机电系统设计方法

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1、5 机电系统设计机电系统设计5 机电系统设计机电系统设计5.1 机电系统设计基础5.2 可靠性设计5.1 机电系统设计基础机电系统设计基础一、机电一体化工程与系统工程一、机电一体化工程与系统工程1.系统工程2.机电一体化工程3.机电一体化工程与系统工程之比较二、机电一体化系统的设计基本方法与流程二、机电一体化系统的设计基本方法与流程1.设计方法2.设计类型3.设计流程三、系统评价三、系统评价1.评价指标2.评价方法四、机电系统的现代设计方法四、机电系统的现代设计方法1.并行工程2.绿色设计3.反求设计4.虚拟设计5.快速响应设计5.1 机电系统设计基础机电系统设计基础5.1.1 机电一体化工程

2、与系统工程一、机电一体化工程与系统工程一、机电一体化工程与系统工程系统工程的定义： 1978年，钱学森就指出：“系统工程是组织管理的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所有系统都具有普通意义的科学方法。”系统工程是以大系统为对象，以数学方法和计算机为工具，对系统的构成要素、组织结构、信息交换和反馈控制等功能进行分析、设计、制造和服务，从而达到最优设计、最优控制和最优管理的目标。 5.1.1 机电一体化工程与系统工程一、机电一体化工程与系统工程一、机电一体化工程与系统工程系统工程的原则：(1)整体性原则 系统各要素之间是有机结合，而非简单的叠加。从整体性的角度，提高系统的性能。

3、(2)综合性原则 系统各要素之间的有机结合涉及多方面的属性，应当将这些属性综合起来研究。(3)科学性原则 指在处理各种设计问题时，应按照科学的顺序和步骤进行，尽量使用定量的方法。2.机电一体化工程 机电一体化工程是系统工程在机电一体化系统(或产品)中的具体应用。机电一体化技术是从系统工程的观点出发，应用机械、电子等有关技术，使机械装置和电子设备有机结合，实现系统或产品整体最优酌综合技术 5.1.1 机电一体化工程与系统工程3.机电一体化工程与系统工程之比较5.1.1 机电一体化工程与系统工程系统工程系统工程机电一体化工程机电一体化工程产生年代产生年代50年代(美国)70年代(日本)对象对象大系

4、统小系统、机器基本思想基本思想系统概念机电一体化概念(系统和接口的概念)技术方法技术方法利用软件进行优化、仿真、鉴定、检查等。硬件的超精密定位、超精密加工、优化设计、微机控制及仿真信息处理系统信息处理系统大型计算机微型计算机共同点共同点应用计算机，具有实用性、综合性、复合性5.1 机电系统设计基础机电系统设计基础二、机电一体化系统的设计基本方法与流程二、机电一体化系统的设计基本方法与流程1.设计方法 机电一体化的设计方法从系统的角度出发，综合应用机械技术和微电子技术，使二者密切结合、相互协调、相互补充。实际机电系统的设计内容和方法是丰富多彩的，但是从一体化设计的角度看，主要有三种方法，即替代法

5、、即替代法、融合法和组合法。融合法和组合法。5.1.2 机电一体化系统的设计基本方法与流程(1) 替代法替代法 即机电互补法，或取代法 一般指用高性能的电子及电气部件替代复杂的机械装置，实现原有装置的功能。这种方法常用于对传统机械设备的机电一体化改造。这种替代不是简单的置换，往往可以带来多方面的提高，例如可以简化机械结构，方便控制、获得高性能。 5.1.2 机电一体化系统的设计基本方法与流程(2) 融合法融合法 即结合法 是指将各组成要素有机结合为一体，构成专用或通用的功能子部件(子系统)。 它体现在两方面： 机电性能互补和软硬件结合机电性能互补和软硬件结合例如，在数控机床进给系统中，对于存在

6、的丝杠螺母传动间隙、刀具安装误差等问题，若单纯采用提高机械制造精度的办法是很难解决的。实际上，采用机床数控系统的自动间隙补偿及刀具补偿功能，可使问题迎刀而解，而且更有效、更合理。例如虚拟仪器可用软件实现示波器的功能。5.1.2 机电一体化系统的设计基本方法与流程(3) 组合法组合法 它是指将功能部件（或子系统）、功能模块像积木那样组合成各种机电系统。 在新产品系列化及设备的机电一体化改造中应用这种方法，可以缩短设计与研制周期，节约工装设备费用，且有利于生产管理、使用和维修。 5.1.2 机电一体化系统的设计基本方法与流程2. 设计类型设计类型(1) 开发性设计开发性设计(2) 适应性设计适应性

