思考題,上一頁(yè),下一頁(yè),第一節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)概述,機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一環(huán)節(jié)是總體設(shè)計(jì)，在具體設(shè)計(jì)之前，對(duì)所要設(shè)計(jì)的機(jī)電一體化系統(tǒng)的各方面，根據(jù)簡(jiǎn)單、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、安全、美觀等基本原則，進(jìn)行綜合性設(shè)計(jì)。其主要設(shè)計(jì)內(nèi)容有：主要技術(shù)參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)的制定，機(jī)電系統(tǒng)原理方案設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，總體布局與環(huán)境設(shè)計(jì)，總體

2、方案的評(píng)價(jià)與決策，可靠性設(shè)計(jì)，安全性設(shè)計(jì)等。 在總體設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)完成以下技術(shù)文件與圖紙?jiān)O(shè)計(jì)資料。 (1) 機(jī)電系統(tǒng)組成的結(jié)構(gòu)方塊圖，工作原理流程圖； (2) 機(jī)電系統(tǒng)組成單元工作原理圖； (3) 機(jī)電系統(tǒng)單元裝配圖，電路單元布線圖； (4) 機(jī)電系統(tǒng)總裝配圖； (5) 總體設(shè)計(jì)技術(shù)報(bào)告； (6) 總體設(shè)計(jì)方案論證報(bào)告； (7) 總體設(shè)計(jì)資料匯編； (8) 總體設(shè)計(jì)評(píng)審報(bào)告。,上一頁(yè),返回,第二節(jié) 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)與技術(shù)指標(biāo)制定方法,一、 機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)與技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)分析 機(jī)電一體化系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)是能夠基本表征該系統(tǒng)的概貌與特征的。由于機(jī)電一體化系統(tǒng)所代表的設(shè)備與產(chǎn)品廣泛分布在各個(gè)領(lǐng)

3、域，所以不同的系統(tǒng)功能的主要技術(shù)參數(shù)或技術(shù)指標(biāo)的內(nèi)容有很大不同。 二、 機(jī)電系統(tǒng)參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)制定方法 1 根據(jù)設(shè)備或產(chǎn)品的用途設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)前進(jìn)行的市場(chǎng)信息調(diào)查中，用戶在提出設(shè)備或產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求時(shí)，往往只提出使用要求，設(shè)計(jì)技術(shù)人員必須將使用要求轉(zhuǎn)換成設(shè)計(jì)工作所需要的技術(shù)參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)，這項(xiàng)工作有時(shí)很復(fù)雜，需要首先進(jìn)行原理方案設(shè)計(jì)，進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究分析整理，再制定機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)。,上一頁(yè),下一頁(yè),2. 根據(jù)機(jī)電系統(tǒng)控制量的特性設(shè)計(jì) 機(jī)電系統(tǒng)的控制量是指輸入量、輸出量所包括是能量流、信息流。這些量本身的性質(zhì)，特點(diǎn)，尺寸等都可能成為系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)與指標(biāo)的確定依據(jù)。 3.

4、 根據(jù)加工條件對(duì)系統(tǒng)精度要求設(shè)計(jì) 機(jī)電一體化系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是精度高，可靠性好。為了保證系統(tǒng)的精度，在總體設(shè)計(jì)時(shí)，必須以保證輸出量的精度作為主要技術(shù)指標(biāo)為依據(jù)。 4. 根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合要求設(shè)計(jì) 在機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，對(duì)于系統(tǒng)本身的技術(shù)參數(shù)及性能指標(biāo)考慮的比較多，對(duì)于應(yīng)用條件考慮的較少，直接影響到系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。,上一頁(yè),返回,第三節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)原理方案設(shè)計(jì),一、 機(jī)電一體化系統(tǒng)原理方案設(shè)計(jì)分析 在機(jī)電一體化系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)中，所設(shè)計(jì)的機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)性能和功能不同、使用要求不同、設(shè)計(jì)方案不同、所選用的單元部件不同、設(shè)計(jì)的原理方案更不同，所以，原理方案設(shè)計(jì)沒(méi)有確定的格式可采用。 二、 機(jī)電一體化系統(tǒng)

5、組成功能結(jié)構(gòu)分析 機(jī)電一體化系統(tǒng)是由多個(gè)功能單元組成的。系統(tǒng)功能就是指輸入量與輸出量之間的關(guān)系，利用功能簡(jiǎn)圖方式表示，有利于設(shè)計(jì)和分析信號(hào)的傳輸過(guò)程。如圖2-1。由檢測(cè)傳感器，放大器，控制器部分組成檢測(cè)控制系統(tǒng)。,上一頁(yè),下一頁(yè),圖2-1 定位檢測(cè)控制系統(tǒng),機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中常用的基本功能單元可分為:物理功能單元、邏輯功能單元、數(shù)學(xué)功能單元、機(jī)械結(jié)構(gòu)功能單元、操作使用單元等組成。 1. 物理信號(hào)檢測(cè)單元 可以實(shí)現(xiàn)不同形式的能量之間的變換單元，例如：把物理信號(hào)利用不同的傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能等。在設(shè)計(jì)中根據(jù)具體要求，確定物理功能單元。 2. 控制功能單元 根據(jù)機(jī)電一體化系統(tǒng)工作

6、狀態(tài)、工作方法、設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，按照事先設(shè)計(jì)的邏輯關(guān)系實(shí)現(xiàn)，邏輯關(guān)系與操作方式、順序、安全性、可靠性，抗干擾性有關(guān)。,上一頁(yè),下一頁(yè),3. 計(jì)算功能單元 計(jì)算功能是由程序?qū)崿F(xiàn)計(jì)算微分、積分、濾波、信號(hào)分析、信號(hào)處理等功能?？筛鶕?jù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)要求選用以上計(jì)算功能單元。 4. 機(jī)械結(jié)構(gòu)功能單元 機(jī)械結(jié)構(gòu)是根據(jù)機(jī)電一體化系統(tǒng)（或產(chǎn)品）的功能需求設(shè)計(jì)的，有組合結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)，立式結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)，裝置主體等功能單元。 5. 操作使用單元 在設(shè)計(jì)任何類型的機(jī)電一體化系統(tǒng)（或產(chǎn)品）中操作使用單元是十分重要的，是根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)，使用特點(diǎn)，外形美觀而設(shè)計(jì)的操作使用單元。,上一頁(yè),下一頁(yè),6. 功能單元原理方案的選擇

7、在設(shè)計(jì)機(jī)電一體化系統(tǒng)中，為了選用最佳的功能單元實(shí)施原理方案，可以通過(guò)以下幾種途徑，實(shí)現(xiàn)正確合理的選擇。 (1) 參考有關(guān)資料，專利或新產(chǎn)品。 (2) 利用創(chuàng)造性思維方法開(kāi)闊思路，探討新穎性設(shè)計(jì)。 (3) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，詳細(xì)分析，借助于其他產(chǎn)品設(shè)計(jì)功能單元原理方案，合理的轉(zhuǎn)化為新原理方案的應(yīng)用。 7. 功能單元原理方案設(shè)計(jì)問(wèn)題 (1) 在設(shè)計(jì)機(jī)電一體化系統(tǒng)（或產(chǎn)品）中，在滿足設(shè)計(jì)要求的條件下，要考慮附加要求 (2) 在設(shè)計(jì)中所選擇的功能單元，應(yīng)從全局考慮，綜合設(shè)計(jì)，互相補(bǔ)充。采用配套性方法，使原理方案簡(jiǎn)化。 (3) 對(duì)于體現(xiàn)產(chǎn)品特色的，關(guān)鍵性功能單元，應(yīng)多采用創(chuàng)造性設(shè)計(jì)方法。 (4) 對(duì)于實(shí)現(xiàn)功

