第十章 机电控制工程现代设计方法简介

第五章机电控制工程的现代设计方法简介机电控制工程的现代设计方法主要有可靠性设计，优化设计，反求设计，绿色设计。

第一节可靠性设计随着科学技术的迅速发展，机电产品在国防、工业、农业、商业、科研和民用等方面的应用种类越来越多，而且都离不开电源技术和其它技术的应用。

如果在其应用中忽略了可靠性管理，机电产品的质量也不会得到保证。

可靠性是产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。

所以，可靠性是产品质量的时间指标，是产品性能能否在实际使用中得到充分发挥的关键之一。

机电产品的可靠性是设计出来的、生产出来的。

可靠性设计必须与机电产品的功能设计同步进行。

因此，设计人员必须明确可靠性设计的目的并掌握可靠性设计的方法。

1、可靠性的概念：产品在规定的条件和规定的时间内，完成规定功能的能力。

2、可靠性设计的意义可靠性设计的意义一般包括以下几个方面：政治意义：任何国家的产品的先进性和可靠性对其国际贸易、国际声誉和国际地位都有很大的影响，因此，各国政府都很重视产品的可靠性问题；经济意义：对销售而言，产品的质量和可靠性水平是其占领市场份额和获得信誉的关键性因素；对生产而言，生产设备的可靠性故障会影响生产，造成经济损失；因此，各厂家和用户都很重视产品的可靠性问题；军事意义：军用设备的可靠性直接关系到战斗的成败，人员的伤亡，甚至国家的安全，因此，各国都很重视军用产品的可靠性问题。

3、可靠性设计的指导思想可靠性设计技术是在产品的设计中采取相应的措施，以提高产品的可靠性并达到可靠性指标的一门技术。

为此应当充分注意以下几个方面：a、充分估计现有的技术水平，尽量采用成熟的、定型的、标准的原材料、元器件、电路和工艺来完成设计；b、准确掌握产品在运输、储存和使用中可能遇到的环境条件，采取相应的可靠性设计技术，以便使产品增强对环境的适应能力；c、应当充分满足设计与工艺制造、调试检测和维护使用的相互要求；d、可靠性定量活动应当贯穿于产品研制的全过程，包括可靠性分析、预计、论证、指标的确定和分配、设计、制造、调试检测和维护使用等；e、重视和加强设计阶段的可靠性管理，在设计中，必须贯彻和执行可靠性设计的技术标准和规范、产品可靠性要求事项、可靠性工作计划和可靠性审查程序等管理措施。

4、可靠性设计考虑的因素（1）元器件的选择元器件是机电产品可靠性的基础之一，很多机电产品的失效是由于元器件的性能和质量问题造成的。

（a）根据产品要实现的功能要求和环境条件，选用相应种类、型号规格质量等级的元器件, 重要的关键件应选用军用级以上元器件；例：将料位仪的电磁继电器改用固态继电器（b）在设计中，尽量采用固体组件，使分立元器件减少到最小程度。

其优选序列为：大规模集成电路-中规模集成电路-小规模集成电路-分立元器件(c) 尽量减少元器件规格品种，增加元器件的复用率，使元器件品种规格与数量比减到最小程度。

