机电一体化系统总体方案设计.ppt

第第2讲讲 机电一体化系统机电一体化系统总体方案设计总体方案设计主讲教师：姜淑娟主讲教师：姜淑娟沈阳大学机械工程学院沈阳大学机械工程学院1.1 概概述述1、总体方案设计、总体方案设计总总体体方方案案设设计计是是系系统统设设计计的的前前期期工工作作，，是是一一种种概概念念性性的的设设计计，，是是从从系系统统设设计计角角度度出出发发，，根根据据设设计计目目标标的的要要求求，，综综合合考考虑虑系系统统各各个个部部分分之之间间的的关关系系，，从从系系统统角角度度进进行行优优化化，，确确定定系系统统的的最最优设计方案优设计方案总体方案的作用总体方案的作用决定性、战略性、关键性作用决定性、战略性、关键性作用1.1 概概述述2、总体方案设计的主要内容、总体方案设计的主要内容①①总总体体结结构构方方案案设设计计：：包包括括总总体体结结构构方方案案设设计计、、布布局局及及外外观设计等内容观设计等内容②②驱驱动动方方案案设设计计：：包包括括传传动动方方案案设设计计、、驱驱动动方方式式设设计计和和驱驱动元件选择等内容动元件选择等内容③③控控制制方方案案设设计计：：包包括括计计算算机机控控制制方方案案设设计计、、伺伺服服控控制制方方案设计和接口方案设计等内容。

案设计和接口方案设计等内容④④人人机机工工程程设设计计：：包包括括人人机机接接口口设设计计和和人人机机环环境境设设计计等等内内容⑤⑤可可靠靠性性设设计计：：包包括括系系统统可可靠靠性性和和人人机机安安全全性性设设计计及及评评价价等内容 总体结构方案设计总体结构方案设计1、主体机械结构、主体机械结构Ø主体机械结构方案包括：主体机械结构方案包括：主要主要几何尺寸几何尺寸确定、确定、布局布局、、作业空间作业空间的确定、的确定、运动自由度数运动自由度数的确定和的确定和操作环境操作环境的确定Ø作用：作用：主体结构方案的合理影响系统的主体结构方案的合理影响系统的基本功能基本功能、、系统的工作特性系统的工作特性、、制造制造工艺性工艺性和和制造成本制造成本Ø机构设计应遵循的基本原则：机构设计应遵循的基本原则：①①明明确确——结结构构方方案案应应能能明明确确体体现现各各个个方方面面的的设设计计指指标标首首先先是是所所选选方方案案的的工工作作原原理理要要明明确确，，才才能能使使所所设设计计的的结结构构能能可可靠靠地地实实现现所所要要求求的的目目标标；；其其次次，，要要明确明确工作条件工作条件，如载荷情况和运行速度；还要明确，如载荷情况和运行速度；还要明确作业空间参数作业空间参数和和使用条件使用条件。

②②简单简单——满足设计目标要求的条件下，系统结构尽量简单满足设计目标要求的条件下，系统结构尽量简单③③安安全全可可靠靠——包包括括机机器器的的工工作作安安全全性性和和操操作作安安全全性性两两方方面面内内容容，，是是总总体体结结构构方案设计必须考虑的内容方案设计必须考虑的内容 总体结构方案设计总体结构方案设计2、总体布局、总体布局总总体体布布局局是是总总体体设设计计的的重重要要环环节节，，布布局局的的设设计计任任务务是是，，确确定定系系统统各各个个主主要要部件的部件的相对位置关系相对位置关系以及它们所需要的以及它们所需要的相对运动关系相对运动关系总体布局应遵循的基本原则：总体布局应遵循的基本原则：①①功能合理：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应考虑功能目标的总体布局②②结构紧凑：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造型的良好基础③③层次分明：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。

