機電一體化系統(tǒng)設計有機結合分析與設計

機電一體化系統(tǒng)設計有機結合分析與設計第1頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄2機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的設計過程是機電參數(shù)相互匹配，即機電有機結合的過程。機電伺服系統(tǒng)是典型的機電一體化系統(tǒng)。本章將以機電伺服系統(tǒng)為例，說明機電一體化系統(tǒng)設計的一般考慮方法。伺服系統(tǒng)中的位置伺服控制系統(tǒng)和速度伺服控制系統(tǒng)的共同點是通過系統(tǒng)執(zhí)行元件直接或經(jīng)過傳動系統(tǒng)驅動被控對象，從而完成所需要的機械運動。因此，工程上是圍繞機械運動的規(guī)律和運動參數(shù)對它們提出技術要求的?！?-1機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)設計第2頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄3在進行機電伺服系統(tǒng)設計時，首先要了解被控對象的特點和對系統(tǒng)的具體要求，通過調(diào)查研究制訂出系統(tǒng)的設計方案。該方案通常只是一個初步的輪廓，包括系統(tǒng)主要元部件的種類、各部分之間的連接方式、系統(tǒng)的控制方式、所需能源形式、校正補償方法以及信號轉換的方式等。有了初步設計方案就要進行定量的分析計算，分析計算包括穩(wěn)態(tài)設計計算和動態(tài)設計計算。穩(wěn)態(tài)設計包括使系統(tǒng)的輸出運動參數(shù)達到技術要求、執(zhí)行元件(如電動機)的參數(shù)選擇、功率（或轉矩）的匹配及過載能力的驗算、各主要元部件的選擇與控制電路設計、信號的有效傳遞、各級增益的分配、各級之間阻抗的匹配和抗干擾措施等，并為后面動態(tài)設計中的校正補償裝置的引入留有余地。第3頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄4初步確定系統(tǒng)的主回路各部分特性、參數(shù)已初步確定，便可著手建立系統(tǒng)的數(shù)學模型，為系統(tǒng)的動態(tài)設計做好準備。主要是設計校正補償裝置，使系統(tǒng)滿足動態(tài)技術指標要求，通常要進行計算機仿真，或借助計算機進行輔助設計。

通過上述理論設計計算，完成的還僅是一個較詳細的設計方案，這種工程設計計算一般是近似的，只能作為工程實踐的基礎。系統(tǒng)的實際電路及實際參數(shù)往往要通過樣機的試驗與調(diào)試，才能最后確定下來。這并不等于以上設計計算是多余的，因經(jīng)過設計計算后確定的方案，考慮了機電參數(shù)的有機結合與匹配，這對工程實踐是必需的，這有利于減少盲目性和加快樣機的調(diào)試與電路參數(shù)的確定。隨著機電一體化技術的發(fā)展，機電一體化系統(tǒng)的自動化程度越來越高。為滿足人們生活和生產(chǎn)安全、可靠地使用要求，在機電一體化有機結合分析與設計過程中，必須充分注意其可靠性、安全性設計要求。穩(wěn)態(tài)設計動態(tài)設計第4頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄5§6-2機電有機結合之一：機電一體化系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設計的考慮方法位置控制系統(tǒng)和速度控制系統(tǒng)的被控對象作機械運動時，該被控對象就是系統(tǒng)的負載，它與系統(tǒng)執(zhí)行元件的機械傳動聯(lián)系有多種形式。機械運動是組成機電一體化系統(tǒng)的主要組成部分，它們的運動學、動力學特性與整個系統(tǒng)的性能關系極大。

被控對象(簡稱負載)的運動形式有直線運動、回轉運動、間歇運動等，具體的負載往往比較復雜，為便于分析，常將它分解為幾種典型負載，結合系統(tǒng)的運動規(guī)律再將它們組合起來，使定量設計計算得以順利進行。一、被控對象（典型負載）分析第5頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄6

1.典型負載分析所謂典型負載，是指慣性負載、外力負載、彈性負載、摩擦負載(滑動摩擦負載、粘性摩擦負載、滾動摩擦負載等)。

對具體系統(tǒng)而言，其負載可能是以上幾種典型負載的組合，不一定均包含上述所有負載項目。在設計系統(tǒng)時，應對被控對象及其運動作具體分析，從而獲得負載的綜合定量數(shù)值，為選擇與之匹配的執(zhí)行元件及進行動態(tài)設計分析打下基礎。第6頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄7

2.負載的等效換算

被控對象的運動，有的是直線運動，如機床的工作臺X、Y及Z軸，機器人臂部的升降、伸縮運動，繪圖機的X、Y方向運動；也有的是旋轉運動，如機床主軸的回轉、工作臺的回轉、機器人關節(jié)的回轉運動等。執(zhí)行元件與被控對象有直接連接的，也有通過傳動裝置連接的。執(zhí)行元件的額定轉矩(或力、功率)、加減速控制及制動方案的選擇，應與被控對象的固有參數(shù)(如質量、轉動慣量等)相互匹配。因此，要將被控對象相關部件的固有參數(shù)及其所受的負載(力或轉矩等)等效換算到執(zhí)行元件(k)的輸出軸上，即計算其輸出軸承受的等效轉動慣量和等效負載轉矩(回轉運動)或計算等效質量和等效力(直線運動)。第7頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄8第8頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄9第9頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄10第10頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄11二、執(zhí)行元件的匹配選擇由若干元部件組成的伺服系統(tǒng)，其中有些元部件已有系列化商品供選用。為降低機電一體化系統(tǒng)的成本，縮短設計與研制周期，應盡可能選用標準化零部件。擬訂系統(tǒng)方案時，首先確定執(zhí)行元件的類型，然后根據(jù)技術條件的要求進行綜合分析，選擇與被控對象及其負載相匹配的執(zhí)行元件。