7、设计(3) 变异性设计变异性设计5.1.2 机电一体化系统的设计基本方法与流程2. 设计类型设计类型(1) 开发性设计开发性设计 这是一种从无到有的全新设计，是在既没有参考样机又没有具体设计方案参照的情况下，根据所设计系统的功能要求和抽象的设计原理进行的创造性工作。 例如，第一台数控机床的设计、第一台磁盘驱动器的设计，就属于开发性设计。 5.1.2 机电一体化系统的设计基本方法与流程2. 设计类型设计类型(2) 适应性设计适应性设计 指在总的方案原理基本不变的情况下，对原有系统进行指在总的方案原理基本不变的情况下，对原有系统进行局部变动和改进，以适应增加功能、提高性能或降低成本，局部变动和改进

8、，以适应增加功能、提高性能或降低成本，以适应科学技术发展和市场竞争的需要。以适应科学技术发展和市场竞争的需要。 例如，对照相机应用电子快门自动曝光代替手动调整，使照相机在小型化、智能化方面得到提高；对普通机床进行数控改造设计，使其性能和功能增强；这些都属于适应性设计。 5.1.2 机电一体化系统的设计基本方法与流程2. 设计类型设计类型(3) 变异性设计变异性设计 这种设计是在设计方案和功能结构不变的情况下，通过改变规格尺寸、速度、力或功率等参数而进行的系列化设计。变异性设计的目的是满足市场对产品的不同需要。这种设计相对比较容易，但设计人员也必须有比较丰富的工程经验，对参数的改动也必须进行科学

9、的计算和必要的实验。3. 设计流程设计流程三、系统评价三、系统评价1.评价指标2.评价方法5.1 机电系统设计基础机电系统设计基础1.评价指标 对机电产品的优劣进行评价，必须要有定量的指标作依据，这些指标应该是能够用来衡量产品性能和结构质量的参数指标，一般分为基本指标、优化指标和寻常指标三类 。5.1.3 系统评价系统评价(1) 基本指标 基本指标是决定产品功能和基本性能的指标，是设计必须达到的指标，如工作范围、运动参数、动力参数、结构参数、精度指标、环境指标等。这些性能指标以能够满足用户要求为度，不需要追求过高的指标。 包括运动参数、动力参数和品质参数。5.1.3 系统评价系统评价运动参数运

10、动参数：用来表征机器工作运动的轨迹、行程、方向和起止点位置正确性的指标。动力参数动力参数：用来表征机器输出动力大小的指标，如力、力矩、功率等。品质指标品质指标：用来表征运动参数和动力参数品质的指标。如：运动轨迹和行程的精度、运动行程和方向的可变性，运动速度的高低、稳定性和可调性。5.1.3 系统评价系统评价(2) 优化指标优化指标 优化指标是指在产品优化设计中可以用来进行方案对比的评价指标。对于机电产品而言，主要是生产效率、柔性、自动化程度、生产成本和可靠性，其中常用的是生产成本、可靠性等。在满足基本指标的前提下，这些优化指标一般是越高越好，而成本指标则越低越好。 5.1.3 系统评价系统评价

11、(3) 寻常指标 主要指在产品设计中作为常规要求的一类指标，主要有： a. 工艺性指标工艺性指标，对产品结构提出的装配、维修、调整方便的指标； b. 人机接口指标人机接口指标，操作者在进行操作时表现出来的操作方便，减少误操作、视觉误差小等人机工程学指标； c. 美学指标美学指标，对产品外观造型提出造型比例、产品色彩的指标； d. 标准化指标标准化指标，对产品组成的元器件、零部件乃至功能模块的标准化程度提出的指标等。5.1.3 系统评价系统评价 基本指标和优化指标的选定应根据具体产品的设计要求来进行。一种产品的基本指标，可能是另一种产品的优化指标。某些指标在要求较为严格，必须经过周密设计才某些指

12、标在要求较为严格，必须经过周密设计才能达到时，应选为基本指标，而在要求较为宽松的情况下，能达到时，应选为基本指标，而在要求较为宽松的情况下，则可选为优化指标。则可选为优化指标。 如在对旧机床进行数控改造时，由于旧机床精度因长期磨损已经很低，改造的目的是用它完成一些品种少、形状复杂但精度要求较低的零件的加工，因此可将成本选为特征指标，即要求改造费用不能超过某一数额，而将精度作为优化指标，即在费用不超的条件下，尽量提高精度。 5.1.3 系统评价系统评价2.评价方法 机电产品的综合评价通常需要采用多目标规划的方法，因为设计的基本目标是多性能、低价格，即包含了技术性和经济性两大类指标。 多目标规划的

