學(xué)習(xí)情境⑦機電一體化總體設(shè)計【學(xué)習(xí)目標】能力目標：①能從實踐中掌握機電一體化總體設(shè)計；②具有良好的團隊協(xié)作能力。知識要求：①了解機電一體化系統(tǒng)功能的設(shè)計要求；②了解機電一體化系統(tǒng)常用性能指標和分配原則；③掌握機電一體化總體設(shè)計的方法和步驟。技能要求：①能通過查閱資料完成信息的搜集及綜合歸納；②能獨立完成機電一體化產(chǎn)品總體設(shè)計。任務(wù)7.1總體設(shè)計功能及性能指標的分配【任務(wù)描述】機電一體化系統(tǒng)是由若干具有特定功能的機械和電子要素組成的有機整體，具有滿足人們使用要求的功能。了解和掌握一定的功能設(shè)計要求和常用性能指標為機電一體化總體設(shè)計奠定一定基礎(chǔ)?！救蝿?wù)分析】下面通過對總體設(shè)計功能及性能指標的分配的介紹，來熟悉和掌握一些要求和性能指標?！局R準備】1．機電一體化系統(tǒng)內(nèi)部功能的設(shè)計要求機電一體化系統(tǒng)的主要特征是自動化操作，因此，設(shè)計人員應(yīng)從其通用性、耐環(huán)境性、經(jīng)濟性的觀點進行綜合分析，如何才能使產(chǎn)品充分發(fā)揮機電一體化的三大效果。應(yīng)滿足機電一體化系統(tǒng)內(nèi)部功能的設(shè)計要求2．機電一體化系統(tǒng)常用性能指標產(chǎn)品的使用要求包括經(jīng)濟性要求、安全要求和功能性要求等，產(chǎn)品的性能指標應(yīng)根據(jù)這些要求及生產(chǎn)者的設(shè)計和制造能力、市場需求等來確定。(1)經(jīng)濟性要求指用戶對獲得具有所需功能和性能的產(chǎn)品所需付出的費用方面的要求。該費用包括購置費用和使用費用。用戶都希望這些費用越低越好。①購置費用降低生產(chǎn)成本是降低購置費用的最主要途徑。在降低生產(chǎn)成本這點上，生產(chǎn)者與用戶的利益是一致的，因此成本指標不像功能性指標那樣存在最佳值，在滿足功能性要求和安全性要求的前提下，成本越低越好。成本指標一般按價格和銷量關(guān)系定出上限，作為衡量設(shè)計是否滿足經(jīng)濟性要求的準則。在設(shè)計階段降低成本的最主要方法有：合理選擇零部件和元器件的工作原理和結(jié)構(gòu)，注意避免“大材小用”的現(xiàn)象發(fā)生；充分考慮產(chǎn)品的加工和裝配工藝性，在不影響工作性能的前提下，盡可能用最簡單的機構(gòu)或裝置取代非必需的復(fù)雜機構(gòu)或裝置，去實現(xiàn)同樣的預(yù)期功能和性能；采用標準化、系列化和通用化的方法，縮短設(shè)計和制造周期，降低成本；合理選用新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)、新材料、新元件和新器件等，以提高產(chǎn)品質(zhì)量、性能和技術(shù)，從而降低成本。②使用費用使用費用包括運行費用和維修費用，這部分費用是在產(chǎn)品使用過程中體現(xiàn)出來的。在產(chǎn)品設(shè)計過程中，一般采取下述措施來降低使用費用：提高產(chǎn)品的自動化程度，以提高生產(chǎn)率，減少管理費用及勞務(wù)開支等；選用效率較高的機構(gòu)、功率電路或電器，以減少動力或燃料等的消耗；合理確定維修周期，以降低維護費用。(2)安全性要求安全性要求包括對人身安全的要求和對產(chǎn)品安全的要求。前者是指在產(chǎn)品運行過程中，不因各種原因(如誤操作等)而危及操作者或周圍其他人員的人身安全；后者是指不因各種原因(如偶然故障等)而導(dǎo)致產(chǎn)品被損壞甚至永久性失效。為保證人身安全常采取的措施有：產(chǎn)品外表及殼罩等應(yīng)倒角去毛刺，以防劃傷操作人員；設(shè)置安全檢測和防護裝置，如數(shù)控機床的防護罩、互鎖安全門，沖壓設(shè)備的光電檢測裝置，工業(yè)機器人周圍的安全柵等；在危險部位或區(qū)域設(shè)置警告性提示燈或安全標語等；當(dāng)控制裝置和被控對象為分離式結(jié)構(gòu)時，兩者之間的電氣連線應(yīng)埋于地下或架在高空，并用鋼管加以保護，以防導(dǎo)線絕緣層損壞而危及人身安全。為保證產(chǎn)品安全常采取的措施有：設(shè)置各種保護電器，如熔斷器、熱繼電器等；安裝限位裝置、故障報警裝置和急停裝置等；采用狀態(tài)檢測及互鎖等方法防止因誤操作等所帶來的危害。性能指標除了可按使用要求劃分為功能性指標、經(jīng)濟性指標和安全性指標三類外，還可以從設(shè)計的角度劃分為特征指標、優(yōu)化指標和尋常指標三類。不同的性能指標，對產(chǎn)品總體設(shè)計的限定作用也不同。特征指標是決定產(chǎn)品功能和基本性能的指標，是設(shè)計中必須設(shè)法達到的指標。特征指標可以是工作范圍、運動參數(shù)、動力參數(shù)和精度等指標，也可以是整機的可靠性指標等。特征指標在優(yōu)化設(shè)計中起約束條件的作用。優(yōu)化指標是在產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計中用來進行方案對比的評價指標。優(yōu)化指標一般不像特征指標那樣要求必須嚴格達到，而是有一定范圍和可以優(yōu)化選擇的余地。在設(shè)計中，優(yōu)化指標往往不是直接通過設(shè)計保證的，而是間接得到的。常被選作的優(yōu)化指標有生產(chǎn)成本、可靠度等。尋常指標是產(chǎn)品設(shè)計中作為常規(guī)要求的一類指標，一般不定量描述，如工藝性指標、人機接口指標(如宜人化操作等方面的要求)、美學(xué)指標、安全性指標、標準化指標等。尋常指標一般不參與優(yōu)化設(shè)計，只需采用常規(guī)設(shè)計方法來保證。在產(chǎn)品可靠性要求很高的情況下(如航空航天設(shè)備等)，必須采用可靠性設(shè)計方法，把產(chǎn)品的可靠度作為特征指標進行設(shè)計，嚴格地限定所有零部件和元器件的失效率，才能保證產(chǎn)品可靠性要求。但是，在可靠性無明顯要求或要求較低、通常設(shè)計均可滿足的情況下，可將可靠度作為優(yōu)化指標，在達到各特征指標要求的前提下，優(yōu)先選擇可靠度高的方案。又如，在對舊機床進行數(shù)控改造時，由于舊機床精度因長期磨損已經(jīng)很低，改造的目的是用它完成一些品種少、形狀復(fù)雜但精度要求較低的零件加工，因此可將成本選為特征指標，即要求改造費用不能超過某一數(shù)額；而將精度作為優(yōu)化指標，即在費用不超的條件下，盡量提高精度。(3)功能性要求產(chǎn)品的功能性要求是要求產(chǎn)品在預(yù)定的壽命期間內(nèi)有效地實現(xiàn)其預(yù)期的全部功能和性能。從設(shè)計的角度來分析，功能性要求可用下列性能指標來表達：①功能范圍一般來講，產(chǎn)品的適用范圍較窄，其結(jié)構(gòu)可較簡單，相應(yīng)的開發(fā)周期較短，成本也較低，但由于適用范圍窄，市場覆蓋面就小，產(chǎn)品批量也小，使單臺成本增加。相反的，如擴大適用范圍，雖然產(chǎn)品結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜，成本增加，但由于批量的增加又可以使單臺成本趨于下降。合理地確定產(chǎn)品的功能范圍，不僅要考慮用戶的使用要求，還要考慮生產(chǎn)者在經(jīng)濟上的合理性，應(yīng)綜合分析市場環(huán)境、技術(shù)難度、生產(chǎn)企業(yè)的實力等多方面因素，進行決策。在所有影響因素中，最關(guān)鍵、最難于準確獲得的是市場需求與功能范圍之間的關(guān)系。如果能準確獲得這一關(guān)系，就不難采用優(yōu)化的方法作出最優(yōu)決策。②精度指標產(chǎn)品的精度是指產(chǎn)品實現(xiàn)其規(guī)定功能的準確程度，它是衡量產(chǎn)品的重要指標之一。精度指標需根據(jù)精度要求來確定，并作為產(chǎn)品設(shè)計的一個重要目標和用戶選購產(chǎn)品的一個主要參考依據(jù)。一般情況下，精度越高，成本也越高，成本上升將引起價格上升，銷量下降。因此，合理的精度指標是一個多變量優(yōu)化問題，需要在確定了精度與成本、價格與銷量兩個基本函數(shù)關(guān)系后，才可進行優(yōu)化計算，作出最優(yōu)決策。③可靠性指標產(chǎn)品的可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。