機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)第一章

1、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例分析課程基本情況課程基本情況l總學(xué)時(shí)：32學(xué)時(shí)，課堂教學(xué)：32學(xué)時(shí)。l先修課：大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)；電液伺服系統(tǒng)；高等數(shù)學(xué)；機(jī)械控制工程基礎(chǔ)；機(jī)械設(shè)計(jì)；模擬電子技術(shù)；計(jì)算機(jī)控制技術(shù)。 教材和參考書：l機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例精解，機(jī)械工業(yè)出版社，高安邦等編著。l機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，機(jī)械工業(yè)出版社，趙松年等編著 l機(jī)電一體化應(yīng)用實(shí)例集錦，國防工業(yè)出版社，楊志勤等編著 關(guān)于考試的說明：l期末考試占 70 %；平時(shí)作業(yè)及學(xué)習(xí)情況占30%學(xué)時(shí)分配學(xué)時(shí)分配序號(hào)序號(hào)名名 稱稱學(xué)時(shí)分配學(xué)時(shí)分配一一機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜述機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜述4 4二二現(xiàn)代伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例分析現(xiàn)代伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

2、分析1010三三基于基于LabVIEWLabVIEW的測控系統(tǒng)實(shí)例分析的測控系統(tǒng)實(shí)例分析6 6四四基于基于LonWorksLonWorks現(xiàn)場總線的測控現(xiàn)場總線的測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例分析 4 4五五智能機(jī)器人設(shè)計(jì)實(shí)例分析智能機(jī)器人設(shè)計(jì)實(shí)例分析4 4六六全自動(dòng)洗衣機(jī)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)全自動(dòng)洗衣機(jī)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)4 4合合 計(jì)計(jì)3232第一章第一章 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜述機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜述l機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本概念l機(jī)電一體化系統(tǒng)的類型l機(jī)電一體化系統(tǒng)的功能組成l機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟和方法l機(jī)電一體化系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)1.0 機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本概念機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本概念 美國技術(shù)評(píng)論

3、認(rèn)為，有十種新興技術(shù)在不遠(yuǎn)的將來會(huì)產(chǎn)生巨大影響：卵子干細(xì)胞，超效太陽能，光場攝影術(shù)，太陽能微電網(wǎng)，3D晶體管，更快的傅里葉變換，納米孔測序，公眾集資，快速發(fā)掘新材料，“臉譜”時(shí)間軸。什么是機(jī)電一體化？什么是機(jī)電一體化？機(jī)械手模型什么是機(jī)電一體化？什么是機(jī)電一體化？液面控制系統(tǒng)什么是機(jī)電一體化？什么是機(jī)電一體化？什么是機(jī)電一體化？什么是機(jī)電一體化？l“機(jī)電一體化”一詞(Mechantronics)在20世紀(jì)70年代起源于日本。它取英語Mechanics(機(jī)械學(xué))的前半部和Electronics（電子學(xué)）的后半部分拼成一個(gè)新詞，即機(jī)械電子學(xué)或機(jī)電一體化。l機(jī)電一體化是指在機(jī)構(gòu)的主功能、動(dòng)力功能、信

4、息處理功能和控制功能上引進(jìn)電子技術(shù)、信息技術(shù)，將機(jī)械裝置與電子化設(shè)計(jì)及軟件結(jié)合起來所構(gòu)成的系統(tǒng)的總稱。什么是機(jī)電一體化什么是機(jī)電一體化l 機(jī)電一體化技術(shù)綜合應(yīng)用了機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、檢測技術(shù)、電力電子技術(shù),接口技術(shù)及系統(tǒng)總體技術(shù)等技術(shù)。普通車床數(shù)控車床l機(jī)電一體化技術(shù)在制造業(yè)的應(yīng)用從一般的數(shù)控機(jī)床、加工中心和機(jī)械手發(fā)展到智能機(jī)器人、柔性制造系統(tǒng)（FMS）、無人生產(chǎn)車間和將設(shè)計(jì)、制造、銷售、管理集于一體的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）。l機(jī)電一體化技術(shù)是其他高新技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ),機(jī)電一體化的發(fā)展依賴于其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。機(jī)電一體化產(chǎn)品的優(yōu)越性機(jī)電一體化產(chǎn)品的優(yōu)越性l安

