機電一體化技術主講：羅文超一、概述

第一節(jié)可靠性技術

機電一體化系統(tǒng)及產品要能正常地發(fā)揮其功能，首先必須穩(wěn)定、可靠地工作?？煽啃允窍到y(tǒng)和產品的主要屬性之一，是考慮到時間因素的產品質量，對于提高系統(tǒng)的有效性、降低壽命期費用和防止產品發(fā)生故障具有重要意義?？煽啃愿?，意味著故障少、壽命長、維修費用低；可靠性低，意味著故障多、壽命短、維修費用高。第四章可靠性技術與抗干擾技術國家標準GB3187－82（可靠性甚本名詞術語及定義）規(guī)定。二、可靠性的定義可靠性：產品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內完成規(guī)定功能的能力。

1．產品2．規(guī)定的條件即可靠性研究的對象，它可以是一個零件、一部設備或一個由若干零部件或設備組成的系統(tǒng)。

這些條件包括運輸條件、儲存條件和使用條件。3．規(guī)定的時間

可靠性是有時間要求的，產品只能在一定的時間內達到目標可靠度。規(guī)定時間長短不同，產品的可靠性也不同。4．規(guī)定的功能

產品的可靠性不能脫離“規(guī)定的功能”。“完成規(guī)定的功能”就是能夠連續(xù)地保持產品的工作能力，使各項技術指標符合規(guī)定值。如果產品不能完成規(guī)定的功能，就稱為失效。對于可修復的產品，也稱為故障。三、可靠性指標1．可靠度R（t）

可靠性指標是可靠性量化分析的尺度。衡量可靠性高低的數(shù)量指標有兩類，一類是概率指標；另一類是壽命指標。它們一般都是時間的函數(shù)?？煽慷仁钱a品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內，完成規(guī)定功能的概率。0≤R(t)≤1。2．失效率λ

(t)

產品工作到t時刻后的單位時間內發(fā)生失效的概率。λt早期失效交付使用點更新點偶然失效耗損失效3.平均壽命

產品從使用開始，直到發(fā)生故障，所經歷的時間就是產品的壽命。平均壽命是指一批產品的壽命平均值。1．提高系統(tǒng)各組成元、器件的設計、制造質量及系統(tǒng)的裝配質量。如采用可靠度高的元器件，在設計階段就應考慮到在使用階段如何保證產品的可靠性，應規(guī)定適當?shù)沫h(huán)境條件、維護保養(yǎng)條件及操作規(guī)程，產品結構應具有良好的維修性等。四、可靠性技術與可靠性設計

1）所有元器件必須100％經過測試、檢驗、篩選等處理，合格后才允許裝機使用。

2）電子元器件的正確使用對可靠性有重要影響。因此，規(guī)定降額使用電子元器件。功率電子元件進行熱設計，以防止其溫升過高而失效；電子線路，特別是計算機控制系統(tǒng)，應采用電磁兼容設計，加強抗干擾措施。3）機械零件盡可能采用強度可靠性設計，并進行適當?shù)墓に囂幚恚蕴岣呖蛊?、耐磨損、抗腐蝕等性能；還應進行嚴格加工和精密裝配，有的零件配合要進行磨合試驗或精細調整。5）有為防止人為差錯和提高維修效率而設的明顯標記，如不同插頭插座的位置標記等。6）對產品使用環(huán)境條件、操作規(guī)程、預防性維修等制定一系列規(guī)定。如機械傳動件、軸承等的注油、清洗、調整；伺服電動機用炭刷的定期更換、炭粉的清除；緊急停車按鈕功能的定期模擬檢查等等。

4）對計算機控制系統(tǒng)、伺服電路板、伺服電動機、諧波齒輪減速器、滾珠絲杠等關鍵部件，應進行可靠性試驗。2．容錯法設計

按容錯法設計的系統(tǒng)，能在一定條件下允許系統(tǒng)出現(xiàn)故障而不影響系統(tǒng)功能的發(fā)揮，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。容錯技術的關鍵是冗余技術。即采用備用的硬件或軟件參與系統(tǒng)的運行或處于準備狀態(tài)，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，能自動切換，保持系統(tǒng)不間斷地正常工作。（1）軟件冗余：采取程序復執(zhí)的方式，能有效地預防和處理瞬時故障。所謂復執(zhí)，是指在系統(tǒng)出現(xiàn)瞬時故障時，重復執(zhí)行故障的那一部分程序，這樣系統(tǒng)不必停機，往往可以自動回復到原來正確的動作，這實際上是一種時間冗余方式。（2）硬件冗余：在沒有冗余的串聯(lián)系統(tǒng)中，某一零部件發(fā)生故障，就會引起系統(tǒng)發(fā)生故障而不能正常工作。因此，串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性最低。重要的系統(tǒng)必須有冗余，即在系統(tǒng)中增加一些冗余部件（或子系統(tǒng)），以便當系統(tǒng)的某一零部件發(fā)生故障時，整個系統(tǒng)能正常工作。

