學(xué)習(xí)情境⑦機(jī)電一體化總體設(shè)計(jì)

學(xué)習(xí)情境⑦機(jī)電一體化總體設(shè)計(jì)【學(xué)習(xí)目標(biāo)】能力目標(biāo)：①能從實(shí)踐中掌握機(jī)電一體化總體設(shè)計(jì)；②具有良好的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。知識(shí)要求：①了解機(jī)電一體化系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)要求；②了解機(jī)電一體化系統(tǒng)常用性能指標(biāo)和分配原則；③掌握機(jī)電一體化總體設(shè)計(jì)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(dú)立完成機(jī)電一體化產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)。任務(wù)7.1總體設(shè)計(jì)功能及性能指標(biāo)的分配【任務(wù)描述】機(jī)電一體化系統(tǒng)是由若干具有特定功能的機(jī)械和電子要素組成的有機(jī)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(jì)要求和常用性能指標(biāo)為機(jī)電一體化總體設(shè)計(jì)奠定一定基礎(chǔ)?！救蝿?wù)分析】下面通過對(duì)總體設(shè)計(jì)功能及性能指標(biāo)的分配的介紹，來熟悉和掌握一些要求和性能指標(biāo)?！局R(shí)準(zhǔn)備】1．機(jī)電一體化系統(tǒng)內(nèi)部功能的設(shè)計(jì)要求機(jī)電一體化系統(tǒng)的主要特征是自動(dòng)化操作，因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)從其通用性、耐環(huán)境性、經(jīng)濟(jì)性的觀點(diǎn)進(jìn)行綜合分析，如何才能使產(chǎn)品充分發(fā)揮機(jī)電一體化的三大效果。應(yīng)滿足機(jī)電一體化系統(tǒng)內(nèi)部功能的設(shè)計(jì)要求2．機(jī)電一體化系統(tǒng)常用性能指標(biāo)產(chǎn)品的使用要求包括經(jīng)濟(jì)性要求、安全要求和功能性要求等，產(chǎn)品的性能指標(biāo)應(yīng)根據(jù)這些要求及生產(chǎn)者的設(shè)計(jì)和制造能力、市場(chǎng)需求等來確定。(1)經(jīng)濟(jì)性要求指用戶對(duì)獲得具有所需功能和性能的產(chǎn)品所需付出的費(fèi)用方面的要求。該費(fèi)用包括購置費(fèi)用和使用費(fèi)用。用戶都希望這些費(fèi)用越低越好。①購置費(fèi)用降低生產(chǎn)成本是降低購置費(fèi)用的最主要途徑。在降低生產(chǎn)成本這點(diǎn)上，生產(chǎn)者與用戶的利益是一致的，因此成本指標(biāo)不像功能性指標(biāo)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(biāo)一般按價(jià)格和銷量關(guān)系定出上限，作為衡量設(shè)計(jì)是否滿足經(jīng)濟(jì)性要求的準(zhǔn)則。在設(shè)計(jì)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(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)或裝置取代非必需的復(fù)雜機(jī)構(gòu)或裝置，去實(shí)現(xiàn)同樣的預(yù)期功能和性能；采用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化的方法，縮短設(shè)計(jì)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(fèi)用使用費(fèi)用包括運(yùn)行費(fèi)用和維修費(fèi)用，這部分費(fèi)用是在產(chǎn)品使用過程中體現(xiàn)出來的。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，一般采取下述措施來降低使用費(fèi)用：提高產(chǎn)品的自動(dòng)化程度，以提高生產(chǎn)率，減少管理費(fèi)用及勞務(wù)開支等；選用效率較高的機(jī)構(gòu)、功率電路或電器，以減少動(dòng)力或燃料等的消耗；合理確定維修周期，以降低維護(hù)費(fèi)用。(2)安全性要求安全性要求包括對(duì)人身安全的要求和對(duì)產(chǎn)品安全的要求。前者是指在產(chǎn)品運(yùn)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(cè)和防護(hù)裝置，如數(shù)控機(jī)床的防護(hù)罩、互鎖安全門，沖壓設(shè)備的光電檢測(cè)裝置，工業(yè)機(jī)器人周圍的安全柵等；在危險(xiǎn)部位或區(qū)域設(shè)置警告性提示燈或安全標(biāo)語等；當(dāng)控制裝置和被控對(duì)象為分離式結(jié)構(gòu)時(shí)，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(hù)，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(hù)電器，如熔斷器、熱繼電器等；安裝限位裝置、故障報(bào)警裝置和急停裝置等；采用狀態(tài)檢測(cè)及互鎖等方法防止因誤操作等所帶來的危害。性能指標(biāo)除了可按使用要求劃分為功能性指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)和安全性指標(biāo)三類外，還可以從設(shè)計(jì)的角度劃分為特征指標(biāo)、優(yōu)化指標(biāo)和尋常指標(biāo)三類。不同的性能指標(biāo)，對(duì)產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)的限定作用也不同。特征指標(biāo)是決定產(chǎn)品功能和基本性能的指標(biāo)，是設(shè)計(jì)中必須設(shè)法達(dá)到的指標(biāo)。特征指標(biāo)可以是工作范圍、運(yùn)動(dòng)參數(shù)、動(dòng)力參數(shù)和精度等指標(biāo)，也可以是整機(jī)的可靠性指標(biāo)等。特征指標(biāo)在優(yōu)化設(shè)計(jì)中起約束條件的作用。優(yōu)化指標(biāo)是在產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)中用來進(jìn)行方案對(duì)比的評(píng)價(jià)指標(biāo)。優(yōu)化指標(biāo)一般不像特征指標(biāo)那樣要求必須嚴(yán)格達(dá)到，而是有一定范圍和可以優(yōu)化選擇的余地。在設(shè)計(jì)中，優(yōu)化指標(biāo)往往不是直接通過設(shè)計(jì)保證的，而是間接得到的。常被選作的優(yōu)化指標(biāo)有生產(chǎn)成本、可靠度等。尋常指標(biāo)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中作為常規(guī)要求的一類指標(biāo)，一般不定量描述，如工藝性指標(biāo)、人機(jī)接口指標(biāo)(如宜人化操作等方面的要求)、美學(xué)指標(biāo)、安全性指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)等。尋常指標(biāo)一般不參與優(yōu)化設(shè)計(jì)，只需采用常規(guī)設(shè)計(jì)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(jì)方法，把產(chǎn)品的可靠度作為特征指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，嚴(yán)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(jì)均可滿足的情況下，可將可靠度作為優(yōu)化指標(biāo)，在達(dá)到各特征指標(biāo)要求的前提下，優(yōu)先選擇可靠度高的方案。又如，在對(duì)舊機(jī)床進(jìn)行數(shù)控改造時(shí)，由于舊機(jī)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(biāo)，即要求改造費(fèi)用不能超過某一數(shù)額；而將精度作為優(yōu)化指標(biāo)，即在費(fèi)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(shí)現(xiàn)其預(yù)期的全部功能和性能。從設(shè)計(jì)的角度來分析，功能性要求可用下列性能指標(biāo)來表達(dá)：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(jiǎn)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(chǎng)覆蓋面就小，產(chǎn)品批量也小，使單臺(tái)成本增加。相反的，如擴(kuò)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(tái)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(jì)上的合理性，應(yīng)綜合分析市場(chǎng)環(huán)境、技術(shù)難度、生產(chǎn)企業(yè)的實(shí)力等多方面因素，進(jìn)行決策。在所有影響因素中，最關(guān)鍵、最難于準(zhǔn)確獲得的是市場(chǎng)需求與功能范圍之間的關(guān)系。如果能準(zhǔn)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(biāo)產(chǎn)品的精度是指產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)其規(guī)定功能的準(zhǔn)確程度，它是衡量產(chǎn)品的重要指標(biāo)之一。精度指標(biāo)需根據(jù)精度要求來確定，并作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一個(gè)重要目標(biāo)和用戶選購產(chǎn)品的一個(gè)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(jià)格上升，銷量下降。因此，合理的精度指標(biāo)是一個(gè)多變量?jī)?yōu)化問題，需要在確定了精度與成本、價(jià)格與銷量?jī)蓚€(gè)基本函數(shù)關(guān)系后，才可進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，作出最優(yōu)決策。