規(guī)定的條件包括工作條件、環(huán)境條件和存儲條件；規(guī)定的時間是指產(chǎn)品的使用壽命期或平均故障間隔時間；完成規(guī)定的功能是指不發(fā)生破壞性失效或性能指標下降性失效?？煽啃灾笜藢Τ杀?、價格和銷量的影響與精度指標類似，因此也需要在確定了可靠性與成本、價格與銷量兩個基本函數(shù)關(guān)系后，才能對可靠性指標作出最優(yōu)決策。④維修性指標就當(dāng)前的制造水平而言，在大多數(shù)情況下產(chǎn)品的平均故障間隔時間還都小于使用壽命期，還需要通過修理來保證產(chǎn)品的有效運行，以便在整個壽命期內(nèi)完成其規(guī)定的功能。維修可分為預(yù)防性和修復(fù)性維修。預(yù)防性維修是指當(dāng)系統(tǒng)工作一定時間后尚未失效時所進行的檢修；修復(fù)性維修是指產(chǎn)品在規(guī)定的工作期內(nèi)因出現(xiàn)失效而進行的搶修。在產(chǎn)品設(shè)計階段充分考慮維修性要求，可以使產(chǎn)品的維修度明顯增加，如可把預(yù)計維修周期較短的局部或環(huán)節(jié)設(shè)計成易于查找故障、便于拆裝等便于維修的結(jié)構(gòu)。維修性指標一般不會增加成本，不受其他要求的影響，因此可按充分滿足維修性要求來確定，并依據(jù)維修性指標來確定最合理的總體結(jié)構(gòu)方案。3．常用性能指標分配原則由于設(shè)計的基本目標是多性能低價格，即包含了技術(shù)性和經(jīng)濟性兩大類指標。多目標規(guī)劃的求解策略有降維法、順序單目標法和評價函數(shù)法等幾種方法。這些方法的共同點是，設(shè)法把多目標問題轉(zhuǎn)化成單目標問題求解，但不同的轉(zhuǎn)化方法對應(yīng)著不同的求解策略。多目標規(guī)劃的求解策略具有各自的基本思想：降維法的基本思想是，用一個起主要作用的指標作為目標函數(shù)，而將其它優(yōu)化指標轉(zhuǎn)化為約束條件，從而使多目標優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標優(yōu)化問題；順序單目標法的基本思想是，首先對各優(yōu)化指標按重要程度排序，按單目標優(yōu)化方法依序求出每個指標所對應(yīng)的最優(yōu)解，然后對這些單目標優(yōu)化解進行折中處理，從而得到整體最優(yōu)解；評價函數(shù)的基本思想是，首先對各優(yōu)化指標依一定關(guān)系進行組合，從而構(gòu)造出一個單目標問題的目標函數(shù)，稱為評價函數(shù)，然后依據(jù)這個評價函數(shù)對各種方案進行評價，最終確定出最優(yōu)方案。在這三種方法中，評價函數(shù)法其應(yīng)用效果一般要優(yōu)于前兩種方法。評價函數(shù)的方法是合理地構(gòu)造出一個能恰當(dāng)?shù)胤从乘芯繂栴}的評價函數(shù)。工程上常用的評價函數(shù)構(gòu)造方法有平方加權(quán)法、線性加權(quán)法、虛擬目標法等多種方法。不同的構(gòu)造方法可得到不同的評價函數(shù)。在構(gòu)造評價函數(shù)之前，需要先統(tǒng)一各指標的量綱。量綱的統(tǒng)一可采用無量綱相對化方法，也可采用專家評分的方法。下面具體介紹用于構(gòu)造評價函數(shù)的線性加權(quán)法及統(tǒng)一各指標量綱的無量綱相對化法。設(shè)某個產(chǎn)品共有m個可行的方案，每個方案都選定n個評價指標；Kij為第i個方案中第j項評價指標值；Kmaxj，是第j項指標在各方案中的最大值；wj是第j項指標的加權(quán)值，它反映了這項指標在該產(chǎn)品中的相對于其他各項指標的重要程度，且滿足，(7-1)則采用線性加權(quán)法所構(gòu)造的第i個方案的綜合評價指標(即評價函數(shù))為，(7-2)這就是該產(chǎn)品的評價函數(shù)表達式，其中通過Kij與Kmaxj的比值實現(xiàn)了各評價指標的無量綱相對化。采用優(yōu)化方法求取式(7-2)的最大值，就可得到第i個方案的最佳評價函數(shù)值Himax，即，；Kij∈D，(7-3)式中：D是由約束條件限定的指標集合。由于這里是以綜合評價指標Hi最大為優(yōu)化目標，所以如果某項優(yōu)化指標Kij期望取得較小的值，則應(yīng)將其負值(即-Kij)代入式(7-3)。為了評價出最佳方案，應(yīng)采用優(yōu)化方法依次求出各方案的最佳評價函數(shù)值Hmax，然后對它們進行比較，從中選出最佳方案，其對應(yīng)的評價函數(shù)值為(7-4)下面舉例說明上述方法的應(yīng)用。在設(shè)計某產(chǎn)品時，采用失效率、成本及模塊化程度作為優(yōu)化指標，其中失效率用各環(huán)節(jié)標準失效率的總和來表示，模塊化程度用屬于高度模塊化的隸屬度表示，成本以千元為單位。顯然，失效率和成本應(yīng)該越低越好，故在用式(7-2)構(gòu)成評價函數(shù)時，失效率和成本應(yīng)代入負值；而模塊化程度是越高越好，在式(7-2)中應(yīng)代入正值。各優(yōu)化指標的權(quán)重系數(shù)wj可按產(chǎn)品的實際使用要求確定，也可通過專家評分的方法確定。表7-2列出了各項優(yōu)化指標的權(quán)重系數(shù)wj，同時也列出了該產(chǎn)品的四種可行方案在滿足特征指標的約束條件下按式(7-3)優(yōu)化求得的最佳評價函數(shù)Himax及對應(yīng)最優(yōu)解(即各優(yōu)化指標的最佳取值)。例如，第1種方案的最佳評價函數(shù)值為根據(jù)表7-2及式(7-4)可以容易地確定該產(chǎn)品的第2種方案是最佳方案，它所對應(yīng)的最佳評價函數(shù)值是四種方案中的最大者，即-0.37?！救蝿?wù)實施】功能及性能指標分配實例①地點：實訓(xùn)基地。②設(shè)備：功能及性能指標分配。③任務(wù)實施過程：a.學(xué)生分組接受學(xué)習(xí)工作任務(wù)，組長組織實際調(diào)研，綜合相關(guān)信息并通報交流；b.進入實訓(xùn)基地，學(xué)生實訓(xùn)安全規(guī)程；c.教師通過實物或多媒體課件輔導(dǎo)講授，幫助學(xué)生完成工作任務(wù)。對于特征指標的總體結(jié)構(gòu)初步方案中具有互補性的環(huán)節(jié)，還需要進一步統(tǒng)籌分配機與電的具體設(shè)計指標，對于具有等效性的環(huán)節(jié)，還需要進一步確定其具體的實現(xiàn)形式。在完成這些工作后，各環(huán)節(jié)才可采用常規(guī)方法進行詳細設(shè)計。(1)功能分配由于具有等效性的功能有多種具體實現(xiàn)形式，在進行功能分配時，應(yīng)首先把這些形式盡可能地全部列出來。用這些具體實現(xiàn)形式構(gòu)成不同的結(jié)構(gòu)方案，其中也包括多種形式的組合方案。采用適當(dāng)?shù)膬?yōu)化指標對這些方案進行比較，可從中選出最優(yōu)或較優(yōu)的方案。優(yōu)化過程只需計算與優(yōu)化指標有關(guān)的變量，不必等各方案的詳細設(shè)計完成后再進行。下面以某定量秤重裝置中濾除從安裝基礎(chǔ)傳來的振動干擾的濾波功能的分配為例，說明等效功能的分配方法。圖7-1是該裝置的初步結(jié)構(gòu)方案，其中符號“△”表示裝置中可建立濾波功能的位置。從安裝基礎(chǔ)傳來的振動干擾經(jīng)裝置基座影響傳感器的輸出信號，該信號再經(jīng)放大器、A／D轉(zhuǎn)換器送至控制器，使控制器的控制量計算受到干擾，因而使所秤量產(chǎn)生誤差。為保證秤量精度，必須采用濾波器來濾除這一干擾的影響。經(jīng)過分析可以采用三種濾波器來實現(xiàn)這一濾波功能，即安裝在基座處的機械濾波器(又稱阻尼器)、置于放大環(huán)節(jié)的模擬濾波器和以軟件形式放在控制環(huán)節(jié)的數(shù)字濾波器。這三種濾波器在實現(xiàn)濾波功能這一點上具有等效性，但它們并不是完全等價的，在濾波質(zhì)量、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、成本等方面它們具有不同的特點和效果。因此，必須根據(jù)具體情況從中擇優(yōu)選擇一種最合適的方案。通過對定量秤重裝置的工作環(huán)境和性能要求進行分析，可歸納出選擇濾波方案的具體條件為：在存在最低頻率為，、振幅為的主要振動干擾的條件下，保證實現(xiàn)以T為工作節(jié)拍、精度為K的秤量工作，并且成本要低。