13、求解策略有降维法、顺序单目标法和评价函数法等几种方法，这些方法的共同特点是，设法把多目标问题转化成单目标问题求解，但不同的转化方法对应着不同的求解策略。5.1.3 系统评价系统评价(1) 降维法降维法目标：目标：把多目标问题转化成单目标问题求解 ，从而解出最优解。方法：方法：用一个起主要作用的指标作为目标函数，而将其它优化指标转化为约束条件。5.1.3 系统评价系统评价5.1.3 系统评价系统评价(2) 顺序单目标法顺序单目标法目标：目标：把多目标问题转化成单目标问题求解 ，从而解出最优解。方法：方法：首先对各优化指标按重要程度排序，按单目标优化方法依序求出每个指标所对应的最优解，然后对这些单

14、目标优化解进行折衷处理，从而得到整体最优解。 5.1.3 系统评价系统评价(3) 评价函数法评价函数法目标：目标：把多目标问题转化成单目标问题求解 ，从而解出最优解。方法：方法：首先将各优化指标依一定关系进行组合，从而构造出一个单目标问题的目标函数，被称为评价函数，然后依据这个评价函数对各种方案进行评价，最终确定出最优方案。四、机电系统的现代设计方法四、机电系统的现代设计方法1.并行工程2.绿色设计3.反求设计4.虚拟设计5.快速响应设计5.1 机电系统设计基础机电系统设计基础5.1.4 机电系统的现代设计方法机电系统的现代设计方法1.并行工程并行工程 并行工程与传统的串行工程之间的本质差别在

15、于它把产品开发过程中的各个作业视为一个整体，面向产品的全生命周期，进行全局的优化的整体管理和控制。 5.1.4 机电系统的现代设计方法机电系统的现代设计方法b) 并行工程工作模式2.绿色设计绿色设计 绿色设计是从并行工程思想发展而出现的一个新概念。所谓绿色设计，就是在新产品的开发阶段，就考虑其整个生命周期内对环境的影响，从而减少对环境的污染、资源的浪费、使用安全和人类健康等所产生的负作用。 5.1.4 机电系统的现代设计方法机电系统的现代设计方法3. 反求设计 反求设计是以现代设计理论、方法和技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，对已有产品进行深入的分析研究，探索并掌握其

16、关键技术，在消化、吸收的基础上，开发出同类型创新产品的设计。 5.1.4 机电系统的现代设计方法机电系统的现代设计方法3. 反求设计例1：美国发明的晶体管技术原来仅用于军事领域。日本SONY公司买到晶体管专利技术后，进行反求研究，移植于民用领域，开发出晶体管半导体收音机，占领了国际市场。例2：日本本田公司对世界各国500多种型号的摩托车进行反求研究，对不同技术条件下的技术特点加以分析，综合其优点，研制出耗油少、噪声小、成本低、造型美的新型本田摩托车。5.1.4 机电系统的现代设计方法机电系统的现代设计方法3. 反求设计 在19451970年，日本用60亿美元引进国外先进技术，并投资150亿美元

17、进行消化吸收，取得26000项技术成果。成功的技术引进使日本节省了约9/10的研究费用和约2/3的研究时间。 据统计，各国70%以上的技术都来自外国，通过反求工程掌握这些技术是十分必要的。而在反求的基础上进行工程设计，起点高，更容易得到创新的产品。5.1.4 机电系统的现代设计方法机电系统的现代设计方法4. 虚拟产品设计 虚拟产品设计是基于虚拟现实技术的新一代计算机辅助设计，是在基于多媒体的、交互的渗入式或侵入式的三维计算机辅助设计环境中，设计者不仅能够直接在三维空间中通过三维操作、语言指令、手势等高度交互的方式进行三维实体建模和装配建模，并且最终生成精确的产品模型，以支持详细设计与变型设计，

18、同时能在同一环境中进行一些相关分析，从而满足工程设计和应用的需要。5.1.4 机电系统的现代设计方法机电系统的现代设计方法5. 快速响应设计快速响应工程是企业面对瞬息万变的市场环境，不断迅速开发适应市场需求的新产品，以保证企业在激烈竞争环境中立于不败之地的重要工程。实现快速响应设计的关键是有效开发和利用各种产品信息资源。 5.1.4 机电系统的现代设计方法机电系统的现代设计方法5.1 机电系统设计基础机电系统设计基础一、机电一体化工程与系统工程一、机电一体化工程与系统工程1.系统工程2.机电一体化工程3.机电一体化工程与系统工程之比较二、机电一体化系统的设计基本方法与流程二、机电一体化系统的设