③可靠性指標(biāo)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(shí)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(chǔ)條件；規(guī)定的時(shí)間是指產(chǎn)品的使用壽命期或平均故障間隔時(shí)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(biāo)下降性失效?？煽啃灾笜?biāo)對(duì)成本、價(jià)格和銷量的影響與精度指標(biāo)類似，因此也需要在確定了可靠性與成本、價(jià)格與銷量?jī)蓚€(gè)基本函數(shù)關(guān)系后，才能對(duì)可靠性指標(biāo)作出最優(yōu)決策。④維修性指標(biāo)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(shí)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(yùn)行，以便在整個(gè)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(shí)間后尚未失效時(shí)所進(jìn)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(jìn)行的搶修。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jì)維修周期較短的局部或環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)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(biāo)一般不會(huì)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(biāo)來確定最合理的總體結(jié)構(gòu)方案。3．常用性能指標(biāo)分配原則由于設(shè)計(jì)的基本目標(biāo)是多性能低價(jià)格，即包含了技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性兩大類指標(biāo)。多目標(biāo)規(guī)劃的求解策略有降維法、順序單目標(biāo)法和評(píng)價(jià)函數(shù)法等幾種方法。這些方法的共同點(diǎn)是，設(shè)法把多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)化成單目標(biāo)問題求解，但不同的轉(zhuǎn)化方法對(duì)應(yīng)著不同的求解策略。多目標(biāo)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(gè)起主要作用的指標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù)，而將其它優(yōu)化指標(biāo)轉(zhuǎn)化為約束條件，從而使多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題；順序單目標(biāo)法的基本思想是，首先對(duì)各優(yōu)化指標(biāo)按重要程度排序，按單目標(biāo)優(yōu)化方法依序求出每個(gè)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)解，然后對(duì)這些單目標(biāo)優(yōu)化解進(jìn)行折中處理，從而得到整體最優(yōu)解；評(píng)價(jià)函數(shù)的基本思想是，首先對(duì)各優(yōu)化指標(biāo)依一定關(guān)系進(jìn)行組合，從而構(gòu)造出一個(gè)單目標(biāo)問題的目標(biāo)函數(shù)，稱為評(píng)價(jià)函數(shù)，然后依據(jù)這個(gè)評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)各種方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終確定出最優(yōu)方案。在這三種方法中，評(píng)價(jià)函數(shù)法其應(yīng)用效果一般要優(yōu)于前兩種方法。評(píng)價(jià)函數(shù)的方法是合理地構(gòu)造出一個(gè)能恰當(dāng)?shù)胤从乘芯繂栴}的評(píng)價(jià)函數(shù)。工程上常用的評(píng)價(jià)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(biāo)法等多種方法。不同的構(gòu)造方法可得到不同的評(píng)價(jià)函數(shù)。在構(gòu)造評(píng)價(jià)函數(shù)之前，需要先統(tǒng)一各指標(biāo)的量綱。量綱的統(tǒng)一可采用無量綱相對(duì)化方法，也可采用專家評(píng)分的方法。下面具體介紹用于構(gòu)造評(píng)價(jià)函數(shù)的線性加權(quán)法及統(tǒng)一各指標(biāo)量綱的無量綱相對(duì)化法。設(shè)某個(gè)產(chǎn)品共有m個(gè)可行的方案，每個(gè)方案都選定n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)；Kij為第i個(gè)方案中第j項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)值；Kmaxj，是第j項(xiàng)指標(biāo)在各方案中的最大值；wj是第j項(xiàng)指標(biāo)的加權(quán)值，它反映了這項(xiàng)指標(biāo)在該產(chǎn)品中的相對(duì)于其他各項(xiàng)指標(biāo)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(gè)方案的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)(即評(píng)價(jià)函數(shù))為，(7-2)這就是該產(chǎn)品的評(píng)價(jià)函數(shù)表達(dá)式，其中通過Kij與Kmaxj的比值實(shí)現(xiàn)了各評(píng)價(jià)指標(biāo)的無量綱相對(duì)化。采用優(yōu)化方法求取式(7-2)的最大值，就可得到第i個(gè)方案的最佳評(píng)價(jià)函數(shù)值Himax，即，；Kij∈D，(7-3)式中：D是由約束條件限定的指標(biāo)集合。由于這里是以綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)Hi最大為優(yōu)化目標(biāo)，所以如果某項(xiàng)優(yōu)化指標(biāo)Kij期望取得較小的值，則應(yīng)將其負(fù)值(即-Kij)代入式(7-3)。為了評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)函數(shù)值Hmax，然后對(duì)它們進(jìn)行比較，從中選出最佳方案，其對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)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(jì)某產(chǎn)品時(shí)，采用失效率、成本及模塊化程度作為優(yōu)化指標(biāo)，其中失效率用各環(huán)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)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(píng)價(jià)函數(shù)時(shí)，失效率和成本應(yīng)代入負(fù)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(biāo)的權(quán)重系數(shù)wj可按產(chǎn)品的實(shí)際使用要求確定，也可通過專家評(píng)分的方法確定。表7-2列出了各項(xiàng)優(yōu)化指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)wj，同時(shí)也列出了該產(chǎn)品的四種可行方案在滿足特征指標(biāo)的約束條件下按式(7-3)優(yōu)化求得的最佳評(píng)價(jià)函數(shù)Himax及對(duì)應(yīng)最優(yōu)解(即各優(yōu)化指標(biāo)的最佳取值)。例如，第1種方案的最佳評(píng)價(jià)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(duì)應(yīng)的最佳評(píng)價(jià)函數(shù)值是四種方案中的最大者，即-0.37?！救蝿?wù)實(shí)施】功能及性能指標(biāo)分配實(shí)例①地點(diǎn)：實(shí)訓(xùn)基地。②設(shè)備：功能及性能指標(biāo)分配。③任務(wù)實(shí)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(shí)際調(diào)研，綜合相關(guān)信息并通報(bào)交流；b.進(jìn)入實(shí)訓(xùn)基地，學(xué)生實(shí)訓(xùn)安全規(guī)程；c.教師通過實(shí)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(duì)于特征指標(biāo)的總體結(jié)構(gòu)初步方案中具有互補(bǔ)性的環(huán)節(jié)，還需要進(jìn)一步統(tǒng)籌分配機(jī)與電的具體設(shè)計(jì)指標(biāo)，對(duì)于具有等效性的環(huán)節(jié)，還需要進(jìn)一步確定其具體的實(shí)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(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。(1)功能分配由于具有等效性的功能有多種具體實(shí)現(xiàn)形式，在進(jìn)行功能分配時(shí)，應(yīng)首先把這些形式盡可能地全部列出來。