机电一体化总体设计

时间：2022-10-07 18:36:11 机电一体化毕业论文我要投稿

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机电一体化总体设计

　　机电一体化总体设计【1】

机电一体化总体设计

　　【摘要】机电一体化设计是机床设计环节是一个重要内容，总体设计应该从总体机械结构出发，综合考虑驱动方案和系统的可靠性，选择最合理的方案，实现机电一体化产品整体的优化设计。

　　【关键词】主体机械结构;驱动方案;可靠性

　　1 主体机械结构

　　主体机械结构方案包括：机械的主要几何尺寸确定、布局、作业空间的确定、运动自由度数的确定。

　　机床主体在设计时候要遵循以下几点原则：

　　明确――结构方案应能明确体现各个方面的设计指标。

　　首先是所选方案的工作原理要明确，才能使所设计的结构能可靠地实现所要求的目标;其次，要明确工作条件，如载荷情况和运行速度;还要明确作业空间参数和使用条件。

　　简单――满足设计目标要求的条件下，系统结构尽量简单。

　　安全可靠――包括机器的工作安全性和操作安全性两方面内容，是总体结构方案设计必须考虑的内容。

　　例如，在机械行业中最有名气的车床CA6140，它在主体设计时车床的床身、床脚、油盘等采用整体铸造结构，刚性高，抗震性好，符合高速切削机床的特点;车机床润滑系统设计合理可靠，车头箱、进给箱、溜板箱均采用体内飞溅润滑，并增设线泵、柱塞泵对特殊部位进行自动强制润滑。

　　2 驱动方案设计

　　直线驱动元件直接驱动：

　　直线步进电机其结构比较复杂，传感器采用磁电式或直接开环控制，控制特点是使用专用传感器，开环控制位置精度高，低速振动较大，直线步进电机适用场合为并联机器人，成本较高。

　　气压缸结构简单，传感器是直接型位移传感器，控制特点是使用气压控制阀控制，快速性好，负载能力差，适用场合为包装机，成本较低。

　　液压缸，结构较复杂，传感器为直接型位移传感器，控制特点是使用电液伺服阀控制，快速性好，负载能力强，适用场合为并联机器人和包装机，成本较高。

　　3 控制系统方案设计

　　机床的控制系统是非常重要的，如果没有控制系统，那么机床就是一个不完整的，说严重一些就是一个废品，那么机床也不可能为人们服务了。

　　机床控制系统按原理分为：开环、半闭环和闭环控制。

　　开环控制系统也就是没有反馈元件。

　　闭环控制系统是有反馈元件，反馈元件直接安装在最终的运动部件上。

　　半闭环控制系统是检测元件安装在机床的中间环节上。

　　4 可靠性设计

　　4.1 可靠度函数与失效概论

　　可靠度函数是产品在规定的条件下和规定的时间t内，完成规定功能的概率，以R(t)表示;反之，不能完成规定功能的概率称为失效概率，以F(t)表示。

　　产品工作到t时刻时，单位时间内失效数与t时刻尚存的有效产品数R(t)的比称为失效率，以λ(t)表示，反映任意时刻失效概率的变化情况。

　　4.2 系统可靠性

　　可靠性预测，通过预测，对新产品设计的可靠性做出估计，提供方案修改、调整及优选的依据，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。

　　包括元件可靠性预测和系统可靠性预测。

　　(1)元件可靠性预测包括以下两种方法：

　　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。

　　经验法―查可靠性手册或根据类似元件的使用经验积累的可靠性数据，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。

　　(2)系统的可靠度主要取决于元件的可靠度和元件的组合方式两个因素。

　　最基本的组合方式为串联和并联，串联系统的可靠度R，等于各组成单元可靠度Ri的乘积。

　　4.3 优化指标

　　设某个产品共有m个可行的方案，每个方案都选定n个评价指标;Kij为第i个方案中第j项评价指标值;Kmaxj是第j项指标在各方案中的最大值;Wj是第j项指标的加权值，它反映了这项指标在该产品中相对于其它各项指标的重要程度，且满足：

　　Wj=1 0≤Wj≤1(1)

　　则采i个方案的综合评价指标(即评价函数)为：

　　Hi=Wj， i=1，2，...，m(2)

　　求出各方案的最佳评价函数值Himax：

　　Hmax=max{Himax，(i=1，2，...，m)}(3)

　　通过(1)，(2)，(3)求出数据，通过下列方案进行对比选出最佳方案。

　　可行方案1，失效率Ki1/10-6h-1为120，成本Ki2为7千元，模块化程度Ki3是0.5，评价函数Himax是-0.46，权重系数Wj为0.5。

　　可行方案2，失效率Ki1/10-6h-1为170，成本Ki2为4千元，模块化程度Ki3是0.8，评价函数Himax是-0.37，权重系数Wj为0.3。

　　可行方案3，失效率Ki1/10-6h-1为180，成本Ki2为4千元，模块化程度Ki3是0.7，评价函数Himax是-0.42，权重系数Wj为0.2。

　　可行方案4，失效率Ki1/10-6h-1为210，成本Ki2为3千元，模块化程度Ki3是0.5，评价函数Himax是-0.50.