因此，可選擇成本作為該問題的優(yōu)化指標，對主要振動干擾的衰減率和閉環(huán)回路中所允許的時間滯后作為特征指標，其中衰減率可根據(jù)干擾信號振幅和要求的秤量精度K計算得出，允許的滯后時間可根據(jù)工作節(jié)拍T和秤量精度K計算得出。濾波器放在不同位置，對系統(tǒng)的動態(tài)特性會產(chǎn)生不同的影響。從圖7-1中可以看出，由基座形成的干擾通道不在閉環(huán)控制回路內(nèi)，因此，如在這里安裝機械濾波器，其衰減率及相位移不會影響閉環(huán)控制回路的控制性能，也就是說，不受特征指標的約束，不需要考慮相位特性，因而衰減率可以設(shè)計得足夠大，容易滿足特征指標的要求。但是由于干擾信號的最低頻率較低，機械式濾波器的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，體積較大，因而成本也較高。模擬式濾波器可以與放大器設(shè)計在一起，也可單獨置于放大環(huán)節(jié)之后，但不論放在哪一位置，都是在閉環(huán)回路內(nèi)。由于是干擾信號的低端頻率，所以這里應(yīng)采用低通濾波器。由低通濾波器的特性可知，當(dāng)在控制回路內(nèi)串入低通濾波器后，將使控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)時間增加，相位滯后增大，快速響應(yīng)性能降低。因此，模擬濾波器性能的選擇受特征指標的約束，不能采用高階低通濾波器，而低階低通濾波器的濾波效果又較差。數(shù)字濾波器的算法種類較多(見第四章)，本例采用算術(shù)平均值法來實現(xiàn)低通濾波。同模擬濾波器一樣，由于數(shù)字濾波器需要計算時間，因此也受允許的滯后時間的限制，且對較低頻率的干擾信號，抑制能力較弱，但數(shù)字濾波器容易實現(xiàn)，且成本較低。由上述分析可知，想要得到最優(yōu)方案。這里選成本作為優(yōu)化指標，將特征指標作為約束條件，構(gòu)成單目標優(yōu)化問題。由于方案優(yōu)化是離散形式的，故采用列表法較為方便、直觀。具體作法是：首先根據(jù)濾波器的設(shè)計計算方法，求出各種實現(xiàn)形式在滿足約束條件下的一定范圍內(nèi)的有關(guān)性能，將這些性能列成表格，按表選擇可行方案，然后再對各可行方案進行比較，根據(jù)優(yōu)化指標選擇出最優(yōu)方案。表7-3列出了上述三種濾波器的特征指標和優(yōu)化指標值，其中A、B、C、D是四個不同的品質(zhì)等級；是允許的滯后時間與頻率為的干擾信號周期之比。由于機械濾波器所在位置不影響系統(tǒng)動態(tài)特性，故表中相應(yīng)位置沒有列出這項指標。由表7-3可見，當(dāng)干擾信號周期T1大于允許的滯后時間Tc時，即Tc／T1<1時，模擬濾波器和數(shù)字濾波器都不能滿足系統(tǒng)動態(tài)特性的要求，這時只能選擇機械濾波器。現(xiàn)假設(shè)約束條件為≤5.5，≤-40dB。由表7-3可見，單個模擬濾波器和單個數(shù)字濾波器都無法滿足該約束條件，因此必須將濾波器組合起來(即由幾個濾波器共同實現(xiàn)濾波功能)才能構(gòu)成可行方案。從表7-3中選出滿足約束條件的可行方案列于表7-4，其中總特征指標值為構(gòu)成可行方案的各濾波器的相應(yīng)特征指標值之和。依據(jù)成本這一優(yōu)化指標，可從表7-4所列出的四種可行方案中選出最合理的方案，即方案3。該方案采用機械濾波器和數(shù)字濾波器分別實現(xiàn)對干擾信號的衰減，衰減率均為-20dB，也就是說，將濾波功能平均分配給機械濾波器和數(shù)字濾波器，同時還滿足另一約束條件=3.5<5.5，而且該方案成本最低。應(yīng)當(dāng)指出，表7-4中并未將所有可行方案列出，因此，方案3并不一定是所有可行方案中的最優(yōu)方案；此外，當(dāng)約束條件改變時，將會得到不同的可行方案組及相應(yīng)的最優(yōu)方案。(2)性能指標分配在總體方案中一般都有具有互補性多個環(huán)節(jié)對同一性能指標產(chǎn)生影響。在進行性能指標分配時，首先要把各互補環(huán)節(jié)對性能指標可能產(chǎn)生的影響作用范圍逐一列出，對于不可比較的變量應(yīng)先變換成相同量綱的變量，以便優(yōu)化處理。所列出的影響作用范圍應(yīng)包括各環(huán)節(jié)不同實現(xiàn)形式的影響作用范圍，它們可以是連續(xù)的，也可以是分段的或離散的。在滿足約束條件的前提下，采用不同的分配方法將性能指標分配給各互補環(huán)節(jié)，構(gòu)成多個可行方案。然后進一步選擇適當(dāng)?shù)膬?yōu)化指標，對這些可行方案進行評價，從中選出最優(yōu)的方案。下面以車床刀架進給系統(tǒng)的進給精度分配為例，說明性能指標的分配方法。圖7-2是開環(huán)控制的某車床刀架進給系統(tǒng)的功能框圖。由圖可見，該系統(tǒng)由數(shù)控裝置、驅(qū)動電路、步進電動機、減速器、絲杠螺母機構(gòu)和刀架等環(huán)節(jié)組成?，F(xiàn)在的問題是要對各組成環(huán)節(jié)進行精度指標的分配，設(shè)計約束條件是刀架運動的兩個特征指標，即最大走刀速度，最大定位誤差。由于這里只作精度分配，沒有不同的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)形式，可靠性的差別不顯著，因此只選擇成本作為優(yōu)化指標，構(gòu)成單目標優(yōu)化問題。首先分析各組成環(huán)節(jié)誤差產(chǎn)生的原因、誤差范圍及各精度等級的生產(chǎn)成本。產(chǎn)生誤差的環(huán)節(jié)及原因如下：1)刀架環(huán)節(jié)為減少建立可行方案及優(yōu)化計算的工作量，可將一些環(huán)節(jié)合并，并用等效的綜合結(jié)果來表達。將床身各部分的影響也都列在刀架一個環(huán)節(jié)內(nèi)，將刀架相對主軸線的徑向位置誤差作為定位誤差。經(jīng)分析可知，床身各部分影響定位誤差的主要因素是床鞍在水平面內(nèi)移動的直線度，其精度值與相應(yīng)的生產(chǎn)成本見表7-5。2)減速器環(huán)節(jié)該環(huán)節(jié)誤差主要來自齒輪的傳動誤差，齒側(cè)間隙產(chǎn)生的誤差應(yīng)采用間隙消除機構(gòu)加以清除。床鞍移動誤差和絲杠傳動誤差的方向與量綱和定位誤差相同，不需要進行量綱轉(zhuǎn)換，但齒輪的傳動誤差需依據(jù)初步確定的參數(shù)，如絲杠導(dǎo)程、齒輪直徑、傳動比等，轉(zhuǎn)換成與定位誤差有相同方向和量綱的等效誤差?？紤]到兩種可能的傳動比和兩個可能的齒輪精度等級，共得到四個品質(zhì)等級的等效誤差和相應(yīng)的成本，并列于表7-5中。3)絲杠環(huán)節(jié)絲杠螺母副的傳動精度直接影響刀架的位置誤差，它有兩種可選擇的結(jié)構(gòu)形式，即普通滑動絲杠和滾動絲杠，分別對應(yīng)著不同的精度等級。如果假定絲杠螺母副的傳動間隙已通過間隙消除結(jié)構(gòu)加以消除，則傳動誤差是影響位置誤差的主要因素，其具體數(shù)值及對應(yīng)成本列于表7-5，其中A、B兩個精度等級對應(yīng)著滾動絲杠，C、D兩個精度等級對應(yīng)著滑動絲杠。4)數(shù)控環(huán)節(jié)這個環(huán)節(jié)里包括了數(shù)控裝置、驅(qū)動電器和步進電機。步進電機在不同載荷作用下，其轉(zhuǎn)子的實際位置對理論位置的偏移角也不同。在不失步正常運行的情況下，該偏移角不超過±0.5個步距角。此外，雖然數(shù)控裝置的運算精度可達到很高，但由于步進電機的控制指令是以脈沖為單位的，因此數(shù)控裝置仍會產(chǎn)生±0.5個步距角的舍人誤差。這樣，數(shù)控環(huán)節(jié)可能產(chǎn)生的總誤差為±1個步距角，且應(yīng)將步距角轉(zhuǎn)換成刀架運動方向上的脈沖當(dāng)量。由于最大走刀速度限制了脈沖當(dāng)量的下限，因此，通?？捎米畲笞叩端俣瘸圆竭M電機的最高運行頻率來求取最小脈沖當(dāng)量，并作為精度指標分配的參考值，而不用還沒有最后確定的傳動鏈參數(shù)來計算脈沖當(dāng)量。表7-5中列出的數(shù)控環(huán)節(jié)最小脈沖當(dāng)量是根據(jù)選定的兩種不同最高運行頻率的步進電機按上述方法計算得出的。根據(jù)表7-5，可以找出若干滿足最大定位誤差要求的可行方案。