19、计基本方法与流程1.设计方法2.设计类型3.设计流程三、系统评价三、系统评价1.评价指标2.评价方法四、机电系统的现代设计方法四、机电系统的现代设计方法1.并行工程2.绿色设计3.反求设计4.虚拟设计5.快速响应设计5.1 机电系统设计基础机电系统设计基础5.2 可靠性设计可靠性设计一、可靠性指标和计算方法一、可靠性指标和计算方法1.无故障性指标(1) 可靠度(2) 失效率(3) 平均无故障工作时间2. 耐久性指标(1) 有效度(2) 耐久性系数二、可靠性计算二、可靠性计算1.串联系统2.并联系统三、可靠性设计方法三、可靠性设计方法 冗余法 (工作冗余、后备冗余)5.2 可靠性设计可靠性设计

20、可靠性是指系统在规定条件下和规定时间内完成功能可靠性是指系统在规定条件下和规定时间内完成功能的能力。的能力。一个系统必须可靠地工作，才能完成预定的任务，才有实用价值。因此，可靠性设计是机电系统设计的一个十分重要的内容。5.2 可靠性设计可靠性设计一、可靠性指标和计算方法一、可靠性指标和计算方法系统或产品的可靠性由其无故障性和耐久性决定。无故障性指标可以用可靠度，也可用平均无故障工作时间或故障率（失效率）来表示。耐久性指标可用耐久性系数或用有效度或技术利用系数表示。这些指标均带有概率性质，只能用随机变量来描述。5.2.1 可靠性指标和计算方法可靠性指标和计算方法1. 无故障性指标(1) 可靠度

21、设N个产品中，每经过一段时间，就有一些失效。在 时刻，失效了 个，从 到 又失效了 个，经过 m个时间段落，这时总的失效产品数为：5.2.1 可靠性指标和计算方法可靠性指标和计算方法失效的产品在产品总数中所占比例为： 5.2.1 可靠性指标和计算方法可靠性指标和计算方法 如果时间间隔取得很小，那么图a）与b）的折线就趋近于c）与d）的曲线，即可看成是时间的连续函数。于是，时刻t产品的失效概率为：式中式中N(t)为t时刻的失效产品累积数 f(t)称为失效密度函数，表示失效概率在单位时间内的变化值。 5.2.1 可靠性指标和计算方法可靠性指标和计算方法设 表示还在完好工作的产品数，令则：5.2.1

22、 可靠性指标和计算方法可靠性指标和计算方法这里， 表示相对的完好工作的产品数（可靠工作的产品百分数）随时间的变化值，称为产产品的可靠度品的可靠度。相应的称 为不可靠度或失效概率不可靠度或失效概率。 满足概率定义。 可靠度 是一个定量指标，它表明产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率。显然 ，而且是时间的函数。根据以上分析，有：5.2.1 可靠性指标和计算方法可靠性指标和计算方法(2) 失效率失效率失效率 表示为：也就是在单位时间内失效的产品数与完好产品数的比值，它表示产品工作到时刻后，单位时间内失效的概率。 5.2.1 可靠性指标和计算方法可靠性指标和计算方法由于：5.2.1 可靠性

23、指标和计算方法可靠性指标和计算方法可得：上式积分得：5.2.1 可靠性指标和计算方法可靠性指标和计算方法 的值，可以通过对机械电子产品进行试验得出。对于许多电子元器件来说，是随时间变化的，形成一个如图所示的“浴盆曲线”，曲线的三段反映了失效的三个阶段： 早期失效期早期失效期 出现于产品工作的初期，失效率高，但随时间增加而迅速下降，近似于指数分布。这一时期的失效，一般是由材料缺陷、设计和制造问题等因素造成。通过筛选等手段，把失效产品选出来，可以降低失效率。5.2.1 可靠性指标和计算方法可靠性指标和计算方法 随机失效期随机失效期 这是偶然失效期，失效率低且接近恒定。这是机电系统或产品工作状态的最

24、佳时间，反映了正常工作时的失效情况，近似于泊松分布。一般是由于偶然事故、人为差错等造成失效。通常只有通过提高产品的可靠性来降低失效率。5.2.1 可靠性指标和计算方法可靠性指标和计算方法 耗损失效期耗损失效期 出现于产品使用的后期，失效随时间的增加而上升，曲线近似于正态分布。它是由于产品的老化、疲劳和磨损造成的。改善耗损失效的办法是进行预防维修。 5.2.1 可靠性指标和计算方法可靠性指标和计算方法(3) 平均无故障工作时间平均无故障工作时间MTBF（Mean Time Between Failures）即平均故障间隔时间。可用m表示。 5.2.1 可靠性指标和计算方法可靠性指标和计算方法当