5、全性和可靠性提高l機(jī)電一體化產(chǎn)品一般都具有自動(dòng)監(jiān)視、報(bào)警、自動(dòng)診斷、自動(dòng)保護(hù)等功能。在工作過程中，遇到過載、過壓、過流、短路等電力故障時(shí)，能自動(dòng)采取保護(hù)措施，避免和減少人身和設(shè)備事故的發(fā)生，顯著提高設(shè)備的使用安全性。l改善使用性能l機(jī)電一體化產(chǎn)品普遍采用程序控制和數(shù)字顯示，操作按鈕和手柄數(shù)量顯著減少，使得操作大大簡化并且方便、簡單。機(jī)電一體化產(chǎn)品的優(yōu)越性機(jī)電一體化產(chǎn)品的優(yōu)越性l工作效率和質(zhì)量得以提高l具有信息自動(dòng)處理和自動(dòng)控制功能，其控制精度有很大程度的提高，使之不受機(jī)械操作者主觀因素的影響，從而實(shí)現(xiàn)最佳操作，保證最佳的工作質(zhì)量和產(chǎn)品的合格率。同時(shí)由于機(jī)電一體化產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了工作的自動(dòng)化，使生產(chǎn)效

6、率得以大大提高。機(jī)電一體化產(chǎn)品的優(yōu)越性機(jī)電一體化產(chǎn)品的優(yōu)越性l調(diào)整和維護(hù)方便l可以事先存入若干套不同的執(zhí)行程序，根據(jù)不同的工作對(duì)象，即可按指定的預(yù)定程序進(jìn)行自動(dòng)工作。機(jī)電一體化產(chǎn)品的自動(dòng)化檢驗(yàn)和自動(dòng)監(jiān)視功能可對(duì)工作過程中出現(xiàn)的故障自動(dòng)采取一定的措施，使工作恢復(fù)正常。l功能多、適用面廣l產(chǎn)品的功能水平和自動(dòng)化程度大大提高，能應(yīng)用于不同的場合和不同領(lǐng)域，滿足用戶需求的應(yīng)變能力較強(qiáng)。典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品l加工制造業(yè)：數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人l家用電器：洗衣機(jī)l航空航天設(shè)備：雷達(dá)、飛船l醫(yī)療儀器設(shè)備：CT、分析儀l汽車業(yè)：l其他：、電子排版印刷系統(tǒng)、CADCAM系統(tǒng)等機(jī)電一體化的科幻產(chǎn)品機(jī)

7、電一體化的科幻產(chǎn)品1.1 機(jī)電一體化系統(tǒng)的類型機(jī)電一體化系統(tǒng)的類型l機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)類型l開發(fā)性設(shè)計(jì)：根據(jù)抽象的設(shè)計(jì)原理和要求，沒有參照樣品的設(shè)計(jì)全新的機(jī)電一體化產(chǎn)品l適應(yīng)性設(shè)計(jì)：在總的原理基本保持不變的情況下，對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行局部更改采用電子技術(shù)或計(jì)算機(jī)控制技術(shù)代替機(jī)械機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的新一代機(jī)電一體化產(chǎn)品，如全自動(dòng)洗衣機(jī)，數(shù)控機(jī)床等l變異性設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)方案和功能結(jié)構(gòu)不變，僅改變現(xiàn)有產(chǎn)品的規(guī)格尺寸系列化設(shè)計(jì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式機(jī)電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式l機(jī)器的總功能分解成若干個(gè)子功能，再把子功能分解成若干功能元素，把子功能或功能元素按一定的邏輯關(guān)系連接起來，就形成了系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)。l功能結(jié)構(gòu)有三種

8、基本形式：串聯(lián)；并聯(lián)；反饋連接機(jī)電一體化系統(tǒng)的控制類型機(jī)電一體化系統(tǒng)的控制類型l按照有無輸出量的反饋l開環(huán)控制系統(tǒng)：結(jié)構(gòu)簡單, 成本低, 維修方便；但精度較低,對(duì)輸出和干擾沒有診斷能力。常用于精度要求不高的場合。l閉環(huán)控制系統(tǒng)：精度高、抗干擾能力強(qiáng)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本高?，F(xiàn)代機(jī)電一體化系統(tǒng)常采用閉環(huán)控制，如數(shù)控機(jī)床，機(jī)器人，雷達(dá)等。機(jī)電一體化系統(tǒng)的控制類型機(jī)電一體化系統(tǒng)的控制類型l按照控制器的實(shí)現(xiàn)方式不同l模擬控制系統(tǒng)：模擬放大器，分立元件為基本單元l數(shù)字控制系統(tǒng)：微處理器，軟件算法和接口電路l動(dòng)力機(jī)構(gòu)不同l機(jī)械式l電氣式l流體式（液壓和氣動(dòng)）l單輸入單輸出系統(tǒng)、多輸入多輸出系統(tǒng)1.2 機(jī)電一體化