用這些具體實(shí)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(biāo)對(duì)這些方案進(jìn)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(jì)算與優(yōu)化指標(biāo)有關(guān)的變量，不必等各方案的詳細(xì)設(shè)計(jì)完成后再進(jìn)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(dòng)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(hào)“△”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(dòng)干擾經(jīng)裝置基座影響傳感器的輸出信號(hào)，該信號(hào)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(jì)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(shí)現(xiàn)這一濾波功能，即安裝在基座處的機(jī)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(shí)現(xiàn)濾波功能這一點(diǎn)上具有等效性，但它們并不是完全等價(jià)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(diǎn)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(duì)定量秤重裝置的工作環(huán)境和性能要求進(jìn)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(dòng)干擾的條件下，保證實(shí)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(biāo)，對(duì)主要振動(dòng)干擾的衰減率和閉環(huán)回路中所允許的時(shí)間滯后作為特征指標(biāo)，其中衰減率可根據(jù)干擾信號(hào)振幅和要求的秤量精度K計(jì)算得出，允許的滯后時(shí)間可根據(jù)工作節(jié)拍T和秤量精度K計(jì)算得出。濾波器放在不同位置，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性會(huì)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(jī)械濾波器，其衰減率及相位移不會(huì)影響閉環(huán)控制回路的控制性能，也就是說，不受特征指標(biāo)的約束，不需要考慮相位特性，因而衰減率可以設(shè)計(jì)得足夠大，容易滿足特征指標(biāo)的要求。但是由于干擾信號(hào)的最低頻率較低，機(jī)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(jì)在一起，也可單獨(dú)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(hào)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(shí)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(biāo)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(shí)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(jì)算時(shí)間，因此也受允許的滯后時(shí)間的限制，且對(duì)較低頻率的干擾信號(hào)，抑制能力較弱，但數(shù)字濾波器容易實(shí)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(biāo)，將特征指標(biāo)作為約束條件，構(gòu)成單目標(biāo)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(jì)計(jì)算方法，求出各種實(shí)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(duì)各可行方案進(jìn)行比較，根據(jù)優(yōu)化指標(biāo)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(biāo)和優(yōu)化指標(biāo)值，其中A、B、C、D是四個(gè)不同的品質(zhì)等級(jí)；是允許的滯后時(shí)間與頻率為的干擾信號(hào)周期之比。由于機(jī)械濾波器所在位置不影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，故表中相應(yīng)位置沒有列出這項(xiàng)指標(biāo)。由表7-3可見，當(dāng)干擾信號(hào)周期T1大于允許的滯后時(shí)間Tc時(shí)，即Tc／T1<1時(shí)，模擬濾波器和數(shù)字濾波器都不能滿足系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的要求，這時(shí)只能選擇機(jī)械濾波器?，F(xiàn)假設(shè)約束條件為≤5.5，≤-40dB。由表7-3可見，單個(gè)模擬濾波器和單個(gè)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(gè)濾波器共同實(shí)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(biāo)值為構(gòu)成可行方案的各濾波器的相應(yīng)特征指標(biāo)值之和。依據(jù)成本這一優(yōu)化指標(biāo)，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(jī)械濾波器和數(shù)字濾波器分別實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾信號(hào)的衰減，衰減率均為-20dB，也就是說，將濾波功能平均分配給機(jī)械濾波器和數(shù)字濾波器，同時(shí)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(shí)，將會(huì)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(biāo)分配在總體方案中一般都有具有互補(bǔ)性多個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)同一性能指標(biāo)產(chǎn)生影響。在進(jìn)行性能指標(biāo)分配時(shí)，首先要把各互補(bǔ)環(huán)節(jié)對(duì)性能指標(biāo)可能產(chǎn)生的影響作用范圍逐一列出，對(duì)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(shí)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(biāo)分配給各互補(bǔ)環(huán)節(jié)，構(gòu)成多個(gè)可行方案。然后進(jìn)一步選擇適當(dāng)?shù)膬?yōu)化指標(biāo)，對(duì)這些可行方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，從中選出最優(yōu)的方案。下面以車床刀架進(jìn)給系統(tǒng)的進(jìn)給精度分配為例，說明性能指標(biāo)的分配方法。圖7-2是開環(huán)控制的某車床刀架進(jìn)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(dòng)電路、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、減速器、絲杠螺母機(jī)構(gòu)和刀架等環(huán)節(jié)組成?，F(xiàn)在的問題是要對(duì)各組成環(huán)節(jié)進(jìn)行精度指標(biāo)的分配，設(shè)計(jì)約束條件是刀架運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)特征指標(biāo)，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(shí)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(biāo)，構(gòu)成單目標(biāo)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(jí)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(jì)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(dá)。將床身各部分的影響也都列在刀架一個(gè)環(huán)節(jié)內(nèi)，將刀架相對(duì)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(dòng)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(dòng)誤差，齒側(cè)間隙產(chǎn)生的誤差應(yīng)采用間隙消除機(jī)構(gòu)加以清除。床鞍移動(dòng)誤差和絲杠傳動(dòng)誤差的方向與量綱和定位誤差相同，不需要進(jìn)行量綱轉(zhuǎn)換，但齒輪的傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)比和兩個(gè)可能的齒輪精度等級(jí)，共得到四個(gè)品質(zhì)等級(jí)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(dòng)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(dòng)絲杠和滾動(dòng)絲杠，分別對(duì)應(yīng)著不同的精度等級(jí)。如果假定絲杠螺母副的傳動(dòng)間隙已通過間隙消除結(jié)構(gòu)加以消除，則傳動(dòng)誤差是影響位置誤差的主要因素，其具體數(shù)值及對(duì)應(yīng)成本列于表7-5，其中A、B兩個(gè)精度等級(jí)對(duì)應(yīng)著滾動(dòng)絲杠，C、D兩個(gè)精度等級(jí)對(duì)應(yīng)著滑動(dòng)絲杠。4)數(shù)控環(huán)節(jié)這個(gè)環(huán)節(jié)里包括了數(shù)控裝置、驅(qū)動(dòng)電器和步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)在不同載荷作用下，其轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置對(duì)理論位置的偏移角也不同。在不失步正常運(yùn)行的情況下，該偏移角不超過±0.5個(gè)步距角。此外，雖然數(shù)控裝置的運(yùn)算精度可達(dá)到很高，但由于步進(jìn)電機(jī)的控制指令是以脈沖為單位的，因此數(shù)控裝置仍會(huì)產(chǎn)生±0.5個(gè)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(gè)步距角，且應(yīng)將步距角轉(zhuǎn)換成刀架運(yùn)動(dòng)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，通常可用最大走刀速度除以步進(jìn)電機(jī)的最高運(yùn)行頻率來求取最小脈沖當(dāng)量，并作為精度指標(biāo)分配的參考值，而不用還沒有最后確定的傳動(dòng)鏈參數(shù)來計(jì)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(yùn)行頻率的步進(jìn)電機(jī)按上述方法計(jì)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(gè)可行方案的優(yōu)化指標(biāo)值。