下面以電動機的匹配選擇為例簡要說明執(zhí)行元件的選擇方法。被控對象由電動機驅動，因此電動機的轉速、轉矩和功率等參數(shù)應和被控對象的需要相匹配，如冗余量大，易使執(zhí)行元件價格高，使機電一體化系統(tǒng)的成本升高，市場競爭力下降，在使用時，冗余部分用戶用不上，易造成浪費。如果選用的執(zhí)行元件的參數(shù)數(shù)值偏低，將達不到使用要求。所以，應選擇與被控對象的需要相適應的執(zhí)行元件。第11頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄12第12頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄13第13頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄14第14頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄15第15頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄16

三、減速比的匹配選擇與各級減速比的分配減速比主要根據(jù)負載性質、脈沖當量和機電一體化系統(tǒng)的綜合要求來選擇確定，既要使減速比達到一定條件下最佳，同時又要滿足脈沖當量與步距角之間的相應關系，還要同時滿足最大轉速要求等。當然要全部滿足上述要求是非常困難的。第16頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄17

執(zhí)行元件與機械傳動系統(tǒng)確定之后，需要根據(jù)所擬系統(tǒng)的初步方案，選擇和設計系統(tǒng)的其余部分，把初步方案逐步具體化。各部分的設計計算必須從系統(tǒng)總體要求出發(fā)，考慮相鄰部分的廣義接口、信號的有效傳遞(防干擾措施)、輸入／輸出的阻抗匹配?？傊拐麄€系統(tǒng)在各種運行條件下，達到各項設計要求。伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計就是要從兩頭入手，即首先從系統(tǒng)應具有的輸出能力及要求出發(fā)，選定執(zhí)行元件和傳動裝置;其次是從系統(tǒng)的精度要求出發(fā)，選擇和設計檢測裝置及信號的前向和后向通道；最后通過動態(tài)設計計算，設計適當?shù)男Ｕa償裝置、完善電源電路及其他輔助電路，從而達到機電一體化系統(tǒng)的設計要求。檢測傳感裝置的精度(即分辨力)、不靈敏區(qū)等要適應系統(tǒng)整體的精度要求，在系統(tǒng)的工作范圍內(nèi)，其輸入／輸出應具有固定的線性特性，信號的轉換要迅速及時，信噪比要大，裝置的轉動慣量及摩擦阻力矩要盡可能小，性能要穩(wěn)定可靠等。信號轉換接口電路應盡量選用商品化的集成電路，要有足夠的輸入／輸出通道，不僅要考慮與傳感器輸出阻抗的匹配，還要考慮與放大器的輸入阻抗符合匹配要求。四、檢測傳感裝置、信號轉換接口電路、放大電路及電源等的匹配選擇與設計第17頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄18

（a)功率輸出級必須與所用執(zhí)行元件匹配，其輸出電壓、電流應滿足執(zhí)行元件的容量要求，不僅要滿足執(zhí)行元件額定值的需要，而且還應該能夠保證執(zhí)行元件短時過載、短時快速的要求。總之，輸出級的輸出阻抗要小，效率要高,時間常數(shù)要小。

（b）放大器應為執(zhí)行元件(如電動機)的運行狀態(tài)提供適宜條件。例如：為大功率電動機提供制動條件，為力矩電動機或永磁式直流電動機的電樞電流提供限制保護措施。（c）放大器應有足夠的線性范圍，以保證執(zhí)行元件的容量得以正常發(fā)揮。（d）輸入級應能與檢測傳感裝置相匹配。即它的輸入阻抗要大，以減輕檢測傳感裝置的負荷。（e）放大器應具有足夠的放大倍數(shù)，其特性應穩(wěn)定可靠，便于調(diào)整。伺服系統(tǒng)放大器的設計與選擇主要考慮以下幾個問題：第18頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄19

伺服系統(tǒng)的能源（特別是電源)支持：在一個系統(tǒng)中，所需電源一般很難統(tǒng)一，特別是放大器的電源常常為適應各放大級的不同需要而進行適應性設計。但是最關鍵的還是動力電源，它常常制約系統(tǒng)方案的形式。系統(tǒng)對電源的穩(wěn)定度和對頻率的穩(wěn)定度都有一定要求，設計時要注意不能讓干擾信號從電源引入，所使用電源應具有足夠的保護措施，如過電壓保護、掉電保護、過電流保護、短路保護等。抗干擾措施有濾波、隔離、屏蔽等。此外，要有為系統(tǒng)服務的自檢電路、顯示與操作裝置?？傊?，系統(tǒng)設計牽涉的知識面較廣，每一個環(huán)節(jié)均要給予充分注意。第19頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄20五、系統(tǒng)數(shù)學模型的建立及主諧振頻率的計算

在穩(wěn)態(tài)設計的基礎上，利用所選元、部件的有關參數(shù)，可以繪制出系統(tǒng)框圖，并根據(jù)自動控制理論基礎課程所學知識建立各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，進而建立系統(tǒng)傳遞函數(shù)?，F(xiàn)以工作臺閉環(huán)伺服進給系統(tǒng)為例，分析在不同控制方式下傳遞函數(shù)的建立方法。1.半閉環(huán)控制方式