部分可行方案列于表7-6，其中總成本一欄是各個可行方案的優(yōu)化指標值。若有多個優(yōu)化指標，可按式(7-2)或式(7-3)求出綜合指標值(即評價函數(shù)值)列入該欄。由表7-6可以看出，第3個方案的成本最低，因此是表中所列5個可行方案中的最優(yōu)方案(由于表7-6中并未列出全部可行方案，因此第3個方案實際上也可能是一種較優(yōu)的方案)。該方案的具體實現(xiàn)形式是：采用高頻步進電機驅(qū)動，較高等級精度的齒輪和高精度的滑動絲杠傳動，較低精度的床身導(dǎo)軌支承和導(dǎo)向。選定該方案后，它對各組成環(huán)節(jié)的精度要求也就自然成為各環(huán)節(jié)進一步詳細設(shè)計的精度指標?！局R拓展】機電一體化系統(tǒng)的性能評價指按照明確目標測定對象的屬性，并把它變成主觀效用的行為，即明確價值的過程。在這個過程中，我們要對評價的事物與一定的對象進行比較，從而決定該事物的價值。(1)系統(tǒng)評價的目的和任務(wù)系統(tǒng)評價是根據(jù)預(yù)定的系統(tǒng)目的，通過調(diào)查研究，應(yīng)用科學(xué)合理的程序與方法，對被評價系統(tǒng)的經(jīng)濟、技術(shù)或綜合性的價值做出判定，從多個方案中選擇其中在技術(shù)上先進、在經(jīng)濟上合理、在操作上可行的系統(tǒng)最優(yōu)方案。因此，評價的目的是為了決策，決策需要評價。在方案設(shè)計階段，進行系統(tǒng)評價主要是對該方案在各個方面能產(chǎn)生的后果及其影響進行評價，以便提供決策所需要的定性及定量的信息資料。在系統(tǒng)運行階段，進行系統(tǒng)評價主要是對該方案進行分析和評價，弄清問題，對現(xiàn)狀心中有數(shù)，以便有效地改進工作，及時調(diào)整方向，抓住機會，進行合理的決策。在系統(tǒng)方案完成以后，進行系統(tǒng)評價主要是定量地掌握系統(tǒng)已經(jīng)達到的目標以及與預(yù)定目標的差距，為下一步?jīng)Q策或其他系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計工作提供信息。正確的評價可使決策獲得成功，取得較好的效益；錯誤的評價會導(dǎo)致決策失敗，付出沉重的代價。(2)系統(tǒng)評價原則①客觀性原則一方面是指參加評價的人員應(yīng)站在客觀立場，實事求是地進行資料收集、方法選擇及對其評價結(jié)果做客觀解釋。評價人員事先不能帶有傾向性，若帶有偏見性，就會只對有利的數(shù)據(jù)感興趣，忽視甚至曲解不利的信息，這樣進行的評價必然會導(dǎo)致決策的失誤；另一方面是指評價資料應(yīng)當(dāng)真實可靠和正確。需要注意的是，在采用各種統(tǒng)計數(shù)據(jù)時，一定要弄清統(tǒng)計數(shù)據(jù)與評價問題之間真正的內(nèi)在關(guān)系，不要受到假象的迷惑。②合理性原則是指所選擇的評價指標應(yīng)當(dāng)正確反映預(yù)定的評價目的，要符合邏輯，有科學(xué)依據(jù)。③可比性原則是指被評價的方案之間在基本功能、基本屬性及強度上要有可比性。例如，將一臺電腦和一臺電視機放在一起進行對比評價，就很難指出兩者之間的優(yōu)劣。而一臺臺式電腦和一臺筆記本電腦之間就較容易從技術(shù)指標、經(jīng)濟性及適用性等各方面進行比較，做出合理的評價。④整體性原則指評價指標應(yīng)當(dāng)相互關(guān)聯(lián)、相互補充，形成一個有機的整體，能從多側(cè)面綜合反映評價方案，如果片面強調(diào)某一方面的指標，就可能歪曲系統(tǒng)的真實情況，誘導(dǎo)決策者做出錯誤決策。(3)評價內(nèi)容①經(jīng)濟評價主要是評價系統(tǒng)方案的經(jīng)濟效益，如性能價格比、投入產(chǎn)出比、成本費用分析等經(jīng)濟可行性分析。②技術(shù)評價系統(tǒng)的開發(fā)、設(shè)計以及運行的根本目的是為了實現(xiàn)特定的功能，以便為人們提供物質(zhì)和精神的財富，或是帶來生活的便利。技術(shù)評價就是評定該系統(tǒng)方案是否達到預(yù)定目標，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理性、先進性、適用性、屬性的完善性等都屬于技術(shù)評價。③綜合評價對機電一體化系統(tǒng)的綜合評價主要是對其實現(xiàn)目的功能的結(jié)構(gòu)、性能進行評價。機電一體化的目的是提高產(chǎn)品的附加價值，而附加價值的高低必須以衡量產(chǎn)品性能和結(jié)構(gòu)質(zhì)量的各種定量指標為依據(jù)，不同的評價指標可選不同的評價方法。因此，必須對這些方案的價值進行綜合評價，從中找出最佳方案，以便決策者做出正確的決策。機電一體化系統(tǒng)一方面由微電子裝置取代人對機械的絕大部分控制功能，并加以延伸和擴大，克服了人體能力的不足和弱點；另一方面具有節(jié)省能源和降低材料消耗的特點。這些特點使得一體化系統(tǒng)是一種多功能、高性能、省能省資源的高附加值的產(chǎn)品。因此附加價值成了機電一體化系統(tǒng)的綜合評價指標。系統(tǒng)內(nèi)部功能價值如表7-7所示。任務(wù)7.2總體設(shè)計的方法和步驟【任務(wù)描述】機電一體化總體設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計的第一個環(huán)節(jié)，目的是設(shè)計出綜合性能最優(yōu)或較優(yōu)的總體方案，作為進一步詳細設(shè)計的依據(jù)。了解和掌握一定總體設(shè)計的方法和步驟為機電一體化總體設(shè)計奠定一定基礎(chǔ)?！救蝿?wù)分析】下面通過對總體設(shè)計方法和步驟的介紹，來熟悉和掌握一些設(shè)計方法。【知識準備】1．機電一體化產(chǎn)品的設(shè)計類型和總體設(shè)計方法(1)機電一體化產(chǎn)品的設(shè)計類型機電一體化產(chǎn)品的設(shè)計A可分為以下三種類型：1)開發(fā)性設(shè)計是沒有參照樣板的設(shè)計。它是在不知道具體方案的情況下，僅根據(jù)抽象的設(shè)計原理和要求，設(shè)計出在質(zhì)量和性能方面滿足目的要求的產(chǎn)品。最初的產(chǎn)品設(shè)計就屬于開發(fā)性設(shè)計。2)變異性設(shè)計在設(shè)計方案和功能結(jié)構(gòu)不變的情況下，僅改變現(xiàn)有產(chǎn)品的規(guī)格尺寸，使之適應(yīng)于量的方面有所變更的要求。例如，由于傳遞扭矩或速比發(fā)生變化，而重新設(shè)計傳動系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)尺寸，就屬于變異性設(shè)計。3)適應(yīng)性設(shè)計在總的方案原理基本保持不變的情況下，對現(xiàn)有產(chǎn)品進行局部更改，或用微電子技術(shù)代替原有的機械結(jié)構(gòu)或為了進行微電子控制對機械結(jié)構(gòu)進行局部適應(yīng)性變動，以使產(chǎn)品的性能和質(zhì)量提高。例如，汽車的電子式汽油噴射裝置代替原來的機械控制汽油噴射裝置。所有機電一體化設(shè)計都是為了獲得用來構(gòu)成事物(產(chǎn)品或系統(tǒng))的有用信息，因此必須從信息載體中提取可感知的或不可感知的、真?zhèn)坞y辨的信息，經(jīng)過科學(xué)分析與變換，去偽存真，由低級到高級，由經(jīng)驗到優(yōu)化，獲得可靠的設(shè)計信息，促進機械一電子的有機結(jié)合，滿足人們的多樣化需要。(2)總體設(shè)計方法機電一體化產(chǎn)品設(shè)計的方法通常有三種，其目的是綜合運用機械技術(shù)和電子技術(shù)各自的特長，來組成最佳的機電一體化系統(tǒng)。1)機電結(jié)合(融合)法在新產(chǎn)品設(shè)計中常用此種方法，通常，這類產(chǎn)品的功能部件(或子系統(tǒng))都是專用的，故各要素之間的匹配問題已得到充分考慮，接口很簡單，甚至可能互融為一體。如工作機中將電動機與主軸部件做成一體，就是執(zhí)行元件與執(zhí)行機構(gòu)結(jié)合的一例。某些高性能的機電一體化產(chǎn)品，如激光打印機掃描機構(gòu)——激光掃描鏡，其掃描鏡轉(zhuǎn)軸就是電機的轉(zhuǎn)子軸。該機構(gòu)采用了磁浮和氣浮軸承。目前國外已有把電機(執(zhí)行元件)與其控制器做成一體的產(chǎn)品出售。