若有多個(gè)優(yōu)化指標(biāo)，可按式(7-2)或式(7-3)求出綜合指標(biāo)值(即評(píng)價(jià)函數(shù)值)列入該欄。由表7-6可以看出，第3個(gè)方案的成本最低，因此是表中所列5個(gè)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(gè)方案實(shí)際上也可能是一種較優(yōu)的方案)。該方案的具體實(shí)現(xiàn)形式是：采用高頻步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，較高等級(jí)精度的齒輪和高精度的滑動(dòng)絲杠傳動(dòng)，較低精度的床身導(dǎo)軌支承和導(dǎo)向。選定該方案后，它對(duì)各組成環(huán)節(jié)的精度要求也就自然成為各環(huán)節(jié)進(jìn)一步詳細(xì)設(shè)計(jì)的精度指標(biāo)?！局R(shí)拓展】機(jī)電一體化系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)指按照明確目標(biāo)測(cè)定對(duì)象的屬性，并把它變成主觀效用的行為，即明確價(jià)值的過程。在這個(gè)過程中，我們要對(duì)評(píng)價(jià)的事物與一定的對(duì)象進(jìn)行比較，從而決定該事物的價(jià)值。(1)系統(tǒng)評(píng)價(jià)的目的和任務(wù)系統(tǒng)評(píng)價(jià)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(duì)被評(píng)價(jià)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)或綜合性的價(jià)值做出判定，從多個(gè)方案中選擇其中在技術(shù)上先進(jìn)、在經(jīng)濟(jì)上合理、在操作上可行的系統(tǒng)最優(yōu)方案。因此，評(píng)價(jià)的目的是為了決策，決策需要評(píng)價(jià)。在方案設(shè)計(jì)階段，進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)主要是對(duì)該方案在各個(gè)方面能產(chǎn)生的后果及其影響進(jìn)行評(píng)價(jià)，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(yùn)行階段，進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)主要是對(duì)該方案進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，弄清問題，對(duì)現(xiàn)狀心中有數(shù)，以便有效地改進(jìn)工作，及時(shí)調(diào)整方向，抓住機(jī)會(huì)，進(jìn)行合理的決策。在系統(tǒng)方案完成以后，進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)主要是定量地掌握系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到的目標(biāo)以及與預(yù)定目標(biāo)的差距，為下一步?jīng)Q策或其他系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)工作提供信息。正確的評(píng)價(jià)可使決策獲得成功，取得較好的效益；錯(cuò)誤的評(píng)價(jià)會(huì)導(dǎo)致決策失敗，付出沉重的代價(jià)。(2)系統(tǒng)評(píng)價(jià)原則①客觀性原則一方面是指參加評(píng)價(jià)的人員應(yīng)站在客觀立場(chǎng)，實(shí)事求是地進(jìn)行資料收集、方法選擇及對(duì)其評(píng)價(jià)結(jié)果做客觀解釋。評(píng)價(jià)人員事先不能帶有傾向性，若帶有偏見性，就會(huì)只對(duì)有利的數(shù)據(jù)感興趣，忽視甚至曲解不利的信息，這樣進(jìn)行的評(píng)價(jià)必然會(huì)導(dǎo)致決策的失誤；另一方面是指評(píng)價(jià)資料應(yīng)當(dāng)真實(shí)可靠和正確。需要注意的是，在采用各種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)，一定要弄清統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)當(dāng)正確反映預(yù)定的評(píng)價(jià)目的，要符合邏輯，有科學(xué)依據(jù)。③可比性原則是指被評(píng)價(jià)的方案之間在基本功能、基本屬性及強(qiáng)度上要有可比性。例如，將一臺(tái)電腦和一臺(tái)電視機(jī)放在一起進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)，就很難指出兩者之間的優(yōu)劣。而一臺(tái)臺(tái)式電腦和一臺(tái)筆記本電腦之間就較容易從技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性及適用性等各方面進(jìn)行比較，做出合理的評(píng)價(jià)。④整體性原則指評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)當(dāng)相互關(guān)聯(lián)、相互補(bǔ)充，形成一個(gè)有機(jī)的整體，能從多側(cè)面綜合反映評(píng)價(jià)方案，如果片面強(qiáng)調(diào)某一方面的指標(biāo)，就可能歪曲系統(tǒng)的真實(shí)情況，誘導(dǎo)決策者做出錯(cuò)誤決策。(3)評(píng)價(jià)內(nèi)容①經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)主要是評(píng)價(jià)系統(tǒng)方案的經(jīng)濟(jì)效益，如性能價(jià)格比、投入產(chǎn)出比、成本費(fèi)用分析等經(jīng)濟(jì)可行性分析。②技術(shù)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的開發(fā)、設(shè)計(jì)以及運(yùn)行的根本目的是為了實(shí)現(xiàn)特定的功能，以便為人們提供物質(zhì)和精神的財(cái)富，或是帶來生活的便利。技術(shù)評(píng)價(jià)就是評(píng)定該系統(tǒng)方案是否達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理性、先進(jìn)性、適用性、屬性的完善性等都屬于技術(shù)評(píng)價(jià)。③綜合評(píng)價(jià)對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)主要是對(duì)其實(shí)現(xiàn)目的功能的結(jié)構(gòu)、性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。機(jī)電一體化的目的是提高產(chǎn)品的附加價(jià)值，而附加價(jià)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(biāo)為依據(jù)，不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)可選不同的評(píng)價(jià)方法。因此，必須對(duì)這些方案的價(jià)值進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，從中找出最佳方案，以便決策者做出正確的決策。機(jī)電一體化系統(tǒng)一方面由微電子裝置取代人對(duì)機(jī)械的絕大部分控制功能，并加以延伸和擴(kuò)大，克服了人體能力的不足和弱點(diǎn)；另一方面具有節(jié)省能源和降低材料消耗的特點(diǎn)。這些特點(diǎn)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(jià)值成了機(jī)電一體化系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。系統(tǒng)內(nèi)部功能價(jià)值如表7-7所示。任務(wù)7.2總體設(shè)計(jì)的方法和步驟【任務(wù)描述】機(jī)電一體化總體設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一個(gè)環(huán)節(jié)，目的是設(shè)計(jì)出綜合性能最優(yōu)或較優(yōu)的總體方案，作為進(jìn)一步詳細(xì)設(shè)計(jì)的依據(jù)。了解和掌握一定總體設(shè)計(jì)的方法和步驟為機(jī)電一體化總體設(shè)計(jì)奠定一定基礎(chǔ)?！救蝿?wù)分析】下面通過對(duì)總體設(shè)計(jì)方法和步驟的介紹，來熟悉和掌握一些設(shè)計(jì)方法?！局R(shí)準(zhǔn)備】1．機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)類型和總體設(shè)計(jì)方法(1)機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)類型機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)A可分為以下三種類型：1)開發(fā)性設(shè)計(jì)是沒有參照樣板的設(shè)計(jì)。它是在不知道具體方案的情況下，僅根據(jù)抽象的設(shè)計(jì)原理和要求，設(shè)計(jì)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(jì)就屬于開發(fā)性設(shè)計(jì)。2)變異性設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)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(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)尺寸，就屬于變異性設(shè)計(jì)。3)適應(yīng)性設(shè)計(jì)在總的方案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，或用微電子技術(shù)代替原有的機(jī)械結(jié)構(gòu)或?yàn)榱诉M(jìn)行微電子控制對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部適應(yīng)性變動(dòng)，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(jī)械控制汽油噴射裝置。