（d）对非标准的元器件要进行严格的验证，使用时要经过批准；（e）根据国家或本单位的元器件优选手册选用。

（2）降额设计降额设计的依据：电子元器件在使用或贮存过程中，总存在着某种比较缓慢的物理化学变化。

这种变化发展到一定程度时，会使元器件的特性退化、功能丧失，即失效了。

而这种变化的快慢，与温度和施加在元器件上的应力大小直接相关。

为此，应当对元器件实行降额设计。

降额设计就是使元件在低于其额定应力情况下工作。

影响计算机系统运行可靠性的应力有：电应力（电压、电流、功率和频率等）、温度、机械应力（振动、冲击等）。

当工作应力高于额定应力时，失效率就增加。

例如金属膜电阻，当温度不变（70）时，若功率降低50%，其失效率就降低两个数量级；云母电容器的环境温度降低50%，电压降低30%，其失效率降低三个数量级。

因此，合理的降额是提高元器件和零部件可靠性的有效办法。

（3）三防设计任何机电产品都是在一定的环境下工作的，而潮湿、盐雾和霉菌会降低材料的绝缘强度，引起漏电，从而导致故障。

因此，必须采取防止或减少环境条件对机电产品可靠性影响的各种方法，以保证机电产品工作中的性能。

防潮设计。

防潮设计的原则如下：（a）采用吸湿性小的元器件和材料；（b）采用喷涂、浸渍、灌封、憎水等处理；例：料位仪的防潮处理，在电路板上刷防潮清漆。

（c）局部采用密封结构；（d）改善整机使用环境，如采用空调、安装加热去湿装置。

例：废水应急系统中对整个设备加装放雨装置防霉设计。

防霉设计的原则如下：（a）采用抗霉材料，例如无机矿物质材料；（b）采用防霉剂进行处理；（c）控制环境条件来抑制霉菌生长，例如采用防潮、通风、降温等措施。

防盐雾设计。

防盐雾设计的原则如下：（a）采用防潮和防腐能力强的材料（b）采用密封结构；（c）岸上设备应当远离海岸。

（4）抗震设计任何机电产品都要经过从厂家到用户的装运过程，特别是在振动场合下应用的机电产品，必须采取防止或减少振动环境条件对机电产品可靠性影响的各种方法，以保证机电产品工作中的性能。

为此应当充分注意以下几个方面：（a）印制板上各元器件引脚线长应当尽量短，以增加抗振动能力；（b）印制板应当竖放并进行加固；（c）较重的器件应当进行加固；（d）悬空的引线不宜拉的过紧，以防振动时断裂；（e）运输机电产品时，应当加强防震措施；（f）振动场合应用的机电产品，应当采用防震措施。

（5）电磁兼容性设计电磁兼容性是指电子设备在电磁环境中正常工作的能力。

电磁干扰是对电子设备工作性能有害的电磁变化现象。

电磁干扰不仅影响电子设备的正常工作，甚至造成电子设备中的某些元器件损害。

因此，对电子设备的电磁兼容技术要给予充分的重视。

既要注意电子设备不受周围电磁干扰而能正常工作，又要注意电子设备本身不对周围其他设备产生电磁骚扰，影响其他设备正常运行。

第二节、优化设计1、优化设计的概念机电控制工程的优化设计是对工程中的机械结构设计选择适当的最优化方法，对相关的实验采用优化的方案，对相关的过程进行优化控制。

其要点是：（1）适当的最优化方法（2）是指详细设计时的优化（3）优化主要包括机械结构优化、实验优化和控制方案的优化2、优化设计的经济效果(1) 可以降低产品成本，提高它的性能;(2) 优化设计过程中所获得的大量数据，可以帮助我们摸清各项指标的变化规律，有利于对今后设计结果作出正确的判断，从而不断提高系列产品的性能;(3) 用优化设计方法可合理解决多参数多目标的复杂产品设计问题3、机械结构优化的方法（1）一维优化法（2）无约束多维优化法（3）约束优化法（4）多目标优化法（5）模糊优化法（6）遗传优化法4、实验方案的优化例：声发射料位仪故障信号采集实验的优化例：开箱原理的实验优化5、控制方案的优化例：微机配料中料斗开关门控制的优化例：开箱上机器手移动过程控制的优化第三节反求设计1、反求设计的概念反求设计就是对已有的产品或技术进行分析研究，掌握其功能原理，零部件的设计参数、材料、结构、尺寸、关键技术等指标，再根据现代设计理论与方法，对原产品进行仿造设计，改进设计或创新设计。