9、系統(tǒng)的功能組成機(jī)電一體化系統(tǒng)的功能組成l內(nèi)部功能 機(jī)電一體化系統(tǒng)輸入：材料，能源和信息；輸出：物質(zhì)，能量和信息（目的）l主功能（變換，傳遞和儲(chǔ)存）：實(shí)現(xiàn)目的功能l動(dòng)力功能：提供動(dòng)力l檢測和控制功能：系統(tǒng)外部和內(nèi)部信息l結(jié)構(gòu)功能：位置子系統(tǒng)和零部件的相互關(guān)系l接口功能：系統(tǒng)外部和內(nèi)部各要素的相互連接l內(nèi)部功能的評(píng)價(jià)指標(biāo)和設(shè)計(jì)要求機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成 上述組成要素內(nèi)部及其之間,形成通過接口耦合來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)傳遞、信息控制、能量轉(zhuǎn)換等有機(jī)融合的一個(gè)完整系統(tǒng)。動(dòng) 力部 分控 制 器檢 測部 分執(zhí) 行機(jī) 構(gòu)機(jī) 械本 體(a)動(dòng) 力控

10、 制檢 測動(dòng) 作構(gòu) 造(b)(a） 機(jī)電一體化系統(tǒng)的組成要素; (b） 機(jī)電一體化系統(tǒng)的功能 機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成l機(jī)械本體l系統(tǒng)所有功能元素的機(jī)械支持結(jié)構(gòu)，包括機(jī)身、框架、聯(lián)接等。l要求：可靠，小型，美觀，使用、操作和維護(hù)方便l執(zhí)行機(jī)構(gòu)l根據(jù)控制信息和指令，完成要求的動(dòng)作。l工作部分：形狀和結(jié)構(gòu)與工作對(duì)象有關(guān)l導(dǎo)向部分：直線運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、空間軌跡機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成l執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求l實(shí)現(xiàn)所需的運(yùn)動(dòng)：精度、軌跡、靈敏度l傳遞必要的動(dòng)力：強(qiáng)度、剛度l有良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)l執(zhí)行機(jī)構(gòu)的分類l電動(dòng)式l流體傳動(dòng)l其他物理效應(yīng)工作特點(diǎn)機(jī)電一體化系統(tǒng)

11、的基本組成機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成l動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)部分l按照系統(tǒng)控制要求，為系統(tǒng)提供能量和動(dòng)力使系統(tǒng)正常運(yùn)行。用盡可能小的動(dòng)力輸入獲得盡可能大的功能輸出。l驅(qū)動(dòng)部分在控制信息作用下，驅(qū)動(dòng)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成各種動(dòng)作和功能。其功能是把控制器輸出的微小信號(hào)放大成與執(zhí)行元件相匹配的功率信號(hào)。l驅(qū)動(dòng)部分的主要功能是放大，變換和匹配，要求：l滿足快速響應(yīng)和工作平穩(wěn)性要求l足夠的功率余量l良好的散熱措施l自動(dòng)保護(hù)措施：過壓、過流、過熱等機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成l檢測部分l對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中所需要的本身和外界環(huán)境的各種參數(shù)及狀態(tài)進(jìn)行檢測，變成可識(shí)別信號(hào)，傳輸?shù)叫畔⑻幚韱卧?jīng)過分析、處理后產(chǎn)生相應(yīng)的

12、控制信息。其功能一般由專門的傳感器和儀器儀表完成。l傳感器的要求l快速，精確，價(jià)格低廉l安全可靠，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)l穩(wěn)定性好，信噪比高l體積小，重量輕機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成l傳感器的分類l按使用目的：位置、速度、力、l按是否接觸：接觸式、非接觸式l按輸入信號(hào)形式：l二值型l模擬型l數(shù)字型機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成l控制器及信息處理單元l一般由計(jì)算機(jī)、可編程控制器(PLC)、數(shù)控裝置以及邏輯電路、AD與DA轉(zhuǎn)換、IO(輸入輸出)接口和計(jì)算機(jī)外部設(shè)備等組成。l將來自各傳感器的檢測信息和外部輸入命令進(jìn)行集中、儲(chǔ)存、分析、加工，根據(jù)信息處理結(jié)果，按照一定的程