在大規(guī)模集成電路和微機不斷普及的今天，隨著精密機械技術(shù)的發(fā)展，完全能夠設(shè)計出執(zhí)行元件、執(zhí)行機構(gòu)、檢測傳感機構(gòu)、控制與機體五要素融為一體的機電一體化新產(chǎn)品。2)機電互補法是用適當(dāng)?shù)耐ㄓ没驅(qū)Ｓ秒娮硬考〈承┡f有產(chǎn)品中的復(fù)雜機械功能部件或功能子系統(tǒng)。如在一般的工作機中，用可編程序控制器或微型計算機來取代機械式變速機構(gòu)、凸輪、離合器、脫落蝸桿等控制機構(gòu)，代替氣動、液壓控制系統(tǒng)，代替插銷板、撥碼盤、步進開關(guān)、程序鼓、時間繼電器等接觸式控制器，彌補機械技術(shù)的不足，不但能大大簡化機械結(jié)構(gòu)，而且可提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。這種方法是改造舊產(chǎn)品、開發(fā)新產(chǎn)品常用的方法。3)組合法將用結(jié)合法(或機電互補法)制成的功能模塊像積木那樣組合成各種機電一體化系統(tǒng)，故稱組合法。例如，將工業(yè)機器人各自由度的執(zhí)行元件、檢測傳感元件和控制器做成機電一體化的驅(qū)動功能模塊，可用來驅(qū)動不同的關(guān)節(jié)，這樣就可以用工業(yè)機器人的回轉(zhuǎn)、伸縮、俯仰、擺動等各種功能模塊系列，組合成結(jié)構(gòu)和用途不同的機器人。在新產(chǎn)品系列設(shè)計與設(shè)備的機電一體化改造中應(yīng)用這種方法，可縮短設(shè)計、研制周期，節(jié)約工裝設(shè)備費用，且有利于生產(chǎn)管理、使用和維修。2．機電一體化產(chǎn)品的設(shè)計與現(xiàn)代設(shè)計方法(1)機電一體化產(chǎn)品的設(shè)計①設(shè)計程序設(shè)計中一般采用三階段法，即總體設(shè)計、部件設(shè)計和零件設(shè)計或初步設(shè)計、技術(shù)設(shè)計與工藝設(shè)計。在試驗性設(shè)計與CAD中，多采用既分階段又平行兼顧的設(shè)計，以便相互協(xié)調(diào)。其中總體設(shè)計程序為：明確設(shè)計思想；分析綜合要求；劃分功能模塊；決定性能參數(shù)；調(diào)研類似產(chǎn)品；擬定總體草圖；方案對比定型；編寫總體設(shè)計論證書?？傮w設(shè)計中應(yīng)注意的問題有：以機電互補原則進行功能劃分，明確哪些功能由機械技術(shù)實現(xiàn)，哪些由電子技術(shù)的硬件和軟件實現(xiàn)，以利于簡化機械結(jié)構(gòu)，發(fā)揮機電一體化效果；用圖表說明功能要求與動作順序要求；分析產(chǎn)品專用性與批量；重點明確產(chǎn)品的簡要特性；分析產(chǎn)品的自動化程度及其適用性；環(huán)境條件要求；動力源特性分析；機、電、液(氣)傳動的最佳匹配；可靠性分析；結(jié)構(gòu)尺寸及空間布置分析；特殊功能分析：低速穩(wěn)定性、抖動要求，快速響應(yīng)性與定位精度要求等。②設(shè)計準則設(shè)計準則主要考慮“人、機、材料、成本”等因素，而產(chǎn)品的可靠性、適用性與完善性設(shè)計最終可歸結(jié)于：在保證目的功能要求與適當(dāng)使用壽命的前提下不斷降低成本。以降低成本為核心的設(shè)計準則不勝枚舉。在經(jīng)濟高度發(fā)展時期，在非標產(chǎn)品設(shè)計中，其設(shè)計階段可適當(dāng)忽略價值工程的重要性，而著眼于新產(chǎn)品的大量生產(chǎn)的效果或解決使用單位的生產(chǎn)關(guān)鍵問題。但在經(jīng)濟低速發(fā)展時期，要想在競爭中取勝，就需要尋找滿足用戶要求的辦法，向用戶提供優(yōu)質(zhì)、廉價產(chǎn)品。產(chǎn)品成本的高低，70％決定于設(shè)計階段，因此，在設(shè)計階段可從新產(chǎn)品和現(xiàn)有產(chǎn)品改型兩方面采取措施：一是從用戶出發(fā)降低使用成本：二是從制造廠的立場出發(fā)降低設(shè)計與制造成本。前者是減小綜合工程費用，它包括為了讓產(chǎn)品在使用保障期內(nèi)無故障地運行而提高功能率，延長MTBF(平均故障間隔，即到產(chǎn)品發(fā)生故障為止，或從一個故障排除后到下一個故障發(fā)生時的平均工作時間)，減少因故障停機給用戶造成的損失，進一步提高產(chǎn)品的工作能力。③設(shè)計規(guī)律總結(jié)一般的機器系統(tǒng)的設(shè)計，有以下規(guī)律：根據(jù)設(shè)計要求首先確定離散元素間的邏輯關(guān)系，然后研究其相互間的物理關(guān)系，這樣就可根據(jù)設(shè)計要求和手冊確定其結(jié)構(gòu)關(guān)系，最終完成全部設(shè)計工作。其中確定邏輯關(guān)系階段是關(guān)鍵，如邏輯關(guān)系不合理，其設(shè)計必然不合理。在這一階段可分為兩個工作步驟進行：首先進行功能分解，確定邏輯關(guān)系和功能結(jié)構(gòu)；然后建立其物理模型、確定物理作用關(guān)系。所謂功能就是使元素或子系統(tǒng)的輸出滿足設(shè)計要求。這些子系統(tǒng)多數(shù)是“白箱”(內(nèi)部是清楚的)，也可能是黑箱。從黑箱原理以及對輸入和輸出量關(guān)系的分析，明確規(guī)定機器系統(tǒng)的總?cè)蝿?wù)(這里指的是主要目的要求)，也就是給定機器的總功能。一般來說，不能用某種簡單結(jié)構(gòu)一下子滿足總功能要求。這就需要進行功能分解，分解成若干子功能，子功能還可以進一步分解，直到分解為功能元素。將這些子功能或功能元素按一定邏輯關(guān)系連接，來滿足總功能的要求，這樣就形成所謂功能結(jié)構(gòu)。功能結(jié)構(gòu)的基本形式一般可分為如下三種：過程一個接一個進行的鏈狀結(jié)構(gòu)(串聯(lián))，過程并列進行的平行結(jié)構(gòu)(并聯(lián))，以及有反饋過程的閉式結(jié)構(gòu)(反饋連接)。以這三種基本形式把子功能和功能元素連接成功能結(jié)構(gòu)則可和總功能等效。在進行功能分解和功能綜合時，常使用現(xiàn)代化的一些設(shè)計方法。從邏輯角度考慮把總功能分解并連接成功能結(jié)構(gòu)，使實現(xiàn)功能的復(fù)雜程度大大降低，因滿足比較簡單的功能元素的要求比滿足總功能的高度抽象要求容易得多。在上述過程中得到的每個基本功能元素，至少可用一個能滿足其功能要求的技術(shù)物理效應(yīng)去實現(xiàn)。所謂技術(shù)物理效應(yīng)就是某種物理現(xiàn)象在工程技術(shù)上的實現(xiàn)，是通過有目的的配置工作面及有效運動而實現(xiàn)的。如果將有關(guān)功能元素列成一個矩陣形式，則可得到不同聯(lián)結(jié)的數(shù)種或數(shù)十種系統(tǒng)方案，然后根據(jù)符號邏輯運算進行優(yōu)化篩選，就可得到較理想的系統(tǒng)方案。(2)現(xiàn)代設(shè)計方法現(xiàn)代設(shè)計方法與用經(jīng)驗公式、圖表和手冊為設(shè)計依據(jù)的傳統(tǒng)設(shè)計方法不同，它是以計算機為手段進行機電一體化產(chǎn)品設(shè)計的有效方法。其設(shè)計步驟通常如下：技術(shù)預(yù)測一信號分析一科學(xué)類比一系統(tǒng)分析設(shè)計一創(chuàng)造性設(shè)計一因時制宜的選擇各種具體的現(xiàn)代設(shè)計方法(相似設(shè)計法、模擬設(shè)計法、有限元設(shè)計法、可靠性設(shè)計法、動態(tài)分析設(shè)計法、優(yōu)化設(shè)計法等)一機電一體化設(shè)計質(zhì)量的綜合評價(如模糊綜合評判方法等)。上述步驟的順序不是絕對的，只是一個大致的設(shè)計路線。但現(xiàn)代設(shè)計方法對傳統(tǒng)設(shè)計中的某些精華必須予以繼承，在各個設(shè)計步驟中，應(yīng)考慮傳統(tǒng)設(shè)計的一般原則，如價值分析、造型設(shè)計、市場需求、類比原則、冗余原則、自動原則(能自動完成目的功能并具有自診斷、自動補償、自動保護功能等)、經(jīng)驗原則(考慮以往經(jīng)驗)，以及模塊原則(積木式、標準化設(shè)計)等。目前常用的現(xiàn)代設(shè)計方法簡介如下：1)技術(shù)預(yù)測法在設(shè)計前，從書籍(或已收集的)資料數(shù)據(jù)預(yù)測被設(shè)計對象在今后一定階段內(nèi)的發(fā)展動向。