第二章_机电一体化系统总体方案设计[1].ppt

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,1,章 机电一体化系统总体方案设计,第,1,章,机电一体化系统总体方案设计,1.1,概述,1.2,总体结构方案设计,1.3,驱动方案设计,1.4,控制系统方案设计,1.5,可靠性设计,1.1,概述,一、总体方案的作用,二、总体方案设计的主要内容,1.2.1,主体机械结构设计应遵循的原则：,1.,明确,能够全面的体现各方面的设计指标。,2.,简单,在满足设计目标要求的条件下，结构尽量简单，组成零件尽可能少，几何形状尽可能规则，便于装配、安装、维修和操作，简化工艺，降低成本。,3.,安全可靠,工作安全性和操作安全性,。,1.2,总体结构方案设计,1.2.2,总体布局的设计原则,1.,功能合理,2.,结构紧凑,3.,层次分明,4.,比例协调,1.3,驱动方案设计,1.3.1,传动方案设计,传动装置是一种把动力机产生的运动和动力传递给执行机构的中间装置，是一种扭矩和转速的变换器，其目的是在动力机与负载之间使扭矩得到合理的匹配，并可通过机构变换实现对输出的速度调节，合理地配置执行机构与驱动原件可以提高系统的综合性能。驱动方式的选择要根据执行机构的运动形式来选，常用的执行机构运动形式有直线输出型和转动输出型。,一、直线运动机构的驱动,1,、直线驱动元件直接驱动,直线步进电机、阀控油缸、气缸都可以直接驱动负载，产生直线运动。,直线运动的优点是负载与驱动元件直接连接，不需要中间转换机构运动精度影响因素较小，执行结构简单。,缺点是直线驱动元件的种类相对较少，尺寸较大。气缸和油缸的结构比较简单，但需要控制阀、动力源等辅件，占地空间大，液压源噪声大，环境也有污染。直线步进电机和直流电机的体积都比较大，价格也比较昂贵。,常用的直线驱动元件主要特点及适用场合：,参看教材第,20,页表,1-1,。,2,、回转型驱动元件实现的直线驱动,常用的驱动方式有电动机丝杠螺母机构、电动机齿轮齿条（齿形带）机构和电动机连杆机构。,这种驱动方式的特点是通过一个中间传动机构将电动机的运动传递给负载，通常中间机构可以实现很大的传动比，具有较大的驱动能力和较小的折算惯量、控制性能较好；可以使用转动型传感器，也可以使用直线型传感器。缺点是传动机构的间隙、刚度等参数会影响定位精度。,回转型驱动元件主要有电动机、气压或液压马达。,二、转动输出驱动机构,参看教材第,22,页 表,1-2,电动机、液压马达和液压刚实现转动输出型驱动的特点。,1.3.2,驱动方式选择,1.4,控制系统方案设计,1.4.1,伺服驱动系统的作用,伺服驱动系统由伺服控制器、动力驱动元件、传感元件和执行机构等组成。,二、伺服驱动方案,1,、开环控制,2,、闭环控制,3,、半闭环控制,参看教材第,24,页,第,25,页。,1.5,计算机控制系统方案,一、基于产品类型的控制方案设计二、基于系统规模的控制方案设计,三、给予工作环境的控制方案设计,1.5,可靠性设计,一、可靠性指标及相关概念：,1.,可靠度,可靠度就是在规定的时间内和规定的条件下系统完成规定功能的成功概率。,有,N0,个同样的系统，使它们同时工作在同样的条件下，从它们开始运行到,t,时刻的时间内，有,Nf(t,),个系统发生故障，,Ns(t),个系统工作完好，则该系统,t,时间的可靠度可表示为：,系统的不可靠度,F(t),可相应地表示为：,(11),(12),因为一个系统发生故障和无故障是互斥事件，必,须满足,R(t)+F(t)=1,。,故可靠度还可,以写成：,(13),例,1,某种系统,(,或部件或元件)1000,个，工作,1000h,，,有,10,个发生故障。我们可以计算出这种系统,(,或部件或元件,),千小时的可靠度为：,2.,失效率,失效率为系统运行到,t,时刻后单位时间内，发生故障的系统数与时刻,t,时完好系统数之比。失效率有时也称为瞬时失效率或简单地称为故障率。假定,N,0,个系统的可靠度为,R(t),，在,t,时刻到,t+t,时刻的失效率为,N,0,R(t)-R(t+t),。,那么，单位时间内的失效数为,N,0,R(t)-R(t+t),/t,。,t,时刻完好系统数为,N,0,R(t)=N,s,(t),。,于是，失效数,(t),可以用下式表示：,(14),将上式写成微分形式：,上式又可以写成：,(15),(16),对,(56),式从,0,到,t,积分，可以得到：,(17),理论及实践均已证明，对一般电子设备，当然也包括微机应用系统，经过一段时间老化后，,(t),基本保持不变。因此，,(t),可用,代替。于是,(57),式便可写成：,(15),失效率也可以用下式进行计算：,(19),例,2,有,10000,个元件运行,10000h,，,有,20,个元件失效，则该元件的失效率为：,失效数,3.,平均故障间隔时间,描述可靠性的另一个重要参数称为平均故障间隔时间,MTBF,或平均无故障时间,(,也称为故障前平均时间,)MTTF,。,前者用来描述可修复的产品；后者用于描述不可修复产品。一,般情况下，通常都用,MTBF,来表示：,例如，,1000,台微型计算机，运行,1000h,，,累计出现,10,次故障，则这种微型机的,MTBF,计算如下：,4.,平均修复时间和利用率,平均维修时间和利用率则又从另一角度来描述一个系统,(,或部件或元器件,),的可靠性。对一,台微型机来说，当它出现故障时是可以进行维修的。,为了表征系统的可维修性，引入平均修复时间,MTTR,。,它也是一个统计值，用下式表示：,系统的可用性通常用利用率来表示。利用率就是系统长时间工作中正常工作的概率，也就是系统的使用效率，利用率,A,用下式表示：,(511),(512),二、可靠性预测,1,、试验统计法2,、经验法。,（提请各位同学注意教材第,29,页 式,1.4 1.5,）,三、可靠性指标的分配,1,、等同分配法,2,、按比例分配法,3,、按重要性分配法,4,、最优化分配法,四、冗余设计,所谓冗余，就是为了保证整个系统在局部发生故障时能够正常工作，而在系统中设置一些,备份部件，一旦故障发生便启动备份部件投入工作，使系统保持正常工作的方法。,1),两种结构,(115),对于,n,个装置的串联系统，其中任何一个装置出现故障，则整个系统就无法,工作。那么，串联系统的可靠度,R,S,为：,(116),图,1.23,串并联系统,在串并联系统中，每个装置由,n,个部件串联构成；而系统又由,m,个装置并联构成。设第,i,个装置的第,j,个部件的可靠度为,R,ij,(,其中,i=1,2,，,，,m;j=1,2,，,，,n),，,则该,串并联系统的可靠度为：,(117),图,1.24,并串联系统,如果,m,个部件并联构成装置，,n,个装置串联构成系统，则并串联系统的可靠度,R,SP,为,:,2),并联冗余,(1),部件级的冗余,(2),微型计算机双机并联,同步问题。,故障检测。,(115),图,1.25 3,个传感器并联冗余,图,1.26,双机并联系统框图,1.5.2,人机安全性,1,、机电一体化系统本身的工作安全性,2,、操作人员的安全性,系统可靠性的设计进程,第二次作业,1,、,机械一体化系统中伺服机构的作用是什么？,2,、,如何保证机电一体化系统具有良好的伺服特性？,