总体结构的所有部件的布局应层次分明，一目了然④④比例协调：比例协调：获得美观的外形获得美观的外形⑤⑤总总体体布布局局由由装装置置或或者者零零部部件件的的形形状状、、大大小小、、数数量量、、位位置置和和顺顺序序等等5个个基基本本因因素素决决定定总总体体布布局局要要与与主主体体机机械械结结构构、、电电气气控控制制装装置置、、辅辅助助装装置置、、人人机机操作接口的设计以及使用环境的要求操作接口的设计以及使用环境的要求来一起考虑来一起考虑1.3 驱驱动方案设计动方案设计1 、传动方案设计、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常用的执行机构按运动形式的不同可以划分为直直线输出型线输出型和和转动输出型转动输出型两大类1）直线运动机构的驱动）直线运动机构的驱动①① 直线驱动元件直接驱动直线驱动元件直接驱动②②回转型驱动元件实现的直线运动驱动回转型驱动元件实现的直线运动驱动1.3 驱驱动方案设计动方案设计1 、传动方案设计、传动方案设计直直线线步步进进电电机机、、阀阀控控油油缸缸、、气气缸缸都都可可以以直直接接驱驱动动负负载载，，产产生生直线运动直线运动优优点点：：负负载载与与驱驱动动元元件件直直接接连连接接，，不不需需要要中中间间转转换换机机构构，，负负载载的的运运动动精精度度不不受受中中间间机机构构的的影影响响，，直直接接反反映映驱驱动动元元件件的的精精度，执行机构结构简单。

度，执行机构结构简单缺点：缺点：直线驱动元件的种类相对较少，尺寸较大直线驱动元件的种类相对较少，尺寸较大气气缸缸和和油油缸缸的的结结构构比比较较简简单单，，但但需需要要控控制制阀阀、、动动力力源源等等辅辅件件，，占占地地空空间间较较大大，，液液压压源源的的噪噪声声较较大大，，也也有有环环境境污污染染问问题题功功率率型型直直线线步步进进电电机机和和直直流流电电机机的的体体积积都都比比较较大大，，价价格格也也比比较较昂贵1）直线运动机构的驱动）直线运动机构的驱动①① 直线驱动元件直接驱动直线驱动元件直接驱动1.3 驱驱动方案设计动方案设计1 、传动方案设计、传动方案设计（（1）直线运动机构的驱动）直线运动机构的驱动表表1 常用的直常用的直线驱动元件的主要特点及适用元件的主要特点及适用场合合①① 直线驱动元件直接驱动直线驱动元件直接驱动1.3 驱驱动方案设计动方案设计②②回转型驱动元件实现的直线运动驱动回转型驱动元件实现的直线运动驱动ü回回转转型型驱驱动动元元件件如如直直流流电电动动机机、、步步进进电电机机、、交交流流伺伺服服电电机机经经过一定传动装置将其转动变换成直线运动过一定传动装置将其转动变换成直线运动。

ü常常用用的的驱驱动动方方式式有有电电动动机机丝丝杠杠螺螺母母机机构构、、电电动动机机齿齿轮轮齿齿条条（齿形带）机构（齿形带）机构和和电动机连杆机构电动机连杆机构1 、传动方案设计、传动方案设计（（1）直线运动机构的驱动）直线运动机构的驱动特特点点：：是是通通过过一一个个中中间间传传动动机机构构将将电电动动机机的的运运动动传传递递给给负负载载，，通通常常中中间间机机构构可可以以实实现现很很大大的的传传动动比比、、具具有有较较大大的的驱驱动动能能力力和和较小的折算惯量、控制性能较好较小的折算惯量、控制性能较好1.3 驱驱动方案设计动方案设计（（2）转动输出型驱动机构）转动输出型驱动机构ü负负载载是是转转动动形形式式运运动动，，实实现现负负载载的的转转动动运运动动既既可可以以使使用用回回转驱动元件，也可以使用直线型驱动元件转驱动元件，也可以使用直线型驱动元件ü回转主动元件有回转主动元件有电动机电动机、、气压或液压马达气压或液压马达2 、、驱动方式选择驱动方式选择（（1）家用电器，医疗器械）家用电器，医疗器械应应满满足足无无污污染染、、低低噪噪声声、、体体积积小小、、重重量量轻轻的的要要求求。

选选用用电电子子能能源源，，应应采采用用220伏伏市市电电，，避避免免三三相相动动力力电电；；还还可可以以考考虑虑电电池池供供电电；；传传动动方方式式上上，，考虑噪声低的传动方式，如采用同步齿形带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）水下设备考考虑虑高高压压密密封封问问题题，，比比如如采采用用液液压压驱驱动动较较电电驱驱动动易易实实现现密密封封，，使使用用复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）一般工业设备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 控控制系统方案设计制系统方案设计1、、 伺服驱动方案设计伺服驱动方案设计（（1）伺服驱动系统的作用）伺服驱动系统的作用①①伺伺服服驱驱动动系系统统是是“机机” 和和“电电”之之间间的的接接口口，，通通过过它它把把电电信号转换成执行机构的动力输出量。