8、能單元，應(yīng)多提出幾種原理方案，以便總體設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)擇優(yōu)采用。,上一頁(yè),下一頁(yè),三、 機(jī)電一體化系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖的設(shè)計(jì)方法, 在設(shè)計(jì)機(jī)電一體化系統(tǒng)中，根據(jù)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)按照功能分解：機(jī)械單元，檢測(cè)單元，控制單元，信息處理單元，執(zhí)行單元等，最后組合起來(lái)應(yīng)能滿足總功能的要求。 1基本功能結(jié)構(gòu)類型 以功能單元為基礎(chǔ)，組合成功能結(jié)構(gòu)的方式有三種基本類型，如圖 2-2所示，分別為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，并聯(lián)結(jié)構(gòu)，回路結(jié)構(gòu)。 ,上一頁(yè),下一頁(yè),圖2-2 基本功能結(jié)構(gòu)(a)竄連結(jié)構(gòu)；(b)并連結(jié)構(gòu)；(c)回路結(jié)構(gòu),2. 機(jī)電系統(tǒng)功能原理結(jié)構(gòu)圖的設(shè)計(jì) 機(jī)電系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖的設(shè)計(jì)，首先把所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)按系統(tǒng)功能分解，分析單元功能之間的關(guān)系

9、，再設(shè)計(jì)功能結(jié)構(gòu)圖。以壓力傳感器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)為例，說(shuō)明功能結(jié)構(gòu)圖的設(shè)計(jì)方法。壓力傳感器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)是一個(gè)高精度壓力傳感器動(dòng)態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)，它由發(fā)生器主機(jī)、壓力源調(diào)節(jié)系統(tǒng)、標(biāo)定頻率控制系統(tǒng)、標(biāo)定信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)組成。功能結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)如下： (1) 正弦壓力發(fā)生器主機(jī)。 正弦壓力發(fā)生器主機(jī)系統(tǒng)由控制盤、功能盤、壓力室組成如圖2-3所示。,上一頁(yè),下一頁(yè),圖2-3 正弦壓力發(fā)生器主要功能結(jié)構(gòu),(2) 標(biāo)定頻率控制系統(tǒng)。 標(biāo)定頻率控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、控制板、接口電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)組成，如圖2-4所示。,上一頁(yè),下一頁(yè),圖2-4 標(biāo)定頻率控制系統(tǒng),(3) 壓力源調(diào)節(jié)系統(tǒng)。壓力源調(diào)節(jié)系統(tǒng)由高壓氣瓶、過(guò)濾器、

10、減壓閥、高壓電磁閥組成。如圖2-5所示。,上一頁(yè),下一頁(yè),圖2-5 壓力源調(diào)節(jié)系統(tǒng),圖2-6 標(biāo)定信號(hào)測(cè)試系統(tǒng),(4) 標(biāo)定信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)。 標(biāo)定信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)由參考傳感器、被標(biāo)傳感器、動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀、動(dòng)態(tài)測(cè)試分析儀組成。如圖2-6所示。,上一頁(yè),下一頁(yè),(5) 正弦壓力標(biāo)定系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)總圖。 壓力傳感器動(dòng)態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)如圖2-7所示,按照這種方式，建立系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖，無(wú)論系統(tǒng)多么復(fù)雜，功能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作都可以有計(jì)劃、有步驟、有條不紊地進(jìn)行。系統(tǒng)規(guī)模再大、再?gòu)?fù)雜的系統(tǒng)、均可以按功能單元分解，設(shè)計(jì)出單元功能結(jié)構(gòu)圖，為系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)提供了詳細(xì)的功能圖。,上一頁(yè),下一頁(yè),圖2-7 壓力傳感器動(dòng)態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)圖,上

11、一頁(yè),下一頁(yè),四、 機(jī)電一體化系統(tǒng)原理方案的選擇原則 在機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對(duì)系統(tǒng)功能單元及系統(tǒng)原理方案設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)的原理方案是多解的，每種原理方案不同，技術(shù)上實(shí)現(xiàn)不同，投入的研制費(fèi)用不同，性能和功能也不同，必須進(jìn)行詳細(xì)分析對(duì)比選擇最佳方案。選擇的原則： (1) 新穎性、先進(jìn)性、使用性。 (2) 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性。 (3) 經(jīng)濟(jì)性、可靠性好。 (4) 結(jié)構(gòu)合理，外觀造型好。 (5) 操作簡(jiǎn)單，使用方便。,上一頁(yè),返回,第四節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì),機(jī)電一體化系統(tǒng)原理方案確定之后，對(duì)于系統(tǒng)所確定的各種功能單元，可分成兩大類：一類是機(jī)械類單元，例如：機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、主軸組

12、件、機(jī)械主機(jī)、機(jī)箱體等；另一類是電氣系統(tǒng)功能單元，例如: 檢測(cè)傳感器、電壓放大器、控制電路、控制電機(jī)、計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)等。 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作包括兩個(gè)方面，即電路原理圖設(shè)計(jì)，電路安裝圖布局設(shè)計(jì)。由元器件尺寸確定電路結(jié)構(gòu)尺寸，相互之間的布局合理性設(shè)計(jì)，安裝圖設(shè)計(jì)，安裝工藝的設(shè)計(jì)等。結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)的目的不僅是將原理方案結(jié)構(gòu)化，而且要實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與創(chuàng)新設(shè)計(jì)。所以在結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循普遍使用的原則和原理，同時(shí)，還應(yīng)將現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法引入到設(shè)計(jì)中，采用現(xiàn)代化的高新技術(shù)設(shè)計(jì)出最佳的機(jī)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案。,上一頁(yè),下一頁(yè),一、 機(jī)電一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)程序,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段的工作特點(diǎn)與原理方案構(gòu)思有很

13、大的不同。原理方案構(gòu)思主要靠創(chuàng)造性思維和系統(tǒng)化方法，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和具體性，則要求除了創(chuàng)新思維之外，更多地進(jìn)行緊密聯(lián)系實(shí)際的綜合分析和設(shè)計(jì)工作。 1. 初步設(shè)計(jì)分析 這一階段主要是完成主功能載體的初步設(shè)計(jì)。一般把功能結(jié)構(gòu)中對(duì)實(shí)現(xiàn)的能量，信號(hào)的轉(zhuǎn)換等。 2. 詳細(xì)設(shè)計(jì)分析 第一步是進(jìn)行副功能單元設(shè)計(jì)，在明確實(shí)現(xiàn)主功能需要那些副功能單元的條件下，實(shí)現(xiàn)副功能盡量直接選用現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)部件 。 3. 結(jié)構(gòu)方案的完善與評(píng)價(jià) 這一階段的任務(wù)是在前面階段工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)行設(shè)計(jì)工作的評(píng)價(jià)，目的是對(duì)單元設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題和薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行設(shè)計(jì)分析、經(jīng)濟(jì)性分析、可實(shí)現(xiàn)性分析、檢查預(yù)計(jì)成本等是否達(dá)到預(yù)期