（a）并聯(lián)冗余:只有當組成系統(tǒng)的所有單元都失效后，整個系統(tǒng)才會失效，這種系統(tǒng)稱為并聯(lián)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)只要有一個單元不失效，整個系統(tǒng)就不會失效，所以是一種工作冗余。（b）表決冗余:如果組成系統(tǒng)的n個單元中，只要有k個單元不失效，系統(tǒng)就不會失效，這種系統(tǒng)稱k/n表決系統(tǒng)。熱儲備系統(tǒng)（3）旁聯(lián)（待機）冗余：這種系統(tǒng)由n個單元組成，其中只有一個單元在工作，其余n－1個處于等待狀態(tài)，當工作元件失效時，通過失效檢測裝置及轉換裝置，使另一單元開始工作，單元逐個頂替工作，直到全部單元失效為止，因此是一種后備冗余。要確保一個系統(tǒng)完全不出故障是不可能的，也是不現(xiàn)實的。那么，當系統(tǒng)發(fā)生故障時，如何檢測故障、判斷故障原因并準確定位故障點，這就需要故障診斷術。目前，許多機電一體化系統(tǒng)都具有自診斷功能。有些機電一體化系統(tǒng)還具有自適應、自調整、自診斷、甚至自修復的功能，遇到過載、過壓、過流、短路、漏電等情況時，能自動采取對策和保護措施，避免事故的發(fā)生，這樣可以大大提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。冷儲備系統(tǒng)3．采用故障診斷術，提高系統(tǒng)的可維護性一、干擾的基本概念

干擾一般是指系統(tǒng)在工作過程中出現(xiàn)的一些與有用信號無關的，并且對系統(tǒng)性能或信號傳輸有害的電氣變化現(xiàn)象。二、干擾的分類（—）按干擾性質分1．自然干擾主要由雷電、太陽異常電磁輻射及來自宇宙的電磁輻射等自然現(xiàn)象形成的干擾。第二節(jié)抗干擾技術

2.人為干擾分有意干擾和無意干擾。有意干擾指由人有意制造的電磁干擾信號。人為無意干擾很多，如工業(yè)用電、高頒及微波設備等引起的干擾。3.固有干擾主要是電子元器件固有噪聲引起的干擾。包括信號線之間的相互串擾，長線傳輸時由于阻抗不匹配而引起的反射噪聲、負載突變而引起的瞬變噪聲以及饋電系統(tǒng)的浪涌噪聲干擾等。三、產生干擾的條件與傳播途徑1、條件：同時具備干擾源、干擾傳播途徑和干擾接收器三個條件。發(fā)出電磁干擾的設備、系統(tǒng)。干擾源：受影響的設備、系統(tǒng)。干擾接收器（干擾對象）：2、傳播途徑：（1）傳導方式：干擾信號通過各種線路傳入。（2）輻射方式：干擾信號通過空間感應傳入。四、干擾的發(fā)生機理1、放電噪聲由于放電而產生的伴隨著急劇的電流、電壓瞬時變化。ERUIIU0AB暗流輝光放電CD刷狀電暈火花放電弧光放電暗流輝光放電只有很小的電流、無光。淡藍色光點。刷狀電暈羽毛狀白光火花放電棒板基本被火花連接但不連續(xù)?；」夥烹姎庀锻耆婋x，連續(xù)導通。U02、接觸噪聲由于觸點間接觸電阻的變化而產生。3、過渡現(xiàn)象電氣電子電路中電流電壓的瞬態(tài)變化。4、反射現(xiàn)象空間電磁波傳播時遇到障礙物被反射并與原信號疊加以及傳輸線與負載和電源內阻抗不匹配引起的反射等。5、非功能性噪聲電子電路中存在的一些與完成特定功能無關的信號。6、無用信號完成特定功能時使用的信號。五、干擾的抑制和防護