25、时，2. 耐久性指标耐久性指标 产品的主要耐久性指标，是达到极限状态前的使用期限（实际工作时间），它是用来评价在整个使用期间工作能力耗损情况的指标。 对系统的耐久性，一方面应根据其中单个元件的使用期限进行评估，同时还要确定哪些是对工作极限和使用持续时间起决定作用的因素。5.2.1 可靠性指标和计算方法可靠性指标和计算方法(1) 有效度 A可以用作确定工作耐久性的指标, 表达式为:5.2.1 可靠性指标和计算方法可靠性指标和计算方法其中：MTTRMean Time To Repair平均修理时间；(2) 耐久性系数 5.2.1 可靠性指标和计算方法可靠性指标和计算方法为相对修理损失。第i个零件故

26、障前的使用期限；第i个零件的修理时间，包括拆卸、安装、调试时间； 二可靠性计算二可靠性计算1串联系统串联系统 串联系统由几个单元串联而成，是最常见的一种系统。串联系统能否正常工作，取决于系统所有各部件是否正常工作。当系统内任一单元出现故障时，会使整个系统不能正常工作。5.2.1 可靠性指标和计算方法可靠性指标和计算方法 设单元的可靠度为 ，当各单元相互独立时，系统的可靠度 为：5.2.1 可靠性指标和计算方法可靠性指标和计算方法即：串联系统的可靠度总是小于系统各组成单元中最低的可靠度，因此在串联系统设计中组成单元数宜少，不应有个别可靠度低的零部件。2并联系统并联系统 系统由几个独立单元组成，执

27、行同样功能，只有在所有单元都失效时，系统才失效。 5.2.1 可靠性指标和计算方法可靠性指标和计算方法a) 并联系统 b) 一串关闭阀门组成的并联系统式中： 单元i在时间t内的不可靠度。5.2.1 可靠性指标和计算方法可靠性指标和计算方法在各独立单元的故障互不相关的情况下，系统的不可靠度为：所以，系统的可靠度为： 因此，并联单元越多，系统的可靠度就越高，但系统的重量、外形和价格都将增加，显得冗余。 三可靠性设计三可靠性设计1提高产品的设计和制造质量 设计过程中要进行可靠性分析，估计系统中各种引起失效的可能因素，采取必要的可靠性措施，以降低故障率。e.g.裕度法 对于关键性的系统，可以加大设计的

28、安全系数，以保证一定的可靠性储备。 5.2.1 可靠性指标和计算方法可靠性指标和计算方法式中：5.2.1 可靠性指标和计算方法可靠性指标和计算方法裕度法失效时的参数值 在极限条件下达到极值 可靠性储备系数 如果Y达到 时还没有达到失效时的参数值 ，则称其为具有可靠性储备，用 来表示。 2冗余技术冗余技术 由于故障是随机的，无法绝对避免，冗余技术就成为保证系统可靠性的一种重要方法。冗余技术又称储备技术，它是利用并联系统来提高系统可靠性的一种方法，分为工作冗工作冗余与后备冗余余与后备冗余两类。 5.2.1 可靠性指标和计算方法可靠性指标和计算方法（1）工作冗余）工作冗余 又称工作储备或掩蔽储备，是

29、一种两个或两个以上单元并行工作的并联系统。平时，由各个单元平均负担工作，因此有冗余。只有当所有的单元都失效时，系统才失效。如果还有一个单元工作，系统就能可靠地工作。5.2.1 可靠性指标和计算方法可靠性指标和计算方法（2）后备冗余）后备冗余 又称非工作储备或待机储备，是并联系统的一种特殊情况。这种系统必须设置检测与转换装置，不断检测工作单元的情况，一旦发现失效，就启动转换装置，用后备单元代替失效的工作单元。 5.2.1 可靠性指标和计算方法可靠性指标和计算方法 对可靠性要求高的机械系统才采用冗余技术采用冗余技术。如载重汽车采用双列后轮（工作冗余）或备用轮（后备冗余），除了脚踏制动器外还有手动制动器（后备冗余）；飞机的机翼控制系统中设有备用传动系统等。 但是对一般的机械系统更多的是采用裕度法采用裕度法来提高可靠性，如在强度、刚度、抗振性等方面采取较大安全系数。 5.2.1 可靠性指标和计算方法可靠性指标和计算方法