它是現(xiàn)代設(shè)計的最初步驟，不了解、不掌握某類系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展動向(包括性能、參數(shù)、結(jié)構(gòu)等)就不可能有好的設(shè)計。技術(shù)預(yù)測有定性、定量兩種，一般常用樸素預(yù)測法、趨勢外推法、回歸分析法、包絡(luò)預(yù)測法，以及形態(tài)分析預(yù)測法、情景描述法等。預(yù)測的可靠性與準確性是設(shè)計過程的第一個輸入信號，該信號正確與否是決定設(shè)計成敗的關(guān)鍵。因此，現(xiàn)代設(shè)計的第一步應(yīng)采用技術(shù)預(yù)測法進行技術(shù)預(yù)測，以準確的決策近期、中期或長期的技術(shù)發(fā)展動向與需求，并取得必要的設(shè)計數(shù)據(jù)。2)科學(xué)類比法在技術(shù)預(yù)測決策之后，搜集有關(guān)的信息與對象，以科學(xué)類比取得有用的、可借鑒的內(nèi)容或數(shù)據(jù)是很重要的，類比不能與仿制或參考樣機設(shè)計新機混為一談。類比法是一種從特殊事件到特殊事件的推理方法。盲目的參照樣機不能算做“類比”，因為類比推理如沒有科學(xué)方法指導(dǎo)只能是低級的、原始的類比，帶有很大的偶然性和猜測性，可靠性很小，如果采用一些其他現(xiàn)代化方法，進行因果、對稱、協(xié)變關(guān)系等因素的分析，就可上升到科學(xué)類比階段。根據(jù)科學(xué)類比過程主要考慮的因素可將其分為以下幾種：①因果類比：設(shè)A中屬性l、m與n有關(guān)系，則B中、必然與有因果關(guān)系，這就納入了現(xiàn)代設(shè)計方法中相似設(shè)計的軌道。②對稱類比：對稱性是一種自然現(xiàn)象，A對象中l(wèi)、m有對稱關(guān)系，如B對象中有，則必然可求得。③協(xié)變類比。如A對象中有的關(guān)系，則從推理可知，B對象中也可能有的關(guān)系。④綜合類比：下面敘述的相似設(shè)計法與模擬設(shè)計法即屬于此類。在現(xiàn)代設(shè)計中經(jīng)過科學(xué)類比推理之后，我們對設(shè)計對象有了初步認識，明確了各子系統(tǒng)之間的相互依存關(guān)系，這樣就可以按設(shè)計規(guī)律進行系統(tǒng)分析設(shè)計。3)相似設(shè)計法是利用同類事物間靜態(tài)與動態(tài)的相似性，根據(jù)樣機或模型求得新設(shè)計對象有關(guān)參數(shù)的一種科學(xué)類比方法。相同與相似是兩個概念，前者只是相對概念，而相似的廣義性不僅是幾何相似，還涉及一系列形態(tài)的相似。4)模擬設(shè)計法是利用異類事物間的相似性進行設(shè)計的科學(xué)類比方法。不過，模擬具有不可逆性，如用簡單的電子電路來模擬復(fù)雜的機械系統(tǒng)或液壓系統(tǒng)等，以求得系統(tǒng)的最佳靜態(tài)、動態(tài)參數(shù)，反之就毫無意義。當(dāng)前利用電子計算機可研究復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)，“仿真”技術(shù)比模擬技術(shù)更進一步，可直接進行計算機模擬或數(shù)字仿真。5)信號分析法是一種科學(xué)而合理的方法。在現(xiàn)代設(shè)計中，當(dāng)技術(shù)預(yù)測與系統(tǒng)大致確定之后，如何得到設(shè)計的原始參數(shù)是一個重要的問題。人們往往可從多種不同的書籍、資料以及大量試驗中得到互不相同甚至差別很大的技術(shù)數(shù)據(jù)，使設(shè)計者難以取舍，這就應(yīng)采用信號分析法對其進行分析，去粗取精、去偽存真，獲得所需要的接近真值的設(shè)計參數(shù)。6)優(yōu)化設(shè)計法是現(xiàn)代設(shè)計法的核心之一。它是指在給定系統(tǒng)方案后，利用各種數(shù)學(xué)優(yōu)選法進行參數(shù)設(shè)計計算的方法。優(yōu)化設(shè)計主要應(yīng)用各種數(shù)學(xué)規(guī)劃方法。但是優(yōu)化設(shè)計只是參數(shù)的優(yōu)化，不能完全代替人的創(chuàng)造與經(jīng)驗，特別是在解決多目標函數(shù)的優(yōu)化設(shè)計時，各目標函數(shù)的主次與權(quán)數(shù)的選擇是與經(jīng)驗分不開的。7)動態(tài)分析設(shè)計法“動態(tài)”是指系統(tǒng)由一個穩(wěn)態(tài)過程過渡到另一個穩(wěn)態(tài)的過程。任何系統(tǒng)總是處在各種正常信號與干擾信號作用之下，這種作用往往是對系統(tǒng)最嚴峻的考驗，所以在設(shè)計中必須考慮這種情況，許多設(shè)計參數(shù)必須用動態(tài)分析方法獲得。所謂動態(tài)分析設(shè)計，就是從動態(tài)分析出發(fā)進行設(shè)計，這是當(dāng)前重要的一種設(shè)計方法。對線性系統(tǒng)而言，該方法是利用其傳遞函數(shù)或傳遞矩陣，在輸入某些信號的情況下，對其輸出信號進行定性與定量分析，從而獲得系統(tǒng)、部件或元件滿足穩(wěn)定性、準確性與響應(yīng)快速性要求的各項參數(shù)。8)可靠性設(shè)計法是從產(chǎn)品(或系統(tǒng))的開發(fā)設(shè)計階段就考慮其可靠度(或其他可靠指標)，從而保證產(chǎn)品工作可靠、經(jīng)久耐用的一種設(shè)計方法。設(shè)計前，必須對可靠性指標(如可靠度、平均故障間隔、故障率等)作明確規(guī)定，一旦給定了機電一體化系統(tǒng)的可靠性目標值，就可進一步進行可靠性目標值的分配，即分配給各子系統(tǒng)、功能部件或元件等。這樣可將產(chǎn)品(或系統(tǒng))的可靠程度由一般的定性分析提高到定量分析，從而可從可靠性角度對產(chǎn)品或系統(tǒng)進行設(shè)計。但可靠性設(shè)計需要對系統(tǒng)或產(chǎn)品的失效進行分析、積累可靠性數(shù)據(jù)或做必要的可靠性試驗，因此，需要有一定的基礎(chǔ)工作。3．機電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)的設(shè)計步驟機電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)(以工作機為例)的設(shè)計步驟如下：(1)根據(jù)目的功能確定產(chǎn)品規(guī)格、性能指標工作機的目的功能是用來改變物質(zhì)的形狀、狀態(tài)，位置尺寸或特性，歸根到底必須實現(xiàn)一定的運動，并提供必要的動力。用來評價機電一體化產(chǎn)品質(zhì)量的基本指標，是那些為了滿足使用要求而必須具有的輸出參數(shù)。運動參數(shù)用來表征機器工作運動的軌跡、行程、方向和起止點位置正確性的指標。動力參數(shù)用來表征機器輸出動力大小的指標，如力、力矩和功率等。品質(zhì)指標用來表征運動參數(shù)和動力參數(shù)品質(zhì)的指標，如運動軌跡和行程的精度(如重復(fù)定位精度)、運動行程和方向的可變性，運動速度的高低與穩(wěn)定性，力和力矩的可調(diào)性或恒定性等。以上基本性能指標通常要根據(jù)工作對象的性質(zhì)、用戶要求，有時還要通過實驗研究才能確定。因此，要以能夠滿足用戶使用要求為度，不需要追求過高的要求，在滿足基本性能的前提下，還要考慮如下一些指標：工藝性指標對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)提出的方便制造和維修的要求，要做到容易制造和維修?！叭恕獧C工程學(xué)”指標考慮人和機器的關(guān)系，針對人類在生產(chǎn)和生活中所表現(xiàn)出來的衛(wèi)生、體型、生理和心理學(xué)等方面對產(chǎn)品提出的綜合性要求。美學(xué)指標對產(chǎn)品的外部性質(zhì)，以及與外部環(huán)境的協(xié)調(diào)等各方面提出的要求。標準化指標即組成產(chǎn)品的元部件的標準化程度。(2)系統(tǒng)功能部件、功能要素的劃分工作機必須具備適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)才能滿足所需性能。