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1、返回结束放映返回总目录1第第6 6章章机电一体化系统机电有机结合的分析与设计6-1 机电一体化系统的稳态与动态设计6-2 机电有机结合之一 ： 机电一体化系统稳态设计的考虑方法6-3 机电有机结合之二 ： 机电一体化系统动态设计的考虑方法6-4 机电一体化系统的可靠性、安全性设计习题与思考题返回结束放映返回本章目录2 机电一体化系统（产品）的设计过程是机电参数相互匹配，即机电有机结合的过程。机电伺服系统是典型的机电一体化系统。本章将以机电伺服系统为例，说明机电一体化系统设计的一般考虑方法。伺服系统中的位置伺服控制系统和速度伺服控制系统的共同点是通过系统执行元件直接或经过传动系统驱动被控对象，从
2、而完成所需要的机械运动。因此，工程上是围绕机械运动的规律和运动参数对它们提出技术要求的。 6-1 机电一体化系统的 稳态与动态设计返回结束放映返回本章目录3 在进行机电伺服系统设计时，首先要了解被控对象的特点和对系统的具体要求，通过调查研究制订出系统的设计方案。该方案通常只是一个初步的轮廓，包括系统主要元部件的种类、各部分之间的连接方式、系统的控制方式、所需能源形式、校正补偿方法以及信号转换的方式等。有了初步设计方案就要进行定量的分析计算，分析计算包括稳态设计计算和动态设计计算。稳态设计包括使系统的输出运动参数达到技术要求、执行元件(如电动机)的参数选择、功率（或转矩）的匹配及过载能力的验算、
3、各主要元部件的选择与控制电路设计、信号的有效传递、各级增益的分配、各级之间阻抗的匹配和抗干扰措施等，并为后面动态设计中的校正补偿装置的引入留有余地。返回结束放映返回本章目录4 初步确定系统的主回路各部分特性、参数已初步确定，便可着手建立系统的数学模型，为系统的动态设计做好准备。 主要是设计校正补偿装置，使系统满足动态技 术指标要求，通常要进行计算机仿真，或 借助计算机进行辅助设计。 通过上述理论设计计算，完成的还仅是一个较详细的设计方案，这种工程设计计算一般是近似的，只能作为工程实践的基础。系统的实际电路及实际参数往往要通过样机的试验与调试，才能最后确定下来。这并不等于以上设计计算是多余的，因
4、经过设计计算后确定的方案，考虑了机电参数的有机结合与匹配，这对工程实践是必需的，这有利于减少盲目性和加快样机的调试与电路参数的确定。随着机电一体化技术的发展，机电一体化系统的自动化程度越来越高。为满足人们生活和生产安全、可靠地使用要求，在机电一体化有机结合分析与设计过程中，必须充分注意其可靠性、安全性设计要求。稳态设计动态设计返回结束放映返回本章目录5 6-2 机电有机结合之一： 机电一体化系统稳态设计的考虑方法 位置控制系统和速度控制系统的被控对象作机械运动时，该被控对象就是系统的负载，它与系统执行元件的机械传动联系有多种形式。机械运动是组成机电一体化系统的主要组成部分，它们的运动学、动力学
5、特性与整个系统的性能关系极大。 被控对象被控对象( (简称负载简称负载) )的运动形式有直线运动、回转运动、间歇运动等，具体的负载往往比较复杂，为便于分析，常将它分解为几种典型负载，结合系统的运动规律再将它们组合起来，使定量设计计算得以顺利进行。一、被控对象（典型负载）分析返回结束放映返回本章目录6 1. 典型负载分析 所谓典型负载，是指惯性负载、外是指惯性负载、外力负载、弹性负载、摩擦负载力负载、弹性负载、摩擦负载( (滑动摩擦负载、粘滑动摩擦负载、粘性摩擦负载、滚动摩擦负载等性摩擦负载、滚动摩擦负载等) )。 对具体系统而言，其负载可能是以上几种典型负载的组合，不一定均包含上述所有负载项目
6、。在设计系统时，应对被控对象及其运动作具体分析，从而获得负载的综合定量数值，为选择与之匹配的执行元件及进行动态设计分析打下基础。返回结束放映返回本章目录7 2.负载的等效换算 被控对象的运动，有的是直线运动，如机床的工作台X、Y 及Z 轴，机器人臂部的升降、伸缩运动，绘图机的X、Y方向运动；也有的是旋转运动，如机床主轴的回转、工作台的回转、机器人关节的回转运动等。执行元件与被控对象有直接连接的，也有通过传动装置连接的。 执执执执行行行行元元元元件件件件的的的的额额额额定定定定转转转转矩矩矩矩( ( ( (或或或或力力力力、功功功功率率率率) ) ) )、加加加加减减减减速速速速控控控控制制制制
7、及及及及制制制制动动动动方方方方案案案案的的的的选选选选择择择择，应应应应与与与与被被被被控控控控对对对对象象象象的的的的固固固固有有有有参参参参数数数数( ( ( (如如如如质质质质量量量量、转转转转动动动动惯惯惯惯量等量等量等量等) ) ) )相互匹配相互匹配相互匹配相互匹配。 因此，要将被控对象相关部件的固有参数及其所受的负载(力或转矩等)等效换算到执行元件(k)的输出轴上，即计算其输出轴承受的等效转动惯量和等效负载转矩(回转运动)或计算等效质量和等效力(直线运动)。返回结束放映返回本章目录8返回结束放映返回本章目录9返回结束放映返回本章目录10返回结束放映返回本章目录11 二、 执行元
8、件的匹配选择 由若干元部件组成的伺服系统，其中有些元部件已有系列化商品供选用。为降低机电一体化系统的成本，缩短设计与研制周期，应尽可能选用标准化零部件。拟订系统方案时，首先确定执行元件的类型，然后根据技术条件的要求进行综合分析，选择与被控对象及其负载相匹配的执行元件。 下面以电动机的匹配选择为例简要说明执行元件的选择方法。被控对象由电动机驱动，因此电动机的转速、转矩和功率等参数应和被控对象的需要相匹配，如冗余量大，易使执行元件价格高，使机电一体化系统的成本升高，市场竞争力下降，在使用时，冗余部分用户用不上，易造成浪费。如果选用的执行元件的参数数值偏低，将达不到使用要求。所以，应选择与被控对象的
