7机电一体化总体设计

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1、1847 机电一体化总体设计7.1 机电一体化总体设计的内容机电一体化总体设计是应用系统总体技术，从整体目标出发，综合分析机电一体化产品的性能要求及各机、电组成单元的特性，选择最合理的单元组合方案，实现机电一体化产品整体优化设计的过程。随着大规模集成电路的出现，机电一体产品得到了迅速普及和发展，从家用电器到生产设备，从办公自动化设备到军事装置，机与电紧密结合的程度都在迅速增加，形成了一个纵深而广阔的市场。市场竞争规律要求产品不仅具有高性能，而且要有低价格，这就给产品设计人员提出了越来越高的要求。另一方面，种类繁多、性能各异的集成电路、传感器和新材料等，给机电一体化产品设计人员提供了众多的可选方

2、案，使设计工作具有更大的灵活性。如何充分利用这些条件，开发出满足市场需求的机电一体化产品，是机电一体化总体设计的重要任务。7.1.1 总体设计的主要内容一般来说，机电一体化总体设计包括下述一些主要内容。（1）详尽搜集用户对所设计产品的需求 设计任何系统，首先要收集所有相关的信息，包括设计需求、背景技术资料。设计人员在这一基础上应做出用户真正需要设计什么样的产品的判断。这一步是进行总体方案设计的最基本的依据，不可忽视。一般情况，需要对下列设计需求作详细地调查。设计对象自身的工作效率，包括年工作效率及小时工作效率。对于动力传动系统还要了解机械效率方面的需求。 设计对象所具有的主要功能。包括总功能及

3、实现总功能时分功能的动作顺序，特别是操作人员在总功能实现中所介入的程度。 设计对象与其工作环境的界面。这主要有输入、输出界面、装载工件形式、操作员控制器的界面，辅助装置的界面，温度、湿度、灰尘等情况，以及这些界面中哪些是由设计人员保证的，哪些是由用户提供的。 设计对象对操作者技术水平的需求。要求操作人员达到什么技术等级，并具备哪些专长。 设计对象是否被制造过，假如与设计对象类似的产品已在生产，则应参观生产过程，并寻找有关的设计与生产文件。 了解用户自身的一些规定、标准，例如厂标，一般技术要求，对产品表面的要求（防蚀、色彩）等。（2）设计对象工作原理的设计明确了设计对象的需求之后，就可以开始工作

4、原理设计了，这是总体设计的关键。设计质量的优劣取决于设计人员能否有效的对系统的总功能进行合理的抽象和分解，并能合理的运用技术效应进行创新设计，勇于开拓新的领域和探索新的工作原理，使总体设计方案最佳化，从而形成总体方案的初步轮廓。 （3）主要结构方案的选择185机械结构类型很多，选择主要结构方案时，必须保证系统所要求的精度、工作稳定可靠、制造工艺性好，应符合运动学设计原则或误差均化原理。按运动学原则进行结构设计时，不允许有过多的约束。但当约束点有相对运动且载荷较大时，约束处变形大，易磨损，这时可以采用误差均化原理进行结构设计。这时可以允许有过多的约束，例如滚动导轨中的多个滚动体，是利用滚动体的弹

5、性变形使滚动体直径的微小误差相互得到平均，从而保证了导轨的导向精度。 （4）摩擦形式的选择 设计机电一体化机械系统时要认真选择运动机构的摩擦形式，如果处理得不好，由于动、静摩擦力差别太大易造成爬行，会影响控制系统工作的稳定性。因此总体方案设计时，必须选取与工作要求相符的摩擦形式的导轨。导轨副相对运动时的摩擦形式有滑动、滚动、液体静压滑动、气体静压滑动等几种形式，各有不同的优缺点，设计时可以根据需求，综合考虑各方面因素进行选择。（5）系统简图的绘制 选择或设计了系统中各主要功能元的解之后，用各种符号代表各子系统中功能元的解，包括控制系统、传动系统、电器系统、传感检测系统、机械执行系统等，根据总体