下圖a為檢測傳感器裝在絲杠端部的半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)。第20頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄21半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如下圖b所示。第21頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄22上圖的傳遞函數(shù)為:第22頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄23第23頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄242.全閉環(huán)控制方式第24頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄25第25頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄26第26頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄27第27頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄28

3.工作臺進給系統(tǒng)的主諧振頻率對于帶非剛性軸的傳動系統(tǒng)，上述完整的傳遞函數(shù)必然是高階的。而在控制系統(tǒng)應用中，往往感興趣的是機械傳動系統(tǒng)的主諧振頻率?，F(xiàn)就其主諧振頻率的求法分析如下：第28頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄29第29頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄30根據(jù)上面拉氏變換得到的方程，可畫出如下圖所示的簡化系統(tǒng)框圖。通過系統(tǒng)框圖的進一步簡化可得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為第30頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄31第31頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄32第32頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄33第33頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄34第34頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄35

§6-3機電有機結合之二：機電一體化系統(tǒng)的動態(tài)設計考慮方法機電一體化系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計只是初步確定了系統(tǒng)的主回路，還很不完善。在穩(wěn)態(tài)設計基礎上所建立的系統(tǒng)數(shù)學模型一般不能滿足系統(tǒng)動態(tài)品質的要求，甚至是不穩(wěn)定的。為此，必須進一步進行系統(tǒng)的動態(tài)設計。

系統(tǒng)的動態(tài)設計包括：選擇系統(tǒng)的控制方式和校正(或補償)形式，設計校正裝置，將其有效地連接到穩(wěn)態(tài)設計階段所設計的系統(tǒng)中去，使補償后的系統(tǒng)成為穩(wěn)定系統(tǒng)，并滿足各項動態(tài)指標的要求。一、機電伺服系統(tǒng)的動態(tài)設計第35頁/共87頁返回結束放映返回目錄36

伺服系統(tǒng)常用的控制方式為反饋控制方式(即誤差控制方式)，也可采用前饋和反饋相結合的復合控制等方式。它們各具特點，需要按被控對象的具體情況和要求，從中選擇一種適宜的方式。同樣，校正形式也多種多樣，設計者需要結合穩(wěn)態(tài)設計所得到系統(tǒng)的組成特點，從中選擇一種或幾種校正形式，這是進行定量計算分析的前提。具體的定量分析計算方法很多，每種方法都有其自身的優(yōu)點和不足。而工程上常用對數(shù)頻率法即借助伯德（Bode)圖和根軌跡方法進行設計，這些方法作圖簡便，概念清晰，應用廣泛。對數(shù)頻率法即伯德圖法，主要適用于線性定常最小相位系統(tǒng)。系統(tǒng)以單位反饋構成閉環(huán)，若主反饋系統(tǒng)不為l（單位反饋），則需要等效成單位反饋的形式來處理。這是因為該方法主要用系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)幅頻特性進行設計，必須將各項設計指標反映到伯德圖上，并畫出一條能滿足要求的系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)幅頻特性，并與原始系統(tǒng)(穩(wěn)態(tài)設計基礎上建立的系統(tǒng))的開環(huán)對數(shù)幅頻特性相比較，找出所需補償(或校定)裝量的對數(shù)幅頻特性。然后根據(jù)此特性來設計校正(或補償)裝置，將該裝置有效地連接到原始系統(tǒng)的電路中去，使校正(或補償)后的開環(huán)對數(shù)幅頻特性基本上與所希望系統(tǒng)的特性相一致。這就是動態(tài)設計的一般考慮方法和步驟。第36頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄37

二、系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法在研究機電伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性時，一般先根據(jù)系統(tǒng)組成建立系統(tǒng)的傳遞函數(shù)(即原始系統(tǒng)數(shù)學模型)，不易用理論方法求解的可用實驗方法建立。進而可以根據(jù)系統(tǒng)傳遞函數(shù)分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、系統(tǒng)的過渡過程品質(響應的快速性和振蕩)及系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。當系統(tǒng)有輸入或受到外部干擾時，其輸出必將發(fā)生變化，由于系統(tǒng)中總是含有一些慣性或蓄能元件，其輸出量也不能立即變化到與外部輸入或干擾相對應的值，也就是說需要有一個變化過程，這個變化過程即為系統(tǒng)的過渡過程。

當系統(tǒng)在階躍信號作用下，過渡過程大致有以下三種情況：①系統(tǒng)的輸出按指數(shù)規(guī)律上升，最后平穩(wěn)地趨于穩(wěn)態(tài)值；②系統(tǒng)的輸出發(fā)散，即沒有穩(wěn)態(tài)值，此時系統(tǒng)是不穩(wěn)定的；③系統(tǒng)的輸出雖然有振蕩，但最終能趨于穩(wěn)態(tài)值。第37頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄38

當系統(tǒng)在階躍信號作用下，過渡過程大致有以下三種情況：①系統(tǒng)的輸出按指數(shù)規(guī)律上升，最后平穩(wěn)地趨于穩(wěn)態(tài)值；②系統(tǒng)的輸出發(fā)散，即沒有穩(wěn)態(tài)值，此時系統(tǒng)是不穩(wěn)定的；③系統(tǒng)的輸出雖然有振蕩，但最終能趨于穩(wěn)態(tài)值。