9、需要相适应的执行元件。返回结束放映返回本章目录12返回结束放映返回本章目录13返回结束放映返回本章目录14返回结束放映返回本章目录15返回结束放映返回本章目录16 三、减速比的匹配选择与各级减速比的分配 减速比主要根据负载性质、脉冲当量和机电一体化系统的综合要求来选择确定，既要使减速比达到一定条件下最佳，同时又要满足脉冲当量与步距角之间的相应关系，还要同时满足最大转速要求等。当然要全部满足上述要求是非常困难的。返回结束放映返回本章目录17 执行元件与机械传动系统确定之后，需要根据所拟系统的初步方案，选择和设计系统的其余部分，把初步方案逐步具体化。各部分的设计计算必须从系统总体要求出发，考虑相邻
10、部分的广义接口、信号的有效传递(防干扰措施)、输入输出的阻抗匹配。总之，要使整个系统在各种运行条件下，达到各项设计要求。伺服系统的稳态设计就是要从两头入手，即首先从系统应具有的输出能力及要求出发，选定执行元件和传动装置;其次是从系统的精度要求出发，选择和设计检测装置及信号的前向和后向通道；最后通过动态设计计算，设计适当的校正补偿装置、完善电源电路及其他辅助电路，从而达到机电一体化系统的设计要求。 检测传感装置的精度(即分辨力)、不灵敏区等要适应系统整体的精度要求，在系统的工作范围内，其输入输出应具有固定的线性特性，信号的转换要迅速及时，信噪比要大，装置的转动惯量及摩擦阻力矩要尽可能小，性能要稳
11、定可靠等。 信号转换接口电路应尽量选用商品化的集成电路，要有足够的输入输出通道，不仅要考虑与传感器输出阻抗的匹配，还要考虑与放大器的输入阻抗符合匹配要求。四、四、检测传感装置、信号转换接口电路、 放大电路及电源等的匹配选择与设计返回结束放映返回本章目录18 （a) 功率输出级必须与所用执行元件匹配，其输出电压、电流应满足执行元件的容量要求，不仅要满足执行元件额定值的需要，而且还应该能够保证执行元件短时过载、短时快速的要求。总之，输出级的输出阻抗要小，效率要高, 时间常数要小。 （b）放大器应为执行元件(如电动机)的运行状态提供适宜条件。例如：为大功率电动机提供制动条件，为力矩电动机或永磁式直流
12、电动机的电枢电流提供限制保护措施。 （c）放大器应有足够的线性范围，以保证执行元件的容量得以正常发挥。 （d）输入级应能与检测传感装置相匹配。即它的输入阻抗要大，以减轻检测传感装置的负荷。 （e）放大器应具有足够的放大倍数，其特性应稳定可靠，便于调整。 伺服系统放大器的设计与选择主要考虑以下几个问题： 返回结束放映返回本章目录19 伺服系统的能源（特别是电源)支持：在一个系统中，所需电源一般很难统一，特别是放大器的电源常常为适应各放大级的不同需要而进行适应性设计。但是最关键的还是动力电源，它常常制约系统方案的形式。系统对电源的稳定度和对频率的稳定度都有一定要求，设计时要注意不能让干扰信号从电源
13、引入，所使用电源应具有足够的保护措施，如过电压保护、掉电保护、过电流保护、短路保护等。抗干扰措施有滤波、隔离、屏蔽等。此外，要有为系统服务的自检电路、显示与操作装置。总之，系统设计牵涉的知识面较广，每一个环节均要给予充分注意。返回结束放映返回本章目录20五、五、系统数学模型的建立及主谐振频率的计算 在稳态设计的基础上，利用所选元、部件的有关参数，可以绘制出系统框图，并根据自动控制理论基础课程所学知识建立各环节的传递函数，进而建立系统传递函数。现以工作台闭环伺服进给系统为例，分析在不同控制方式下传递函数的建立方法。 1. 1.半闭环控制方式半闭环控制方式 下图a为检测传感器装在丝杠端部的半闭环伺
14、服控制系统。返回结束放映返回本章目录21半闭环伺服控制系统的系统框图如下图b所示。返回结束放映返回本章目录22上图的传递函数为:返回结束放映返回本章目录23返回结束放映返回本章目录24 2 . 2 . 全闭环控制方式全闭环控制方式返回结束放映返回本章目录25返回结束放映返回本章目录26返回结束放映返回本章目录27返回结束放映返回本章目录28 3. 3. 工作台进给系统的主谐振频率工作台进给系统的主谐振频率对于带非刚性轴的传动系统，上述完整的传递函数必然是高阶的。而在控制系统应用中，往往感兴趣的是机械传动系统的主谐振频率。现就其主谐振频率的求法分析如下：返回结束放映返回本章目录29返回结束放映返
15、回本章目录30根据上面拉氏变换得到的方程，可画出如下图所示的简化系统框图。通过系统框图的进一步简化可得系统的传递函数为返回结束放映返回本章目录31返回结束放映返回本章目录32返回结束放映返回本章目录33返回结束放映返回本章目录34返回结束放映返回本章目录35 6-3 机电有机结合之二： 机电一体化系统的动态设计考虑方法 机电一体化系统的伺服系统的稳态设计只是初步确定了系统的主回路，还很不完善。在稳态设计基础上所建立的系统数学模型一般不能满足系统动态品质的要求，甚至是不稳定的。为此，必须进一步进行系统的动态设计。 系统的动态设计包括：选择系统的控制方式和校正(或补偿)形式，设计校正装置，将其有效
