5機電系統設計 5機電系統設計 5 1機電系統設計基礎5 2可靠性設計 5 1機電系統設計基礎 一 機電一體化工程與系統工程1 系統工程2 機電一體化工程3 機電一體化工程與系統工程之比較二 機電一體化系統的設計基本方法與流程1 設計方法2 設計類型3 設計流程 三 系統評價1 評價指標2 評價方法四 機電系統的現代設計方法1 并行工程2 綠色設計3 反求設計4 虛擬設計5 快速響應設計 5 1機電系統設計基礎 5 1 1機電一體化工程與系統工程 一 機電一體化工程與系統工程系統工程的定義 1978年 錢學森就指出 系統工程是組織管理的規劃 研究 設計 制造 試驗和使用的科學方法 是一種對所有系統都具有普通意義的科學方法 系統工程是以大系統為對象 以數學方法和計算機為工具 對系統的構成要素 組織結構 信息交換和反饋控制等功能進行分析 設計 制造和服務 從而達到最優設計 最優控制和最優管理的目標 5 1 1機電一體化工程與系統工程 一 機電一體化工程與系統工程系統工程的原則 1 整體性原則系統各要素之間是有機結合 而非簡單的疊加 從整體性的角度 提高系統的性能 2 綜合性原則系統各要素之間的有機結合涉及多方面的屬性 應當將這些屬性綜合起來研究 3 科學性原則指在處理各種設計問題時 應按照科學的順序和步驟進行 盡量使用定量的方法 2 機電一體化工程機電一體化工程是系統工程在機電一體化系統 或產品 中的具體應用 機電一體化技術是從系統工程的觀點出發 應用機械 電子等有關技術 使機械裝置和電子設備有機結合 實現系統或產品整體最優酌綜合技術 5 1 1機電一體化工程與系統工程 3 機電一體化工程與系統工程之比較 5 1 1機電一體化工程與系統工程 5 1機電系統設計基礎 二 機電一體化系統的設計基本方法與流程1 設計方法機電一體化的設計方法從系統的角度出發 綜合應用機械技術和微電子技術 使二者密切結合 相互協調 相互補充 實際機電系統的設計內容和方法是豐富多彩的 但是從一體化設計的角度看 主要有三種方法 即替代法 融合法和組合法 5 1 2機電一體化系統的設計基本方法與流程 1 替代法即機電互補法 或取代法一般指用高性能的電子及電氣部件替代復雜的機械裝置 實現原有裝置的功能 這種方法常用于對傳統機械設備的機電一體化改造 這種替代不是簡單的置換 往往可以帶來多方面的提高 例如可以簡化機械結構 方便控制 獲得高性能 5 1 2機電一體化系統的設計基本方法與流程 2 融合法即結合法是指將各組成要素有機結合為一體 構成專用或通用的功能子部件 子系統 它體現在兩方面 機電性能互補和軟硬件結合 例如 在數控機床進給系統中 對于存在的絲杠螺母傳動間隙 刀具安裝誤差等問題 若單純采用提高機械制造精度的辦法是很難解決的 實際上 采用機床數控系統的自動間隙補償及刀具補償功能 可使問題迎刀而解 而且更有效 更合理 例如虛擬儀器可用軟件實現示波器的功能 5 1 2機電一體化系統的設計基本方法與流程 3 組合法它是指將功能部件 或子系統 功能模塊像積木那樣組合成各種機電系統 在新產品系列化及設備的機電一體化改造中應用這種方法 可以縮短設計與研制周期 節約工裝設備費用 且有利于生產管理 使用和維修 5 1 2機電一體化系統的設計基本方法與流程 2 設計類型 1 開發性設計 2 適應性設計 3 變異性設計 5 1 2機電一體化系統的設計基本方法與流程 2 設計類型 1 開發性設計這是一種從無到有的全新設計 是在既沒有參考樣機又沒有具體設計方案參照的情況下 根據所設計系統的功能要求和抽象的設計原理進行的創造性工作 例如 第一臺數控機床的設計 第一臺磁盤驅動器的設計 就屬于開發性設計 5 1 2機電一體化系統的設計基本方法與流程 2 設計類型 2 