机电一体化设计方法

2014-03-21 15:05 作者:admin 来源:未知 浏览: 字号:

摘要:4 机电一体化设计方法 传统的设计方法和各种现代设计方法是普遍适用 的,当然也适用机电一体化产品的设计。而机电产品 的机电一体化设计方法又是现代设计方法的重要组成 部分。机电一体化是机械技术、电子技术和信息技术 的有机结合,需考虑哪些功能由机械技

4 机电一体化设计方法
        传统的设计方法和各种现代设计方法是普遍适用
的,当然也适用机电一体化产品的设计。而机电产品
的机电一体化设计方法又是现代设计方法的重要组成
部分。机电一体化是机械技术、电子技术和信息技术
的有机结合,需考虑哪些功能由机械技术实现,哪些
功能由电子技术实现,进一步还需要考虑在电子技术
中哪些功能由硬件实现,哪些功能由软件实现;存在
着机电有机结合如何实现,机、电、液传动如何匹配,
机电一体化系统如何进行整体优化等不同于传统机电
产品设计的一些特点。因此,机电一体化产品必然有
一些特有的设计方法,能够综合运用机械技术和电子
技术的特长.使其充分发挥机电一体化的优越性。
4.1模块化设计方法
    机电一体化产品或设备可设计成由相应于五大要
素的功能部件组成,也可以设计成由若干功能子系统
组成,而每个功能部件或功能子系统又包含若干组成
要素。这些功能部件或功能子系统经过标准化、通用
化和系列化,就成为功能模块。每一个功能模块可视
为一个独立体,在设计时只需了解其性能规格,按其
功能来选用,而无需了解其结构细节。
        作为机电一体化产品或设备要素的电动机、传感
器和微型计算机等都是功能模块的实例。再如交流伺
服驱动模块(AMDR)就是一种以交流电动机(AM)
或交流伺服电动机(ASM)为核心的执行模块。它
以交流电源为其主工作电源,使交流电动机的机械输
出(转矩、转速)按照控制指令的要求而变化。
    在新产品设计时,可以把各种功能模块组合起
来,形成我们所需的产品。采用这种方法可以缩短设
计与研制周期,节约工装设备费用,从而降低生产成
本,也便于生产管理、使用和维护。例如,将工业机
器人各关节的驱动器、检测传感元件、执行元件和控
制器作成机电一体化的驱动功能模块,可用来驱动不
同的关节;还可以研制机器人的机身回转、肩部关
节、臂部伸缩、肘部弯曲、腕部旋转、手部俯仰等各
种功能模块,并进一步标准化、系列化,就可以用来
组成结构和用途不同的各种工业机器人。
4.2柔性化设计方法
    将机电一体化产品或系统中完成某一功能的检测
传感元件、执行元件和控制器作成机电一体化的功能
模块,如果控制器具有可编程序的特点,那该模块就
成为柔性模块。例如,采用凸轮机构可以实现位置控
制,但这种控制是刚性的,一旦运动则难以调节。若
采用伺服电动机驭动,则可以使机械装置简化,且利
用电子控制装置可以进行复杂的运动控制,以满足不
同的运动和定位要求。采用计算机编程还可以进一步
提高该驱动模块的柔性。例如,采用凸轮机构,若想
改变原有的运动规律,则必须改变凸轮外廓的几何形
状,但若采用计算机控制的伺服电动机驱动,则只需
改变控制程序即可。
4.3取代设计方法
         取代设计方法又称为机电互补设计方法。该方法
的主要特点是利用通用或专用电子器件取代传统机械
产品中的复杂机械部件,以便简化结构,获得更好的
功能和特性。
    1)用电力电子器件或部件与电子计算机及其软
件相结合取代机械式变速机构。如用变频调速器或直
流调速装置代替机械减速器、变速箱。
    2)用PLC取代传统的继电器控制柜,大大地减
小了控制模块的重量和体积,并被柔性化。可编程序
控制器便于嵌人机械结构内部。