16、地连接到稳态设计阶段所设计的系统中去，使补偿后的系统成为稳定系统，并满足各项动态指标的要求。一、机电伺服系统的动态设计返回结束放映返回目录36 伺服系统常用的控制方式为反馈控制方式(即误差控制方式)，也可采用前馈和反馈相结合的复合控制等方式。它们各具特点，需要按被控对象的具体情况和要求，从中选择一种适宜的方式。同样，校正形式也多种多样，设计者需要结合稳态设计所得到系统的组成特点，从中选择一种或几种校正形式，这是进行定量计算分析的前提。具体的定量分析计算方法很多，每种方法都有其自身的优点和不足。而工程上常用对数频率法即借助伯德（Bode)图和根轨迹方法进行设计，这些方法作图简便，概念清晰，应用广
17、泛。 对数频率法即伯德图法，主要适用于线性定常最小相位系统。系统以单位反馈构成闭环，若主反馈系统不为l（单位反馈），则需要等效成单位反馈的形式来处理。这是因为该方法主要用系统开环对数幅频特性进行设计，必须将各项设计指标反映到伯德图上，并画出一条能满足要求的系统开环对数幅频特性，并与原始系统(稳态设计基础上建立的系统)的开环对数幅频特性相比较，找出所需补偿(或校定)装量的对数幅频特性。然后根据此特性来设计校正(或补偿)装置，将该装置有效地连接到原始系统的电路中去，使校正(或补偿)后的开环对数幅频特性基本上与所希望系统的特性相一致。这就是动态设计的一般考虑方法和步骤。返回结束放映返回本章目录37
18、二、系统的调节方法 在研究机电伺服系统的动态特性时，一般先根据系统组成建立系统的传递函数(即原始系统数学模型)，不易用理论方法求解的可用实验方法建立。进而可以根据系统传递函数分析系统的稳定性、系统的过渡过程品质(响应的快速性和振荡)及系统的稳态精度。 当系统有输入或受到外部干扰时，其输出必将发生变化，由于系统中总是含有一些惯性或蓄能元件，其输出量也不能立即变化到与外部输入或干扰相对应的值，也就是说需要有一个变化过程，这个变化过程即为系统的过渡过程。 当系统在阶跃信号作用下，过渡过程大致有以下三种情况：系统的输出按指数规律上升，最后平稳地趋于稳态值；系统的输出发散，即没有稳态值，此时系统是不稳定
19、的；系统的输出虽然有振荡，但最终能趋于稳态值。 返回结束放映返回本章目录38 当系统在阶跃信号作用下，过渡过程大致有以下三种情况：系统的输出按指数规律上升，最后平稳地趋于稳态值；系统的输出发散，即没有稳态值，此时系统是不稳定的；系统的输出虽然有振荡，但最终能趋于稳态值。 当系统的过渡过程结束后，其输出值达到与输出相对应的稳定状态，此时系统的输出值与目标值之差称为稳态误差。具体表征系统动态特性好坏的定量指标就是系统过渡过程的品质指标，在时域内，这种品质指标一般用单位阶跃响应曲线单位阶跃响应曲线（如图所示）中的参数来表示，即返回结束放映返回本章目录39 1. 1. PIDPID调节器及其传递函数调
20、节器及其传递函数返回结束放映返回本章目录40返回结束放映返回本章目录41 2. 2. 调节作用分析调节作用分析 返回结束放映返回本章目录42返回结束放映返回本章目录43返回结束放映返回本章目录44返回结束放映返回本章目录45返回结束放映返回本章目录46返回结束放映返回本章目录47返回结束放映返回本章目录48返回结束放映返回本章目录493. 3. 速度反馈校正速度反馈校正返回结束放映返回本章目录50返回结束放映返回本章目录51 三、机械结构弹性变形对系统的影响 1. 1.结构谐振的影响结构谐振的影响 传动系统因弹性变形而产生的振动，称为结构谐振(或机械谐振)。 为了使问题简化，在分析系统时，常假
21、定系统中的机械装置为绝对刚体，即无任何结构变形。实际上，机械装置并非刚体，而具有柔性。其物理模型是质量- 弹簧系统。例如机床进给系统中，床身、电动机、减速箱、各传动轴都有不同程度的弹性变形，并具有一定的固有谐振频率。但对于一般要求不高且控制系统的频带也比较窄，只要传动系统设计的刚度较大，结构谐振频率通常远大于闭环上限频率，故结构谐振问题并不突出。 随着科学技术的发展，对控制系统的精度和响应快速性要求愈来愈高，这就必须提高控制系统的频带宽度，从而可能导致结构谐振频率逐渐接近控制系统的带宽，甚至可能落到带宽之内，使系统产生自激振荡而无法工作，或使机构损坏。返回结束放映返回本章目录52返回结束放映返
22、回本章目录53返回结束放映返回本章目录54返回结束放映返回本章目录55返回结束放映返回本章目录56返回结束放映返回本章目录57返回结束放映返回本章目录582.2.减小或消除结构谐振的措施减小或消除结构谐振的措施返回结束放映返回本章目录59返回结束放映返回本章目录60返回结束放映返回本章目录61返回结束放映返回本章目录62四、 传动间隙对系统特性的影响 1. 1. 机械传动间隙机械传动间隙 返回结束放映返回本章目录63返回结束放映返回本章目录642. 2. 2. 2. 传动间隙的影响传动间隙的影响传动间隙的影响传动间隙的影响 返回结束放映返回本章目录65返回结束放映返回本章目录66上述主要介绍了
23、可计算(传动系统)部分的动态分析方法。机械系统(包括机械传动系统和机械支承系统)在内、外的变化载荷作用下，会表现出不同的动态响应特性。某些动态响应特性会影响机电一体化系统的正常工作，工程设计人员必须给予足够的重视。对不可计算的复杂机械系统的动态分析，通常采用被广泛使用的实验模态分析方法。通过这种方法可识别机械系统的结构模态参数，如固有振动频率、振型、模态刚度、模态质量及模态阻尼等。从而建立用这些模态参数表示的机械结构系统的动态方程，通过分折找出其问题所在，以便采取提高刚度和阻尼效果的有效方法。实验振动模态分析方法有时域法和频域法。时域法是直接从机械系统结构的时间域的响应求取模态参数。频域法是先