適應性設計指在總的方案原理基本不變的情況下 對原有系統進行局部變動和改進 以適應增加功能 提高性能或降低成本 以適應科學技術發展和市場競爭的需要 例如 對照相機應用電子快門自動曝光代替手動調整 使照相機在小型化 智能化方面得到提高 對普通機床進行數控改造設計 使其性能和功能增強 這些都屬于適應性設計 5 1 2機電一體化系統的設計基本方法與流程 2 設計類型 3 變異性設計這種設計是在設計方案和功能結構不變的情況下 通過改變規格尺寸 速度 力或功率等參數而進行的系列化設計 變異性設計的目的是滿足市場對產品的不同需要 這種設計相對比較容易 但設計人員也必須有比較豐富的工程經驗 對參數的改動也必須進行科學的計算和必要的實驗 3 設計流程 三 系統評價1 評價指標2 評價方法 5 1機電系統設計基礎 1 評價指標對機電產品的優劣進行評價 必須要有定量的指標作依據 這些指標應該是能夠用來衡量產品性能和結構質量的參數指標 一般分為基本指標 優化指標和尋常指標三類 5 1 3系統評價 1 基本指標基本指標是決定產品功能和基本性能的指標 是設計必須達到的指標 如工作范圍 運動參數 動力參數 結構參數 精度指標 環境指標等 這些性能指標以能夠滿足用戶要求為度 不需要追求過高的指標 包括運動參數 動力參數和品質參數 5 1 3系統評價 運動參數 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 用來表征機器輸出動力大小的指標 如力 力矩 功率等 品質指標 用來表征運動參數和動力參數品質的指標 如 運動軌跡和行程的精度 運動行程和方向的可變性 運動速度的高低 穩定性和可調性 5 1 3系統評價 2 優化指標優化指標是指在產品優化設計中可以用來進行方案對比的評價指標 對于機電產品而言 主要是生產效率 柔性 自動化程度 生產成本和可靠性 其中常用的是生產成本 可靠性等 在滿足基本指標的前提下 這些優化指標一般是越高越好 而成本指標則越低越好 5 1 3系統評價 3 尋常指標主要指在產品設計中作為常規要求的一類指標 主要有 a 工藝性指標 對產品結構提出的裝配 維修 調整方便的指標 b 人機接口指標 操作者在進行操作時表現出來的操作方便 減少誤操作 視覺誤差小等人機工程學指標 c 美學指標 對產品外觀造型提出造型比例 產品色彩的指標 d 標準化指標 對產品組成的元器件 零部件乃至功能模塊的標準化程度提出的指標等 5 1 3系統評價 基本指標和優化指標的選定應根據具體產品的設計要求來進行 一種產品的基本指標 可能是另一種產品的優化指標 某些指標在要求較為嚴格 必須經過周密設計才能達到時 應選為基本指標 而在要求較為寬松的情況下 則可選為優化指標 如在對舊機床進行數控改造時 由于舊機床精度因長期磨損已經很低 改造的目的是用它完成一些品種少 形狀復雜但精度要求較低的零件的加工 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額 而將精度作為優化指標 即在費用不超的條件下 盡量提高精度 5 1 3系統評價 2 評價方法機電產品的綜合評價通常需要采用多目標規劃的方法 因為設計的基本目標是多性能 低價格 即包含了技術性和經濟性兩大類指標 多目標規劃的求解策略有降維法 順序單目標法和評價函數法等幾種方法 這些方法的共同特點是 設法把多目標問題轉化成單目標問題求解 但不同的轉化方法對應著不同的求解策略 5 1 3系統評價 1 降維法目標 把多目標問題轉化成單目標問題求解 從而解出最優解 方法 用一個起主要作用的指標作為目標函數 而將其它優化指標轉化為約束條件 5 1 3系統評價 5 1 3系統評價 2 順序單目標法目標 把多目標問題轉化成單目標問題求解 