6、方案的工作原理，画出它们的总体安排，形成机、电、控有机结合的机电一体化系统简图。根据这些简图，进行方案论证，并作多次修改，确定最佳方案。在总体安排图中，机械执行系统应以机构运动简图或机构运动示意图表示，其它子系统可用方框图表示。 （6）总体精度分配 总体精度分配是将机、电、控、检测各系统的精度进行分配。精度分配时，应根据各子系统所用技术系统的特点进行分配，不应采取平均分配的方法，对于具有数字特征的电、控、检测子系统可按其数字精度直接分配；对于具有模拟量特征的机、电、检测子系统，则可按技术难易程度进行精度分配。在精度初步分配后，要进行误差计算，把各子系统的误差按系统误差、随机误差归类，分别计算，

7、并与分配的精度进行比较，进行反复修改，使各部分的精度尽可能合理，总体精度分配的目标是以满足总体精度为约束，使各子系统的精度尽可能低，达到获得最佳性能价格比的目标。（7）总体设计报告 总结上述设计过程的各个方面，写出总体设计报告，为总体装配图和部件装配图的绘制做好准备。总体设计报告要突出设计重点，将所设计系统的特点阐述清楚，同时应列出所采取的措施及注意事项。 机电一体化总体设计的目的是设计出综合性能最优或较优的总体方案，作为进一步详细设计的纲领和依据。应当指出，总体方案的确定并非是一成不变的，在详细设计结束后，应再对整体性能指标进行复查，如发现问题，应及时修改总体方案，甚至在样机试制出来之后或在

8、产品使用过程中，如发现总体方案存在问题，也应及时加以改进。7.1.2 产品的使用要求产品的使用要求包括功能性要求、经济性要求和安全性要求等，产品的性能指标应根据这些要求及生产者的设计和制造能力、市场需求等来确定。（1）功能性要求产品的功能性要求是要求产品在预定的寿命期间内有效地实现其预期的全部功能和性186能。从设计的角度来分析，功能性要求可用下列性能指标来表达。功能范围。任何产品能实现的功能都有一定范围。一般来说，产品的适用范围较窄，其结构可较简单，相应的开发周期较短，成本也较低，但由于适用范围窄，市场覆盖面就小，产品批量也小，使单台成本增加。相反，如扩大适用范围，虽然产品结构趋于复杂，成本

9、增加，但由于批量的增加又可以使单台成本趋于下降。合理地确定产品的功能范围，不仅要考虑用户的使用要求，还要考虑经济上的合理性，应综合分析市场、技术难度、生产企业的实力等多方面因素进行决策。在所有影响因素中，最难于准确获得的是市场需求与功能范围之间的关系。如果能准确获得这一关系，就不难采用优化的方法做出最优决策。对于单件生产的专用机电一体化设备，则直接满足用户要求就可以了。 精度指标。产品的精度是指产品实现其规定功能的准确程度，它是衡量产品质量的重要指标之一。精度指标需依据精度要求来确定，并作为产品设计的一个重要目标和用户选购产品的主要参考依据。一般情况下，精度越高，制造成本也越高。另一方面，精度

10、降低可使成本和价格降低，导致产品销量增加，但在精度降低后，产品的使用范围将会随之缩小，又可能导致产品销量下降。因此，合理的精度指标确定是一个多变量优化问题，需要在确定了精度与成本、价格与销量关系后，才可进行优化计算，做出最优决策。 可靠性指标。产品的可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。规定的条件包括工作条件、环境条件和储存条件；规定的时间是指产品使用寿命期或平均故障间隔时间；完成规定的功能是指不发生破坏性失效或性能指标下降性失效。 可靠性指标对成本、价格和销量的影响与精度指标类似，因此也需要在确定了可靠性与成本、价格与销量基本关系后，才能对可靠性指标做出最优决策。应

11、当指出，当由于产品可靠性的增高使得“规定的时间”超过产品市场寿命期（即产品更新换代周期）时，继续提高可靠性是没有意义的。 维修性指标。就当前的制造水平而言，在大多数情况下产品的平均故障间隔时间还都小于使用寿命期，还需要通过修理来保证产品的有效运行，以便在整个寿命期内完成其规定的功能。 维修可分为预防性维修和修复性维修。预防性维修是指当系统工作一定时间后，在尚未失效时所进行的检修；修复性维修是指产品在规定的工作期内因出现失效而进行的维修。在产品设计阶段充分考虑维修性要求，可以使产品的维修度明显增加，例如可把预计维修周期较短的局部或环节设计成易于查找故障、便于拆装等便于维修的结构。维修性指标一般不