所有機(jī)電一體化設(shè)計(jì)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(jí)到高級(jí)，由經(jīng)驗(yàn)到優(yōu)化，獲得可靠的設(shè)計(jì)信息，促進(jìn)機(jī)械一電子的有機(jī)結(jié)合，滿足人們的多樣化需要。(2)總體設(shè)計(jì)方法機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的方法通常有三種，其目的是綜合運(yùn)用機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)各自的特長，來組成最佳的機(jī)電一體化系統(tǒng)。1)機(jī)電結(jié)合(融合)法在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jiǎn)單，甚至可能互融為一體。如工作機(jī)中將電動(dòng)機(jī)與主軸部件做成一體，就是執(zhí)行元件與執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)合的一例。某些高性能的機(jī)電一體化產(chǎn)品，如激光打印機(jī)掃描機(jī)構(gòu)——激光掃描鏡，其掃描鏡轉(zhuǎn)軸就是電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸。該機(jī)構(gòu)采用了磁浮和氣浮軸承。目前國外已有把電機(jī)(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(jī)不斷普及的今天，隨著精密機(jī)械技術(shù)的發(fā)展，完全能夠設(shè)計(jì)出執(zhí)行元件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、檢測(cè)傳感機(jī)構(gòu)、控制與機(jī)體五要素融為一體的機(jī)電一體化新產(chǎn)品。2)機(jī)電互補(bǔ)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(jī)械功能部件或功能子系統(tǒng)。如在一般的工作機(jī)中，用可編程序控制器或微型計(jì)算機(jī)來取代機(jī)械式變速機(jī)構(gòu)、凸輪、離合器、脫落蝸桿等控制機(jī)構(gòu)，代替氣動(dòng)、液壓控制系統(tǒng)，代替插銷板、撥碼盤、步進(jìn)開關(guān)、程序鼓、時(shí)間繼電器等接觸式控制器，彌補(bǔ)機(jī)械技術(shù)的不足，不但能大大簡(jiǎn)化機(jī)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(jī)電互補(bǔ)法)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)，故稱組合法。例如，將工業(yè)機(jī)器人各自由度的執(zhí)行元件、檢測(cè)傳感元件和控制器做成機(jī)電一體化的驅(qū)動(dòng)功能模塊，可用來驅(qū)動(dòng)不同的關(guān)節(jié)，這樣就可以用工業(yè)機(jī)器人的回轉(zhuǎn)、伸縮、俯仰、擺動(dòng)等各種功能模塊系列，組合成結(jié)構(gòu)和用途不同的機(jī)器人。在新產(chǎn)品系列設(shè)計(jì)與設(shè)備的機(jī)電一體化改造中應(yīng)用這種方法，可縮短設(shè)計(jì)、研制周期，節(jié)約工裝設(shè)備費(fèi)用，且有利于生產(chǎn)管理、使用和維修。2．機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法(1)機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)①設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)中一般采用三階段法，即總體設(shè)計(jì)、部件設(shè)計(jì)和零件設(shè)計(jì)或初步設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)。在試驗(yàn)性設(shè)計(jì)與CAD中，多采用既分階段又平行兼顧的設(shè)計(jì)，以便相互協(xié)調(diào)。其中總體設(shè)計(jì)程序?yàn)椋好鞔_設(shè)計(jì)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(duì)比定型；編寫總體設(shè)計(jì)論證書?？傮w設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題有：以機(jī)電互補(bǔ)原則進(jìn)行功能劃分，明確哪些功能由機(jī)械技術(shù)實(shí)現(xiàn)，哪些由電子技術(shù)的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)，以利于簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，發(fā)揮機(jī)電一體化效果；用圖表說明功能要求與動(dòng)作順序要求；分析產(chǎn)品專用性與批量；重點(diǎn)明確產(chǎn)品的簡(jiǎn)要特性；分析產(chǎn)品的自動(dòng)化程度及其適用性；環(huán)境條件要求；動(dòng)力源特性分析；機(jī)、電、液(氣)傳動(dòng)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(dòng)要求，快速響應(yīng)性與定位精度要求等。②設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)準(zhǔn)則主要考慮“人、機(jī)、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(jì)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(jì)準(zhǔn)則不勝枚舉。在經(jīng)濟(jì)高度發(fā)展時(shí)期，在非標(biāo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，其設(shè)計(jì)階段可適當(dāng)忽略價(jià)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(jì)低速發(fā)展時(shí)期，要想在競(jìng)爭(zhēng)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(jià)產(chǎn)品。產(chǎn)品成本的高低，70％決定于設(shè)計(jì)階段，因此，在設(shè)計(jì)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(chǎng)出發(fā)降低設(shè)計(jì)與制造成本。前者是減小綜合工程費(fèi)用，它包括為了讓產(chǎn)品在使用保障期內(nèi)無故障地運(yùn)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(gè)故障排除后到下一個(gè)故障發(fā)生時(shí)的平均工作時(shí)間)，減少因故障停機(jī)給用戶造成的損失，進(jìn)一步提高產(chǎn)品的工作能力。③設(shè)計(jì)規(guī)律總結(jié)一般的機(jī)器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，有以下規(guī)律：根據(jù)設(shè)計(jì)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(jì)要求和手冊(cè)確定其結(jié)構(gòu)關(guān)系，最終完成全部設(shè)計(jì)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(jì)必然不合理。在這一階段可分為兩個(gè)工作步驟進(jìn)行：首先進(jìn)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(jì)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(duì)輸入和輸出量關(guān)系的分析，明確規(guī)定機(jī)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(jī)器的總功能。一般來說，不能用某種簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)一下子滿足總功能要求。這就需要進(jìn)行功能分解，分解成若干子功能，子功能還可以進(jìn)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(gè)接一個(gè)進(jìn)行的鏈狀結(jié)構(gòu)(串聯(lián))，過程并列進(jìn)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(jìn)行功能分解和功能綜合時(shí)，常使用現(xiàn)代化的一些設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)功能的復(fù)雜程度大大降低，因滿足比較簡(jiǎn)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(gè)基本功能元素，至少可用一個(gè)能滿足其功能要求的技術(shù)物理效應(yīng)去實(shí)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(shí)現(xiàn)，是通過有目的的配置工作面及有效運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的。如果將有關(guān)功能元素列成一個(gè)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(hào)邏輯運(yùn)算進(jìn)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(jì)方法現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法與用經(jīng)驗(yàn)公式、圖表和手冊(cè)為設(shè)計(jì)依據(jù)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法不同，它是以計(jì)算機(jī)為手段進(jìn)行機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的有效方法。