從而解出最優解 方法 首先對各優化指標按重要程度排序 按單目標優化方法依序求出每個指標所對應的最優解 然后對這些單目標優化解進行折衷處理 從而得到整體最優解 5 1 3系統評價 3 評價函數法目標 把多目標問題轉化成單目標問題求解 從而解出最優解 方法 首先將各優化指標依一定關系進行組合 從而構造出一個單目標問題的目標函數 被稱為評價函數 然后依據這個評價函數對各種方案進行評價 最終確定出最優方案 四 機電系統的現代設計方法1 并行工程2 綠色設計3 反求設計4 虛擬設計5 快速響應設計 5 1機電系統設計基礎 5 1 4機電系統的現代設計方法 1 并行工程并行工程與傳統的串行工程之間的本質差別在于它把產品開發過程中的各個作業視為一個整體 面向產品的全生命周期 進行全局的優化的整體管理和控制 5 1 4機電系統的現代設計方法 b 并行工程工作模式 2 綠色設計綠色設計是從并行工程思想發展而出現的一個新概念 所謂綠色設計 就是在新產品的開發階段 就考慮其整個生命周期內對環境的影響 從而減少對環境的污染 資源的浪費 使用安全和人類健康等所產生的負作用 5 1 4機電系統的現代設計方法 3 反求設計反求設計是以現代設計理論 方法和技術為基礎 運用各種專業人員的工程設計經驗 知識和創新思維 對已有產品進行深入的分析研究 探索并掌握其關鍵技術 在消化 吸收的基礎上 開發出同類型創新產品的設計 5 1 4機電系統的現代設計方法 4 虛擬產品設計虛擬產品設計是基于虛擬現實技術的新一代計算機輔助設計 是在基于多媒體的 交互的滲入式或侵入式的三維計算機輔助設計環境中 設計者不僅能夠直接在三維空間中通過三維操作 語言指令 手勢等高度交互的方式進行三維實體建模和裝配建模 并且最終生成精確的產品模型 以支持詳細設計與變型設計 同時能在同一環境中進行一些相關分析 從而滿足工程設計和應用的需要 5 1 4機電系統的現代設計方法 5 快速響應設計快速響應工程是企業面對瞬息萬變的市場環境 不斷迅速開發適應市場需求的新產品 以保證企業在激烈競爭環境中立于不敗之地的重要工程 實現快速響應設計的關鍵是有效開發和利用各種產品信息資源 5 1 4機電系統的現代設計方法 5 1機電系統設計基礎 一 機電一體化工程與系統工程1 系統工程2 機電一體化工程3 機電一體化工程與系統工程之比較二 機電一體化系統的設計基本方法與流程1 設計方法2 設計類型3 設計流程 三 系統評價1 評價指標2 評價方法四 機電系統的現代設計方法1 并行工程2 綠色設計3 反求設計4 虛擬設計5 快速響應設計 5 1機電系統設計基礎 5 2可靠性設計 一 可靠性指標和計算方法1 無故障性指標 1 可靠度 2 失效率 3 平均無故障工作時間2 耐久性指標 1 有效度 2 耐久性系數 二 可靠性計算1 串聯系統2 并聯系統三 可靠性設計方法冗余法 工作冗余 后備冗余 5 2可靠性設計 可靠性是指系統在規定條件下和規定時間內完成功能的能力 一個系統必須可靠地工作 才能完成預定的任務 才有實用價值 因此 可靠性設計是機電系統設計的一個十分重要的內容 5 2可靠性設計 一 可靠性指標和計算方法 系統或產品的可靠性由其無故障性和耐久性決定 無故障性指標可以用可靠度 也可用平均無故障工作時間或故障率 失效率 來表示 耐久性指標可用耐久性系數或用有效度或技術利用系數表示 這些指標均帶有概率性質 只能用隨機變量來描述 5 2 1可靠性指標和計算方法 1 無故障性指標 1 可靠度 設N個產品中 每經過一段時間 就有一些失效 在時刻 失效了個 從到又失效了個 經過m個時間段落 這時總的失效產品數為 5 2 1可靠性指標和計算方法 失效的產品在產品總數中所占比例為 5 2 1可靠性指標和計算方法 