24、将测试数据变换成频率域数据，然后进行模态分析进而确定模态参数，其具体分析方法请参看有关资料。五、机械系统实验振动模态 参数识别返回结束放映返回本章目录67 要发挥机电一体化系统应有的作用，首先应使它可靠地工作。在设计一个新的系统（或产品）时，要对各种方案进行分析比较，要想得到一个最佳方案，不考虑可靠性问题是不完善的。因此，可靠性问题是机电一体化系统设计的一个重要组成部分。所谓可靠性，是指“产品产品( (或系统或系统) )在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力”。“完成规定功能”就是能够连续地保持产品(或系统)的工作能力，使各项技术指标符合规定值
25、。如果产品不能完成规定功能，就称为失效，对于可修复的产品，也可称为故障。可见失效(或故障)是一种破坏产品(或系统)工作能力系统 (产品)完成规定的功能是相对于“规定条件规定条件”和和“规定时间规定时间”而言的。“规定条件规定条件”是指使用时的应力条件(工作条件)、环境条件和存储时的存储条件等，“规定条件”不同，系统（产品）的可靠性也不同。例如，同一半导体器件，在使用时要求输出不同的功率，但不同的温度和湿度等环境条件、存储条件都会影响其可靠性。“规定时间规定时间”长短的不同，系统（产品）的可靠性也不同，一般来说，规定的时间越长、故障越多，可靠性也就越低。失效(或故障)越频繁可靠性就越低。总的来看
26、，可靠性的概念包括系统(产品)的无故障性和耐久性两方面的含义。系统(产品)的无故障性是指系统(产品)在某一时期内(或某一段工作时间内)，连续不断地保持其工作能力的性能。系统(产品)的耐久性是指产品在整个使用期限内和规定的维修条件下，保持其工作能力的性能。一般来说，如果不采取维修和预防措施消除故障、恢复其丧失了的工作能力，系统(产品)是不能长时期工作的。6-4 机电一体化系统的 可靠性、安全性设计 一、 可靠性设计 1. 可靠性的基本概念返回结束放映返回本章目录68 2. 保证系统 (产品)可靠性的方法 保证系统保证系统 ( (产品产品) )具有必要的可靠性是一个综合性问题，不能单纯依具有必要的
27、可靠性是一个综合性问题，不能单纯依靠某一特定的方法。在保证系统靠某一特定的方法。在保证系统 ( (产品产品) )可靠性的方法中，提高系统可靠性的方法中，提高系统 ( (产品产品) )的的“ “设计和制造质量设计和制造质量” ”是最根本的方法，它的作用是消除故障于是最根本的方法，它的作用是消除故障于发生之前，或者降低故障率。但从某种意义上来讲，由于故障是一种随发生之前，或者降低故障率。但从某种意义上来讲，由于故障是一种随机事件，因而是不可避免的。机事件，因而是不可避免的。 在这种情况下，冗余技术就成为保证系统在这种情况下，冗余技术就成为保证系统 ( (产品产品) )可靠性的一种重可靠性的一种重要
28、方法，它可以在故障发生之后把故障造成的影响掩蔽起来，使系统要方法，它可以在故障发生之后把故障造成的影响掩蔽起来，使系统 ( (产品产品) )在一定时间内继续保持工作能力。在一定时间内继续保持工作能力。 如果说冗余技术是一种掩蔽法，那么诊断技术就是一种暴露法，它如果说冗余技术是一种掩蔽法，那么诊断技术就是一种暴露法，它可以把已经出现的或即将出现的故障及时暴露出来，以便迅速修复。因可以把已经出现的或即将出现的故障及时暴露出来，以便迅速修复。因为故障掩蔽只能推迟系统为故障掩蔽只能推迟系统 ( (产品产品) )失效的时间，如果时间一长，故障就失效的时间，如果时间一长，故障就会累积起来，终归是掩蔽不住的
29、。因此，诊断技术的作用就在于及时发会累积起来，终归是掩蔽不住的。因此，诊断技术的作用就在于及时发现故障，以便缩短修理时间，提高系统现故障，以便缩短修理时间，提高系统 ( (产品产品) )的有效度。的有效度。 返回结束放映返回本章目录69返回结束放映返回本章目录70自动控制：自动控制：在系统(产品)设计中，利用机电一体化技术的优势，使系统(产品)具有自适应、自调整、自诊断甚至自修复的功能，可以大大提高系统(产品)的可靠性。这是因为自适应和自调整等自动化技术，能使机器具有适应工作条件经常变化的功能(对外界的作用作出反应)，以及恢复丧失了的工作能力的功能，使系统(产品)不仅具有完成规定功能的能力，而
30、且能够长时期地保持这种能力，不必担心外界影响，也不必担心系统(产品)本身在运转过程中发生故障。此外，在设计阶段就应考虑到在使用阶段如何保证系统(产品)可靠性的问题，应规定适当的环境条件、维护保养条件和操作规程。系统(产品)结构应具有良好的维修性，如易损件应便于更换、故障应便于诊断、容易修复等。（2）冗余技术冗余技术。冗余技术又称储备技术。它是利用系统的并联模型来提高系统(产品)可靠性的一种手段。冗余有工作冗余和后备冗余两类。工作冗余：又称工作储备或掩蔽储备，是一种两个或两个以上单元并行工作的并联模型。平时，由各个单元平均负担工作应力，因此工作能力有冗余。只有当所有的单元都失效时系统才失效，如果
31、还有任何一个单元未失效，系统就可靠地工作，不过这个单元要负担额定的全部工作应力。后备冗余后备冗余：又称非工作储备或待机储备。平时只需一个单元工作，另一个单元是冗余的，用于待机备用。这种系统必须设置失效检测与转换装置，不断检测工作单元的工作状态，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。返回结束放映返回本章目录71在设计中，究竟采用哪种冗余方法为好在设计中，究竟采用哪种冗余方法为好, ,要根据具体情况作具体分析。如要根据具体情况作具体分析。如果失效检测和转换装置绝对可靠，则后备冗余的可靠度比工作冗余法高，如果失效检测和转换装置绝对可靠，则后备冗余的可靠度比工作冗余法高，如果不绝对