要形成具體結(jié)構(gòu)，要以各組成要素及要素之間的接口為基礎(chǔ)來劃分功能部件或功能子系統(tǒng)。復(fù)雜機器的運動常由若干直線或回轉(zhuǎn)運動組合而成，形成若干自由度。因此也可以按運動的自由度劃分成若干功能子系統(tǒng)，再按子系統(tǒng)劃分功能部件。這種功能部件可能包括若干組成要素。各功能部件的規(guī)格要求，可根據(jù)整機的性能指標確定。(3)接口的設(shè)計接口問題是各組成要素間的匹配問題，有機械接口、電子硬件接口、軟件接口之分。執(zhí)行元件與執(zhí)行機構(gòu)之間、檢測傳感元件與執(zhí)行機構(gòu)之間通常是機械接口。機械接口有兩種形式：一種是執(zhí)行元件與執(zhí)行機構(gòu)之間的聯(lián)軸器和傳動軸，以及直接將檢測傳感元件與執(zhí)行元件或執(zhí)行機構(gòu)連接在一起的聯(lián)軸器(十字接頭)、螺釘、鉚釘?shù)?，直接連結(jié)時不存在任何運動和運動變換；另一種是機械傳動機構(gòu)，如減速器、絲杠、螺母等；控制器與執(zhí)行元件之間的驅(qū)動接口、控制器與檢測傳感元件之間的轉(zhuǎn)換接口，是電子傳輸、轉(zhuǎn)換電路。因此，接口設(shè)計問題也就是機械技術(shù)和電子技術(shù)的具體應(yīng)用問題。(4)綜合評價(或整機評價)對機電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)的綜合評價主要是對其實現(xiàn)目的功能的性能、結(jié)構(gòu)進行評價。機電一體化的目的是提高產(chǎn)品(或系統(tǒng))的附加值，而附加值的高低必須以衡量產(chǎn)品性能和結(jié)構(gòu)質(zhì)量的各種定量指標為依據(jù)。不同的評價指標可選用不同的評價方法。具體設(shè)計時，常采用不同的設(shè)計方案來實現(xiàn)產(chǎn)品的目的功能、規(guī)格要求和性能指標要求。因此，必須對這些方案進行綜合評價，從中找出最佳方案。(5)可靠性復(fù)查機電一體化產(chǎn)品(或系統(tǒng))既可能產(chǎn)生電子故障、軟件故障又可能產(chǎn)生機械故障，而且容易受到電噪聲的干擾，因此，可靠性問題顯得格外突出，也是用戶最關(guān)心的問題之一。在產(chǎn)品設(shè)計中，除采用可靠性設(shè)計方法之外，還必須采用必要的可靠性措施，在產(chǎn)品設(shè)計初步完成之后，還需要進行可靠性復(fù)查和分析，以便發(fā)現(xiàn)問題及時改進。(6)試制與調(diào)試樣機試制是檢驗產(chǎn)品設(shè)計的制造可行性的重要階段，并通過樣機調(diào)試來印證各項性能指標是否符合設(shè)計要求。這個階段也是最終發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的問題以便及時修改和完善產(chǎn)品設(shè)計的必要階段。計算機輔助設(shè)計(CAD)是設(shè)計機電一體化產(chǎn)品(或系統(tǒng))的有力工具。應(yīng)用CAD進行一般機電一體化產(chǎn)品設(shè)計時，都要涉及機械技術(shù)、電子技術(shù)和信息技術(shù)的有機結(jié)合問題，從這種意義上來說，CAD本身也是機電一體化技術(shù)的基本內(nèi)容之一。【任務(wù)實施】定量電子秤總體設(shè)計舉例①地點：實訓(xùn)基地。②設(shè)備：定量電子秤總體設(shè)計。③任務(wù)實施過程：a.學(xué)生分組接受學(xué)習(xí)工作任務(wù)，組長組織實際調(diào)研，綜合相關(guān)信息并通報交流；b.進入實訓(xùn)基地，學(xué)生實訓(xùn)安全規(guī)程；c.教師通過實物或多媒體課件輔導(dǎo)講授，幫助學(xué)生完成工作任務(wù)。本節(jié)以定量電子秤的總體設(shè)計為例，進一步說明總體設(shè)計過程中所涉及的各項設(shè)計內(nèi)容之間的關(guān)系。定量電子秤是用于許多行業(yè)生產(chǎn)過程中的一種工業(yè)設(shè)備，其功能是自動配料和自動包裝，其主要性能指標包括秤量精度、工作節(jié)拍、秤量范圍、可靠性及成本等，此外還有其它一些適應(yīng)不同使用要求的性能指標，如集中顯示、遠程控制等。由這些性能指標所構(gòu)成的產(chǎn)品屬性限定了產(chǎn)品的目標市場，也可反映出產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，因此產(chǎn)品的總體設(shè)計應(yīng)圍繞這些性能指標展開。合理地制定產(chǎn)品屬性決策對于產(chǎn)品能否按預(yù)期目標進入市場是至關(guān)重要的。為此必須了解目標市場的供求狀況，掌握所設(shè)計產(chǎn)品的屬性需求分布、價格需求彈性、競爭者的現(xiàn)狀、潛在市場、產(chǎn)品的預(yù)計壽命周期等方面的變化趨勢。具體地就定量電子秤而言，需要了解和掌握各類需要自動配料或自動包裝設(shè)備的用戶對秤量范圍、秤量精度、工作節(jié)拍、自動化程度等的要求，對購置費用、使用費用的承受能力，所能提供的設(shè)備工作環(huán)境，當(dāng)前使用的同類設(shè)備的性能、更新周期及其生產(chǎn)者的現(xiàn)狀等。除了了解上述一些外部環(huán)境外，為了正確確定產(chǎn)品屬性，還必須充分考慮生產(chǎn)企業(yè)的內(nèi)部條件，按生產(chǎn)企業(yè)的設(shè)計、制造能力和經(jīng)驗及生產(chǎn)規(guī)模等對市場所需各種水平的產(chǎn)品屬性的制造成本作出正確估計，如根據(jù)本廠情況對不同秤量精度、不同秤量范圍、不同工作節(jié)拍、不同控制方式的定量電子秤的制造成本作出估計，并列表以備后續(xù)分析用。制定產(chǎn)品屬性決策的過程實際上也是一個優(yōu)化過程?？上葘⑸鲜隽谐龅母黜椥阅苤笜藙澐譃閮?yōu)化指標和特征指標，然后按最大利潤準則或最大市場占有率準則等優(yōu)化確定所要設(shè)計的產(chǎn)品屬性。但是，這時所作出的產(chǎn)品屬性決策只是初步的，因為其中所使用的制造成本是在沒有作出詳細設(shè)計的情況下的估計值。在按初步產(chǎn)品屬性作出詳細設(shè)計后，還應(yīng)按詳細技術(shù)方案的制造成本對產(chǎn)品屬性進行復(fù)查，并作出必要的修正，以保證產(chǎn)品屬性的合理性。在產(chǎn)品屬性已經(jīng)確定的條件下，定量電子秤的總體設(shè)計方法，即如何對產(chǎn)品屬性所規(guī)定的各種性能指標及相關(guān)功能進行分析，如何根據(jù)各功能環(huán)節(jié)的機電互補性和等效性對總體結(jié)構(gòu)方案進行機電統(tǒng)一協(xié)調(diào)、統(tǒng)籌優(yōu)化。假定通過產(chǎn)品屬性決策確定出定量電子秤的性能指標為：秤量范圍1～10kg；秤量精度0.2％；工作節(jié)拍7s；具有遠程控制功能；銷售價格低于5500元。首先根據(jù)上述性能指標選擇控制方式并確定總體結(jié)構(gòu)功能框圖。定量電子秤可選的控制方式有容積開環(huán)控制、容積半閉環(huán)控制、質(zhì)量半閉環(huán)控制和質(zhì)量閉環(huán)控制等四種，每種控制方式可達到的性能指標如表7-8所示。按性能指標要求容易選定質(zhì)量半閉環(huán)為比較合理的控制方式，根據(jù)這一控制方式可以設(shè)計出定量電子秤總體結(jié)構(gòu)功能框圖如圖7-1所示。僅從形式上看，這是一個單回路閉環(huán)控制系統(tǒng)，但實際上由于送料機構(gòu)只能單向工作，即只能增加物料重量而不能減少之，使得控制系統(tǒng)不能像典型單回路閉環(huán)控制系統(tǒng)那樣有效地補償執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生的正反向誤差，所使用的控制算法更近似于開環(huán)控制方式，因而稱為重量半閉環(huán)控制。在控制方式和總體結(jié)構(gòu)方案選定之后，便可進行機電等效性和互補性分析，以便優(yōu)化選擇最佳的總體結(jié)構(gòu)方案。定量電子秤的精度指標是一個必須要達到的指標，因此它屬于特征指標。影響定量電子秤稱量精度的各種原因可分為外部環(huán)境干擾和內(nèi)部各構(gòu)件非理想特性兩類，其中機械振動是外部干擾的主要形式。抑制機械振動干擾的方法有機械隔振、模擬濾波和數(shù)字濾波等。