其設(shè)計(jì)步驟通常如下：技術(shù)預(yù)測(cè)一信號(hào)分析一科學(xué)類比一系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)一創(chuàng)造性設(shè)計(jì)一因時(shí)制宜的選擇各種具體的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法(相似設(shè)計(jì)法、模擬設(shè)計(jì)法、有限元設(shè)計(jì)法、可靠性設(shè)計(jì)法、動(dòng)態(tài)分析設(shè)計(jì)法、優(yōu)化設(shè)計(jì)法等)一機(jī)電一體化設(shè)計(jì)質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)(如模糊綜合評(píng)判方法等)。上述步驟的順序不是絕對(duì)的，只是一個(gè)大致的設(shè)計(jì)路線。但現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的某些精華必須予以繼承，在各個(gè)設(shè)計(jì)步驟中，應(yīng)考慮傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則，如價(jià)值分析、造型設(shè)計(jì)、市場(chǎng)需求、類比原則、冗余原則、自動(dòng)原則(能自動(dòng)完成目的功能并具有自診斷、自動(dòng)補(bǔ)償、自動(dòng)保護(hù)功能等)、經(jīng)驗(yàn)原則(考慮以往經(jīng)驗(yàn))，以及模塊原則(積木式、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì))等。目前常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介如下：1)技術(shù)預(yù)測(cè)法在設(shè)計(jì)前，從書籍(或已收集的)資料數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)被設(shè)計(jì)對(duì)象在今后一定階段內(nèi)的發(fā)展動(dòng)向。它是現(xiàn)代設(shè)計(jì)的最初步驟，不了解、不掌握某類系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展動(dòng)向(包括性能、參數(shù)、結(jié)構(gòu)等)就不可能有好的設(shè)計(jì)。技術(shù)預(yù)測(cè)有定性、定量?jī)煞N，一般常用樸素預(yù)測(cè)法、趨勢(shì)外推法、回歸分析法、包絡(luò)預(yù)測(cè)法，以及形態(tài)分析預(yù)測(cè)法、情景描述法等。預(yù)測(cè)的可靠性與準(zhǔn)確性是設(shè)計(jì)過程的第一個(gè)輸入信號(hào)，該信號(hào)正確與否是決定設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。因此，現(xiàn)代設(shè)計(jì)的第一步應(yīng)采用技術(shù)預(yù)測(cè)法進(jìn)行技術(shù)預(yù)測(cè)，以準(zhǔn)確的決策近期、中期或長期的技術(shù)發(fā)展動(dòng)向與需求，并取得必要的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。2)科學(xué)類比法在技術(shù)預(yù)測(cè)決策之后，搜集有關(guān)的信息與對(duì)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(jī)設(shè)計(jì)新機(jī)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(jī)不能算做“類比”，因?yàn)轭惐韧评砣鐩]有科學(xué)方法指導(dǎo)只能是低級(jí)的、原始的類比，帶有很大的偶然性和猜測(cè)性，可靠性很小，如果采用一些其他現(xiàn)代化方法，進(jìn)行因果、對(duì)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(jì)方法中相似設(shè)計(jì)的軌道。②對(duì)稱類比：對(duì)稱性是一種自然現(xiàn)象，A對(duì)象中l(wèi)、m有對(duì)稱關(guān)系，如B對(duì)象中有，則必然可求得。③協(xié)變類比。如A對(duì)象中有的關(guān)系，則從推理可知，B對(duì)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(jì)法與模擬設(shè)計(jì)法即屬于此類。在現(xiàn)代設(shè)計(jì)中經(jīng)過科學(xué)類比推理之后，我們對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象有了初步認(rèn)識(shí)，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(jì)規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)。3)相似設(shè)計(jì)法是利用同類事物間靜態(tài)與動(dòng)態(tài)的相似性，根據(jù)樣機(jī)或模型求得新設(shè)計(jì)對(duì)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(gè)概念，前者只是相對(duì)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(jì)法是利用異類事物間的相似性進(jìn)行設(shè)計(jì)的科學(xué)類比方法。不過，模擬具有不可逆性，如用簡(jiǎn)單的電子電路來模擬復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)或液壓系統(tǒng)等，以求得系統(tǒng)的最佳靜態(tài)、動(dòng)態(tài)參數(shù)，反之就毫無意義。當(dāng)前利用電子計(jì)算機(jī)可研究復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，“仿真”技術(shù)比模擬技術(shù)更進(jìn)一步，可直接進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬或數(shù)字仿真。5)信號(hào)分析法是一種科學(xué)而合理的方法。在現(xiàn)代設(shè)計(jì)中，當(dāng)技術(shù)預(yù)測(cè)與系統(tǒng)大致確定之后，如何得到設(shè)計(jì)的原始參數(shù)是一個(gè)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(yàn)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(jì)者難以取舍，這就應(yīng)采用信號(hào)分析法對(duì)其進(jìn)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(jì)參數(shù)。6)優(yōu)化設(shè)計(jì)法是現(xiàn)代設(shè)計(jì)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(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算的方法。優(yōu)化設(shè)計(jì)主要應(yīng)用各種數(shù)學(xué)規(guī)劃方法。但是優(yōu)化設(shè)計(jì)只是參數(shù)的優(yōu)化，不能完全代替人的創(chuàng)造與經(jīng)驗(yàn)，特別是在解決多目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，各目標(biāo)函數(shù)的主次與權(quán)數(shù)的選擇是與經(jīng)驗(yàn)分不開的。7)動(dòng)態(tài)分析設(shè)計(jì)法“動(dòng)態(tài)”是指系統(tǒng)由一個(gè)穩(wěn)態(tài)過程過渡到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)的過程。任何系統(tǒng)總是處在各種正常信號(hào)與干擾信號(hào)作用之下，這種作用往往是對(duì)系統(tǒng)最嚴(yán)峻的考驗(yàn)，所以在設(shè)計(jì)中必須考慮這種情況，許多設(shè)計(jì)參數(shù)必須用動(dòng)態(tài)分析方法獲得。所謂動(dòng)態(tài)分析設(shè)計(jì)，就是從動(dòng)態(tài)分析出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這是當(dāng)前重要的一種設(shè)計(jì)方法。對(duì)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(hào)的情況下，對(duì)其輸出信號(hào)進(jìn)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(zhǔn)確性與響應(yīng)快速性要求的各項(xiàng)參數(shù)。8)可靠性設(shè)計(jì)法是從產(chǎn)品(或系統(tǒng))的開發(fā)設(shè)計(jì)階段就考慮其可靠度(或其他可靠指標(biāo))，從而保證產(chǎn)品工作可靠、經(jīng)久耐用的一種設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)前，必須對(duì)可靠性指標(biāo)(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(jī)電一體化系統(tǒng)的可靠性目標(biāo)值，就可進(jìn)一步進(jìn)行可靠性目標(biāo)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(duì)產(chǎn)品或系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。但可靠性設(shè)計(jì)需要對(duì)系統(tǒng)或產(chǎn)品的失效進(jìn)行分析、積累可靠性數(shù)據(jù)或做必要的可靠性試驗(yàn)，因此，需要有一定的基礎(chǔ)工作。3．機(jī)電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)的設(shè)計(jì)步驟機(jī)電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)(以工作機(jī)為例)的設(shè)計(jì)步驟如下：(1)根據(jù)目的功能確定產(chǎn)品規(guī)格、性能指標(biāo)工作機(jī)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(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動(dòng)，并提供必要的動(dòng)力。用來評(píng)價(jià)機(jī)電一體化產(chǎn)品質(zhì)量的基本指標(biāo)，是那些為了滿足使用要求而必須具有的輸出參數(shù)。