13、序和節(jié)奏發(fā)出相應(yīng)的指令控制整個(gè)系統(tǒng)有目的地運(yùn)行。l要求：提高信息處理速度，提高可靠性，增強(qiáng)抗干擾能力以及完善系統(tǒng)自診斷功能，實(shí)現(xiàn)信息處理智能化和小型、輕量、標(biāo)準(zhǔn)化等。應(yīng)具有信息儲(chǔ)存、處理和傳送功能。機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成l控制器及信息處理單元l性能指標(biāo)：穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性l幾種微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用：工控機(jī)，PLC，單片機(jī)l各種控制理論的適用范圍l古典控制：傳遞函數(shù)法l現(xiàn)代控制：狀態(tài)空間法，矩陣?yán)碚搇模糊控制：模糊控制規(guī)則l神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：模仿人腦，把它是作為控制系統(tǒng)的補(bǔ)償環(huán)節(jié)，具有自組織及自學(xué)習(xí)能力。機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成l接口耦合與能量轉(zhuǎn)換接口耦

14、合與能量轉(zhuǎn)換l變換變換：通過接口完成信息或能量的統(tǒng)一的過程。 如：數(shù)字量與模擬量、串行碼與并行碼、連續(xù)脈沖與序列脈沖等等l放大放大：在兩個(gè)信號(hào)強(qiáng)度相差懸殊的環(huán)節(jié)間,經(jīng)接口放大,達(dá)到能量的匹配 如：電液閥l耦合耦合： 變換和放大后的信號(hào)必須遵循一致的時(shí)序、信號(hào)格式和邏輯規(guī)范。接口具有保證信息的邏輯控制功能,使信息按規(guī)定模式進(jìn)行傳遞。l能量轉(zhuǎn)換能量轉(zhuǎn)換：其執(zhí)行元件包含了執(zhí)行器和驅(qū)動(dòng)器 如：電動(dòng)機(jī)、液壓泵機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成1.3 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)l機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法l機(jī)電一體化的三大效果：節(jié)能、省資源、智能化l從規(guī)范性、通用性、耐環(huán)境性、可靠性、

15、經(jīng)濟(jì)性等多方面綜合分析，結(jié)合現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和手段，提高機(jī)電產(chǎn)品的附加值和自動(dòng)化程度。l設(shè)計(jì)方法l機(jī)電互補(bǔ)法：利用通用或?qū)Ｓ秒娮硬考〈鷤鹘y(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品系統(tǒng)中復(fù)雜的機(jī)械部件或子系統(tǒng)。1.3 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)l機(jī)電結(jié)合法：將系統(tǒng)各組成要素有機(jī)融為一體，構(gòu)成專用或通用的功能部件，其要素之間的機(jī)電參數(shù)融合比較充分。l機(jī)電功能部件的組合：將機(jī)電結(jié)合或機(jī)電互補(bǔ)途徑制成的功能模塊像積木那樣組合成各種機(jī)電一體化系統(tǒng)。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程就是“目標(biāo)功能結(jié)構(gòu)效果”的多次分析與綜合的過程。l市場調(diào)查：收集市場需求和經(jīng)銷方面的有關(guān)資料l初步設(shè)計(jì)：l總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)l功能和技術(shù)性能設(shè)計(jì)l確定信息模型l找出關(guān)鍵

16、技術(shù)l確定系統(tǒng)配置l確定實(shí)施進(jìn)度l提出經(jīng)費(fèi)預(yù)算l詳細(xì)設(shè)計(jì)：機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，接口設(shè)計(jì)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析編寫初步設(shè)計(jì)報(bào)告試 制 樣 機(jī)功 能 與 結(jié) 構(gòu) 分 析模 塊 化 設(shè) 計(jì)制 造 /外 購 ？詳 細(xì) 設(shè) 計(jì)市 場 調(diào) 查模 塊 化 設(shè) 計(jì)制 造 /外 購 ？市 場 調(diào) 查詳 細(xì) 設(shè) 計(jì)硬 件制 造外 購軟 件制 造外 購分 析 求 解 、 模 擬 試 驗(yàn)物 理 、 數(shù) 學(xué) 模 型評(píng) 價(jià) 與 審 定 ？是否構(gòu) 思 (初 步 設(shè) 計(jì) )可 行 性 論 證 、 技 術(shù) 經(jīng) 濟(jì) 分 析市 場 調(diào) 查 、 需 求 分 析 、 銷 售 預(yù) 測擬 定