當系統(tǒng)的過渡過程結束后，其輸出值達到與輸出相對應的穩(wěn)定狀態(tài)，此時系統(tǒng)的輸出值與目標值之差稱為穩(wěn)態(tài)誤差。具體表征系統(tǒng)動態(tài)特性好壞的定量指標就是系統(tǒng)過渡過程的品質指標，在時域內(nèi)，這種品質指標一般用單位階躍響應曲線（如圖所示）中的參數(shù)來表示，即第38頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄39

1.PID調(diào)節(jié)器及其傳遞函數(shù)第39頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄40第40頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄412.調(diào)節(jié)作用分析第41頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄42第42頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄43第43頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄44第44頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄45第45頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄46第46頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄47第47頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄48第48頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄493.速度反饋校正第49頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄50第50頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄51

三、機械結構彈性變形對系統(tǒng)的影響1.結構諧振的影響

傳動系統(tǒng)因彈性變形而產(chǎn)生的振動，稱為結構諧振(或機械諧振)。為了使問題簡化，在分析系統(tǒng)時，常假定系統(tǒng)中的機械裝置為絕對剛體，即無任何結構變形。實際上，機械裝置并非剛體，而具有柔性。其物理模型是質量-彈簧系統(tǒng)。例如機床進給系統(tǒng)中，床身、電動機、減速箱、各傳動軸都有不同程度的彈性變形，并具有一定的固有諧振頻率。但對于一般要求不高且控制系統(tǒng)的頻帶也比較窄，只要傳動系統(tǒng)設計的剛度較大，結構諧振頻率通常遠大于閉環(huán)上限頻率，故結構諧振問題并不突出。隨著科學技術的發(fā)展，對控制系統(tǒng)的精度和響應快速性要求愈來愈高，這就必須提高控制系統(tǒng)的頻帶寬度，從而可能導致結構諧振頻率逐漸接近控制系統(tǒng)的帶寬，甚至可能落到帶寬之內(nèi)，使系統(tǒng)產(chǎn)生自激振蕩而無法工作，或使機構損壞。第51頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄52第52頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄53第53頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄54第54頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄55第55頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄56第56頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄57第57頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄582.減小或消除結構諧振的措施第58頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄59第59頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄60第60頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄61第61頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄62四、傳動間隙對系統(tǒng)特性的影響1.機械傳動間隙

第62頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄63第63頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄642.傳動間隙的影響

第64頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄65第65頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄66

上述主要介紹了可計算(傳動系統(tǒng))部分的動態(tài)分析方法。機械系統(tǒng)(包括機械傳動系統(tǒng)和機械支承系統(tǒng))在內(nèi)、外的變化載荷作用下，會表現(xiàn)出不同的動態(tài)響應特性。某些動態(tài)響應特性會影響機電一體化系統(tǒng)的正常工作，工程設計人員必須給予足夠的重視。對不可計算的復雜機械系統(tǒng)的動態(tài)分析，通常采用被廣泛使用的實驗模態(tài)分析方法。通過這種方法可識別機械系統(tǒng)的結構模態(tài)參數(shù)，如固有振動頻率、振型、模態(tài)剛度、模態(tài)質量及模態(tài)阻尼等。從而建立用這些模態(tài)參數(shù)表示的機械結構系統(tǒng)的動態(tài)方程，通過分折找出其問題所在，以便采取提高剛度和阻尼效果的有效方法。實驗振動模態(tài)分析方法有時域法和頻域法。時域法是直接從機械系統(tǒng)結構的時間域的響應求取模態(tài)參數(shù)。頻域法是先將測試數(shù)據(jù)變換成頻率域數(shù)據(jù)，然后進行模態(tài)分析進而確定模態(tài)參數(shù)，其具體分析方法請參看有關資料。五、機械系統(tǒng)實驗振動模態(tài)參數(shù)識別第66頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄67要發(fā)揮機電一體化系統(tǒng)應有的作用，首先應使它可靠地工作。在設計一個新的系統(tǒng)（或產(chǎn)品）時，要對各種方案進行分析比較，要想得到一個最佳方案，不考慮可靠性問題是不完善的。因此，可靠性問題是機電一體化系統(tǒng)設計的一個重要組成部分。所謂可靠性，是指“產(chǎn)品(或系統(tǒng))在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力”?！巴瓿梢?guī)定功能”就是能夠連續(xù)地保持產(chǎn)品(或系統(tǒng))的工作能力，使各項技術指標符合規(guī)定值。如果產(chǎn)品不能完成規(guī)定功能，就稱為失效，對于可修復的產(chǎn)品，也可稱為故障?？梢娛?或故障)是一種破壞產(chǎn)品(或系統(tǒng))工作能力系統(tǒng)(產(chǎn)品)完成規(guī)定的功能是相對于“規(guī)定條件”和“規(guī)定時間”而言的?！耙?guī)定條件”是指使用時的應力條件(工作條件)、環(huán)境條件和存儲時的存儲條件等，“規(guī)定條件”不同，系統(tǒng)（產(chǎn)品）的可靠性也不同。例如，同一半導體器件，在使用時要求輸出不同的功率，但不同的溫度和濕度等環(huán)境條件、存儲條件都會影響其可靠性?！耙?guī)定時間”長短的不同，系統(tǒng)（產(chǎn)品）的可靠性也不同，一般來說，規(guī)定的時間越長、故障越多，可靠性也就越低。失效(或故障)越頻繁可靠性就越低?？偟膩砜?，可靠性的概念包括系統(tǒng)(產(chǎn)品)的無故障性和耐久性兩方面的含義。系統(tǒng)(產(chǎn)品)的無故障性是指系統(tǒng)(產(chǎn)品)在某一時期內(nèi)(或某一段工作時間內(nèi))，連續(xù)不斷地保持其工作能力的性能。系統(tǒng)(產(chǎn)品)的耐久性是指產(chǎn)品在整個使用期限內(nèi)和規(guī)定的維修條件下，保持其工作能力的性能。一般來說，如果不采取維修和預防措施消除故障、恢復其喪失了的工作能力，系統(tǒng)(產(chǎn)品)是不能長時期工作的?！?-4機電一體化系統(tǒng)的可靠性、安全性設計一、可靠性設計1.可靠性的基本概念第67頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄68

