第四章机电控制系统的总体设计

第四章机电控制系统的总体设计本章教学要点和要求1、掌握机电控制系统的设计方法2、掌握机电控制系统的总体设计内容3、掌握机电控制系统的总体设计步骤第一节机电控制系统总体设计的概念一、总体设计的概念机电控制工程是一门涉及光、机、电、液等综合技术的一项系统工程。机电控制系统设计是按照机电控制的思想、方法进行的机电控制产品设计，它需要综合应用各项共性关键技术才能完成。随着大规模集成电路的出现，机电控制产品得到了迅速普及和发展，从家用电器到生产没备，从办公自动化设备到军事装备机与电紧密结合的程度都在迅速增强形成了一个纵深而广阔的市场。市场竞争规律要求产品不仅具有高性能．而且要有低价格这就给产品设计人员提出了越来越高的要求。另一方面，种类繁多、性能各异的集成电路、传感器和新材料等，给机电控制系统设计人员提供了众多的可选方案，使设计工作具有更大的灵活性。如何充分利用这些条件，应用机电控制技术开发出满足市场需求的机电控制产品，是机电控制总体设计的重要任务。系统的总体设计概念：机电控制系统的总体设计是应用系统总体技术，从整体目标出发，综合分析产品的功能要求和机电控制系统各组成模块的特性，选择最合理的模块组合方案，实现机电控制系统整体优化。第二节机电控制工程总体设计的类型和方法一机电控制工程总体设计的类型机电控制产品设计一般可分为三种类型，即开发性设计、适应性设计和变异性设计。开发性设计：是在没有参照产品的情况下进行的设计，仅仅是根据抽象的设计原理和要求，设计出在质量和性能方面满足目的要求的产品。例：最初的录像机、摄像机、电视机等的设计就属于开发性设计。开发性设计要求设计者具备敏锐的市场洞察力、丰富的想象力和广泛而扎实的基础理论知识。例：料位器就是开发性设计适应性设计：在总的方案原理基本保持不变的情况下，对现有产品进行局部更新，或用微电子技术代替原有的机械结构或成为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，以使产品的性能和质量增加某些附加值。例：电子式照相机采用电子快门代替手动调整，使其小型化、智能化；汽车的电电子式燃油喷射装置代替原来的机械控制燃油喷射装置等就属于适应性设计。适应性设计要求设计者对原有产品及相关的市场需求变化和技术进步有充分的了解和掌握，变异性设计：是在原有产品的基础上，针对产品原有缺点或新的工作要求从工作原理、功能结构、执行机构类型和尺寸等方面进行一些变异设计出新的产品以适应市场需求，增强市场竞争力。这种设计也可在设计方案和功能结构不变的情况下仅仅改变现有产品的规格尺寸，形成系列产品。变异性设计比较容易，但设计中必须注意采取措施防止因参数变化可能对产品性能产生的影响。例：印钞打孔机就是将原来的打单孔改为打双孔二机电控制工程总体的设计方法机电控制工程的总体设计的方法通常有三种：机电互补法、结合法、组合法。1、机电互补法机电互补法也叫取代法，这种设计方法是用适当的电子部件取代某些陈旧、落后产品中的复杂机械部件或功能子系统。这种方法是改造传统机械产品和开发新型产品常用的方法。例如，在某工作机械中，可用可编程控制器或微型计算机取代机械式变速机构、凸轮、离合器等控制机构，取代液压，气动控制系统，取代插销板、拨码盘、步进开关、程序鼓、时间继电器等接触式控制器以弥补机械技术的缺陷。这种设计方法不仅可以简化机械结构，而且可以改善产品的性能和质量。这种方法的缺点是跳不出原系统的框架，不利于开拓思路，尤其在开发全新的产品时更具有局限性。例：钞纸称重系统就是机电互补法2、结合法结合法就是将电子部件和机械部件结合设计新产品。采用此方法设计的产品其功能部件(或子系统)通常是专用的各要素间的匹配已得到充分考虑接口简单。例如，高速磨床主轴与电动机做成一体就是采用结合法设计磨头的例子。目前已生产出电动机与控制器做成一体的产品。设计新产品常用这种方法。3、组合法组合法就是将用结合法(或机电互补法)制成的功能模块组合成各种机电控制系统，它是一种拼接积木的设计方法。