17、新 產(chǎn) 品 目 標(biāo) 及 初 步 技 術(shù) 規(guī) 范總 體 性 能 測 試技 術(shù) 評(píng) 價(jià) 與 審 定 ？生 產(chǎn) 設(shè) 計(jì)是小 批 量 生 產(chǎn)試 銷 效 果是 否 好 ？正 常 生 產(chǎn)廣 告 宣 傳銷 售收 集 用 戶 意 見是 否 在 原 構(gòu)思 上 修 改 ？分 析 原 因修 改 設(shè) 計(jì)否否初 步方 案 設(shè) 計(jì) 是 否結(jié) 束 ？否總 結(jié) 經(jīng) 驗(yàn) 與 教 訓(xùn)物 理 、數(shù) 學(xué) 模 型 是 否修 改 ？否是否是是是機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)l主要包括：執(zhí)行部件，機(jī)械本體和整體結(jié)構(gòu)l應(yīng)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性l主要工作：l執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)計(jì)算：包括運(yùn)動(dòng)軌跡、速度、方向和行程等l執(zhí)行部件的動(dòng)力計(jì)算：必要的強(qiáng)度、剛度驗(yàn)

18、算l對(duì)結(jié)構(gòu)總體或局部進(jìn)行動(dòng)、靜特性的分析計(jì)算和測定：采用相似設(shè)計(jì)、有限元分析、仿真技術(shù)等控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)l控制系統(tǒng)構(gòu)成l控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容l確定系統(tǒng)總體方案l確定控制算法l選擇控制器l系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)l系統(tǒng)聯(lián)調(diào)控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象傳感與檢測裝置給定值控制裝置輸出確定整體控制方案確定整體控制方案l確定控制任務(wù)：對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行分析，確定控制要求l構(gòu)思控制系統(tǒng)的整體方案l確定結(jié)構(gòu)形式：開環(huán)or閉環(huán)l選擇傳感器，考慮其安裝、使用環(huán)境等l選擇執(zhí)行元件工作方式：電動(dòng)，氣動(dòng)，液壓l明確微機(jī)在系統(tǒng)中的作用，繪制原理框圖，估算成本。確定控制方法確定控制方法l建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，有時(shí)需要反復(fù)試探l對(duì)

19、系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)特性進(jìn)行計(jì)算l根據(jù)不同的控制對(duì)象和性能指標(biāo)，選擇合適的控制算法l利用計(jì)算機(jī)仿真，對(duì)控制算法進(jìn)行完善選擇微型計(jì)算機(jī)選擇微型計(jì)算機(jī)l原則：充分發(fā)揮選用微機(jī)的功能，且留有一定的功能余量l微機(jī)應(yīng)滿足要求：l完善的中斷系統(tǒng)l足夠的存儲(chǔ)容量l完善的輸入輸出通道l合適的微處理器l合適的系統(tǒng)總線控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)l解決微機(jī)、被控對(duì)象和操作者之間進(jìn)行可靠地信息交互及分時(shí)控制的時(shí)序安排l接口設(shè)計(jì)：機(jī)械接口，電氣接口l零接口：直接連接l普通轉(zhuǎn)換接口：不含微處理器的接口l智能轉(zhuǎn)換接口：包含微處理器l操作控制臺(tái)設(shè)計(jì)l數(shù)據(jù)輸入鍵l功能鍵或轉(zhuǎn)換開關(guān)：啟動(dòng)、停止等l顯示裝置控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)