14、目標(biāo)。,上一頁(yè),下一頁(yè),二、 機(jī)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)的基本原則,機(jī)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下基本設(shè)計(jì)原則： 1. 明確設(shè)計(jì)要求 在結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)時(shí)，所考慮的各個(gè)要求均應(yīng)體現(xiàn)明確性。 2. 簡(jiǎn)單性設(shè)計(jì) 這里的“簡(jiǎn)單”應(yīng)廣義地理解為、簡(jiǎn)化、簡(jiǎn)明、簡(jiǎn)要、簡(jiǎn)便、減少等多種含義。 3. 安全可靠性設(shè)計(jì) (1) 電路與構(gòu)件的可靠性。即在規(guī)定的外載荷下，規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，電路與構(gòu)件不發(fā)生過(guò)度變形與磨損、器件老化、器件失效、外界影響工作不穩(wěn)定等。 (2) 功能可靠性。即保證在規(guī)定的條件下實(shí)現(xiàn)總功能。 (3) 工作安全性。是指對(duì)操作人員保證工作安全、身心健康。 (4) 環(huán)境適應(yīng)性。即不得造成超標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境污染，并能保證

15、機(jī)器適應(yīng)環(huán)境工作條件。,上一頁(yè),下一頁(yè),4. 運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)原則 運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)原則就是根據(jù)物體需要實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)方式，工作狀態(tài)，負(fù)載特性，設(shè)計(jì)選擇控制方案，并施加約束條件。按照該原則的設(shè)計(jì)方法具有以下優(yōu)點(diǎn)： (1) 每個(gè)零件是用最少的接觸點(diǎn)來(lái)約束的，且接觸點(diǎn)的位置不變，這樣作用在物體上的力就可以按力學(xué)方法預(yù)先計(jì)算，因此可加以控制，就可避免由于過(guò)大的力引起材料變形而影響機(jī)構(gòu)的正常工作性能，并且定位精確可靠。 (2) 工作表面的磨損及尺寸加工精度對(duì)約束的影響很小，用大公差也可以達(dá)到高精度，所以降低了對(duì)加工精度的要求。即使接觸面磨損了，稍加調(diào)整，就可以補(bǔ)償磨損造成的位移。 (3) 零件被拆卸后能方便而精確地復(fù)

16、位。采用運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)原則要求施加點(diǎn)約束，但實(shí)際中不存在理想“點(diǎn)”，點(diǎn)接觸處的壓力很大，使材料發(fā)生變形，接觸處實(shí)際是一塊小面積。,上一頁(yè),下一頁(yè),5. 基面合一原則 在機(jī)械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量滿足基面合一原則，即應(yīng)使定位基面盡量與使用基面和加工基面合為一體，這樣可以減小由于基面不一致所帶來(lái)的加工誤差。 6. 最短傳動(dòng)鏈原則 在機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以盡量使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)速范圍要寬，且運(yùn)動(dòng)形式與執(zhí)行機(jī)構(gòu)形式一致，這樣就可以用最短的傳動(dòng)鏈，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)要求。這是機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與一般機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不同之處。 7. 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)原則 所謂的標(biāo)準(zhǔn)化是指產(chǎn)品部件的系列化，產(chǎn)品部件的通用化和標(biāo)準(zhǔn)化

17、。在機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，必須采用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以保證零部件的互換性，實(shí)現(xiàn)工藝過(guò)程典型化，有效地縮短研制周期，降低成本，并為以后的使用維護(hù)帶來(lái)方便。 8.“老化”處理原則 所謂“老化”是指設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，電路系統(tǒng)中的元器件進(jìn)行使用前的“老化”處理，常用的有高溫老化處理，長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作處理等。,上一頁(yè),下一頁(yè),9. 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)原則 (1) 等強(qiáng)度原則。在設(shè)計(jì)零部件時(shí)，應(yīng)盡量使同一零部件各處的強(qiáng)度接近相等，以使各處都能充分利用其強(qiáng)度，保證最有效地利用材料和減輕體積和重量，使各處的壽命相等。 (2) 力自平衡原則。在機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中某些部件在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生額外的力矩或受力，若

18、能予以力平衡，可抵消其不利影響，使整機(jī)正常穩(wěn)定運(yùn)行。例如：在設(shè)計(jì)大力值標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)中采用力自平衡原理，使整機(jī)設(shè)計(jì)體積更小，質(zhì)量更輕等。 (3) 力自加強(qiáng)原則。例如：在設(shè)計(jì)液壓密封裝置時(shí)，對(duì)密封件的位置安裝應(yīng)使其工作時(shí)在兩邊液體壓力差作用下，越貼越緊，以自動(dòng)加強(qiáng)密封效果。 (4) 力作用路徑最短原則。在力或力矩作用路徑中，均要產(chǎn)生應(yīng)力和變形，縮短力作用路徑，一方面可減少材料、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，另一方面使變形環(huán)節(jié)減少，有利于提高構(gòu)件強(qiáng)度，提高整機(jī)精度。 (5) 力自保護(hù)原則。機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，如偶遇外力或故障，可能會(huì)使某些部件受到異常大的力或力矩作用，發(fā)生損壞或斷裂，若在設(shè)計(jì)中將異常力作用于這些部件時(shí)能及時(shí)脫離

19、而得到自保護(hù)，則可避免事故或發(fā)生意外。例如，加入檢測(cè)系統(tǒng)可事先報(bào)警。,上一頁(yè),返回,第五節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)總體布局與應(yīng)用設(shè)計(jì),一、 人 - 機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 人 - 機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是機(jī)電一體化系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的重要部分之一，它是把人看成系統(tǒng)中的組成因素，設(shè)計(jì)以人為主體，進(jìn)行詳細(xì)分析人和系統(tǒng)的關(guān)系，其中主要是外形美觀設(shè)計(jì)，最佳操作界面設(shè)計(jì)，安全可靠性設(shè)計(jì)。目的是提高人機(jī)系統(tǒng)的整體效能，使人能夠舒適、安全、可靠及高效地使用。 1. 人 - 機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求 人-機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)與人體的機(jī)能特性和人的生理、心理特性相適應(yīng)，具體有以下要求： (1) 總體操作布局與人體高度尺寸相適應(yīng)； (2) 系統(tǒng)工作操作臺(tái)顯示

20、清晰，易于觀察，便于監(jiān)控； (3) 操作方便省力，減輕疲勞； (4) 信息的檢測(cè)與處理與人的感知特性和反應(yīng)速度相適應(yīng)； (5) 安全性、可靠性好、舒適性好，使操作者心情舒暢。,上一頁(yè),下一頁(yè),2 人 - 機(jī)系統(tǒng)的結(jié)合形式 人-機(jī)結(jié)合具體形式是有很大差別的但都會(huì)有信號(hào)傳遞、信息處理、控制和反饋等基本功能。 3 人 - 機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn) 人- 機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)核心是確定最優(yōu)的人機(jī)功能分配，將人和系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)組成高效的完整系統(tǒng)。 (1) 顯示器設(shè)計(jì)。顯示器設(shè)計(jì)的基本要求是，使操作者獲取信息的過(guò)程迅速，準(zhǔn)確而不疲勞。人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)所要解決的不是具體的技術(shù)問(wèn)題，而是從適合人的使用的角度，向設(shè)計(jì)人員提供必要