　　机电一体化产品的设计过程【2】

　　摘要: 机电一体化是多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程,因此在产品设计的过程中,要特别强调技术融合,学科交叉的作用。

　　阐述机电一体化产品典型设计进程,它通常划分为四个阶段,包括准备阶段,理论设计阶段,设计实施阶段,设计定型阶段。

　　关键词: 机电一体化;设计方法;步骤

　　机电一体化系统设计是多个学科的交叉和综合,涉及的学科和技术非常广泛,其技术发展迅速,水平越来越高。

　　由于机电一体化产品覆盖面很广,在系统的构成上,有着不同的层次,但在系统设计方面有着相同的规律。

　　机电一体化系统设计是根据系统论的观点,运用现代设计的方法构造产品结构、赋予产品性能并进行产品设计的过程。

　　整个开发设计过程按步骤可划分为四个阶段:

　　1 设计筹划阶段

　　1)在筹划阶段中要对设计目标进行机理分析,对客户的要求进行理论性抽象,以确定产品的性能、规格、参数。

　　在这个阶段,因为用户需求往往是面向产品的使用目的,并不全是设计的技术参数,所以需要对用户的需求进行抽象,要在分析对象工作原理的基础上,澄清用户需求的目地、原因和具体内容,经过理论分析和逻辑推理,提炼出问题的本质和解决问题的途径,并用工程语言描述设计要求,最终形成产品的规格和参数。

　　对于加工机械而言,它包括如下几个方面:

　　① 运动参数:表征机器工作部件的运动轨迹和行程、速度和加速度。

　　② 动力参数:表征机器为完成加工动作应输出的力(或力矩)和功率。

　　③ 品质参数:表征机器工作的运动精度、动力精度、稳定性、灵敏度和可靠性。

　　④ 环境参数:表征机器工作的环境,如温度、湿度、输入电源。

　　⑤ 结构参数:表征机器空间几何尺寸、结构、外观造型。

　　⑥ 界面参数:表征机器的人机对话方式和功能。

　　2)在这个阶段中要根据设计参数的需求,开展技术性分析,制定系统整体设计方案,划分出构成系统的各功能要素和功能模块,然后对各类方案进行可行性研究对比,核定最佳总体设计方案、各个模块设计的目标与相关人员的配备。

　　系统设计方案文件的内容包括:

　　① 系统的主要功能、技术指标、原理图及文字说明。

　　② 控制策略及方案。

　　③ 各功能模块的性能要求,模块实现的初步方案及输出输入逻辑关系的参数指标。

　　④ 方案比较和选择的初步确定。

　　⑤ 为保证系统性能指标所采取的技术措施。

　　⑥ 抗干扰及可靠性设计策略。

　　⑦ 外观造型方案及机械主体方案。

　　⑧ 经费和进度计划的安排。

　　2 理论设计阶段

　　首先,根据系统的主功能要求和构成系统的功能要素进行系统要素进行主功能分解,划分出功能模块,画出机器工作时序图和机器传动原理简图;对于有过程控制要求的系统应建立各要素的数学模型,确定控制算法;计算出各功能模块之间接口的输入、输出参数,确定接口设计的任务分配。

　　应当说明的是,系统设计过程中的接口设计是对接口输入输出参数或机械结构参数的设计,而功能模块设计中的接口设计则是遵照系统设计制定的接口参数进行细部设计,实现接口的技术物理效应,两者在设计内容和设计分工上是不同的。

　　不同类型的接口,其设计要求有所不同。

　　传感器是机电一体化系统的感觉器官,它从待测对象那里获得反映待测对象特征与状态的信息,监视监测整个设备的工作过程,传感器接口要求传感器与被测对象机械量信号源应有直接关系,保证标度转换及数学建模快速、准确、可靠,传感器与机械本体之间联接简洁、牢固,灵敏度高、动态性能好,抗机械谐波干扰性强,正确反映待测对象的被测参数。

　　变送接口要满足传感器模块的输出信号与微机前向通道电气参数的匹配及远距离信号传输的要求,接口信号的传输要精确,可靠性强,抗干扰能力强,噪音容限较低;传感器的输出阻抗要与接口的输入阻抗相配合;接口输出的电平要与微机的电平一致;为方便微机进行信号处理,接口输入信号和输出信号之间的关系须是线性关系。

　　驱动接口要能满足接口的输入端与微机系统的后向通道在电平上保持一致,接口的输出端与功率驱动模块的输入端之间电平匹配的同时,阻抗也要匹配。

　　其次,为防止功率设备的强电回路反窜入微机系统,接口必须采取有效的抵抗干扰措施。

　　传动接口是一个机械接口,要求它的联接结构紧凑、轻巧,具有较高的传动精度和定位精度,安装、维修、调整简单方便,传动效率高,刚度好,相应快。

　　其次,以功能模块为单元,依据以上接口设计参数的要求对信号检测与转换、机械传动与工作机构、控制微机、功率驱动及执行元件等进行各个功能模块的选型、组配、设计。

　　在此阶段的设计工作量较大,既包括机械、电气、电子、控制与计算机软件等系统的设计,又包括总装图、零件图的具体模块选型、组配。

　　一方面不仅要求在机械系统设计时选择的机械系统参数要与控制系统的电气参数相匹配,同时也要求在进行控制系统设计时,要根据机械系统的固有结构参数来选择及确定相关电气参数,综合应用微电子技术与机械技术,让两项技术互相结合、互相协调、互相补充,把机电一体化的优越性充分体现出来。

　　为提高工效,应该尽量应用各种cad、PRO/E等辅助工具;整个设计应尽量采用通用的模块和接口,以利于整体匹配,利于后期进行产品的更新换代。

　　最后,以技术文件的方式对完整的系统设计采取整体技术经济指标分析,设计目标考核与系统优化,择优选择出综合性能指标最优的方案。

　　其中,系统功能分解应综合运用机械技术和电子技术各自的优势,努力使系统构成简单化、模块化。

　　经常用到的设计策略有如下几种:

　　① 用电子装置替代机械传动,缩减机械传动装置,简化机械结构,减小尺寸,减轻重量,增强系统运动精度和控制灵活性。