20、總體設(shè)計(jì)l軟件設(shè)計(jì)l過程控制：l數(shù)據(jù)處理：采集、濾波、變換，數(shù)值計(jì)算、后處理系統(tǒng)聯(lián)調(diào)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)l控制系統(tǒng)硬件：制作、安裝、試驗(yàn)，連續(xù)烤機(jī)運(yùn)行l(wèi)軟件：各模塊分別調(diào)試l硬件和軟件聯(lián)合起來模擬試驗(yàn)l現(xiàn)場試驗(yàn)：不同對(duì)象，現(xiàn)場試驗(yàn)的步驟不同機(jī)電一體化系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)l可靠性設(shè)計(jì)的基本概念l定義：產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定全部功能的能力。l產(chǎn)品可靠性定義的要素是三個(gè)“規(guī)定” 。l“規(guī)定條件”包括使用時(shí)的環(huán)境條件、工作條件和應(yīng)力條件等。l“規(guī)定時(shí)間”是指產(chǎn)品規(guī)定了的工作時(shí)間。l“規(guī)定功能”是指產(chǎn)品規(guī)定了的必須具備的全部功能及其技術(shù)指標(biāo)?？煽啃缘淖饔煤蛢r(jià)值可靠性的作用和價(jià)值

21、l可靠性是產(chǎn)品質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)l重要關(guān)鍵產(chǎn)品的可靠性問題突出，如航空航天產(chǎn)品；l量大面廣的產(chǎn)品，可靠性與經(jīng)濟(jì)性密切相關(guān)，如洗衣機(jī)等；l對(duì)于高可靠性產(chǎn)品，其市場競爭力強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)品質(zhì)量功能功能有效性有效性可靠性可靠性維修性維修性固有可靠性固有可靠性使用可靠性使用可靠性環(huán)境適應(yīng)性環(huán)境適應(yīng)性性能可靠性能可靠結(jié)構(gòu)可靠結(jié)構(gòu)可靠可靠性的特點(diǎn)可靠性的特點(diǎn)性能可靠性l 確定性l 可重復(fù)l 真值可測可見l 應(yīng)用傳統(tǒng)學(xué)科知識(shí)l 不確定性/隨機(jī)性l 不可重復(fù)l 真值不可測不可見l 以傳統(tǒng)學(xué)科知識(shí)為基礎(chǔ)，考慮不確定性機(jī)電產(chǎn)品可靠性的特點(diǎn)機(jī)電產(chǎn)品可靠性的特點(diǎn)電子產(chǎn)品機(jī)械產(chǎn)品失效模式比較簡單 失效模式比較復(fù)雜 失效主要

22、是由偶然因素造成 失效通常是由于疲勞、老化、磨損、腐蝕等 剔除早期失效，經(jīng)濟(jì)合理有效的壽命和可靠性試驗(yàn)一般是小子樣，試驗(yàn)時(shí)間較長 ，費(fèi)用高 失效率接近常數(shù)，有標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)，可利用國軍標(biāo)GJB299-或MIL-HBK-217 預(yù)計(jì)多是專用件，標(biāo)準(zhǔn)件少，環(huán)境影響嚴(yán)劣，失效率不是常數(shù)維修主要以更換元器件為主 修復(fù)和更換相結(jié)合 可靠性常用指標(biāo)可靠性常用指標(biāo)l失效率：產(chǎn)品在規(guī)定條件和規(guī)定時(shí)間內(nèi)未完成規(guī)定功能的概率，也稱為不可靠度。l早期失效期：通常由于設(shè)計(jì)和制造工藝上的缺陷而導(dǎo)致產(chǎn)品失效l偶然失效期：失效率與時(shí)間關(guān)系不大，純屬偶然l損耗失效期：主要由于產(chǎn)品的老化、疲勞和損耗l適用于電子元器件、系統(tǒng)、子系統(tǒng)等

23、產(chǎn)品的失效率和時(shí)間的關(guān)系?？煽啃猿Ｓ弥笜?biāo)可靠性常用指標(biāo)l失效率公式：l例：100件產(chǎn)品，實(shí)驗(yàn)10小時(shí)2件失效。再觀測1小時(shí)，發(fā)現(xiàn)有1件失效，求失效率l若實(shí)驗(yàn)到50小時(shí)時(shí)共有10件失效。再觀測1小時(shí)，也發(fā)現(xiàn)有1件失效，求失效率為平均失效率ttnNtnt)()()(可靠性常用指標(biāo)可靠性常用指標(biāo)l可靠度：產(chǎn)品在規(guī)定條件和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率，用R表示。l用統(tǒng)計(jì)方法：若有N個(gè)相同的產(chǎn)品同時(shí)投入試驗(yàn)，經(jīng)歷時(shí)間后有n(t)件產(chǎn)品失效NtnNtnNtR)(1)()(失效概率為：NtntRtF)()(1)(可靠度為：可靠性常用指標(biāo)可靠性常用指標(biāo)l平均壽命：無故障工作時(shí)間的平均值。l不可修產(chǎn)品為平均無故