21、的參數(shù)和要求。 (2) 控制器設(shè)計(jì)。利用人本身的功能信號(hào)去控制系統(tǒng)工作的裝置叫做控制器。根據(jù)人體的特性可以設(shè)計(jì)出手動(dòng)控制器、腳動(dòng)控制器、聲控器及光電控制等各種控制器?？刂破髟O(shè)計(jì)的核心是實(shí)現(xiàn)最簡(jiǎn)單、最方便的操作。,上一頁(yè),下一頁(yè),(3) 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。由顯示器、控制器和操作者組成的子系統(tǒng)就是監(jiān)控系統(tǒng)。把顯示器與人的獲取信息與輸出信息的特性結(jié)合起來(lái)全盤考慮。根據(jù)人體功能特點(diǎn)，希望在系統(tǒng)操作上面部位配置顯示部分，在系統(tǒng)下方部位或面前方配置控制部分。 二、 機(jī)電系統(tǒng)藝術(shù)造型設(shè)計(jì)方法 機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)后，首先給人以重要的直覺(jué)印象就是其外觀造型，以人為主是用戶普遍的心理反映。 1. 藝術(shù)造型設(shè)計(jì)的基本要求

22、 (1) 布局清晰。條理清晰的總體布局是良好藝術(shù)造型的基礎(chǔ)； (2) 結(jié)構(gòu)緊湊。節(jié)約空間的緊湊的結(jié)構(gòu)方式有利于小型化，有利于良好的藝術(shù)造型； (3) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。應(yīng)使可見(jiàn)的，不同功能的部件數(shù)減少到最少限度，重要的功能操作部件及顯示器布置方式一目了然；,上一頁(yè),下一頁(yè),(4) 統(tǒng)一與變化。整體藝術(shù)造型應(yīng)顯示出統(tǒng)一成型的風(fēng)格和外觀形象，并有節(jié)奏鮮明的顯示，給人以和諧感，外形美觀感； (5) 功能合理。藝術(shù)造型應(yīng)適于功能表現(xiàn)，結(jié)構(gòu)形狀和尺寸都應(yīng)利于功能目標(biāo)的體現(xiàn)； (6) 體現(xiàn)新材料和新工藝。目的是體現(xiàn)新材料的優(yōu)異性能和新工藝的精湛水平； (7) 微型化、數(shù)字化、智能化合理組合。 2藝術(shù)造型設(shè)計(jì)的三要

23、素 藝術(shù)造型設(shè)計(jì)是運(yùn)用科學(xué)原理和藝術(shù)手段，通過(guò)一定的技術(shù)與工藝實(shí)現(xiàn)的。技術(shù)與藝術(shù)的融合是藝術(shù)造型設(shè)計(jì)的依據(jù)。系統(tǒng)功能、物質(zhì)條件和藝術(shù)設(shè)計(jì)構(gòu)成了機(jī)電系統(tǒng)造型設(shè)計(jì)的三要素。這些要素之間存在著辯證統(tǒng)一關(guān)系，在藝術(shù)造型的設(shè)計(jì)過(guò)程中要科學(xué)地反映它們之間的 內(nèi)在聯(lián)系，通過(guò)藝術(shù)造型設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)產(chǎn)品的功能美、外形美。,上一頁(yè),下一頁(yè),3藝術(shù)造型設(shè)計(jì)的基本原理 對(duì)一個(gè)機(jī)電產(chǎn)品藝術(shù)造型的具體構(gòu)思來(lái)說(shuō)，考慮問(wèn)題是經(jīng)過(guò)由功能到造型，由造型再到功能的反復(fù)過(guò)程；同時(shí)又要經(jīng)過(guò)由總體到局部，由局部返回到總體的反復(fù)過(guò)程。造型設(shè)計(jì)還與使用材料、顏色有關(guān)。 因此造型設(shè)計(jì)貫穿了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的全過(guò)程，其設(shè)計(jì)特點(diǎn)是以形象思維為主，突出美觀，

24、色調(diào)協(xié)調(diào)，操作方便，顯示直觀等。圖2-8所示為藝術(shù)造型設(shè)計(jì)流程圖。,上一頁(yè),下一頁(yè),圖2-8 藝術(shù)造型設(shè)計(jì)流程圖,,上一頁(yè),下一頁(yè),4. 藝術(shù)造型設(shè)計(jì)要點(diǎn) (1) 穩(wěn)定性。對(duì)于靜止的或運(yùn)動(dòng)緩慢且較重的產(chǎn)品，應(yīng)該在布置上力求使其重心得到穩(wěn)固的支撐。并從外觀形態(tài)到色彩搭配運(yùn)用都給人以穩(wěn)定的感覺(jué)。 (2) 運(yùn)動(dòng)特性。總體結(jié)構(gòu)利用對(duì)稱原理可使產(chǎn)品具有可運(yùn)動(dòng)的特性。例如許多運(yùn)輸設(shè)備，無(wú)論從上看，從前面看，或從后看都是對(duì)稱的，給人以穩(wěn)定感，但從側(cè)面看不對(duì)稱的前后部分可使形狀產(chǎn)生動(dòng)態(tài)感，設(shè)計(jì)要求具有立體感。左右、上下、有對(duì)稱感。 (3) 輪廓。產(chǎn)品的外形輪廓給人的印象十分重要，通常采用“優(yōu)先數(shù)系”來(lái)分割產(chǎn)品

25、的輪廓，塑造產(chǎn)品協(xié)調(diào)，成比例的外觀給人以和諧的美感。 (4) 簡(jiǎn)化。產(chǎn)品外形上不同形狀和大小的構(gòu)件愈多，就愈顯得繁雜，難于與簡(jiǎn)單、統(tǒng)一協(xié)調(diào)的要求相吻合。因此，把一些構(gòu)件組合起來(lái)，盡量減少外露件的數(shù)目。 (5) 色調(diào)。色調(diào)的效果對(duì)人的情緒影響很大。選用合理的色調(diào)，根據(jù)不同類型的產(chǎn)品，應(yīng)用不同的場(chǎng)合，運(yùn)用顏色的搭配組成良好的色彩環(huán)境，能使產(chǎn)品的藝術(shù)造型特征得以充分的發(fā)揮，滿足人們心理的審美要求。,上一頁(yè),下一頁(yè),三、 機(jī)電系統(tǒng)總體布局設(shè)計(jì)方法,機(jī)電系統(tǒng)總體布局設(shè)計(jì)是總體設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。 1 總體布局設(shè)計(jì)的基本原則 (1) 功能合理。各分功能既易于實(shí)現(xiàn)又便于實(shí)現(xiàn)總功能，不論在系統(tǒng)的內(nèi)部還是外觀上都不