2.保證系統(tǒng)(產(chǎn)品)可靠性的方法

保證系統(tǒng)(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。在保證系統(tǒng)(產(chǎn)品)可靠性的方法中，提高系統(tǒng)(產(chǎn)品)的“設計和制造質量”是最根本的方法，它的作用是消除故障于發(fā)生之前，或者降低故障率。但從某種意義上來講，由于故障是一種隨機事件，因而是不可避免的。在這種情況下，冗余技術就成為保證系統(tǒng)(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，使系統(tǒng)(產(chǎn)品)在一定時間內(nèi)繼續(xù)保持工作能力。如果說冗余技術是一種掩蔽法，那么診斷技術就是一種暴露法，它可以把已經(jīng)出現(xiàn)的或即將出現(xiàn)的故障及時暴露出來，以便迅速修復。因為故障掩蔽只能推遲系統(tǒng)(產(chǎn)品)失效的時間，如果時間一長，故障就會累積起來，終歸是掩蔽不住的。因此，診斷技術的作用就在于及時發(fā)現(xiàn)故障，以便縮短修理時間，提高系統(tǒng)(產(chǎn)品)的有效度。第68頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄69第69頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄70

自動控制：在系統(tǒng)(產(chǎn)品)設計中，利用機電一體化技術的優(yōu)勢，使系統(tǒng)(產(chǎn)品)具有自適應、自調(diào)整、自診斷甚至自修復的功能，可以大大提高系統(tǒng)(產(chǎn)品)的可靠性。這是因為自適應和自調(diào)整等自動化技術，能使機器具有適應工作條件經(jīng)常變化的功能(對外界的作用作出反應)，以及恢復喪失了的工作能力的功能，使系統(tǒng)(產(chǎn)品)不僅具有完成規(guī)定功能的能力，而且能夠長時期地保持這種能力，不必擔心外界影響，也不必擔心系統(tǒng)(產(chǎn)品)本身在運轉過程中發(fā)生故障。此外，在設計階段就應考慮到在使用階段如何保證系統(tǒng)(產(chǎn)品)可靠性的問題，應規(guī)定適當?shù)沫h(huán)境條件、維護保養(yǎng)條件和操作規(guī)程。系統(tǒng)(產(chǎn)品)結構應具有良好的維修性，如易損件應便于更換、故障應便于診斷、容易修復等。

（2）冗余技術。冗余技術又稱儲備技術。它是利用系統(tǒng)的并聯(lián)模型來提高系統(tǒng)(產(chǎn)品)可靠性的一種手段。冗余有工作冗余和后備冗余兩類。工作冗余：又稱工作儲備或掩蔽儲備，是一種兩個或兩個以上單元并行工作的并聯(lián)模型。平時，由各個單元平均負擔工作應力，因此工作能力有冗余。只有當所有的單元都失效時系統(tǒng)才失效，如果還有任何一個單元未失效，系統(tǒng)就可靠地工作，不過這個單元要負擔額定的全部工作應力。后備冗余：又稱非工作儲備或待機儲備。平時只需一個單元工作，另一個單元是冗余的，用于待機備用。這種系統(tǒng)必須設置失效檢測與轉換裝置，不斷檢測工作單元的工作狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)失效就啟動轉換裝置，用后備單元代替失效的工作單元。第70頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄71在設計中，究竟采用哪種冗余方法為好,要根據(jù)具體情況作具體分析。如果失效檢測和轉換裝置絕對可靠，則后備冗余的可靠度比工作冗余法高，如果不絕對可靠，就寧肯采用工作冗余法，因工作冗余系統(tǒng)還有一個優(yōu)點，就是由于冗余單元分擔了工作應力，各單元的工作應力都低于額定值，因此其可靠度比預定值高。選擇冗余法必須考慮產(chǎn)品性能上的要求,如果由多個單元同時完成同一工作顯著影響系統(tǒng)的工作特性時，就不能采用工作冗余法；產(chǎn)品設計必須考慮環(huán)境條件和工作條件的影響，例如，如果多個工作單元同時工作，因每個工作單元的溫升而產(chǎn)生系統(tǒng)所不能容許的溫升時，最好采用后備冗余法。又如系統(tǒng)的電源有限，不足以使冗余單元同時工作，也以采用后備冗余法為好。決定是否采用冗余技術時，要分析引起失效的可能原因。當失效真正是隨機失效時，冗余技術就能大大提高可靠度，但如果失效是由于過應力所引起的，冗余技術就沒有用。如果某一環(huán)境條件是使并聯(lián)各單元失效的共同因素，則冗余單元也并不可靠。通常，機械系統(tǒng)很少采用冗余技術，而常采用裕度法來提高可靠性。例如在強度、剛度、抗振性等方面采取較大的安全系數(shù)，實現(xiàn)可靠性儲備。當然在采用冗余技術時，還要考慮經(jīng)濟上的可行性和產(chǎn)品的體積和重量等因素。第71頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄72