24、障時(shí)間MTTF (Mean Time To Failure)l可修產(chǎn)品為平均故障間隔時(shí)間MTBF(Mean Time Between Failure）niitnt11可靠性常用指標(biāo)可靠性常用指標(biāo)l可靠壽命l 即可靠度為給定值R時(shí)的工作壽命。例如軸承常采用可靠度為0.9時(shí)的壽命作為可靠性度量參數(shù)(額定壽命)。l 可靠壽命一般通過統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)確定，其觀測值是能完成規(guī)定功能的產(chǎn)品的比例恰好等于給定可靠度時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。 例如，對(duì)例如，對(duì)100個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行壽命試驗(yàn)，指定可靠度個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行壽命試驗(yàn)，指定可靠度R=0.9，若，若當(dāng)?shù)诋?dāng)?shù)?0個(gè)產(chǎn)品發(fā)生失效時(shí)的時(shí)間為個(gè)產(chǎn)品發(fā)生失效時(shí)的時(shí)間為250小時(shí)，則可靠度為小時(shí)

25、，則可靠度為0.9的可靠壽命約為的可靠壽命約為250小時(shí)。小時(shí)。可靠性常用指標(biāo)可靠性常用指標(biāo)l壽命l 任何機(jī)電產(chǎn)品均有使用壽命問題，例如汽車的設(shè)計(jì)壽命一般為50萬公里，飛機(jī)的設(shè)計(jì)壽命為60000飛行小時(shí)。l 在現(xiàn)代設(shè)計(jì)中，一般采用等壽命設(shè)計(jì)方法，因此其壽命本質(zhì)上取決于關(guān)鍵零部件的壽命。l 對(duì)機(jī)電零部件而言，大多是不可修復(fù)的，如果出現(xiàn)失效，在維修時(shí)一般給予更換。所以設(shè)計(jì)機(jī)電零件，不但要確保其可靠度，更為重要的是使其設(shè)計(jì)壽命達(dá)到要求。機(jī)電產(chǎn)品可靠性機(jī)電產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)的特點(diǎn)l不存在一個(gè)綜合性的可靠性指標(biāo)l可靠性設(shè)計(jì)方法涉及的因素很多，不可能像傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法那樣用安全系數(shù)作為唯一的評(píng)價(jià)度量。

26、根據(jù)具體情況可以選用如失效率、可靠度、MTBF、有用度等作為評(píng)價(jià)的指標(biāo)。l“把可靠性設(shè)計(jì)到零件中”l如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，就不能生產(chǎn)出本質(zhì)上可靠的零件；不論工藝水平多高都不能得到高可靠的產(chǎn)品，因此，機(jī)械產(chǎn)品的失效主要是由于設(shè)計(jì)不當(dāng)造成的。機(jī)電產(chǎn)品可靠性機(jī)電產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)的特點(diǎn)l必須考慮環(huán)境因素l高溫、低溫、沖擊、振動(dòng)和鹽霧等環(huán)境條件都是導(dǎo)致產(chǎn)品可靠性下降的重要原因。l可靠性設(shè)計(jì)與維修性設(shè)計(jì)相結(jié)合l在耗損期中失效率急劇升高，這時(shí)就要通過更換或維修恢復(fù)產(chǎn)品的可靠性，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到維修方便。l可靠性設(shè)計(jì)過程是可靠性增長過程l可靠性增長是指隨著產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、試制、生產(chǎn)各階段的進(jìn)展，產(chǎn)品可靠性水平