32、可靠，就宁肯采用工作冗余法，因工作冗余系统还有一个优点，就果不绝对可靠，就宁肯采用工作冗余法，因工作冗余系统还有一个优点，就是由于冗余单元分担了工作应力，各单元的工作应力都低于额定值，因此其是由于冗余单元分担了工作应力，各单元的工作应力都低于额定值，因此其可靠度比预定值高。可靠度比预定值高。 选择冗余法必须考虑产品性能上的要求选择冗余法必须考虑产品性能上的要求, ,如果由多个单元如果由多个单元同时完成同一工作显著影响系统的工作特性时，就不能采用工作冗余法；产同时完成同一工作显著影响系统的工作特性时，就不能采用工作冗余法；产品设计必须考虑环境条件和工作条件的影响，品设计必须考虑环境条件和工作条件
33、的影响， 例如，如果多个工作单元同时例如，如果多个工作单元同时工作，因每个工作单元的温升而产生系统所不能容许的温升时，最好采用后工作，因每个工作单元的温升而产生系统所不能容许的温升时，最好采用后备冗余法。又如系统的电源有限，不足以使冗余单元同时工作，也以采用后备冗余法。又如系统的电源有限，不足以使冗余单元同时工作，也以采用后备冗余法为好。备冗余法为好。 决定是否采用冗余技术时，要分析引起失效的可能原因。当失效真正是决定是否采用冗余技术时，要分析引起失效的可能原因。当失效真正是随机失效时，冗余技术就能大大提高可靠度，但如果失效是由于过应力所引随机失效时，冗余技术就能大大提高可靠度，但如果失效是由
34、于过应力所引起的，冗余技术就没有用。如果某一环境条件是使并联各单元失效的共同因起的，冗余技术就没有用。如果某一环境条件是使并联各单元失效的共同因素，则冗余单元也并不可靠。素，则冗余单元也并不可靠。通常，机械系统很少采用冗余技术，而常采用裕度法来提高可靠性。通常，机械系统很少采用冗余技术，而常采用裕度法来提高可靠性。例如在强度、刚度、抗振性等方面采取较大的安全系数，实现可靠性储备。例如在强度、刚度、抗振性等方面采取较大的安全系数，实现可靠性储备。当然在采用冗余技术时，还要考虑经济上的可行性和产品的体积和重量等因当然在采用冗余技术时，还要考虑经济上的可行性和产品的体积和重量等因素。素。返回结束放映
35、返回本章目录72（3）诊断技术诊断技术。从本质上来看，诊断技术是一种检测技术，用来取得有关系统(产品)中产生的失效(故障)类型和失效位置信息。它的任务有两个：一是出现故障时，迅速确定故障的种类和位置，以便及时修复；二是在故障尚未发生时，确定产品中有关元器件距离极限状态的程度，查明系统(产品)工作能力下降的原因，以便采取维护措施或进行自动调整，防止发生故障。诊断的过程是：首先对诊断对象进行特定的测试，取得诊断信号(输出参数)，再从诊断信号中分离出能表征故障种类和位置的异常性信号，即症兆；最后将症兆与标准数据相比较，确定故障的种类和故障位置。测试：测试：通常有两种测试：一是在故障出现之后，为了迅速
36、确定故障的种类和位置，对诊断对象进行的试验性测试，这时诊断对象处于非工作状态，这种情况称为诊断测试；二是在故障发生之前，诊断对象处于工作状态，为了预测故障或及时发现故障而进行的在线测试，这种情况称为故障监测。症兆：症兆：症兆是有助于判断故障种类和故障位置的异常性诊断信号，可分为直接症兆和间接症兆两类。直接症兆是在检测产品整机的输出参数或可能出现故障的元、部件的输出参数时，取得的异常性诊断信号。例如，系统(产品)的主要性能参数异常或有关机械零件的磨损量、变形量等参数变化的信号。间接症兆是从那些与系统(产品)工作能力存在函数关系的间接参数中取出的异常性诊断信号。例如，系统(产品)的音响信号、温度变
37、化、润滑油中的磨损产物、系统动态参数(幅频特性)等，都可作为取得间接症兆的信号。采用间接症兆进行诊断的主要优点是，可以在系统(产品)处于工作状态及不作任何拆卸的情况下评价产品的工作能力。其缺点是，间接症兆与系统(产品)输出信号之间往往存在某种随机关系，此外，一些干扰因素也会影响间接症兆的有效性。尽管如此，间接症兆在诊断技术中还是得到了广泛应用。返回结束放映返回本章目录73诊断：诊断：诊断就是将测试取得的诊断信号与设定的标准数据相比较，或利用事先确定的症兆与故障之间的对应关系，来确定故障的种类与部位。标准数据是根据系统(产品)或元、部件输出参数的极限值来设定的。症兆与故障之间的对应关系，可根据理
38、论分析或模拟仿真试验来建立，这种关系用列表形式来表示时，称为故障诊断表，有时称为故障字典。 前面简述了保证系统 (产品)可靠性的方法，其中裕度法主要是一种改进硬件的措施，自动控制法以及冗余技术和诊断技术是用硬件、软件或两者结合来保证系统 (产品)可靠性的措施。 3. 干扰和抗干扰措施在机电一体化系统(产品)中，电噪声的干扰是产生元部件失效或数据传输、处理失误、进而影响其可靠性的最常见和最主要的因素，这是机电一体化系统(产品)设计中不可忽视的问题之一。（1)干扰源干扰源。一般来说，在机电一体化系统（产品）中，用专用或通用微型计算机组成的控制器，其硬件经过筛选和老化处理，可靠性非常高，平均无故障工
39、作时间较长，因此起控制器故障(失效)的原因多半不在于其本身，而在于从各种渠道进入控制器的干扰信号。返回结束放映返回本章目录74下图表示干扰信号进入控制器的各种渠道。这些渠道可分为两大类型：一是传导型，通过各种线路传入控制器，包括供电干扰、强电干扰和接地干扰等；二是辐射型，通过空间感应进入控制器，包括电磁干扰和静电干扰等。供供电电干干扰扰：控制器一般都配备有专用的直流稳压电源，即使如此，从交流供电网传来的干扰信号仍然可能影响电源电压的稳定性，并可能经过整流电源窜入控制器。这些干扰信号主要来源于附近大容量用电设备的负载变化和开、停时产生的电压波动。这些设备在启动时使电网电压瞬时降低，在停止时又产生