運(yùn)動(dòng)參數(shù)用來表征機(jī)器工作運(yùn)動(dòng)的軌跡、行程、方向和起止點(diǎn)位置正確性的指標(biāo)。動(dòng)力參數(shù)用來表征機(jī)器輸出動(dòng)力大小的指標(biāo)，如力、力矩和功率等。品質(zhì)指標(biāo)用來表征運(yùn)動(dòng)參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)品質(zhì)的指標(biāo)，如運(yùn)動(dòng)軌跡和行程的精度(如重復(fù)定位精度)、運(yùn)動(dòng)行程和方向的可變性，運(yùn)動(dòng)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(biāo)通常要根據(jù)工作對(duì)象的性質(zhì)、用戶要求，有時(shí)還要通過實(shí)驗(yàn)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(biāo)：工藝性指標(biāo)對(duì)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(jī)工程學(xué)”指標(biāo)考慮人和機(jī)器的關(guān)系，針對(duì)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(duì)產(chǎn)品提出的綜合性要求。美學(xué)指標(biāo)對(duì)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(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)即組成產(chǎn)品的元部件的標(biāo)準(zhǔn)化程度。(2)系統(tǒng)功能部件、功能要素的劃分工作機(jī)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(jī)器的運(yùn)動(dòng)常由若干直線或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組合而成，形成若干自由度。因此也可以按運(yùn)動(dòng)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(jī)的性能指標(biāo)確定。(3)接口的設(shè)計(jì)接口問題是各組成要素間的匹配問題，有機(jī)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(jī)構(gòu)之間、檢測(cè)傳感元件與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間通常是機(jī)械接口。機(jī)械接口有兩種形式：一種是執(zhí)行元件與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的聯(lián)軸器和傳動(dòng)軸，以及直接將檢測(cè)傳感元件與執(zhí)行元件或執(zhí)行機(jī)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(shí)不存在任何運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)變換；另一種是機(jī)械傳動(dòng)機(jī)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(dòng)接口、控制器與檢測(cè)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(jì)問題也就是機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)的具體應(yīng)用問題。(4)綜合評(píng)價(jià)(或整機(jī)評(píng)價(jià))對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)的綜合評(píng)價(jià)主要是對(duì)其實(shí)現(xiàn)目的功能的性能、結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)。機(jī)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(biāo)為依據(jù)。不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)可選用不同的評(píng)價(jià)方法。具體設(shè)計(jì)時(shí)，常采用不同的設(shè)計(jì)方案來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的目的功能、規(guī)格要求和性能指標(biāo)要求。因此，必須對(duì)這些方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，從中找出最佳方案。(5)可靠性復(fù)查機(jī)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(jī)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(jì)中，除采用可靠性設(shè)計(jì)方法之外，還必須采用必要的可靠性措施，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初步完成之后，還需要進(jìn)行可靠性復(fù)查和分析，以便發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)改進(jìn)。(6)試制與調(diào)試樣機(jī)試制是檢驗(yàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的制造可行性的重要階段，并通過樣機(jī)調(diào)試來印證各項(xiàng)性能指標(biāo)是否符合設(shè)計(jì)要求。這個(gè)階段也是最終發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問題以便及時(shí)修改和完善產(chǎn)品設(shè)計(jì)的必要階段。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)是設(shè)計(jì)機(jī)電一體化產(chǎn)品(或系統(tǒng))的有力工具。應(yīng)用CAD進(jìn)行一般機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，都要涉及機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)和信息技術(shù)的有機(jī)結(jié)合問題，從這種意義上來說，CAD本身也是機(jī)電一體化技術(shù)的基本內(nèi)容之一?！救蝿?wù)實(shí)施】定量電子秤總體設(shè)計(jì)舉例①地點(diǎn)：實(shí)訓(xùn)基地。②設(shè)備：定量電子秤總體設(shè)計(jì)。③任務(wù)實(shí)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(shí)際調(diào)研，綜合相關(guān)信息并通報(bào)交流；b.進(jìn)入實(shí)訓(xùn)基地，學(xué)生實(shí)訓(xùn)安全規(guī)程；c.教師通過實(shí)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(jì)為例，進(jìn)一步說明總體設(shè)計(jì)過程中所涉及的各項(xiàng)設(shè)計(jì)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(dòng)配料和自動(dòng)包裝，其主要性能指標(biāo)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(biāo)，如集中顯示、遠(yuǎn)程控制等。由這些性能指標(biāo)所構(gòu)成的產(chǎn)品屬性限定了產(chǎn)品的目標(biāo)市場(chǎng)，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(jì)應(yīng)圍繞這些性能指標(biāo)展開。合理地制定產(chǎn)品屬性決策對(duì)于產(chǎn)品能否按預(yù)期目標(biāo)進(jìn)入市場(chǎng)是至關(guān)重要的。為此必須了解目標(biāo)市場(chǎng)的供求狀況，掌握所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的屬性需求分布、價(jià)格需求彈性、競(jìng)爭(zhēng)者的現(xiàn)狀、潛在市場(chǎng)、產(chǎn)品的預(yù)計(jì)壽命周期等方面的變化趨勢(shì)。具體地就定量電子秤而言，需要了解和掌握各類需要自動(dòng)配料或自動(dòng)包裝設(shè)備的用戶對(duì)秤量范圍、秤量精度、工作節(jié)拍、自動(dòng)化程度等的要求，對(duì)購置費(fèi)用、使用費(fèi)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(jì)、制造能力和經(jīng)驗(yàn)及生產(chǎn)規(guī)模等對(duì)市場(chǎng)所需各種水平的產(chǎn)品屬性的制造成本作出正確估計(jì)，如根據(jù)本廠情況對(duì)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(jì)，并列表以備后續(xù)分析用。制定產(chǎn)品屬性決策的過程實(shí)際上也是一個(gè)優(yōu)化過程。可先將上述列出的各項(xiàng)性能指標(biāo)劃分為優(yōu)化指標(biāo)和特征指標(biāo)，然后按最大利潤準(zhǔn)則或最大市場(chǎng)占有率準(zhǔn)則等優(yōu)化確定所要設(shè)計(jì)的產(chǎn)品屬性。但是，這時(shí)所作出的產(chǎn)品屬性決策只是初步的，因?yàn)槠渲兴褂玫闹圃斐杀臼窃跊]有作出詳細(xì)設(shè)計(jì)的情況下的估計(jì)值。在按初步產(chǎn)品屬性作出詳細(xì)設(shè)計(jì)后，還應(yīng)按詳細(xì)技術(shù)方案的制造成本對(duì)產(chǎn)品屬性進(jìn)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(jì)方法，即如何對(duì)產(chǎn)品屬性所規(guī)定的各種性能指標(biāo)及相關(guān)功能進(jìn)行分析，如何根據(jù)各功能環(huán)節(jié)的機(jī)電互補(bǔ)性和等效性對(duì)總體結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行機(jī)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(biāo)為：秤量范圍1～10kg；秤量精度0.2％；工作節(jié)拍7s；具有遠(yuǎn)程控制功能；銷售價(jià)格低于5500元。