信号转换成执行机构的动力输出量②②系系统统的的精精度度和和动动态态性性能能指指标标主主要要是是由由伺伺服服驱驱动动系系统统的的性性能能决定的③③伺服驱动系统的工作可靠性直接影响整个系统的可靠性伺服驱动系统的工作可靠性直接影响整个系统的可靠性④④伺服驱动系统的成本对系统的成本影响很大伺服驱动系统的成本对系统的成本影响很大⑤⑤伺服驱动系统对系统的噪声、对环境的影响起决定作用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 控控制系统方案设计制系统方案设计1、、 伺服驱动方案设计伺服驱动方案设计 （（2）对伺服驱动系统的要求）对伺服驱动系统的要求①①好的动、静态指标好的动、静态指标②②合理的结构，体积小、重量轻合理的结构，体积小、重量轻③③高效率、低功耗高效率、低功耗④④高可靠性高可靠性⑤⑤低成本⑥⑥环境无害环境无害1.4 控控制系统方案设计制系统方案设计（（3）伺服驱动方案）伺服驱动方案①①按照控制器的实现方法分为：模拟式和数字式按照控制器的实现方法分为：模拟式和数字式Ø模模拟拟式式伺伺服服控控制制系系统统一一般般只只用用在在双双闭闭环环控控制制系系统统的的内内环环、、精精度度要要求求不不高高的的交流或直流伺服系统中。

交流或直流伺服系统中Ø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②②按照控制原理分为：开环、半闭环和闭环控制按照控制原理分为：开环、半闭环和闭环控制图图1 开环控制系统框图开环控制系统框图图图2 闭环控制系统框图闭环控制系统框图图图3 半闭环控制系统框图半闭环控制系统框图2、、 计算机控制系统方案计算机控制系统方案（（1）基于产品类型的控制方案设计）基于产品类型的控制方案设计考考虑虑保保证证实实现现系系统统的的基基本本控控制制功功能能、、性性能能指指标标外外，，还还要要综综合合考考虑虑其其他他一一些些因因素素，，包括：包括：①①单件小批量还是大批量生产单件小批量还是大批量生产ü 大大批批量量生生产产→主主要要考考虑虑生生产产效效率率、、生生产产成成本本和和可可维维护护性性→设设计计专专用用计计算算机机控控制制系统系统→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ü单件小批量产品单件小批量产品→通用计算机产品，以便降低成本，缩短生产周期通用计算机产品，以便降低成本，缩短生产周期。

②②一般工业产品还是满足特殊要求的产品一般工业产品还是满足特殊要求的产品ü 对一般的工业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成本和生产周期应作为主要指标来考虑ü对军事、航天、水下等殊要求的场合对军事、航天、水下等殊要求的场合→重要的是可靠性和环境适应性重要的是可靠性和环境适应性③③产品开发还是科研样机产品开发还是科研样机ü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ü对对科科研研样样机机的的研研制制主主要要是是要要研研究究装装置置的的工工作作原原理理、、获获取取必必要要的的数数据据，，这这时时应应该该选选择择硬硬件件接接口口资资源源比比较较丰丰富富、、软软件件开开发发方方便便及及速速度度快快、、兼兼容容性性好好的的专专用用计计算算机机系系统④④工业产品与民用产品工业产品与民用产品ü对对于于小小型型家家电电、、便便携携式式仪仪器器仪仪表表→体体积积、、重重量量、、功功耗耗、、成成本本等等应应优优先先考考虑虑，，这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。