40、过电压和冲击电流。此外，雷电感应也会产生冲击电流。供电电网对控制器的另一种干扰是断电或瞬时断电，这将引起数据丢失或程序紊乱。强强电电干干扰扰：驱动电路中的强电元件如继电器、电磁铁和接触器等感性负载，在断电时会产生过电压和冲击电流。这些干扰信号不仅影响驱动电路本身，还会通过电磁感应干扰其他信号线路。这种强电干扰信号能通过外部接口通道影响控制器内部I/O接口的状态，并通过I/O接口进入控制器。干扰渠道示意图返回结束放映返回本章目录75辐辐射射干干扰扰：如果在控制系统附近存在磁场、电磁场、静电场或电磁波辐射源，就可能通过空间感应，直接干扰系统中的各设备(控制器、驱动接口、转换接口等)和导线，使其中的
41、电平发生变化，或产生脉冲干扰信号。系统附近或系统中的感性负载是最常见的干扰源，它的开、停会引起电磁场的急剧变化，其触点的火花放电也会产生高频辐射。人体和处于浮动状态的设备都可能带有静电，甚至可能积累很高的电压。在静电场中，导体表面的不同部位会感应出不同的电荷，或导体上原有的电荷经感应而重新分配，这些都将干扰控制系统的正常运行。（2）抗抗干干扰扰措措施施。用来抑制上述各种干扰信号的产生或防止干扰信号危害的抗干扰措施，既有针对各种干扰源的性质和部位而采取的措施，也有从全局出发而采取的提高产品可靠性的措施。接地干扰接地干扰：接地干扰是由于接地不当、形成接地环路产生的。下图为接地环路的两种典型情况。图
42、a是由于接地点远而形成的环路，因为不同位置的接地点一般不可能电位相同，因此形成图中所示的地电位差；图b是采用公用地线串联接地而形成的环路，由于各设备负载不平衡、过载或漏电等原因，可能在设备之间形成电位差；无论哪种情况形成的电位差，都会产生一个显著的电流而干扰电路的低电平。返回结束放映返回本章目录76 供电系统的抗于扰措施：针对交流供电网络这个干扰源所采取的抗干扰措施主要是稳(稳压)、滤(滤波)、隔(隔离)。 增加电子交流稳压器：在直流稳压电源的交流进线侧增加电子交流稳压器、用来稳定220V单向交流进线电压，可以进一步提高电源电压的稳定性。 增加低通滤波器，用来滤去电源进线中的高频分量或脉冲电流
43、。 加入隔离变压器，以阻断干扰信号的传导通路，并抑制干扰信号的强度。 在可靠性要求很高的地方，可采用不间断电源(具有备用直流电源)，以解决瞬时停电或瞬时电压降所造成的危害。 接口电路的抗干扰措施：在控制器与执行元件之间的驱动接口电路中，少不了由弱电转强电的电感性负载，以及用来通、断电感负载的触点，这些都是产生强电干扰的干扰源。对于这种干扰，首先是采取吸收的方法抑制其产生，然后采取隔离的方法，阻断其传导。这种强电干扰，也会通过电磁感应影响控制器与检测传感器之间的转换接口电路。对于这种干扰以及从空间感应受到的其他辐射干扰，也需采取隔离的办法，以免通过转换接口进入控制器。采用RC电路或二极管和稳压二
44、极管吸收在电感负载断开时产生的过电压，以消除强电干扰。 采用光隔离措施以防止驱动接口中的强电干扰及其他干扰信号进入控制器。如下图a所示,GT为光电耦合器，信号在其中单向传输，其输入端与输出端之间的寄生电容很小，绝缘电阻又非常大，因此干扰信号很难从输出端反馈到输入端，从而起到隔离作用。返回结束放映返回本章目录77 转换接口的隔离：为了防止各种干扰影响由检测传感器传来的较弱的模拟信号，通常采用差分式运算放大器来隔离干扰信号，其原理如下图b所示。这种放大器的输出信号决定于两个输入端的电位差，即UP -Ui，而干扰信号的相位及大小对两个输入端来说是相同的，因此干扰信号就被抵消了。 对于近距离的检测传感
45、器发出的数字或脉冲信号，不必再经过放大，可采用下图c所示的抗干扰电路。由R1和C1组成滤波器，滤去高频干扰。由于经过RC滤波后的脉冲信号往往有脉动和抖动，为了改善脉冲前沿，故增加了一级整形电路。 接地系统的抗干扰措施：要防止从接地系统传来的干扰，主要方法是切断接地环路，通常采用以下措施。图a 驱动接口的光电隔离措施 图b 差分式运算放大器抗干扰原理图c 近距离数字信号抗干扰接口电路返回结束放映返回本章目录78 4. 软件的可靠性技术 软件的可靠性技术大致包含以下两方面的内容。 （1） 利用软件来提高系统的可靠性 由于系统是由硬件和软件组成的，因而系统的可靠性也分硬件可靠性和软件可靠性两个方面，
46、通过提高元器件的质量、采用冗余设计、进行预防性维护、增设抗干扰装置等措施，能够提高硬件的可靠性。但是要想得到理想的可靠度是不够的，这要求利用软件来进一步提高系统的可靠性，其措施有： 增加系统信息管理的软件，与硬件配合，对信息进行保护，这包括防止信息被破坏,在出现故障时保护信息，在故障排除后，恢复信息等。利用软件冗余，防止信息的输入输出过程及传送过程中出错。如对关键数据采用重复校验方式， 对信息采用重复传送并进行校验等。编制诊断程序，及时发现故障，找出故障的部位，以便缩短修理时间。用软件进行系统调度，这包括在发生故障时，进行现场保护,迅速将故障装置切换成备用装置；在过负荷或环境条件变化时，采取应
47、急措施；在排除故障后，使系统迅速恢复正常并投入运行等。返回结束放映返回本章目录79 （2）提高软件的可靠性 尽管采用软件可提高系统可靠性， 但值得指出的是， 由于种种原因，软件本身也会发生故障。为了减少出错，提高软件的可靠性，使用户满意，应该采取以下措施：程序分段和层次结构； 在进行程序结构设计时，将程序分成若干具有独立功能的子程序块，各程序块可单独也可和其 他程序一起使用，各程序块之间通过一个固定的通信区和一些指定的单元进行通信。每个程序块能进行调整和修改而不影确其他程序块。这些各自独立的程序块在连接时，尽量减少程序之间的依赖关系，按层次进行排列，而各程序块具有独立功能， 因此结构简单，易于