26、應(yīng)采用不利于功能目標(biāo)的布局方案。例如：機(jī)電系統(tǒng)強(qiáng)電設(shè)備與弱電系統(tǒng)分開(kāi)布局可提高抗干擾能力。 (2) 結(jié)構(gòu)緊湊。內(nèi)部的結(jié)構(gòu)緊湊要保證便于裝配維護(hù)，外部的結(jié)構(gòu)緊湊是藝術(shù)造型的良好基礎(chǔ)。 (3) 層次分明?？傮w結(jié)構(gòu)和所有部件的布置應(yīng)力求層次分明，一目了然。 (4) 比例協(xié)調(diào)。這一原則按藝術(shù)造型方法實(shí)現(xiàn)。,上一頁(yè),下一頁(yè),2 機(jī)電系統(tǒng)總體布局的基本類型 根據(jù)系統(tǒng)的形狀、大小、數(shù)量、位置、順序五個(gè)基本方面進(jìn)行綜合考慮，可得出布局的類型： (1) 按主要工作機(jī)構(gòu)的空間幾何位置，可分為平面式、空間式等； (2) 按主要工作機(jī)構(gòu)的相對(duì)位置，可分為前置式、中置式、后置式等； (3) 按主要工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡可分

27、為回轉(zhuǎn)式、直線式等； (4) 按主要工作機(jī)構(gòu)的布置方向可分為水平式、直立式、傾斜式等； (5) 按機(jī)架或機(jī)殼的結(jié)構(gòu)形式，可分為整體式、組合式等。,上一頁(yè),下一頁(yè),3 總體布局設(shè)計(jì)實(shí)例 正弦壓力校準(zhǔn)系統(tǒng)總體布局設(shè)計(jì)。這里以智能式正弦壓力校準(zhǔn)系統(tǒng)為例，來(lái)說(shuō)明總體布局所要考慮的設(shè)計(jì)基本問(wèn)題與解決方法。正弦壓力校準(zhǔn)系統(tǒng)的總體布局可從幾個(gè)方面考慮， 一是校準(zhǔn)系統(tǒng)中的控制子系統(tǒng)：電機(jī)減速器，驅(qū)動(dòng)器，雙電機(jī)控制器；二是校準(zhǔn)系統(tǒng)主機(jī)子系統(tǒng)；三是高低壓調(diào)壓控制子系統(tǒng)：高壓壓力表、低壓壓力表、減壓閥、控制閥等。為了實(shí)現(xiàn)以上所論述的總體設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)原則，藝術(shù)造型的設(shè)計(jì)要求。 應(yīng)根據(jù)該系統(tǒng)的性能、特點(diǎn)及功能，主機(jī)部

28、分采用雙電機(jī)控制，要求控制的穩(wěn)定性，可靠性很高，主機(jī)主軸不能直接由電機(jī)帶動(dòng)，采用皮帶帶動(dòng)電機(jī)，并且兩個(gè)電機(jī)分開(kāi)帶動(dòng)主機(jī)，這就要求電機(jī)采用臥式布置有利于雙電機(jī)控制功能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。而采用立式布置時(shí)，雙電機(jī)減速器安裝固定十分困難，與主機(jī)控制不協(xié)調(diào)，體積增大。所以，在設(shè)計(jì)中采用臥式布局方法，將步進(jìn)電機(jī) A ，減速器布置在左側(cè)，步進(jìn)電機(jī) B 布置在右側(cè)，雙電機(jī)控制器布置在控制驅(qū)動(dòng)器中間，把電機(jī)控制系統(tǒng)布局在總體的下端更加合理，使用方便，如圖2-9所示控制子系統(tǒng)布置圖,上一頁(yè),下一頁(yè),圖2-9 動(dòng)態(tài)壓力標(biāo)定系統(tǒng)控制子系統(tǒng)布置圖,,上一頁(yè),下一頁(yè),正弦壓力校準(zhǔn)系統(tǒng)主機(jī)子系統(tǒng)和高低壓調(diào)壓控制子系統(tǒng)，布局在總體

29、上端，上下端間距以操作使用方便為主，選擇整體高度700 mm。 主機(jī)和調(diào)壓系統(tǒng)同樣采用臥式布置方式。把主機(jī)布置在左側(cè)中心位置與下端電機(jī)布局要求一致性，中間布置高壓顯示表和低壓顯示表，右側(cè)布置高壓減壓閥和低壓控制閥。 這種布局有利于調(diào)壓系統(tǒng)的操作調(diào)節(jié)方便，外形美觀，緊湊合理，整體結(jié)構(gòu)體積小，質(zhì)量輕，放在小車上，現(xiàn)場(chǎng)使用方便，靈活性好。如圖2-10所示主機(jī)和調(diào)壓系統(tǒng)圖。,上一頁(yè),下一頁(yè),圖2-10 動(dòng)態(tài)壓力標(biāo)定系統(tǒng)主機(jī)和調(diào)壓系統(tǒng)圖,,上一頁(yè),返回,第六節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)總體設(shè)計(jì),一、 機(jī)電一體化系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 1詳盡搜集市場(chǎng)信息對(duì)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的需求 設(shè)計(jì)任何類型的機(jī)電系統(tǒng)，首先要收集所有相關(guān)的信息

30、，包括設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)技術(shù)資料，基礎(chǔ)條件，技術(shù)條件，在該領(lǐng)域中的發(fā)展方向等。 (1) 設(shè)計(jì)對(duì)象自身的工作效率。包括年工作效率及小時(shí)工作效率。對(duì)于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)還要了解機(jī)械效率方面的需求。 (2) 設(shè)計(jì)對(duì)象所具有的主要性能和功能。包括總功能及實(shí)現(xiàn)總功能的單元功能的工作特點(diǎn)，特別是操作人員在總功能實(shí)現(xiàn)中所介入的程度。 (3) 設(shè)計(jì)對(duì)象與其工作環(huán)境的界面。這主要有輸入、輸出界面、裝載工件形式、操作員控制器的界面，輔助裝置的界面，溫度、濕度、灰塵等情況，以及這些界面中哪些是由設(shè)計(jì)人員保證的，哪些是由用戶提供的。,上一頁(yè),下一頁(yè),(4) 設(shè)計(jì)對(duì)象對(duì)操作者技術(shù)水平的需求。要求操作人員達(dá)到什么技術(shù)等級(jí)，并具備哪

31、些專業(yè)知識(shí)。 (5) 設(shè)計(jì)對(duì)象是否被制造過(guò)，假如與設(shè)計(jì)對(duì)象類似的產(chǎn)品已在生產(chǎn)，則應(yīng)參觀生產(chǎn)過(guò)程，并收集有關(guān)的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)文件。再根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)象要求進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。 (6) 了解用戶自身的一些規(guī)定、標(biāo)準(zhǔn)、廠標(biāo)、部標(biāo)、軍標(biāo)等。一般技術(shù)要求，應(yīng)用條件的要求，對(duì)產(chǎn)品表面的要求（防蝕、色彩等），使用場(chǎng)合的要求等。,上一頁(yè),下一頁(yè),2. 設(shè)計(jì)對(duì)象工作原理的設(shè)計(jì) 明確了設(shè)計(jì)對(duì)象的需求之后，就可以開(kāi)始工作原理設(shè)計(jì)了，這是總體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)質(zhì)量的優(yōu)劣取決于設(shè)計(jì)人員能否很好地對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總功能進(jìn)行合理的分解，并能合理地利用現(xiàn)有設(shè)計(jì)技術(shù)和現(xiàn)有的物質(zhì)條件更好地進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，勇于開(kāi)拓新的領(lǐng)域，探索新的工作原理。 總體設(shè)計(jì)方