ü对一般工业产品，可靠性应作为主要考虑的因素对一般工业产品，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）基于系统规模的控制方案设计①①分级控制分级控制特特点点：：功功能能分分散散、、任任务务分分散散、、维维护护容容易易、、可可靠靠性性高高，，适适用用于于回回路较多的控制系统路较多的控制系统上上位位机机：：实实现现命命令令及及数数据据的的输输入入、、状状态态显显示示，，接接受受下下位位机机反反馈馈回回来来的的信信息息，，经经过过轨轨迹迹规规划划、、控控制制算算法法，，向向下下位位机机发发出出控控制制命命令下下位位机机：：接接受受上上位位机机发发来来的的信信息息并并向向上上位位机机反反馈馈工工作作状状态态，，完完成反馈信息采样、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②②集中控制集中控制轨轨迹迹规规划划、、系系统统管管理理、、伺伺服服控控制制都都由由一一台台计计算算机机完完成成，，要要求求速速度度快快、、实实时时性性好好、、接接口口功功能能强强，，一一般般采采用用工工业业PC等等系系统统机机或或者者DSP2、计算机控制系统方案、计算机控制系统方案图图4 上、下位双极控制结构原理图上、下位双极控制结构原理图图图5 集中控制结构原理图集中控制结构原理图（（3）基于工作环境的控制方案设计）基于工作环境的控制方案设计Ø家用电器家用电器家家用用电电器器的的工工作作环环境境相相对对较较好好，，提提高高家家电电的的抗抗干干扰扰能能力力会会增增加加其其成成本本，，因因此此一一般般不不需需对对其其进进行行抗抗干干扰扰设设计计。

但但是是，，对对于于一一些些涉涉及及家家电电安安全全和和人人身身安安全全的的问问题题，，在开发家电产品时就必须加以考虑在开发家电产品时就必须加以考虑如如热热水水淋淋浴浴器器的的缺缺水水保保护护、、断断电电保保护护、、漏漏电电保保护护；；电电冰冰箱箱突突然然停停电电，，对对压压缩缩机机的保护等的保护等Ø办公设备办公设备办办公公设设备备的的工工作作环环境境相相对对较较好好，，办办公公室室内内一一般般不不会会有有大大功功率率的的设设备备，，各各种种干干扰扰相相对对较较小小，，一一般般并并不不需需要要对对控控制制系系统统提提出出特特殊殊的的要要求求在在选选择择控控制制系系统统时时主主要要考虑使其体积小、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Ø生产设备生产设备数数控控机机床床、、工工业业机机器器人人、、自自动动包包装装机机、、自自动动生生产产线线等等用用于于工工业业生生产产的的机机电电一一体体化化设设备备，，长长期期地地在在工工厂厂、、车车间间内内工工作作，，环环境境的的电电磁磁干干扰扰、、电电网网干干扰扰都都很很大大，，车车间的温差也很大。

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、计算机控制系统方案（（3）基于工作环境的控制方案设计）基于工作环境的控制方案设计 u 常见的抗干扰设计方法有：常见的抗干扰设计方法有： ① ①选择抗干扰能力强的控制计算机选择抗干扰能力强的控制计算机 ② ②采用抗干扰电源采用抗干扰电源 ③ ③屏蔽，接地保护屏蔽，接地保护 ④ ④系统防尘、防潮设计系统防尘、防潮设计 ⑤ ⑤抗振设计抗振设计 ⑥ ⑥抗干扰软件抗干扰软件 ⑦ ⑦抗干扰硬件抗干扰硬件 ⑧ ⑧冗余设计冗余设计 ⑨ ⑨恒温控制恒温控制 2、计算机控制系统方案、计算机控制系统方案1.5 可靠性可靠性设计设计1 、系统可靠性、系统可靠性（（1）可靠性指标）可靠性指标①①可可靠度函数与失效概论靠度函数与失效概论Ø可可靠靠度度函函数数是是产产品品在在规规定定的的条条件件下下和和规规定定的的时时间间 t 内内，，完完成成规规定定功功能能的的概概率率，，以以R(t)表表示示；；反反之之，，不不能能完完成成规规定定功功能能的的概概率称为率称为失效概率失效概率，以，以F(t)表示。

表示Ø产产品品工工作作到到 t 时时刻刻时时，，单单位位时时间间内内失失效效数数 与与 t 时时刻刻尚尚存存的的有有效效产产品品数数R(t)的的比比称称为为失失效效率率，，以以 表表示示，，反反映映任任意意时时刻失效概率的变化情况刻失效概率的变化情况1.5 可靠性可靠性设计设计1、系统可靠性、系统可靠性（（1）可靠性指标）可靠性指标1.5 可靠性可靠性设计设计1 、系统可靠性、系统可靠性（（2）可靠性预测）可靠性预测通通过过预预测测，，对对新新产产品品设设计计的的可可靠靠性性做做出出估估计计，，提提供供方方案案修修改改、、调调整整及及优优选选的的依依据，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ð包括元件可靠性预测和系统可靠性预测包括元件可靠性预测和系统可靠性预测①①元件可靠性预测包括以下两种方法：元件可靠性预测包括以下两种方法：ü实验统计法实验统计法—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ü经经验验法法—查查可可靠靠性性手手册册或或根根据据类类似似元元件件的的使使用用经经验验积积累累的的可可靠靠性性数数据据，，考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。