48、修改和扩充、故障少。提高可测试性设计：软件故障具有和硬件故障不同的特点， 软件故障往往是在设计阶段，由于人为错误，或者在运行初期输入程序时的操作错误而引起，很少发现在经过长期运行之后这种存在于程序内的错误，必须通过反复测试才能发现，因此为了使软件便于测试，应进行提高可测试性的设计，通常有三种方法：第一种方法是明确软件规格，使测试易于进行；第二种方法是把测试手段的设计作为软件开发的一部分来进行；第三种方法是把程序结构本身组成便于测试的形式。对软件进行测试：要求软件完全满足用户的要求，十全十美几乎是不可能的。要软件完全可靠、没有故障，必须对软件进行多次测试，每测试一次，修改一次，逐步达到完善。 返
49、回结束放映返回本章目录80测试的基本方法是给软件一个典型的输入，观测输出是否测试的基本方法是给软件一个典型的输入，观测输出是否符合要求，如发现结果有错，应设法将可能产生错误的区域逐符合要求，如发现结果有错，应设法将可能产生错误的区域逐步缩小，经修改后，再次调试，直到消除所有错误为止。步缩小，经修改后，再次调试，直到消除所有错误为止。 测试按照下述步骤进行：测试按照下述步骤进行：单元测试，即对每个程序块单单元测试，即对每个程序块单独地进行测试，通过对各程序块的测试，找出程序设计中的错独地进行测试，通过对各程序块的测试，找出程序设计中的错误，测试可利用事先准备好的经过某种算法产生的测试码来进误，测
50、试可利用事先准备好的经过某种算法产生的测试码来进行；行；局部或系统测试，即对由若干程序块组成的局部程序或局部或系统测试，即对由若干程序块组成的局部程序或系统程序进行测试，以发现各程序块之间连接的正确性；系统程序进行测试，以发现各程序块之间连接的正确性；系系统功能调试，测试该软件能实现的功能；统功能调试，测试该软件能实现的功能；现场安装、综合验现场安装、综合验收。收。软件，特别是应用软件，其可靠性除了取决于设计而使其软件，特别是应用软件，其可靠性除了取决于设计而使其具有固有的特性外，还取决于使用条件。必须根据现场条件，具有固有的特性外，还取决于使用条件。必须根据现场条件，在实际系统中，按设计、使
51、用双方共同拟订的验收标准进行验在实际系统中，按设计、使用双方共同拟订的验收标准进行验收调试，直到满足用户要求达到验收标准为止。收调试，直到满足用户要求达到验收标准为止。 通过以上步骤，经过调试后的软件，应该说，发生软件故通过以上步骤，经过调试后的软件，应该说，发生软件故障的可能性已减至最小限度。障的可能性已减至最小限度。返回结束放映返回本章目录81 二、二、 安全性设计安全性设计 随着生产机械、搬运机械、装配机械等的机电一体化的发展、自动化程度的提高，随着生产机械、搬运机械、装配机械等的机电一体化的发展、自动化程度的提高，安全性设计越来越重要。从工业安全角度来看，要减少生产事故的发生，在很大程
52、度安全性设计越来越重要。从工业安全角度来看，要减少生产事故的发生，在很大程度上寄希望于发展机电一体化技术。上寄希望于发展机电一体化技术。本本节节以工以工业业机器人机器人为为例例讨论讨论安全性安全性设计问题设计问题。 1. 1. 工业机器人产生事故的原因工业机器人产生事故的原因 自动化程度的提高使人们淡化了安全观念，这是产生事故的主要原因之一。自动化程度的提高使人们淡化了安全观念，这是产生事故的主要原因之一。工业机器人是自动线的一个重要组成部分，设计人员往往不太注意机器人本身的安全工业机器人是自动线的一个重要组成部分，设计人员往往不太注意机器人本身的安全措施。又由于机器人作为自动化的手段，又容易
53、忽视人措施。又由于机器人作为自动化的手段，又容易忽视人- -机的配合。故：机的配合。故：对机器人对机器人的可靠性还较低的认识不足；的可靠性还较低的认识不足；虽是自动机械，但实际上与人有密切联系，尽管人的虽是自动机械，但实际上与人有密切联系，尽管人的不安全动作直接与事故有联系，但在设计和使用上还没充分认识到这一点；不安全动作直接与事故有联系，但在设计和使用上还没充分认识到这一点；机器人机器人的手臂是在三维空间运动的，没有在整体上充分考虑安全保护措施。因此，在维修或的手臂是在三维空间运动的，没有在整体上充分考虑安全保护措施。因此，在维修或调整时，自动化机械突然启动而造成事故的情况，以及在机器人或自
54、动机械的危险作调整时，自动化机械突然启动而造成事故的情况，以及在机器人或自动机械的危险作业区、几台自动机械的接口处、甚至由于钩切屑等小事而造成事故的情况较多。发生业区、几台自动机械的接口处、甚至由于钩切屑等小事而造成事故的情况较多。发生机器人事故的情况机器人事故的情况( (如被机器人搬运的工件碰伤、或被机械手碰伤、夹住等）多数是如被机器人搬运的工件碰伤、或被机械手碰伤、夹住等）多数是在某种误动作时发生的。误动作的原因主要是机器人的可靠性低引起的，如控制电路在某种误动作时发生的。误动作的原因主要是机器人的可靠性低引起的，如控制电路不正常、伺服阀故障、内外检测传感器不正常、与其他机械的联锁机构和接