系統(tǒng)內(nèi)部影響稱量精度的環(huán)節(jié)包括電動機、送料器、傳感器、放大器、A／D轉(zhuǎn)換器、控制器等環(huán)節(jié)，其中有機械環(huán)節(jié)，也有電子環(huán)節(jié)，即具有機電互補性，因而應(yīng)將精度指標按機、電統(tǒng)籌的方法合理分配給各個影響環(huán)節(jié)。這一分配方法與機械部件設(shè)計中裝配尺寸鏈組成環(huán)公差的分配方法有共同之處，其主要差別是機械部件裝配尺寸鏈在三維正交空間內(nèi)建立，而具有機電互補性的性能指標的分配是在高維非歐氏空間中進行。定量電子秤中影響稱量精度各環(huán)節(jié)的特性如表7-9所示。如果將總的精度指標按外部干擾0.05％、內(nèi)部環(huán)節(jié)0.13％、精度余量0.02％進行分配，并取精度指標作為特征指標，失效率和成本作為優(yōu)化指標，采用多目標規(guī)劃的方法便可確定出最佳的結(jié)構(gòu)方案。由于影響定量電子秤的內(nèi)部環(huán)節(jié)主要有五個，每個環(huán)節(jié)又有三種實現(xiàn)方式，因而共可組合出35=243種方案?，F(xiàn)采用線性加權(quán)法構(gòu)造評價函數(shù)，并取失效率和成本的權(quán)重系數(shù)各為0.5，利用式(7-2)～式(7-4)在滿足精度指標0.13％的可行域內(nèi)對243種組合方案進行評價，最后選出最佳方案如表7-10所示。應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)組合方案較多時，可行方案的評定和最佳方案的求取應(yīng)借助于計算機進行。對影響工作節(jié)拍的各個環(huán)節(jié)進行分析可知，這一指標也具有機電互補性，其分配方法與稱量精度的分配類似，這里不再贅述。由于稱量范圍、遠程控制等性能指標不具有互補性和等效性，因此可直接通過相應(yīng)的機械部件和電氣部件設(shè)計來實現(xiàn)。經(jīng)過上述工作，便得到了定量電子秤的總體結(jié)構(gòu)方案及設(shè)計要求。機械部分的設(shè)計方案及要求可歸納如下：送料部分采用步進電動機驅(qū)動的葉片式送料，給料精度優(yōu)于0.85g，給料速度高于2kg／s；機座部分應(yīng)有機械隔振裝置，對5Hz以上的機械振動具有優(yōu)于-20dB的衰減能力；秤斗部分可稱量1～10kg、密度大于0.5kg／cm3的散狀物料，物料排出時間少于1s。電氣部分的設(shè)計方案及要求為：傳感器精度優(yōu)于0.03％；放大器精度優(yōu)于0.01％；數(shù)字濾波器對5Hz以上的波動信號具有優(yōu)于-20dB的衰減能力；控制器運算過程中的截尾誤差、舍去誤差等運算誤差小于0.005％；系統(tǒng)的軟、硬件支持遠程控制功能。在上述關(guān)鍵技術(shù)要求的基礎(chǔ)上再附加一些一般性設(shè)計要求(即尋常指標)，如外觀、安裝方式等，即可進一步進行機械部分和電氣部分的詳細設(shè)計。通過此討論可見，機電一體化總體設(shè)計是一項比較復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它涉及到多種學(xué)科技術(shù)知識，而且要求設(shè)計者充分掌握有關(guān)市場、技術(shù)、設(shè)計、制造和使用等多方面的資料?？傮w設(shè)計是一項復(fù)雜的、但也最具有創(chuàng)造性的工作，它要求設(shè)計人員具有良好的知識能力結(jié)構(gòu)和豐富的實際工作經(jīng)驗，能在現(xiàn)有技術(shù)條件和生產(chǎn)條件基礎(chǔ)上，開發(fā)出結(jié)構(gòu)新穎、性能優(yōu)異、內(nèi)部各環(huán)節(jié)合理匹配、外部整體效能最佳的新產(chǎn)品?！局R拓展】機電一體化系統(tǒng)的可靠性設(shè)計方法產(chǎn)品的可靠性主要取決于產(chǎn)品的研制和設(shè)計階段所形成的產(chǎn)品固有的可靠性，因此要發(fā)揮機電一體化系統(tǒng)應(yīng)有的作用，就要進行可靠性設(shè)計。(1)機電一體化可靠性要求機電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)的可靠性設(shè)計工作貫穿于設(shè)計、制造和使用各個階段，但主要取決于設(shè)計階段。在進行機電一體化系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計時，主要從三個方面提出可靠性要求。①對機電一體化系統(tǒng)進行系統(tǒng)的可靠性分析和預(yù)測對系統(tǒng)進行可靠性分析和設(shè)計時，應(yīng)對構(gòu)成系統(tǒng)的部件、子系統(tǒng)逐個進行分析，對于嚴重影響系統(tǒng)功能的子系統(tǒng)應(yīng)有預(yù)防和提高措施。在分析和預(yù)測中應(yīng)充分運用各種有效方法，工作步驟如下：在部分功能的基礎(chǔ)上，繪制系統(tǒng)的功能框圖和可靠性框圖；根據(jù)各部分的功能、組合形式和工作環(huán)境等，估計和分析故障模式和影響程度，必要時可做故障樹分析，根據(jù)故障發(fā)生的現(xiàn)象層層分解，找出與故障模式的邏輯關(guān)系及與可靠性有關(guān)的各種因素；收集和測試各部分的可靠性水平數(shù)據(jù)；根據(jù)可靠性框圖和各單元的可靠性水平計算系統(tǒng)的可靠度，并根據(jù)各單元的可靠性水平分配各單元的可靠度。②提高系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)的可靠性一個系統(tǒng)的故障往往是由于幾個少數(shù)的可靠性差的薄弱環(huán)節(jié)造成的，因此在設(shè)計時應(yīng)根據(jù)具體情況采用不同的措施：1)采用冗余配置，以提高系統(tǒng)的可靠性。2)加強對失效率高的零配件的篩選和實驗，盡可能使用可靠性高的組件。③可靠性管理機電一體化系統(tǒng)產(chǎn)品的特點大多是技術(shù)要求高，品種繁多，材料新，因此可靠性管理工作更為重要。(2)可靠性設(shè)計的常用方法保證產(chǎn)品具有必要的可靠性是一個綜合性問題，不能單純依靠某一特定的方法。提高產(chǎn)品的設(shè)計和制造質(zhì)量是最根本的辦法。它的作用是消除故障于發(fā)生之前，或者降低故障率。但由于故障是一種隨機事件，因而完全避免是不可能的。在此情況下，冗余技術(shù)就成為保證產(chǎn)品可靠性的一種重要方法，它可以在故障發(fā)生之后，把故障造成的影響掩蔽起來，使產(chǎn)品在一定時間內(nèi)繼續(xù)保持工作能力。如果說冗余技術(shù)是一種掩蔽法，那么診斷技術(shù)就是一種暴露法，它可以把已經(jīng)出現(xiàn)的或即將出現(xiàn)的故障及時地暴露出來，以便迅速修復(fù)。冗余技術(shù)和診斷技術(shù)是用硬件、軟件或兩者結(jié)合來保證產(chǎn)品可靠性的措施。①提高產(chǎn)品的設(shè)計和制造質(zhì)量保證產(chǎn)品的可靠性，要從設(shè)計和制造入手，在保證實現(xiàn)各種基本性能指標的同時，還要保證可靠性。在設(shè)計過程中，要進行可靠性分析，估計系統(tǒng)和單元中各種引起失效的可能因素，采取必要的可靠性措施，以降低產(chǎn)品的故障率。這時可以采用可靠性預(yù)測的方法，對各種可靠性指標進行估計。制造階段中的原材料和制造工藝，都要保證完全達到各項設(shè)計指標。最后，可對產(chǎn)品進行可靠性實驗，以便確定實際產(chǎn)品的可靠性指標。在設(shè)計階段就應(yīng)考慮到在使用階段如何保證產(chǎn)品可靠性的問題，應(yīng)規(guī)定適當(dāng)?shù)沫h(huán)境條件、維護保養(yǎng)條件和操作規(guī)程。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的維修性，如易損件應(yīng)便于更換，故障應(yīng)便于診斷，容易恢復(fù)等。②冗余技術(shù)冗余技術(shù)又稱為儲備技術(shù)。它是利用系統(tǒng)的并聯(lián)模型來提高系統(tǒng)的可靠性的一種方法。冗余有工作冗余和后備冗余兩類。工作冗余又稱為工作儲備和掩蔽儲備，是一種兩個或兩個以上單元并行工作的并聯(lián)模型。平時各個單元平均負擔(dān)工作