机电一体化总体设计

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【摘 要】机电一体化设计是机床设计环节是一个重要内容，总体设计应该从总体机械结构出发，综合考虑驱动方案和系统的可靠性，选择最合理的方案，实现机电一体化产品整体的优化设计。

【关键词】主体机械结构；驱动方案；可靠性

1 主体机械结构

主体机械结构方案包括：机械的主要几何尺寸确定、布局、作业空间的确定、运动自由度数的确定。

机床主体在设计时候要遵循以下几点原则：

明确――结构方案应能明确体现各个方面的设计指标。首先是所选方案的工作原理要明确，才能使所设计的结构能可靠地实现所要求的目标；其次，要明确工作条件，如载荷情况和运行速度；还要明确作业空间参数和使用条件。

简单――满足设计目标要求的条件下，系统结构尽量简单。

安全可靠――包括机器的工作安全性和操作安全性两方面内容，是总体结构方案设计必须考虑的内容。

例如，在机械行业中最有名气的车床CA6140，它在主体设计时车床的床身、床脚、油盘等采用整体铸造结构，刚性高，抗震性好，符合高速切削机床的特点；车机床系统设计合理可靠，车头箱、进给箱、溜板箱均采用体内飞溅，并增设线泵、柱塞泵对特殊部位进行自动强制。

2 驱动方案设计

直线驱动元件直接驱动：

直线步进电机其结构比较复杂，传感器采用磁电式或直接开环控制，控制特点是使用专用传感器，开环控制位置精度高，低速振动较大，直线步进电机适用场合为并联机器人，成本较高。

气压缸结构简单，传感器是直接型位移传感器，控制特点是使用气压控制阀控制，快速性好，负载能力差，适用场合为包装机，成本较低。

液压缸，结构较复杂，传感器为直接型位移传感器，控制特点是使用电液伺服阀控制，快速性好，负载能力强，适用场合为并联机器人和包装机，成本较高。

3 控制系统方案设计

机床的控制系统是非常重要的，如果没有控制系统，那么机床就是一个不完整的，说严重一些就是一个废品，那么机床也不可能为人们服务了。

机床控制系统按原理分为：开环、半闭环和闭环控制。

开环控制系统也就是没有反馈元件。

闭环控制系统是有反馈元件，反馈元件直接安装在最终的运动部件上。

半闭环控制系统是检测元件安装在机床的中间环节上。

4 可靠性设计

4.1 可靠度函数与失效概论

可靠度函数是产品在规定的条件下和规定的时间t内，完成规定功能的概率，以R（t）表示；反之，不能完成规定功能的概率称为失效概率，以F（t）表示。

产品工作到t时刻时，单位时间内失效数■与t时刻尚存的有效产品数R（t）的比称为失效率，以λ（t）表示，反映任意时刻失效概率的变化情况。

4.2 系统可靠性

可靠性预测，通过预测，对新产品设计的可靠性做出估计，提供方案修改、调整及优选的依据，并可由此对产品的维修费用以至全寿命运行费用做出估计。

包括元件可靠性预测和系统可靠性预测。

（1）元件可靠性预测包括以下两种方法：

实验统计法―通过模拟实验，确定元件在任何规定的使用时间内的可靠性。

经验法―查可靠性手册或根据类似元件的使用经验积累的可靠性数据，考虑在新产品设计中的使用条件，估计出元件的可靠性水平。

（2）系统的可靠度主要取决于元件的可靠度和元件的组合方式两个因素。最基本的组合方式为串联和并联，串联系统的可靠度R，等于各组成单元可靠度Ri的乘积。

4.3 优化指标

设某个产品共有m个可行的方案，每个方案都选定n个评价指标；Kij为第i个方案中第j项评价指标值；Kmaxj是第j项指标在各方案中的最大值；Wj是第j项指标的加权值，它反映了这项指标在该产品中相对于其它各项指标的重要程度，且满足：

■Wj=1 0≤Wj≤1（1）

则采i个方案的综合评价指标（即评价函数）为：

Hi=■Wj■， i=1，2，...，m（2）

求出各方案的最佳评价函数值Himax：

Hmax=max{Himax，（i=1，2，...，m）}（3）

通过（1），（2），（3）求出数据，通过下列方案进行对比选出最佳方案。

可行方案1，失效率Ki1/10-6h-1为120，成本Ki2为7千元，模块化程度Ki3是0.5，评价函数Himax是-0.46，权重系数Wj为0.5。

可行方案2，失效率Ki1/10-6h-1为170，成本Ki2为4千元，模块化程度Ki3是0.8，评价函数Himax是-0.37，权重系数Wj为0.3。

可行方案3，失效率Ki1/10-6h-1为180，成本Ki2为4千元，模块化程度Ki3是0.7，评价函数Himax是-0.42，权重系数Wj为0.2。

可行方案4，失效率Ki1/10-6h-1为210，成本Ki2为3千元，模块化程度Ki3是0.5，评价函数Himax是-0.50.