55、口故障，不正常、伺服阀故障、内外检测传感器不正常、与其他机械的联锁机构和接口故障，以及人的操作失误等。使用机器人或自动机械时，人不可避免地要进入危险作业区，以及人的操作失误等。使用机器人或自动机械时，人不可避免地要进入危险作业区，例如进行示教操作或调整时，人要接近机器人或自动机械去对准位置，这时当然不能例如进行示教操作或调整时，人要接近机器人或自动机械去对准位置，这时当然不能预先切断电源，如果由于噪声干扰或伺服阀门的灰尘引起误动作，就会被机器人手臂预先切断电源，如果由于噪声干扰或伺服阀门的灰尘引起误动作，就会被机器人手臂碰伤。有时在检查示教动作能否正确再现时，也需要操作人员进入危险区。碰伤。有
56、时在检查示教动作能否正确再现时，也需要操作人员进入危险区。返回结束放映返回本章目录82 此外，在自动加工机械运转过程中，为了清除切屑、更换刀具等，也有必须接近机器人的情况。失控和示教操作上的错误也不少。下表a为机器人的故障原因。下表b为机器人的平均无故障时间(MTBF)，不到100h的竞高达28.70，1000h以下的占75。因为机器人的可靠性较低，容易发生故障，所以必须充分考虑安全措施。机器人的可靠姓表（a）机器人的故障控制装置的故障669机器人本体的故障235焊枪等工具的故障185失控111示教等操作上的错误199精度不够或降低161夹具等的不适合455其他255100h287100250
57、h122250500h1955001000h14710001500h10415002000h4920002500h122500h85(b)平均无故障时间(MTBF)返回结束放映返回本章目录83 2. 2. 工业机器人的安全措施工业机器人的安全措施 安全措施之一是故障自动保护化：一是必须具有通过伺服系统对机器人的误动作进行监视的功能，一有异常动作应自动切断电源；二是必须具有当人误入危险区时，能立即测知并自动停机的故障自动检测系统。具体讲其安全措施大致有： （1）设置安全栅。具备联锁功能，即拔出门上的安全插销时，机器人就自动停止动作。 （2)安装警示灯。在自动运转中开启指示灯，提醒操作人员不要进入
58、因等待条件而停止着的机器人的工作区。（3)3)安装监视器。采用光电式、静电电容式传感器或安全网等，设置安装监视器。采用光电式、静电电容式传感器或安全网等，设置监视人的不安全动作的系统。监视人的不安全动作的系统。（4)4)安装防越程装置。即使机器人可以回转安装防越程装置。即使机器人可以回转270270，一般也应限制其使，一般也应限制其使用范围。为防止超越使用范围，必须安装限位开关和机械式止动器。用范围。为防止超越使用范围，必须安装限位开关和机械式止动器。（5)5)安装紧急停止装置。由微机控制的机电一体化设备，一般采用软安装紧急停止装置。由微机控制的机电一体化设备，一般采用软件方式进行减速停止定位
59、，但从控制装置容易发生故障的现状来看，在件方式进行减速停止定位，但从控制装置容易发生故障的现状来看，在安全上仍然存在很大问题。因此，紧急停止功能是很重要的。通常对紧安全上仍然存在很大问题。因此，紧急停止功能是很重要的。通常对紧急停止装置的要求是：急停止装置的要求是：应能尽快地停止；应能尽快地停止；电路应是独立的，以确电路应是独立的，以确保高可靠性；保高可靠性；除除 控控 制制 台台 以以 外，外， 在作业位置上也要安装紧急停止在作业位置上也要安装紧急停止按钮；按钮；紧急停止后不能自动恢复工作。紧急停止后不能自动恢复工作。（6 6） 低速示教。为了确保安全，应设置较低的示教速度，即使示教低速示教
60、。为了确保安全，应设置较低的示教速度，即使示教中产生误动作，也不致造成重大事故。中产生误动作，也不致造成重大事故。返回结束放映返回本章目录84 随着机器人的构造与功能的进步，机器人的自由度增加了，随着机器人的构造与功能的进步，机器人的自由度增加了，运动范围扩大了，其应用范围也在不断扩大，人机的安全问题就更运动范围扩大了，其应用范围也在不断扩大，人机的安全问题就更加突出。加突出。 如上所述，在工业机器人等机电一体化设备中，虽然安装了如上所述，在工业机器人等机电一体化设备中，虽然安装了各种安全装置，但为了提高工作效率，这类设备有高速化、大型化各种安全装置，但为了提高工作效率，这类设备有高速化、大型
61、化的趋势。此外，由于有与操作者混在一起使用的情况，一旦的趋势。此外，由于有与操作者混在一起使用的情况，一旦 发发 生生 事故，就是重大事故。因此，有必要进一步进行技术研究，采取可事故，就是重大事故。因此，有必要进一步进行技术研究，采取可靠性更高的安全措施。靠性更高的安全措施。 最后，从最近的发展趋势来看，机电一体化机械设备的自动最后，从最近的发展趋势来看，机电一体化机械设备的自动化还存在如下问题：化还存在如下问题：由于机械设备的高度自动化和大型化，以及由于机械设备的高度自动化和大型化，以及控制的软件化，不可能从外观上了解自动化机械的动作，操作者处控制的软件化，不可能从外观上了解自动化机械的动作
62、，操作者处理异常情况比较困难；理异常情况比较困难；由于许多自动化机械与非自动化机械的混由于许多自动化机械与非自动化机械的混合使用，因而事故较多，难以制定对策，以确保安全；合使用，因而事故较多，难以制定对策，以确保安全；异常情况异常情况的处理是由人来完成的，而自动化设备并未充分考虑人的存在，在的处理是由人来完成的，而自动化设备并未充分考虑人的存在，在排除故障过程中容易发生安全事故。排除故障过程中容易发生安全事故。 有些问题虽然可以通过机电一体化技术得到解决，但是有些问题虽然可以通过机电一体化技术得到解决，但是, ,如果如果稍有疏漏，机电一体化机械设备就有沿袭老式自动机稍有疏漏，机电一体化机械设备就有沿袭老式自动机 械械 的的 缺点的缺点的危险，这是值得注意的问题。危险，这是值得注意的问题。返回结束放映返回本章目录85 习题与思考题返回结束放映返回本章目录86