在設計中，應考慮所設計的設備或系統(tǒng)在預定的工作場所運行時，既不受周圍的電磁干擾的影響，又不對周圍的設備施加干擾，即采用電磁兼容性設計。機電一體化系統(tǒng)抗干擾能力的提高必須從設計階段開始，并貫穿在制造、調試和使用維護的全過程。電磁兼容性（EMC—Electromagneticcompatibility)：設備（分系統(tǒng)、系統(tǒng)）在共同的電磁環(huán)境中能一起執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)。即該設備不會由于受到處于同一電磁環(huán)境中其它設備的電磁發(fā)射導致或遭受不允許的降級；它也不會使同一電磁環(huán)境中其它設備（分系統(tǒng)、系統(tǒng)）因其電磁發(fā)射導致或遭受不允許的降級。1、屏蔽利用導電或導磁材料制成的盒狀或殼狀屏蔽體，將干擾源或干擾對象包圍起來從而割斷或削弱干擾場的空間耦合通道，阻止其電磁能量的傳輸。（2）磁場屏蔽（1）電場屏蔽是為了消除或抑制由于電場耦合引起的干擾。通常用銅和鋁等導電性能良好的金屬材料作屏蔽體。屏蔽體結構應盡量完整嚴密并保持良好的接地。是為了消除或抑制由于磁場耦合引起的干擾。（3）電磁場屏蔽電磁場同時存在，應將電磁場同時屏蔽。例：在電子儀器內部，最大的工頻磁場來自電源變壓器，對變壓器進行屏蔽是抑制其干擾的有效措施。a)在變壓器繞組線包的外面包一層銅皮作為漏磁短路環(huán)。當漏磁通穿過短路環(huán)時，在銅環(huán)中感生渦流，會產生反磁通以抵消部分漏磁通，使變壓器外的磁通減弱。b)對變壓器或扼流圈的側面也需屏蔽，一般采用包一層鐵皮來作屏蔽盒。包的層數(shù)越多，短路環(huán)越厚，屏蔽效呆越好。2、隔離把干擾源與接收系統(tǒng)隔離開來，使之盡可能不發(fā)生電聯(lián)系，從而切斷干擾的耦合通道，達到抑制干擾的目的。（1）光電隔離共模抑制比大、無觸點、壽命長、易與邏輯電路配合、響應速度快、小型耐沖擊且穩(wěn)定可靠。在機電一體化系統(tǒng)特別是數(shù)字系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。以光作媒介在隔離的兩端間進行信號傳輸，所用的器件是光耦合器。（2）變壓器隔離

一次側和二次側線圈處設有靜電隔離層S1，和S2，防止通過一次側和二次側繞組的耦合相互干擾。常用隔離變壓器作為隔離部件，用來阻斷干擾信號的傳導通路，并抑制干擾信號的強度。多層隔離變壓器

有三層屏蔽體，其內外兩層用鐵，起磁屏蔽的作用，中間用銅，與鐵心相連并直接接地，起靜電屏蔽作用。防止外界電磁場通過變壓器對電路形成干擾。（3）繼電器隔離繼電器線圈和觸點僅有機械聯(lián)系而沒有直接電聯(lián)系，可利用繼電器線圈接受信號，而利用其觸點發(fā)送和傳輸信號?？蓪崿F(xiàn)強電和弱電的隔離。繼電器觸點較多，且其觸點能承受較大的負載電流，應用廣泛。繼電器3、濾波干擾源發(fā)出的電磁干擾的頻譜往往比要接收的信號的頻譜寬得多，因此，當接受器接收有用信號時，也會接收到那些不希望有的干擾。這時，可以采用濾波的方法，只讓所需要的頻率成分通過，而將干擾頻率成分加以抑制、剔除。反射濾波器

利用電感、電容等電抗元件或它們的網絡組成的濾波器。它能把不需要的頻率成分的能量反射掉，只讓所需要的頻率成分通過。根據(jù)其頻率特性又可分為低通、高通、帶通、帶阻等濾波器。4、接地

將電路、設備機殼等與作為零電位的一個公共參考點（或面）實現(xiàn)低阻抗的連接，稱之為接地。（1）目的：a、是為了安全——安全接地。b、給系統(tǒng)提供一個基準電位，或為了抑制干擾——工作接地。（2）方式a、一點接地：信號地線的接地方式應采用一點接地，而不采用多點接地。串聯(lián)接地（或稱共同接地）地電阻r1、r2、r3串聯(lián)，各電路間相互發(fā)生干擾，接地不合理。但比較簡單，當各電路的電平相差不大時還可勉強使用。并聯(lián)接地（分別接地）在低頻時是最適用的，因為各電路的地電位只與本電路的地電流和地線阻抗有關，不會因地電流而引起備電路間的耦合。但需要連很多根地線，用起來比較麻煩。特點：

單點接地所需地線較多，在低頻時適用。

b、多點接地：若電路工作頻率較高，電感分量大，各地線間的互感耦合會增加干擾。因此常采用把各接地點就近接于接地匯流排或底座、外殼等金屬構件上的接地方式。C、復合接地機電一體化系統(tǒng)的實際情況比較復雜，很難通過一種簡單的接地方式來解決，因此常采用單點和多點組合成復合接地方式。一般來說，電路頻率在1MHz以下時采用單點接地方式，當頻率高于10MHz時，應采用多點接地方式；當頻率在1MHz～10MHz之間時，可采用復合接地。d、浮地：浮地是指設備的整個地線系統(tǒng)和大地之間無導體連接，它是以懸浮的“地”作為參考電平。

設備不受大地電流的影響，設備的參考電平隨高電壓的感應而相應提高，可使機內器件不會因高壓感應而擊穿。機電一體化系統(tǒng)的接地，還應注意把交流接地點與直流接地點分開，避免由于地電阻把交流電力線引進的干擾傳輸?shù)较到y(tǒng)內部；把模擬地與數(shù)字地分開，接在備自的地線匯流排上，避免大功率地線對模擬電路增加感應干擾。5、合理布局基本原則是使干擾源與干擾對象盡可能遠離，輸入和輸出端口妥善分離，高電平電纜及脈沖引線與低電平電纜分別敷設等。6、軟件抗干擾技術（1）軟件濾波：用軟件來識別有用信號和干擾信號