（3）診斷技術。從本質上來看，診斷技術是一種檢測技術，用來取得有關系統(tǒng)(產(chǎn)品)中產(chǎn)生的失效(故障)類型和失效位置信息。它的任務有兩個：一是出現(xiàn)故障時，迅速確定故障的種類和位置，以便及時修復；二是在故障尚未發(fā)生時，確定產(chǎn)品中有關元器件距離極限狀態(tài)的程度，查明系統(tǒng)(產(chǎn)品)工作能力下降的原因，以便采取維護措施或進行自動調(diào)整，防止發(fā)生故障。診斷的過程是：首先對診斷對象進行特定的測試，取得診斷信號(輸出參數(shù))，再從診斷信號中分離出能表征故障種類和位置的異常性信號，即癥兆；最后將癥兆與標準數(shù)據(jù)相比較，確定故障的種類和故障位置。測試：通常有兩種測試：一是在故障出現(xiàn)之后，為了迅速確定故障的種類和位置，對診斷對象進行的試驗性測試，這時診斷對象處于非工作狀態(tài)，這種情況稱為診斷測試；二是在故障發(fā)生之前，診斷對象處于工作狀態(tài)，為了預測故障或及時發(fā)現(xiàn)故障而進行的在線測試，這種情況稱為故障監(jiān)測。癥兆：癥兆是有助于判斷故障種類和故障位置的異常性診斷信號，可分為直接癥兆和間接癥兆兩類。直接癥兆是在檢測產(chǎn)品整機的輸出參數(shù)或可能出現(xiàn)故障的元、部件的輸出參數(shù)時，取得的異常性診斷信號。例如，系統(tǒng)(產(chǎn)品)的主要性能參數(shù)異?；蛴嘘P機械零件的磨損量、變形量等參數(shù)變化的信號。間接癥兆是從那些與系統(tǒng)(產(chǎn)品)工作能力存在函數(shù)關系的間接參數(shù)中取出的異常性診斷信號。例如，系統(tǒng)(產(chǎn)品)的音響信號、溫度變化、潤滑油中的磨損產(chǎn)物、系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)(幅頻特性)等，都可作為取得間接癥兆的信號。采用間接癥兆進行診斷的主要優(yōu)點是，可以在系統(tǒng)(產(chǎn)品)處于工作狀態(tài)及不作任何拆卸的情況下評價產(chǎn)品的工作能力。其缺點是，間接癥兆與系統(tǒng)(產(chǎn)品)輸出信號之間往往存在某種隨機關系，此外，一些干擾因素也會影響間接癥兆的有效性。盡管如此，間接癥兆在診斷技術中還是得到了廣泛應用。第72頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄73診斷：診斷就是將測試取得的診斷信號與設定的標準數(shù)據(jù)相比較，或利用事先確定的癥兆與故障之間的對應關系，來確定故障的種類與部位。標準數(shù)據(jù)是根據(jù)系統(tǒng)(產(chǎn)品)或元、部件輸出參數(shù)的極限值來設定的。癥兆與故障之間的對應關系，可根據(jù)理論分析或模擬仿真試驗來建立，這種關系用列表形式來表示時，稱為故障診斷表，有時稱為故障字典。前面簡述了保證系統(tǒng)(產(chǎn)品)可靠性的方法，其中裕度法主要是一種改進硬件的措施，自動控制法以及冗余技術和診斷技術是用硬件、軟件或兩者結合來保證系統(tǒng)(產(chǎn)品)可靠性的措施。

3.干擾和抗干擾措施在機電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)中，電噪聲的干擾是產(chǎn)生元部件失效或數(shù)據(jù)傳輸、處理失誤、進而影響其可靠性的最常見和最主要的因素，這是機電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)設計中不可忽視的問題之一。

（1)干擾源。一般來說，在機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）中，用專用或通用微型計算機組成的控制器，其硬件經(jīng)過篩選和老化處理，可靠性非常高，平均無故障工作時間較長，因此起控制器故障(失效)的原因多半不在于其本身，而在于從各種渠道進入控制器的干擾信號。

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下圖表示干擾信號進入控制器的各種渠道。這些渠道可分為兩大類型：一是傳導型，通過各種線路傳入控制器，包括供電干擾、強電干擾和接地干擾等；二是輻射型，通過空間感應進入控制器，包括電磁干擾和靜電干擾等。

供電干擾：控制器一般都配備有專用的直流穩(wěn)壓電源，即使如此，從交流供電網(wǎng)傳來的干擾信號仍然可能影響電源電壓的穩(wěn)定性，并可能經(jīng)過整流電源竄入控制器。這些干擾信號主要來源于附近大容量用電設備的負載變化和開、停時產(chǎn)生的電壓波動。這些設備在啟動時使電網(wǎng)電壓瞬時降低，在停止時又產(chǎn)生過電壓和沖擊電流。此外，雷電感應也會產(chǎn)生沖擊電流。供電電網(wǎng)對控制器的另一種干擾是斷電或瞬時斷電，這將引起數(shù)據(jù)丟失或程序紊亂。

強電干擾：驅動電路中的強電元件如繼電器、電磁鐵和接觸器等感性負載，在斷電時會產(chǎn)生過電壓和沖擊電流。這些干擾信號不僅影響驅動電路本身，還會通過電磁感應干擾其他信號線路。這種強電干擾信號能通過外部接口通道影響控制器內(nèi)部I/O接口的狀態(tài)，并通過I/O接口進入控制器。