27、逐步提高的過程。l可靠性設(shè)計(jì)要貫徹系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)l從整體出發(fā)，全面權(quán)衡可靠性設(shè)計(jì)，切忌“頭痛醫(yī)頭，腳痛醫(yī)腳”的權(quán)宜之計(jì)。l可靠性設(shè)計(jì)貫徹人-機(jī)工程觀點(diǎn)l可靠性設(shè)計(jì)貫徹全壽命周期總費(fèi)用最優(yōu)的觀點(diǎn)，而不只是考慮造價(jià)。可靠性設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容可靠性設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容迭代迭代選擇方案，預(yù)計(jì)系統(tǒng)的可靠性水平，選擇方案，預(yù)計(jì)系統(tǒng)的可靠性水平，找出薄弱環(huán)節(jié)找出薄弱環(huán)節(jié)提高系統(tǒng)可靠性提高系統(tǒng)可靠性可靠性預(yù)計(jì)可靠性預(yù)計(jì)和分配和分配故障模式分析故障模式分析采取各種設(shè)計(jì)方法采取各種設(shè)計(jì)方法元器件是基礎(chǔ)，元器件是基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，環(huán)境是保證。環(huán)境是保證?？煽啃栽O(shè)計(jì)的主要內(nèi)容可靠性設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容l提出產(chǎn)品的可靠性指

28、標(biāo)l連續(xù)工作的產(chǎn)品：常用可靠度指標(biāo)l一次性產(chǎn)品：常用成功率或失敗率表示l建立可靠性模型l目的：對(duì)產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行定量分配、預(yù)測和評(píng)價(jià)l系統(tǒng)的原理圖、功能框圖和功能流程圖是建立系統(tǒng)可靠性模型的基礎(chǔ)。l可靠性模型描述了系統(tǒng)及其組成單元之間的故障邏輯關(guān)系。建模步驟建模步驟1.規(guī)定產(chǎn)品定義確定任務(wù)和功能功能分析確定工作模式規(guī)定性能參數(shù)及范圍故障定義確定物理界限與功能接口確定故障判據(jù)確定壽命剖面及任務(wù)剖面時(shí)間及環(huán)境條件分析2.建立可靠性框圖明確建模任務(wù)并確定限制條件建立系統(tǒng)可靠性框圖確定未列入模型的單元3.確定數(shù)模 系統(tǒng)可靠性數(shù)學(xué)模型建立可靠性模型建立可靠性模型l一般包括可靠性框圖和可靠性數(shù)學(xué)模型l借助

29、于可靠性框圖可以精確地表示出各個(gè)功能單元在系統(tǒng)中的作用和相互之間的關(guān)系。2高頻放大3混頻6檢波5中頻放大7低頻放大9電源4振蕩348圖3-2 收音機(jī)可靠性框圖8放音1天線57921106可靠性框圖（收音機(jī)）可靠性設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容可靠性設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容l可靠性分配和預(yù)測l直到元器件都分配到合適的可靠性指標(biāo)為止l是在組成部分都已達(dá)到可靠性水平的基礎(chǔ)上進(jìn)行的l是對(duì)人力、物力和財(cái)力的統(tǒng)一平衡和協(xié)調(diào)l可靠性預(yù)測是根據(jù)組成部分的可靠性數(shù)據(jù)，通過產(chǎn)品的可靠性模型估算產(chǎn)品的可靠性，若不滿足設(shè)計(jì)要求：l提高某些組成部分的可靠性l采用并聯(lián)模型可靠性設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容可靠性設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容l可靠性分析l失效模式、效應(yīng)和后果分析：l失效樹分析：l應(yīng)力-強(qiáng)度分析：應(yīng)力：導(dǎo)致失效的任何因素；強(qiáng)度：耐受外界影響的能力l參數(shù)飄移和極值分析：可靠性設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容可靠性設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容l確定可靠性產(chǎn)品的關(guān)鍵部件l指設(shè)計(jì)復(fù)雜，采用新技術(shù)，對(duì)潛在故障還沒有充分掌握或可靠性要求較高的硬件和軟件l對(duì)產(chǎn)品安全性、有效性、維修費(fèi)用有較大的影響，一半占總數(shù)的10%左右l目的：明確重點(diǎn)、抓住關(guān)鍵l可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)：突出重點(diǎn)l試驗(yàn)方法要真實(shí)的模擬使用情況l產(chǎn)品的生產(chǎn)加工工藝要穩(wěn)定保證機(jī)電產(chǎn)品可靠性的措施保證機(jī)電產(chǎn)品可靠性的措施l總體設(shè)計(jì)l總體設(shè)計(jì)時(shí)，通過系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的分配和預(yù)計(jì)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使之在現(xiàn)有條件下具有一定的可靠性。可靠性指標(biāo)分