32、案最佳化，必須在單元系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用最佳設(shè)計(jì)方案，才能使總體設(shè)計(jì)方案更合理、更先進(jìn)。 3. 主體結(jié)構(gòu)方案的選擇 機(jī)電系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)類型很多，選擇主要結(jié)構(gòu)方案時(shí)，必須保證系統(tǒng)所要求的精度、工作穩(wěn)定可靠、制造工藝等。若是外形結(jié)構(gòu)，在允許條件下，應(yīng)符合體積小、質(zhì)量輕、外形美觀、結(jié)構(gòu)合理。若是主機(jī)運(yùn)動(dòng)單元，應(yīng)符合運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)原則或誤差均化原理。,上一頁(yè),下一頁(yè),4. 摩擦形式的選擇 設(shè)計(jì)機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)時(shí)要認(rèn)真選擇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦形式，如果處理的不好，由于動(dòng)、靜摩擦力差別很大，造成爬行，會(huì)影響控制系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。因此總體方案設(shè)計(jì)時(shí)，必須選取具有適應(yīng)于工作要求摩擦形式的導(dǎo)軌。 5. 電路結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì) 在機(jī)

33、電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從電路結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)方法可分為兩大類：一類是設(shè)計(jì)選擇式，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體功能及單元性能要求，分別選擇傳感器、放大器、電源、驅(qū)動(dòng)器、控制器、電機(jī)、記錄儀等，進(jìn)行合理的組合，滿足總體方案設(shè)計(jì)要求。 另一類設(shè)計(jì)是以設(shè)計(jì)為主，選擇單元為輔，設(shè)計(jì)人員必須根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體功能及檢測(cè)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)性能進(jìn)行設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中必須選擇穩(wěn)定性好、可靠性好、精度高的器件。電路結(jié)構(gòu)原理方案設(shè)計(jì)要合理，并且設(shè)計(jì)抗干擾、過(guò)壓保護(hù)和過(guò)流保護(hù)電路。,上一頁(yè),下一頁(yè),6. 機(jī)電系統(tǒng)簡(jiǎn)圖的設(shè)計(jì) 在機(jī)電一體化系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)完成各功能單元后，采用各種符號(hào)或方塊圖形式表示各子系統(tǒng)功能單元。包括控

34、制系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、電器系統(tǒng)、傳感檢測(cè)系統(tǒng)、機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)、機(jī)械主機(jī)系統(tǒng)等。 7. 總體準(zhǔn)確度分析與設(shè)計(jì) 總體準(zhǔn)確度是衡量機(jī)電系統(tǒng)性能和質(zhì)量的一個(gè)主要的技術(shù)指標(biāo)。由于現(xiàn)代機(jī)械電子設(shè)備和產(chǎn)品的自動(dòng)化程度愈來(lái)愈高，功能也更先進(jìn)，因此機(jī)、電、光等多學(xué)科相互滲透的程度更強(qiáng)，機(jī)電系統(tǒng)總的準(zhǔn)確度指標(biāo)是由各子系統(tǒng)共同作用的結(jié)果。 8. 總體設(shè)計(jì)報(bào)告 總結(jié)上述設(shè)計(jì)過(guò)程的各個(gè)方面，寫出總體設(shè)計(jì)報(bào)告，為總體裝配圖和部件裝配圖的繪制做好準(zhǔn)備?？傮w設(shè)計(jì)報(bào)告要突出設(shè)計(jì)重點(diǎn)，將所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的特點(diǎn)闡述清楚，同時(shí)應(yīng)列出所采取的措施及注意事項(xiàng)。,上一頁(yè),下一頁(yè),二、 機(jī)電系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì),在機(jī)電一體化系統(tǒng)（或產(chǎn)品）設(shè)計(jì)中，它是由多個(gè)單

35、元子系統(tǒng)組合體，每個(gè)單元子系統(tǒng)的可靠性如何直接影響到系統(tǒng)總體性能的可靠性。因此，可靠性設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。對(duì)于機(jī)電系統(tǒng)（或產(chǎn)品）的可靠性設(shè)計(jì)問(wèn)題論述如下： 1. 可靠性的基本概念 為了發(fā)揮機(jī)電一體化系統(tǒng)應(yīng)有的作用，首先應(yīng)使它可靠地工作。在設(shè)計(jì)一個(gè)新的機(jī)電系統(tǒng)時(shí)，要對(duì)各種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析比較，要想得到一個(gè)最佳方案，不考慮可靠性問(wèn)題是不可能的。 因此，可靠性設(shè)計(jì)問(wèn)題是機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分。所謂可靠性，是指“產(chǎn)品（或系統(tǒng)）在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力”?！巴瓿梢?guī)定功能”就是能夠連續(xù)地保持產(chǎn)品（或系統(tǒng)）的工作能力，使各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合使用要求。,上一頁(yè),下一頁(yè),2.

36、 保證機(jī)電系統(tǒng)（或產(chǎn)品）可靠性的方法 保證設(shè)計(jì)產(chǎn)品具有很好的可靠性，是一個(gè)綜合性問(wèn)題，不能單純依靠某一特定的方法。 在保證產(chǎn)品可靠性的方法中，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量是最根本的方法，它的作用是消除故障于發(fā)生之前，或者降低故障率。但從某種意義上來(lái)講，由于故障是一種隨機(jī)性事件，因而是不可避免的。在這種情況下，冗余技術(shù)就成為保證產(chǎn)品可靠性的一種重要方法。 （1）提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量。保證產(chǎn)品的可靠性，要從設(shè)計(jì)和制造入手。在保證實(shí)現(xiàn)各種基本性能指標(biāo)的同時(shí)，還要保證可靠性。 對(duì)于軍工類的機(jī)電產(chǎn)品，采用裕度法，可以加大設(shè)計(jì)的安全系數(shù)，以保證一定的可靠性儲(chǔ)備。設(shè)計(jì)產(chǎn)品的某一輸出參數(shù)為Y，而Y值是一個(gè)隨機(jī)

37、量，它可能在極限條件下達(dá)到極值 Ylim。這種極限條件可能是最惡劣的使用條件（如最大的工作規(guī)范、缺乏潤(rùn)滑等）和環(huán)境條件（如高溫、潮濕等）。如果Y達(dá)到Y(jié)lim時(shí)還沒(méi)有達(dá)到失效時(shí)的參數(shù)值Ymax，則稱為具有可靠性儲(chǔ)備，用可靠性儲(chǔ)備系數(shù)KR表示,可靠性儲(chǔ)備系數(shù)也可按下式計(jì)算：,上一頁(yè),下一頁(yè),式中Y為Y值不超出極限范圍的概率為R時(shí)的值。,上一頁(yè),下一頁(yè),（2） 冗余技術(shù)。冗余技術(shù)又稱儲(chǔ)備技術(shù)。它是利用系統(tǒng)的并聯(lián)模型來(lái)提高系統(tǒng)可靠性的一種手段。冗余有工作冗余和后備冗余兩類。 工作冗余，又稱工作儲(chǔ)備或掩蔽儲(chǔ)備，是一種兩個(gè)或兩個(gè)以上單元并行工作的并聯(lián)模型。 后備冗余，又稱非工作儲(chǔ)備或待機(jī)儲(chǔ)備。平時(shí)只需一個(gè)