例如，将工业机器人的回转、伸缩、俯仰、摆动等功能模块系列组合成结构和用途不同的机器人。在机电控制系统设计中采用组合法,不仅可以缩短设计和制造周期，节约工装费用，而且给生产管理和使用带来方便。第三节机电控制工程总体设计的内容和步骤一、机电控制工程总体设计的内容1、收集需求及资料（1）收集需求：收集所设计产品的使用要求，包括功能、性能等方面的要求。此外还应，了解产品的极限工作环境、操作者的技术素质、用户的维修能力等方面的情况。使用要求是确定产品技术指标的主要依据。（2）了解生产单位的设备条件、工艺手段、生产基础等作为研究具体结构方案的重要依据，以保证缩短设计和制造周期、降低生产成本、提高产品质量（3）收集所设计的系统（设备）的性能指标功能性指标包括运动参数、动力参数、尺寸参数、品质指标等实现产品功能所必需的技术指标。经济性指标包括成本指标、工艺性指标、标准化指标、美学指标等关系到产品能否进入市场并成为商品的技术指标。安全性指标包括操作指标、自身保护指标和人员安全指标等保证产品在使用过程中导致因误操作或偶然故障而引起产品损坏或人身事故方面的技术指标。对于自动化程度较高的机电控制产品．安全性指标尤为重要。(4)搜集国内外有关技术资料搜集国内外有关技术资料，包括现有同类产品资料、相关的理论研究成果和先进技术资料等。通过对这些技术资料的分析比较，了解现有技术发展的水平和趋势。这是确定产品技术构成的主要依据。2、对象分析按照第三章的内容进行对象分析3、功能设计一个机电控制系统（产品）通常有多项功能，按各个功能的性质、用途和重要程度可以将其分为基本功能和辅助功能，机电控制系统的功能设计就是确定该系统的主要功能和辅助功能，以满足用户的需求。功能分类1、基本功能基本功能是产品具有的、满足某种需求的、不可缺少的效能，体现出产品的用途和使用价值，是与设计和制造产品的主要目的直接相关的功能。一个产品如果失去了基本功能，也就失去了它的使用价值。根据基本功能的定义方式不同，一个产品可以有一个或若干个基本功能。例：手表的基本功能是“显示时间”．手表如果失去这种基本功能，就不再具有使用价值；剪刀的基本功能是修剪物品；电灯的基本功能是照明；冷暖空调的基本功能有两个：夏天制冷、冬天制热，也可以将空调的这两个基本功能理解为一个基本功能——调节室温；车床的基本功能是车削工件；数控加工中心有多项基本功能，能够进行车削加工、铣削加工、钻孔、镗削、切制螺纹等，也可以将数控加工中心的这些基本功能理解为一个基本功能．即切削加工。例：微机配料系统的基本功能是将多种料按一定的配料比例配置基本功能是产品主要的、不可缺少的要素，也是设计产品的基础。2、辅助功能辅助功能与基本功能并存，是产品的次要或附带的功能。它可以使产品的功能更加完善，增加产品的特色，属于锦上添花的功能。一个产品没有辅助功能，并不失去其使用价值。例：日历表中显示日历的功能；自行车后面的书包架；轿车内的音响与空调；电视机的遥控装置；家具设计考虑搬运、库存、折叠、拆装等方面的功能，都属于产品的辅助功能。恰当地增加产品的辅助功能，产品的成本不会显著提高，但是产品的附加值却有可能大幅增加。例：微机配料系统中的班产量的统计图，配件过程图就是辅助功能4、原理设计原理设计概述产品原理设计的主要目标是：构思出能够实现产品功能要求、品质好的原理方案。即确定实现功能的原理。原理方案的拟定从质的方面决定了产品的设计水平，因此，原理设计阶段是实现产品创新，使产品的发生质变的阶段。如何寻求出最适于实现预定功能目标的原理方案，是一项复杂的、没有具体设计规律的工作。原理设计主要针对机电控制系统的主要功能提出原理性构思，通常用相关的原理图表达原理设计的构思内容。在设计科学研究过程中，人们逐渐认识到，产品机构或结构的设计往往首先由工作原理确定，而构思工作原理的关键是满足产品的功能要求。实现产品功能的原理可能有多种形式．即实现同一种功能往往可以应用不同的原理。例如可能是物理原理．或者是化学原理，或者是生物原理，或者是机械原理，等等。