如果時間間隔取得很小 那么圖a 與b 的折線就趨近于c 與d 的曲線 即可看成是時間的連續函數 于是 時刻t產品的失效概率為 式中 式中N t 為t時刻的失效產品累積數 f t 稱為失效密度函數 表示失效概率在單位時間內的變化值 5 2 1可靠性指標和計算方法 設表示還在完好工作的產品數 令 則 5 2 1可靠性指標和計算方法 這里 表示相對的完好工作的產品數 可靠工作的產品百分數 隨時間的變化值 稱為產品的可靠度 相應的稱為不可靠度或失效概率 滿足概率定義 可靠度是一個定量指標 它表明產品在規定條件下和規定時間內 完成規定功能的概率 顯然 而且是時間的函數 根據以上分析 有 5 2 1可靠性指標和計算方法 2 失效率失效率表示為 也就是在單位時間內失效的產品數與完好產品數的比值 它表示產品工作到時刻后 單位時間內失效的概率 5 2 1可靠性指標和計算方法 由于 5 2 1可靠性指標和計算方法 可得 上式積分得 5 2 1可靠性指標和計算方法 的值 可以通過對機械電子產品進行試驗得出 對于許多電子元器件來說 是隨時間變化的 形成一個如圖所示的 浴盆曲線 曲線的三段反映了失效的三個階段 早期失效期出現于產品工作的初期 失效率高 但隨時間增加而迅速下降 近似于指數分布 這一時期的失效 一般是由材料缺陷 設計和制造問題等因素造成 通過篩選等手段 把失效產品選出來 可以降低失效率 5 2 1可靠性指標和計算方法 隨機失效期這是偶然失效期 失效率低且接近恒定 這是機電系統或產品工作狀態的最佳時間 反映了正常工作時的失效情況 近似于泊松分布 一般是由于偶然事故 人為差錯等造成失效 通常只有通過提高產品的可靠性來降低失效率 5 2 1可靠性指標和計算方法 耗損失效期出現于產品使用的后期 失效隨時間的增加而上升 曲線近似于正態分布 它是由于產品的老化 疲勞和磨損造成的 改善耗損失效的辦法是進行預防維修 5 2 1可靠性指標和計算方法 3 平均無故障工作時間MTBF MeanTimeBetweenFailures 即平均故障間隔時間 可用m表示 5 2 1可靠性指標和計算方法 當時 2 耐久性指標產品的主要耐久性指標 是達到極限狀態前的使用期限 實際工作時間 它是用來評價在整個使用期間工作能力耗損情況的指標 對系統的耐久性 一方面應根據其中單個元件的使用期限進行評估 同時還要確定哪些是對工作極限和使用持續時間起決定作用的因素 5 2 1可靠性指標和計算方法 1 有效度A可以用作確定工作耐久性的指標 表達式為 5 2 1可靠性指標和計算方法 其中 MTTR MeanTimeToRepair平均修理時間 2 耐久性系數 5 2 1可靠性指標和計算方法 為相對修理損失 第i個零件故障前的使用期限 第i個零件的修理時間 包括拆卸 安裝 調試時間 二 可靠性計算1 串聯系統串聯系統由幾個單元串聯而成 是最常見的一種系統 串聯系統能否正常工作 取決于系統所有各部件是否正常工作 當系統內任一單元出現故障時 會使整個系統不能正常工作 5 2 1可靠性指標和計算方法 設單元的可靠度為 當各單元相互獨立時 系統的可靠度為 5 2 1可靠性指標和計算方法 即 串聯系統的可靠度總是小于系統各組成單元中最低的可靠度 因此在串聯系統設計中組成單元數宜少 不應有個別可靠度低的零部件 2 并聯系統系統由幾個獨立單元組成 執行同樣功能 只有在所有單元都失效時 系統才失效 5 2 1可靠性指標和計算方法 a 并聯系統b 一串關閉閥門組成的并聯系統 式中 單元i在時間t內的不可靠度 5 2 1可靠性指標和計算方法 在各獨立單元的故障互不相關的情況下 系統的不可靠度為 所以 系統的可靠度為 因此 并聯單元越多 系統的可靠度就越高 但系統的重量 外形和價格都將增加