38、單元工作，另一個(gè)單元是冗余的，用于待機(jī)備用。 （3） 診斷技術(shù)。從本質(zhì)上來(lái)看，診斷技術(shù)是一種檢測(cè)技術(shù)，用來(lái)取得有關(guān)產(chǎn)品中產(chǎn)生的失效（故障）類型和失效位置信息。它的任務(wù)有：一是出現(xiàn)故障時(shí)，迅速確定故障的種類和位置，以便及時(shí)修復(fù)；二是在故障尚未發(fā)生時(shí)，確定產(chǎn)品中有關(guān)元器件距離極限狀態(tài)的程度，查明產(chǎn)品工作能力下降的原因，以便采取維護(hù)措施或進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，防止發(fā)生故障。,上一頁(yè),下一頁(yè),3. 干擾和抗干擾措施 在機(jī)電一體化系統(tǒng)（或產(chǎn)品）中，電場(chǎng)、磁場(chǎng)的干擾是產(chǎn)生源、部件失效或數(shù)據(jù)傳輸、處理失誤，進(jìn)而影響其可靠性的最常見(jiàn)和最主要的因素。這是機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不可忽視的問(wèn)題之一。 (1) 干擾源。一般說(shuō)來(lái)

39、，在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，用專用或通用微型計(jì)算機(jī)組成的控制器，其硬件經(jīng)過(guò)篩選和老化處理，可靠性非常高，平均無(wú)故障工作時(shí)間較長(zhǎng)，因此，引起控制系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)單元，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)單元故障（失效）的原因多半不在于其本身。 供電干擾?？刂破饕话愣寂鋫溆袑Ｓ玫闹绷鞣€(wěn)壓電源，即使如此，從交流供電網(wǎng)傳來(lái)的干擾信號(hào)仍然可能影響電源電壓的穩(wěn)定性，并可能經(jīng)過(guò)整流電源竄入控制系統(tǒng)。,上一頁(yè),下一頁(yè), 強(qiáng)電干擾。驅(qū)動(dòng)電路中的強(qiáng)電元件如繼電器、電磁鐵和接觸器等感性負(fù)載，在斷電時(shí)會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓和沖擊電流。 接地干擾。接地干擾是由于接地不當(dāng)、形成接地環(huán)路產(chǎn)生的。接地環(huán)路的兩種典型情況：由于接地點(diǎn)遠(yuǎn)而形成的環(huán)路，在不同位置的接地點(diǎn)

40、一般不可能電位相同，因此形成地電位差 15120 V。 當(dāng)用公用地線串聯(lián)接地形成的環(huán)路，由于各設(shè)備負(fù)載不平衡、過(guò)載或漏電等原因，可能在設(shè)備之間形成電位差525 V。無(wú)論在哪種情況下形成的地電位差，都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)干擾電流，而干擾低電平信號(hào)電路。 輻射干擾。如果在控制系統(tǒng)附近存在磁場(chǎng)、電磁場(chǎng)、靜電場(chǎng)或電磁波輻射源，就可能通過(guò)空間感應(yīng)，直接干擾系統(tǒng)中的各設(shè)備（控制器、驅(qū)動(dòng)接口、轉(zhuǎn)換接口等）和導(dǎo)線，使其中的電平發(fā)生變化，或產(chǎn)生脈沖干擾信號(hào)。,上一頁(yè),下一頁(yè),(2) 抗干擾措施。用來(lái)抑制上述各種干擾信號(hào)的產(chǎn)生或防止干擾信號(hào)危害的抗干擾措施，既有針對(duì)各種干擾源的性質(zhì)和部位而采取的措施，也有從全局出發(fā)而采取的

41、提高產(chǎn)品可靠性的措施。 供電系統(tǒng)的抗干擾措施。針對(duì)交流供電網(wǎng)絡(luò)這個(gè)干擾所采取的抗干擾措施主要是采用穩(wěn)壓源、濾波器、光電耦合法。采用電子交流穩(wěn)壓供電，可以進(jìn)一步提高電源電壓的穩(wěn)定性，抗電源高頻干擾能力。 接口電路的抗干擾措施。在控制器與執(zhí)行元件之間的驅(qū)動(dòng)接口電路中，少不了由弱電轉(zhuǎn)強(qiáng)電的電感性負(fù)載，以及用來(lái)通、斷電感負(fù)載的接點(diǎn)，這些都是產(chǎn)生強(qiáng)電干擾的干擾源。對(duì)于這種干擾，首先是采取吸收的方法，抑制其產(chǎn)生，然后采取隔離的方法，阻斷其傳導(dǎo)。,上一頁(yè),下一頁(yè), 系統(tǒng)接地的抗干擾措施。要防止從系統(tǒng)接地傳來(lái)的干擾，主要的方法是切斷接地環(huán)路，通常采用以下措施。 單點(diǎn)接地，由于接地點(diǎn)遠(yuǎn)而形成的環(huán)路，可采用單

42、點(diǎn)接地的方法來(lái)切斷地電位差產(chǎn)生的干擾信號(hào)。 接地線采用屏蔽導(dǎo)線。 并聯(lián)接地，對(duì)由多個(gè)設(shè)備采用公用地線串聯(lián)接地而形成的環(huán)路，可用并聯(lián)接地的方法來(lái)切斷地電位差干擾信號(hào)。 光電隔離，對(duì)于用長(zhǎng)線傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)，可用光電耦合器來(lái)切斷接地環(huán)路。 最佳組合抗干擾措施。在設(shè)計(jì)機(jī)電一體化系統(tǒng)中，對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，各個(gè)單元部件采用最佳組合法，正負(fù)信號(hào)接線一致，相互之間阻抗匹配，信號(hào)傳輸線采用屏蔽導(dǎo)線法，可有效抑制儀器之間的干擾信號(hào)和外界干擾信號(hào)。,上一頁(yè),下一頁(yè), 設(shè)計(jì)法抑制噪聲干擾。在設(shè)計(jì)電路中，對(duì)于所選擇的器件，應(yīng)進(jìn)行篩選，選擇噪聲小的器件，電路布局把強(qiáng)電和弱電電路分開(kāi)布局，對(duì)于集成電路電源端并用0

43、.1F電容法，可提高電路的抗電源波動(dòng)干擾的能力。在電路設(shè)計(jì)中輸入端采用電容濾波法，可減小高頻干擾影 響，達(dá)到可靠性的作用。 4. 軟件的可靠性技術(shù) (1) 利用軟件來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性。由于系統(tǒng)是由硬件和軟件組成的，因而系統(tǒng)的可靠性可分為硬件可靠性和軟件可靠性兩個(gè)方面，通過(guò)提高元器件的質(zhì)量，采用冗余設(shè)計(jì)，進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)，增設(shè)抗干擾裝置等措施，能夠提高硬件的可靠性。 (2) 提高軟件的可靠性。盡管采用軟件功能提高系統(tǒng)可靠性，但值得指出的是，由于種種原因，軟件本身也會(huì)發(fā)生故障。,上一頁(yè),下一頁(yè),5. 軟件可靠性測(cè)試 測(cè)試的基本方法是給軟件一個(gè)典型的輸入，觀測(cè)輸出是否符合要求，如發(fā)現(xiàn)結(jié)果有錯(cuò)，應(yīng)設(shè)法將