干擾渠道示意圖第74頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄75輻射干擾：如果在控制系統(tǒng)附近存在磁場、電磁場、靜電場或電磁波輻射源，就可能通過空間感應，直接干擾系統(tǒng)中的各設備(控制器、驅動接口、轉換接口等)和導線，使其中的電平發(fā)生變化，或產(chǎn)生脈沖干擾信號。系統(tǒng)附近或系統(tǒng)中的感性負載是最常見的干擾源，它的開、停會引起電磁場的急劇變化，其觸點的火花放電也會產(chǎn)生高頻輻射。人體和處于浮動狀態(tài)的設備都可能帶有靜電，甚至可能積累很高的電壓。在靜電場中，導體表面的不同部位會感應出不同的電荷，或導體上原有的電荷經(jīng)感應而重新分配，這些都將干擾控制系統(tǒng)的正常運行。（2）抗干擾措施。用來抑制上述各種干擾信號的產(chǎn)生或防止干擾信號危害的抗干擾措施，既有針對各種干擾源的性質和部位而采取的措施，也有從全局出發(fā)而采取的提高產(chǎn)品可靠性的措施。接地干擾：接地干擾是由于接地不當、形成接地環(huán)路產(chǎn)生的。下圖為接地環(huán)路的兩種典型情況。圖a是由于接地點遠而形成的環(huán)路，因為不同位置的接地點一般不可能電位相同，因此形成圖中所示的地電位差；圖b是采用公用地線串聯(lián)接地而形成的環(huán)路，由于各設備負載不平衡、過載或漏電等原因，可能在設備之間形成電位差；無論哪種情況形成的電位差，都會產(chǎn)生一個顯著的電流而干擾電路的低電平。第75頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄76供電系統(tǒng)的抗于擾措施：針對交流供電網(wǎng)絡這個干擾源所采取的抗干擾措施主要是穩(wěn)(穩(wěn)壓)、濾(濾波)、隔(隔離)。增加電子交流穩(wěn)壓器：在直流穩(wěn)壓電源的交流進線側增加電子交流穩(wěn)壓器、用來穩(wěn)定220V單向交流進線電壓，可以進一步提高電源電壓的穩(wěn)定性。增加低通濾波器，用來濾去電源進線中的高頻分量或脈沖電流。加入隔離變壓器，以阻斷干擾信號的傳導通路，并抑制干擾信號的強度。在可靠性要求很高的地方，可采用不間斷電源(具有備用直流電源)，以解決瞬時停電或瞬時電壓降所造成的危害。接口電路的抗干擾措施：在控制器與執(zhí)行元件之間的驅動接口電路中，少不了由弱電轉強電的電感性負載，以及用來通、斷電感負載的觸點，這些都是產(chǎn)生強電干擾的干擾源。對于這種干擾，首先是采取吸收的方法抑制其產(chǎn)生，然后采取隔離的方法，阻斷其傳導。這種強電干擾，也會通過電磁感應影響控制器與檢測傳感器之間的轉換接口電路。對于這種干擾以及從空間感應受到的其他輻射干擾，也需采取隔離的辦法，以免通過轉換接口進入控制器。采用RC電路或二極管和穩(wěn)壓二極管吸收在電感負載斷開時產(chǎn)生的過電壓，以消除強電干擾。采用光隔離措施以防止驅動接口中的強電干擾及其他干擾信號進入控制器。如下圖a所示,GT為光電耦合器，信號在其中單向傳輸，其輸入端與輸出端之間的寄生電容很小，絕緣電阻又非常大，因此干擾信號很難從輸出端反饋到輸入端，從而起到隔離作用。第76頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄77

轉換接口的隔離：為了防止各種干擾影響由檢測傳感器傳來的較弱的模擬信號，通常采用差分式運算放大器來隔離干擾信號，其原理如下圖b所示。這種放大器的輸出信號決定于兩個輸入端的電位差，即UP-Ui，而干擾信號的相位及大小對兩個輸入端來說是相同的，因此干擾信號就被抵消了。對于近距離的檢測傳感器發(fā)出的數(shù)字或脈沖信號，不必再經(jīng)過放大，可采用下圖c所示的抗干擾電路。由R1和C1組成濾波器，濾去高頻干擾。由于經(jīng)過RC濾波后的脈沖信號往往有脈動和抖動，為了改善脈沖前沿，故增加了一級整形電路。接地系統(tǒng)的抗干擾措施：要防止從接地系統(tǒng)傳來的干擾，主要方法是切斷接地環(huán)路，通常采用以下措施。

圖a

驅動接口的光電隔離措施

圖b差分式運算放大器抗干擾原理圖c近距離數(shù)字信號抗干擾接口電路第77頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄78