反求设计是一个国家发展科学技术及提高工艺水平的一个重要手段。

2、反求设计分类(1) 仿造设计：完全按照引进产品进行设计、制造的产品，这些产品与引进产品基本相同。

(2) 改进设计：在对原产品分析研究的基础上，进行局部的改造性设计，其性能与特征基本和原产品相同，但局部性能有所改善。

(3) 创新设计：以原产品为基础，充分运用创新的设计思维与创新技法，设计、制造出优于原产品的新产品，这是最好的一种反求设计。

如日本的SONY 公司从美国引进晶体管专利技术后，进行反求创新设计，研制出了我们现在使用的晶体管收音机，日本的汽车、摩托车也是如此。

这样为日本成为世界经济强国奠定了基础。

3、反求设计的步骤计算机辅助的反求设不仅可以提高产品质量，而且还可以缩短产品的设计与制造周期，它一般包括以下几个步骤：(1) 数据的采集：在反求设计过程中，数据的测绘与收集特别重要，一般利用三坐标测量仪、3D数字测量仪、激光扫描仪、高速坐标扫描仪或其他测量仪器来测量原产品的形体尺寸以及位置尺寸，就是将原产品的几何模型转化为测量点数据组成的数字模型。

(2) 数据处理：利用计算机中的数字化数据处理系统，将大量的测量点数据进行编辑处理，删除奇异数据点，增加补偿点，进行数据点的优化、平顺等工作。

(3) 建立CAD模型：通过三维建模、曲线拟合、曲面拟合、曲面重构方法及理论建立相应的CAD 几何模型。

(4) 数控加工：通过数模编辑出NC 代码后，对有关数据进行刀具轨迹编程，产生刀具轨迹，进行数控加工。

为了保证NC 加工质量，实现加工过程中的质量控制，CAM 系统可生成测头文件及程序，用于联机NC 检验。

第四节绿色设计1、绿色设计的概念（1）绿色技术：(Green Technology GT)或西方称之为“环境友善技术(Environmental Sound Technology-EST)，是减轻环境污染或减少原材料、自然资源使用的技术、工艺或产品的总称。

（2）绿色设计：绿色设计就是以绿色技术为原则所进行的产品设计，绿色产品设计要求产品在制造过程中节省资源；使用过程中节省能源、无污染；产品报废后便于回收和再利用。

（3）绿色设计的步骤：满足环境目标→满足功能要求→满足使用寿命、质量的要求。

（4）绿色设计与传统设计的根本区别：绿色设计要求设计人员在设计构思阶段就要把降低能耗、易于拆卸、再生利用和保护生态环境与保证产品的性能、质量、寿命、成本的要求列为同等的设计目标，并保证在生产过程中能够顺利实施。

2、绿色设计的核心与框架（1）绿色设计的核心：绿色设计的核心是“3R”，即Reduce(减少)、Recycle(再生)和Reuse(重新使用)，不仅要尽量减少物质和能源的消耗、减少有害物质的排放，而且要使产品及零部件能够方便地分类回收并再牛循环或重新利用。

绿色设计不仅是一种技术层面的考虑，更重要的是一种观念上的变革，要求设计师放弃那种过分强调产品在外观上标新立异的做法，而将重点放在真正意义上的创新上来，以一种更为负责的方法去创造产品的形态，用更简洁、长久的造型使产品尽可能地延长其使用寿命。

（2）绿色设计的总体框架产品的功能：从产品的功能上考虑绿色产品设计主要是为了使产品的功能更加合理，其基本思想是详细地分析产品的功能以确定什么是最基本的功能特性，进而评价这些功能的实现是否消耗了比较少的材料和能源，对环境造成了比较小的负荷。

产品的结构：从产品的结构上考虑绿色产品设计主要是为了使产品的结构更加合理。

产品的生命周期：生命周期指从产品的设计、生产、销售、使用到报废的整个过程。

从产品的生命周期上考虑绿色产品设计主要是为了得到产品在整个产品生命周期内资源消耗、环境负荷和工作环境影响的总体描述。