首先根據(jù)上述性能指標(biāo)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(dá)到的性能指標(biāo)如表7-8所示。按性能指標(biāo)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(jì)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(gè)單回路閉環(huán)控制系統(tǒng)，但實(shí)際上由于送料機(jī)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(bǔ)償執(zhí)行機(jī)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(jìn)行機(jī)電等效性和互補(bǔ)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(biāo)是一個(gè)必須要達(dá)到的指標(biāo)，因此它屬于特征指標(biāo)。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(jī)械振動(dòng)是外部干擾的主要形式。抑制機(jī)械振動(dòng)干擾的方法有機(jī)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(dòng)機(jī)、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(jī)械環(huán)節(jié)，也有電子環(huán)節(jié)，即具有機(jī)電互補(bǔ)性，因而應(yīng)將精度指標(biāo)按機(jī)、電統(tǒng)籌的方法合理分配給各個(gè)影響環(huán)節(jié)。這一分配方法與機(jī)械部件設(shè)計(jì)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(jī)械部件裝配尺寸鏈在三維正交空間內(nèi)建立，而具有機(jī)電互補(bǔ)性的性能指標(biāo)的分配是在高維非歐氏空間中進(jìn)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(biāo)按外部干擾0.05％、內(nèi)部環(huán)節(jié)0.13％、精度余量0.02％進(jìn)行分配，并取精度指標(biāo)作為特征指標(biāo)，失效率和成本作為優(yōu)化指標(biāo)，采用多目標(biāo)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(gè)，每個(gè)環(huán)節(jié)又有三種實(shí)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(píng)價(jià)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(biāo)0.13％的可行域內(nèi)對(duì)243種組合方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，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(shí)，可行方案的評(píng)定和最佳方案的求取應(yīng)借助于計(jì)算機(jī)進(jìn)行。對(duì)影響工作節(jié)拍的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析可知，這一指標(biāo)也具有機(jī)電互補(bǔ)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(yuǎn)程控制等性能指標(biāo)不具有互補(bǔ)性和等效性，因此可直接通過相應(yīng)的機(jī)械部件和電氣部件設(shè)計(jì)來實(shí)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(jì)要求。機(jī)械部分的設(shè)計(jì)方案及要求可歸納如下：送料部分采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的葉片式送料，給料精度優(yōu)于0.85g，給料速度高于2kg／s；機(jī)座部分應(yīng)有機(jī)械隔振裝置，對(duì)5Hz以上的機(jī)械振動(dòng)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(shí)間少于1s。電氣部分的設(shè)計(jì)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(duì)5Hz以上的波動(dòng)信號(hào)具有優(yōu)于-20dB的衰減能力；控制器運(yùn)算過程中的截尾誤差、舍去誤差等運(yùn)算誤差小于0.005％；系統(tǒng)的軟、硬件支持遠(yuǎn)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(jì)要求(即尋常指標(biāo))，如外觀、安裝方式等，即可進(jìn)一步進(jìn)行機(jī)械部分和電氣部分的詳細(xì)設(shè)計(jì)。通過此討論可見，機(jī)電一體化總體設(shè)計(jì)是一項(xiàng)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(shí)，而且要求設(shè)計(jì)者充分掌握有關(guān)市場(chǎng)、技術(shù)、設(shè)計(jì)、制造和使用等多方面的資料。總體設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的、但也最具有創(chuàng)造性的工作，它要求設(shè)計(jì)人員具有良好的知識(shí)能力結(jié)構(gòu)和豐富的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，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(shí)拓展】機(jī)電一體化系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)方法產(chǎn)品的可靠性主要取決于產(chǎn)品的研制和設(shè)計(jì)階段所形成的產(chǎn)品固有的可靠性，因此要發(fā)揮機(jī)電一體化系統(tǒng)應(yīng)有的作用，就要進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)。(1)機(jī)電一體化可靠性要求機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)的可靠性設(shè)計(jì)工作貫穿于設(shè)計(jì)、制造和使用各個(gè)階段，但主要取決于設(shè)計(jì)階段。在進(jìn)行機(jī)電一體化系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，主要從三個(gè)方面提出可靠性要求。①對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)的可靠性分析和預(yù)測(cè)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析和設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)構(gòu)成系統(tǒng)的部件、子系統(tǒng)逐個(gè)進(jìn)行分析，對(duì)于嚴(yán)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(cè)中應(yīng)充分運(yùn)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(jì)和分析故障模式和影響程度，必要時(shí)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(cè)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(jì)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(gè)系統(tǒng)的故障往往是由于幾個(gè)少數(shù)的可靠性差的薄弱環(huán)節(jié)造成的，因此在設(shè)計(jì)時(shí)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(qiáng)對(duì)失效率高的零配件的篩選和實(shí)驗(yàn)，盡可能使用可靠性高的組件。③可靠性管理機(jī)電一體化系統(tǒng)產(chǎn)品的特點(diǎn)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(jì)的常用方法保證產(chǎn)品具有必要的可靠性是一個(gè)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(jì)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(jī)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(shí)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(shí)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(jì)和制造質(zhì)量保證產(chǎn)品的可靠性，要從設(shè)計(jì)和制造入手，在保證實(shí)現(xiàn)各種基本性能指標(biāo)的同時(shí)，還要保證可靠性。在設(shè)計(jì)過程中，要進(jìn)行可靠性分析，估計(jì)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(shí)可以采用可靠性預(yù)測(cè)的方法，對(duì)各種可靠性指標(biāo)進(jìn)行估計(jì)。制造階段中的原材料和制造工藝，都要保證完全達(dá)到各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)。最后，可對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行可靠性實(shí)驗(yàn)，以便確定實(shí)際產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)。在設(shè)計(jì)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(hù)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(chǔ)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(chǔ)備和掩蔽儲(chǔ)備，是一種兩個(gè)或兩個(gè)以上單元并行工作的并聯(lián)模型。平時(shí)各個(gè)單元平均負(fù)擔(dān)工作