因此，原理设计实质上是概念设计阶段的叉一个创新设计层，对产品的创新设计具有举足轻重的意义。在总体设计的过程中往往要对原理进行实验验证原理设计包括结构原理（机械结构简图）、检测原理（传感器确定）控制原理（控制框图）三个方面例：券钞箱开箱机中对箱盖机械手的“夹紧”功能的原理设计从机械原理分析实现“夹紧”功能的原理有多种类型：①机械原理，其夹紧方式有楔块夹紧、偏心盘夹紧、弹簧夹紧、螺旋夹紧，等等；从动力原理分析②液压原理；③气动原理；④电磁原理。考虑到现场使用方便选用螺旋夹紧方式。例：料位仪中检测“位置”的原理分析声音的三要素：音调：指声音的高低，由发声体的振动频率决定响度：指声音的强弱，由发声体的振幅和发声的远近决定音色：指对声音的感觉特色，不同的发声体发出的音色不同控制原理控制原理设计就是要选择传感器、控制微处理器、和执行器。例：大张离线检测工作台的控制结构图如下：例：料位仪的控制结构示意图如下：5、总体精度分配总体精度分配是将机、电、控、检测各子系统的精度进行分配。精度分配时，应根据各子系统所用技术系统的特点进行分配，不应采取平均分配的方法，对于具有数字特征的电、控、检测子系统，可按其数字精度直接分配，对于具有模拟量特征的机、电、检测子系统，则可按技术难易程度进行精度分配。在精度初步分配后，要进行误差计算，把各子系统的误差按系统误差、随机误差归类，分别计算，与分配的精度进行比较，进行反复修改，使各部分的精度尽可能合理，总体精度分配的目标是以满足总体精度为约束，使各子系统的精度尽可能6、总体布局设计（1）总体布局设计布局设计是总体设计的重要环节。布局设计的任务是，确定系统各主要部件之间相对应的位置关系以及它们之间所需要的相对运动关系。布局设计是一个带有全局性的问题，它对产品的制造和使用都有很大影响。a、总体布局设计的基本原则①功能合理各分功能既易于实现又便于实现总功能，不论在系统的内部还是外观上都不应采用不利于功能目标的布局方案。②结构紧凑内部的结构紧凑要保证便于装配维护，外部的结构紧凑是艺术造型的良好基础③层次分明总体结构和所有部件的布置应力求层次分明，一目了然。④比例协调这一原则按艺术造型方法实现。b、系统总体布局的基本类型由形状、大小、数量、位置、顺序五个基本方面进行综合，可得出一般布局的类型：①按主要工作机构的空间几何位置，可分为平面式、空间式等；②按主要工作机构的相对位置，可分为前置式、中置式、后置式等；③按主要工作机构的运动轨迹，可分为回转式、直线式、振动式等；④按主要工作机构的布置方向，可分为水平式、直立式、倾斜式等：⑤按机架或机壳的形式，可分为整体式、组合式等。（2）人机系统设计人机系统设计是总体设计的重要部分之一，它是把人看成系统中的组成要素，以人为主体来详细分析人和机器系统的关系。其目的是提高人机系统的整体效能，使人能够舒适、安全，高效地工作。a、人机系统设计的基本要求人机系统设计应与人体的机能特性和人的生理，心理特性相适应。具体有以下要求：①总体操作布置与人体尺寸相适应；②显示清晰，易于观察，便于监控；例：人的视觉运动特性：人眼在水平方向运动比上下方向运动快，且不易疲劳。视线的习惯从左到右、从上到下移动，按顺时针方向转动。因此在设计人机的视觉界面是要充分考虑这一因素。网站中的标记（LOGO）往往都在左上角。③操作方便省力减轻疲劳；例：为了减少大张离线检测工作台的噪声，讲布局电机由两相改为三相的。④信息的检测与处理与人的感知特性和反应速度相适应。例：大张检测工作台的显示速度、网页的打开速度等。⑤安全性、舒适性好使操作者心情舒畅情绪稳定。b、人机系统的结合形式一般人机结合具体形式是有很大差别的但会有信号传递、信息处理、控制和反馈等基本功能。从工作特性来看，人机系统可分为开环与闭环两种。人操作普通机床加工零件的系统就是一个开环系统，系统的输出对系统的控制作用没有影响。而数控机床加工零件的系统中一般具有反馈回路，系统的输出对系统的控制作用有直接影响。按人在系统中扮演的角