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 可靠性可靠性设计设计1 、系统可靠性、系统可靠性（（2）可靠性计算）可靠性计算②②系系统统的的可可靠靠度度主主要要取取决决于于元元件件的的可可靠靠度度和和元元件件的的组组合合方方式式两两个个因因素素最最基基本本的的组组合合方方式式为为串串联联和和并并联联，，串串联联系系统统的的可可靠靠度度R，，等等于各组成单元可靠度于各组成单元可靠度Ri的乘积的乘积：：§并并联联模模型型也也叫叫做做并并联联冗冗余余系系统统，，可可分分为为工工作作储储备备和和非非工工作作储储备备，通常称为，通常称为热储备热储备和和冷储备冷储备§热热储储备备是是使使用用多多个个零零部部件件来来完完成成同同一一任任务务的的组组合合在在系系统统中中，，所所有有零零部部件件一一开开始始就就同同时时工工作作，，但但其其中中任任一一零零部部件件都都单单独独地地支支持持整整个个系系统统工工作作，，因因此此系系统统的的可可靠靠度度§冷冷储储备备是是指指系系统统中中零零部部件件的的某某一一个个处处于于工工作作状状态态，，其其他他的的则则处处于于“待待命命状状态态”，，当当工工作作状状态态的的零零部部件件出出现现故故障障后后，，处处于于“待待命命状状态态”的的零零部部件件立立即即转转入入“工工作作状态状态”。

思考题：§某系统由3个元件组成，其可靠度分别为，和，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 可靠性可靠性设计设计1 、系统可靠性、系统可靠性（（3）可靠性指标的分配）可靠性指标的分配①①等同分配法等同分配法按照各组成单元可靠性相等的原则分配按照各组成单元可靠性相等的原则分配②②按比例分配法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③③按重要性分配法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④④最优化分配法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选取最优化分配方案1.5 可靠性可靠性设计设计（（4）冗余设计）冗余设计冗余设计也成为储备设计，常用的方法有：冗余设计也成为储备设计，常用的方法有：①①在在满满足足产产品品性性能能要要求求的的前前提提下下，，尽尽可可能能简简化化产产品品结结构构，，次次要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。

部件和不必要的复杂机构只会增加产品发生故障的概率②②提高产品各部件的可靠性提高产品各部件的可靠性③③在可靠性低的部件上使用并联储备在可靠性低的部件上使用并联储备④④采采用用冷冷储储备备，，即即在在部部件件出出现现故故障障时时，，由由备备用用部部件件自自动动转转入入工工作⑤⑤维维修修维维护护，，即即更更换换或或修修理理故故障障部部件件，，与与冷冷储储备备不不同同之之处处，，在在于部件不是自动转入工作于部件不是自动转入工作⑥⑥预预防防性性维维修修，，即即不不论论部部件件是是否否发发生生故故障障，，到到了了一一定定的的工工作作周周期均用新部件取代旧部件期均用新部件取代旧部件2 、人机安全性、人机安全性安安全全性性是是机机电电一一体体系系统统设设计计中中必必须须认认真真解解决决的的问问题题，，它它包包括：括： (1)机电一体化系统本身的工作安全性机电一体化系统本身的工作安全性 自自动动设设置置安安全全工工作作区区限限，，设设计计互互锁锁安安全全操操作作，，工工作作环环境境条条件件的的监监测测、、监监控控，，非非正正常常工工作作状状态态的的自自动动停停机机，，对对操操作作失误的自动安全处理等。

失误的自动安全处理等 (2)操作人员的安全性操作人员的安全性 采采取取各各种种保保障障人人身身安安全全的的措措施施，，如如漏漏电电保保护护、、报报警警指指示示、、急急停停操操作作和和快快速速制制动动等等，，同同时时对对危危险险工工作作区区要要设设置置自自动动光光电栅栏、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。