44、可能產(chǎn)生錯(cuò)誤的程序進(jìn)行修改，經(jīng)修改后，再次調(diào)試，直到消除所有錯(cuò)誤為止。 測(cè)試按照下述步驟進(jìn)行： (1) 單元測(cè)試，即對(duì)每個(gè)程序塊單獨(dú)地進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)對(duì)各程序塊的測(cè)試，找出程序設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤，測(cè)試可利用事先準(zhǔn)備好的經(jīng)過(guò)某種算法產(chǎn)生的測(cè)試碼來(lái)進(jìn)行； (2) 局部或系統(tǒng)測(cè)試，即對(duì)由若干程序塊組成的局部程序或系統(tǒng)程序進(jìn)行測(cè)試，以發(fā)現(xiàn)各程序塊之間連接的正確性； (3) 系統(tǒng)功能測(cè)試，測(cè)試該軟件能實(shí)現(xiàn)的功能； (4) 現(xiàn)場(chǎng)安裝，綜合驗(yàn)收測(cè)試。,上一頁(yè),下一頁(yè),三、 機(jī)電系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)方法,隨著機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，各種機(jī)電一體化產(chǎn)品，各種自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度的提高，大型核電生產(chǎn)系統(tǒng)，大型電力系

45、統(tǒng)等，對(duì)于安全性設(shè)計(jì)越來(lái)越重要。從工業(yè)安全角度，家用電器使用安全角度來(lái)看，要減小產(chǎn)生事故和使用產(chǎn)品事故的發(fā)生，在設(shè)計(jì)機(jī)電一體化系統(tǒng)中，提高安全性設(shè)計(jì)水平。 1. 工業(yè)機(jī)器人的安全措施設(shè)計(jì) 安全措施之一是故障自動(dòng)保護(hù)法。一是必須具有通過(guò)伺服系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人的誤動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視的功能。 一有異常動(dòng)作應(yīng)自動(dòng)切斷電源；二是必須具有當(dāng)人誤入危險(xiǎn)區(qū)時(shí)，能立即測(cè)知并自動(dòng)停機(jī)的故障自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。具體的安全措施設(shè)計(jì)大致有：,上一頁(yè),下一頁(yè),(1) 設(shè)置安全開(kāi)關(guān)。具備連接功能，即拔出門上的安全插銷時(shí)，機(jī)器人就自動(dòng)停止。 (2) 安裝警示燈。在自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)中開(kāi)啟指示燈，提醒操作人員不要進(jìn)入因等待條件而停止的機(jī)器人的工作區(qū)。 (

46、3) 安裝監(jiān)視器。采用光電式、靜電電容式傳感器或安全網(wǎng)等，設(shè)置監(jiān)視人的不安全動(dòng)作的系統(tǒng)。 (4) 安裝防越程裝置。即使機(jī)器人可以回轉(zhuǎn)270，一般也應(yīng)限制其使用范圍。為防止超越使用范圍，必須安裝限位開(kāi)關(guān)和機(jī)械式止動(dòng)器。 (5) 安裝緊急停止裝置。對(duì)于微機(jī)控制的機(jī)電一體化設(shè)備，一般采用軟件方式進(jìn)行減速、停止定位，但從控制裝置容易發(fā)生故障的現(xiàn)狀來(lái)看，在安全上仍然存在很大問(wèn)題。,上一頁(yè),下一頁(yè),因此，緊急停止功能是很重要的。通常對(duì)緊急停止裝置的要求是： 應(yīng)能緊急停止； 電路應(yīng)是獨(dú)立的，以確保高可靠性； 除控制臺(tái)以外，在作業(yè)位置上也要安裝緊急停止按鈕； 緊急停止后不能自動(dòng)恢復(fù)工作。 (6) 低速示教。

47、為了確保安全，應(yīng)設(shè)置較低的示教速度，即示教中產(chǎn)生誤動(dòng)作，也不致造成重大事故。隨著機(jī)器人的構(gòu)造與功能的進(jìn)步，機(jī)器人的自由度增加了、運(yùn)動(dòng)范圍擴(kuò)大了，其應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大，人機(jī)的安全問(wèn)題就更加突出。,上一頁(yè),下一頁(yè),2. 高溫暖氣鍋爐系統(tǒng)的安全措施設(shè)計(jì) 高溫暖氣鍋爐系統(tǒng)當(dāng)發(fā)生鍋爐內(nèi)壓力增大，溫度升高時(shí)，供水管道出現(xiàn)斷裂時(shí)，必然會(huì)發(fā)生爆炸問(wèn)題。具體采取的安全措施設(shè)計(jì)有： (1) 鍋爐內(nèi)壓力檢測(cè)控制系統(tǒng)，當(dāng)壓力升高超過(guò)允許量程時(shí)，自動(dòng)顯示檢測(cè)壓力，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)的同時(shí)控制鍋爐供油系統(tǒng)停止供油，打開(kāi)安全閥。 (2) 鍋爐內(nèi)水量檢測(cè)控制系統(tǒng)，自動(dòng)檢測(cè)水量大小，當(dāng)水量減少到設(shè)定極限時(shí)，自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)的同時(shí)

48、控制啟動(dòng)鍋爐備用供水系統(tǒng)，達(dá)到安全供水。 (3) 鍋爐內(nèi)溫度檢測(cè)控制系統(tǒng)，自動(dòng)顯示溫度值,當(dāng)溫度升高時(shí)，在報(bào)警顯示的同時(shí)控制鍋爐供油系統(tǒng)停止供油。確保鍋爐的安全，當(dāng)溫度降低到設(shè)定溫度時(shí)，提高控制供油量，確保供暖系統(tǒng)的正常工作，達(dá)到了節(jié)能安全作用,上一頁(yè),下一頁(yè),習(xí)題與思考題,2-1. 機(jī)電系統(tǒng)原理方案的選擇原則？ 2-2. 機(jī)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的基本原則？ 2-3. 為了提高機(jī)電系統(tǒng)的抗干擾能力，總體布局如何設(shè)計(jì)？ 2-4. 提高機(jī)電系統(tǒng)可靠性的設(shè)計(jì)方法？ 2-5. 舉例說(shuō)明總體設(shè)計(jì)思路。 2-6. 舉例說(shuō)明藝術(shù)造型設(shè)計(jì)的基本原則。 2-7. 自擬題目寫出機(jī)電系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)論證報(bào)告。 2-8. 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)評(píng)審的作用是什么？ 2-9. 機(jī)電系統(tǒng)總體安全性設(shè)計(jì)應(yīng)具備哪些技術(shù)？ 2-10. 機(jī)電一體化系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)由哪幾部分組成？設(shè)計(jì)的要求是什么,上一頁(yè),返回,