4.軟件的可靠性技術軟件的可靠性技術大致包含以下兩方面的內(nèi)容。

（1）利用軟件來提高系統(tǒng)的可靠性由于系統(tǒng)是由硬件和軟件組成的，因而系統(tǒng)的可靠性也分硬件可靠性和軟件可靠性兩個方面，通過提高元器件的質量、采用冗余設計、進行預防性維護、增設抗干擾裝置等措施，能夠提高硬件的可靠性。但是要想得到理想的可靠度是不夠的，這要求利用軟件來進一步提高系統(tǒng)的可靠性，其措施有：①增加系統(tǒng)信息管理的軟件，與硬件配合，對信息進行保護，這包括防止信息被破壞,在出現(xiàn)故障時保護信息，在故障排除后，恢復信息等。②利用軟件冗余，防止信息的輸入／輸出過程及傳送過程中出錯。如對關鍵數(shù)據(jù)采用重復校驗方式，對信息采用重復傳送并進行校驗等。③編制診斷程序，及時發(fā)現(xiàn)故障，找出故障的部位，以便縮短修理時間。④用軟件進行系統(tǒng)調(diào)度，這包括在發(fā)生故障時，進行現(xiàn)場保護,迅速將故障裝置切換成備用裝置；在過負荷或環(huán)境條件變化時，采取應急措施；在排除故障后，使系統(tǒng)迅速恢復正常并投入運行等。第78頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄79

（2）提高軟件的可靠性

盡管采用軟件可提高系統(tǒng)可靠性，但值得指出的是，由于種種原因，軟件本身也會發(fā)生故障。為了減少出錯，提高軟件的可靠性，使用戶滿意，應該采取以下措施：程序分段和層次結構；在進行程序結構設計時，將程序分成若干具有獨立功能的子程序塊，各程序塊可單獨也可和其他程序一起使用，各程序塊之間通過一個固定的通信區(qū)和一些指定的單元進行通信。每個程序塊能進行調(diào)整和修改而不影確其他程序塊。這些各自獨立的程序塊在連接時，盡量減少程序之間的依賴關系，按層次進行排列，而各程序塊具有獨立功能，因此結構簡單，易于修改和擴充、故障少。提高可測試性設計：軟件故障具有和硬件故障不同的特點，軟件故障往往是在設計階段，由于人為錯誤，或者在運行初期輸入程序時的操作錯誤而引起，很少發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過長期運行之后這種存在于程序內(nèi)的錯誤，必須通過反復測試才能發(fā)現(xiàn)，因此為了使軟件便于測試，應進行提高可測試性的設計，通常有三種方法：第一種方法是明確軟件規(guī)格，使測試易于進行；第二種方法是把測試手段的設計作為軟件開發(fā)的一部分來進行；第三種方法是把程序結構本身組成便于測試的形式。對軟件進行測試：要求軟件完全滿足用戶的要求，十全十美幾乎是不可能的。要軟件完全可靠、沒有故障，必須對軟件進行多次測試，每測試一次，修改一次，逐步達到完善。

第79頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄80

測試的基本方法是給軟件一個典型的輸入，觀測輸出是否符合要求，如發(fā)現(xiàn)結果有錯，應設法將可能產(chǎn)生錯誤的區(qū)域逐步縮小，經(jīng)修改后，再次調(diào)試，直到消除所有錯誤為止。測試按照下述步驟進行：①單元測試，即對每個程序塊單獨地進行測試，通過對各程序塊的測試，找出程序設計中的錯誤，測試可利用事先準備好的經(jīng)過某種算法產(chǎn)生的測試碼來進行；②局部或系統(tǒng)測試，即對由若干程序塊組成的局部程序或系統(tǒng)程序進行測試，以發(fā)現(xiàn)各程序塊之間連接的正確性；③系統(tǒng)功能調(diào)試，測試該軟件能實現(xiàn)的功能；④現(xiàn)場安裝、綜合驗收。軟件，特別是應用軟件，其可靠性除了取決于設計而使其具有固有的特性外，還取決于使用條件。必須根據(jù)現(xiàn)場條件，在實際系統(tǒng)中，按設計、使用雙方共同擬訂的驗收標準進行驗收調(diào)試，直到滿足用戶要求達到驗收標準為止。通過以上步驟，經(jīng)過調(diào)試后的軟件，應該說，發(fā)生軟件故障的可能性已減至最小限度。第80頁/共87頁返回結束放映返回本章目錄81

二、安全性設計隨著生產(chǎn)機械、搬運機械、裝配機械等的機電一體化的發(fā)展、自動化程度的提高，安全性設計越來越重要。從工業(yè)安全角度來看，要減少生產(chǎn)事故的發(fā)生，在很大程度上寄希望于發(fā)展機電一體化技術。本節(jié)以工業(yè)機器人為例討論安全性設計問題。

1.工業(yè)機器人產(chǎn)生事故的原因自動化程度的提高使人們淡化了安全觀念，這是產(chǎn)生事故的主要原因之一。工業(yè)機器人是自動線的一個重要組成部分，設計人員往往不太注意機器人本身的安全措施。又由于機器人作為自動化的手段，又容易忽視人-機的配合。故：①對機器人的可靠性還較低的認識不足；②雖是自動機械，但實際上與人有密切聯(lián)系，盡管人的不安全動作直接與事故有聯(lián)系，但在設計和使用上還沒充分認識到這一點；③機器人的手臂是在三維空間運動的，沒有在整體上充分考慮安全保護措施。因此，在維修或調(diào)整時，自動化機械突然啟動而造成事故的情況，以及在機器人或自動機械的危險作業(yè)區(qū)、幾臺自動機械的接口處、甚至由于鉤切屑等小事而造成事故的情況較多。發(fā)生機器人事故的情況(如被機器人搬運的工件碰傷、或被機械手碰傷、夾住等）多數(shù)是在某種誤動作時發(fā)生的。誤動作的原因主要是機器人的可靠性低引起的，如控制電路不正常、伺服閥故障、內(nèi)外檢測傳感器不正常、與其他機械的聯(lián)鎖機構和接口故障，以及人的操作失誤等。使用機器人或自動