机电一体化总体设计

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科 技 视 界
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机 电一体化总体设计
李 恩平 成 学武
（ 中国有色（ 沈阳） 泵业有限公司 ， 辽宁 沈阳 １ １ ０ １ ４ ４ ）
【 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 Ｃ Ａ ６ １ ４ ０ ， 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 润滑系统设计 合理可靠 ， 车头箱 、 进给箱 、 溜板箱均采 用体 内飞溅润滑 ． 并 增设线泵 、 柱塞泵对 特殊部位进 行 自 动 强 制 润 滑
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。 们服务 了 可行方案 １ ， 失 效率 Ｋ ／ １ ０ 为 １ ２ ０ ， 成本 Ｋ ， 为 ７千元 ， 模块化 机床控制系统按原理分为 ： 开环 、 半 闭环和 闭环控制 。 程度 是 ０ ． ５ ， 评 价函数 凰 是 一 ０ ． ４ ６ ， 权重系数 ｗ 为０ ． ５ 。 开环控制系统也就是 没有反馈元件 。 可行方案 ２ ， 失 效率 Ｋ ｉ ／ １ ０ 为 １ ７ ０ ， 成本 Ｋ 为４ 千元 ， 模块化 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 程 度 Ｋ 。 ３ 是０ ． ８ ， 评 价函数 月 一是一 Ｏ ． ３ ７ ， 权重系数 ｗ 为Ｏ － ３ 。 件上 。 可 行方案 ３ ， 失效率 Ｋ ． Ｉ ｌ Ｏ ４ ｈ 为 １ ８ ０ ， 成本 Ｋ 为４ 千元 ， 模块化 半闭环控制 系统是检测元件安装在机床 的中间环节上 。 程度 Ｋ 。 ， 是Ｏ ． ７ ， 评价函数 日一 是一 ０ ． ４ ２ ， 权重系数 ｗ． 为０ ． ２ 。 可行方案 ４ ． 失效率 Ｋ ｔ ／ ｌ Ｏ 为２ １ ０ ． 成本 Ｋ 为３ 千元 ， 模块化
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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
求 出各方案 的最佳评价 函数值 日 一：
Ｈ￣＝ ｍａ ｘ ｛ 一 ， （ １ … ２． ． ， ｍ ） ｝ （ ３ ）
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
率单位时间 内失效数 旦
ｇｔ
与ｔ 时刻 尚存 的
有效产 品数 Ｒ （ Ｉ ） 的比称为失效 率 ， 以Ａ （ ） 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 法一通 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 验法一查可靠 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 ２ 驱动方案设计 各组 成单 元可靠 度 Ｒ ｉ 的乘积。 直线驱动元件直接驱动 ： ４ － ３ 优 化指标 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 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 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 标 ； Ｋ 。 为第 ｉ 个方 案中第 ｊ 项评价指标值 ； Ｋ ． 是第 Ｊ 项指标在各方案 大． 直线步进 电机适用场合为并联机器人 ． 成本较高 。 中的最 大值 ； ｗ 是第 ｊ 项 指标的加权值 ，它反映 了这项指标在该产 品 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 中相对 于其它各 项指标 的重要 程度 ， 且满 足： 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 （ １ ） ∑ ＝ １ ０ ≤ ≤ １ 低。 ，＝ １ 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 则采 ｉ 个方案的综合评价指标（ 即评 价函数 ） 为 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 （ ２ ） 包装机 ． 成本较高 日 ＝ ∑ Ｌ ， ｉ ＝ ｉ … ２ ｍ