12、会增加成本，不受其它要求的影响，因此可按充分满足维修性要求来确定，并依据维修性指标来确定最合理的总体结构方案。（2）经济性要求产品的经济性要求是指用户对获得具有所需功能和性能的产品所需付出的费用方面的要求。该费用包括购置费用和使用费用，用户总是希望这些费用越低越好。 购置费用。影响购置费用的最主要因素是生产成本，降低生产成本是降低购置费用的最主要途径。在满足功能性要求和安全性要求的前提下，成本越低越好。成本指标一187般按价格和销量关系定出上限，作为衡量设计是否满足经济性要求的准则。在设计阶段降低成本的主要方法有：合理选择各零、部件和元、器件的工作原理和结构；充分考虑产品的加工和装配工艺性，在

13、不影响工作性能的前提下，尽可能简化结构，力求用最简单的机构或装置取代非必需的复杂机构或装置，去实现同样的预期功能和性能；采用标准化、系列化和通用化的零件和器件，缩短设计和制造周期，降低成本。 使用费用。使用费用包括运行费用和维修费用，这部分费用是在产品使用过程中体现出来的。在产品设计过程中，一般采取下述措施来降低使用费用：提高产品的自动化程度，以提高生产率，减少管理费用及劳务开支等；选用效率高的机构、功率电路或电器，以减少动力或燃料等的消耗；合理确定维修周期，以降低维护费用。（3）安全性要求安全性要求包括对人身安全的要求和对产品安全的要求。前者是指在产品运行过程中，不因各种原因（如误操作等）而

14、危及操作者或周围其他人员的人身安全；后者是指不因各种原因（如偶然故障等）而导致产品被损坏甚至永久性失效。安全性指标需根据产品的具体特点而定。为保证人身安全常采取的措施有：设置安全检测和防护装置，如数控机床的防护罩、互锁安全门，冲压设备的光电检测装置，工业机器人周围的安全栅等。产品外表及壳罩等应倒角去毛刺，以防划伤操作人员。在危险部位或区域设置警告性提示灯或安全标语等。 当控制装置和被控对象为分离式结构时，两者之间的电气连线应埋于地下或架在高空，并用钢管加以保护，以防导线绝缘层损坏而危及人身安全。 为保证产品安全常采取的措施有：设置各种保护电器，如熔断器、热继电器等。安装限位装置、故障报警装置和

15、急停装置等。采用状态检测及互锁等方法防止因误操作等所带来的危害。7.1.3 性能指标的具体内容性能指标可按使用要求划分为功能性指标、经济性指标和安全性指标，也可从设计的角度出发将性能指标划分为特征指标、优化指标和寻常指标三类。不同的性能指标，对产品总体设计的限定作用也不同。 功能性指标包括运动参数、动力参数、尺寸参数、品质指标等实现产品功能所必需的技术指标。 经济性指标包括成本指标、工艺性指标、标准化指标、美学指标等关系到产品能否进入市场并成为商品的技术指标。安全性指标包括操作指标、自身保护指标和人员安全指标等，是保证产品在使用过程中不致因误操作或偶然故障而引起产品损坏或人身事故方面的技术指标

16、。对于自动化程度较高的机电一体化产品，安全性指标尤为重要。 特征指标是决定产品功能和基本性能的指标，是设计中必须设法达到的指标。特征指标可以是工作范围、运动参数、动力参数、精度等指标，也可以是整机的可靠性指标等。特征指标在优化设计中起约束条件的作用。优化指标是在产品优化设计中用来进行方案对比的评价指标。优化指标一般不像特征指标那样要求必须严格达到，而是有一定范围和可以优化选择的余地。在设计中，优化指标往往不是直接通过设计保证的，而是间接得到的。常被选作优化指标的有生产成本、可188靠度等。寻常指标是产品设计中作为常规要求的一类指标，一般不定量描述。例如，工艺性指标、人机接口指标（如宜人化操作等方面的要求） 、美学指标、安全性指标、标准化指标等，通常都作为寻常指标。寻常指标一般不参与优化设计，只需采用常规设计方法来保证。一般来讲，寻常指标有较为固定的范畴，而特征指标和优化指标的选定则应根据具体产品的设计要求来进行。一种产品设计中的特征指标，可能