    3)用电子计算机及其控制程序取代凸轮机构、
擂销板、拨码盘、步机开关、时间继电器等,以弥补
机械技术的不足。
    4)用数字式、集成式(或智能式)传感器取代
传统的传感器,以提高检测精度和可靠性。智能传感
器是把敏感元件、信号处理电路与微处理器集成在一
起的传感器。集成式传感器有集成式磁传感器、集成
式光传感器、集成式压力传感器和集成式温度传感器
等。
         取代设计方法既适合于旧产品的改造,也适合于
新产品的开发。例如,可用单片机应用系统(微控
制器)、可编程序控制器(PLC)和驱动器取代机械
式变速(减速)机构、凸轮机构、离合器,代替插
销板、拨码盘、步进开关、时间继电器等。又如采用
多机驱动的传动机构代替单纯的机械传动机构,可省
去许多机械传动件,如齿轮、带轮、轴等。其优点是
可以在较远的距离实现动力传动,大幅度提高设计自
由度,增加柔性,有利于提高传动精度和性能。这就
需要开发相应的同步控制、定速比控制、定函数关系
控制及其他协调控制软件。
4.4融合设计方法
    融合设计方法是把机电一体化产品的某些功能部
件或子系统设计成该产品所专用的。用这种方法可以
使该产品各要素和参数之间的匹配问题考虑得更充
分、更合理、更经济、更能体现机电一体化的优越
性。融合法还可以简化接口,使彼此融为一体。例
如,在激光打印机中就把激光扫描镜的转轴与电动机
轴制作成一体,使结构更加简单、紧凑。在金属切削
机床中,把电动机轴与主轴部件作成一体,是驱动器
与执行机构相结合的又一实例。
    国外还有把电动机(驱动器)与控制器作成一
体的产品出售。在大规模集成电路和微型计算机不断
普及的今天,完全能够设计出传感器、控制器、驭动
器、执行机构与机械本体完全融为一体的机电一体化
产品。
    融合法主要用于机电一体化新产品的设计与开发。
4.5优化设计方法
4.5.1机械技术和电子技术的综合与优化
    随着机械结构的日益复杂和制造精度的不断提
高,机械制造的成本显著增加,仅仅依靠机械本身的
结构和加工精度来实现高精度和多功能的要求是不可
能的。而对于同样的功能有时既可以通过机械技术来
实现,也可以通过电子技术和软件技术来实现。这就
要求设计者既要掌握机械技术又要掌握电子技术和计
算机技术,站在机电有机结合的高度.对机电一体化
产品或系统予以通盘考虑,加以优化,以便决定哪些
功能由机械技术来实现,哪些功能由电子技术来实
现,并对机电系统的各类参数(机、电、光、液)
加以优化,使系统或产品工作在最优状态,体积最
小、重置最轻、功能最强、成本最低、功耗最省。常
用的优化方法有数学规划法、最优控制理论和方法、
遗传算法、神经网络等。
4.5.2硬件和软件的交叉与优化
    在机电一体化系统中,有些功能既可以通过硬件
来实现,也可以通过软件来实现。究竟应该采用哪一
种方法来实现,这也是对机电一体化产品或系统进行
整体优化的重要间题之一。这里所说的硬件应该包括
两个方面,一个是电子电路,一个是机械结构。例
如,PID控制功能可以通过模拟电路PID控制器来实
现,也可以通过计算机软件PND控制程序来实现。计
算机控制在现代工业中巳获得非常广泛的应用。计算
机软件在控制精度以及性能价格比等方面都比模拟控
制器有着明显的优越性,可以很方便地改变控制规
律,尤其当采用计算机控制多个生产过程时,上述优
点就显得更加突出。对于机械结构,也有很多功能可
以通过软件来实现。首先,在利用通用或专用电子部
件取代传统机械产品或系统中的复杂机械部件时,一
般都需要配合相应的计算机软件。另外,由于微型计
算机受字长与速度的限制,采用软件的速度往往没有
采用硬件的速度快。例如,要实现数控机床的轮廓轨
迹控制,其必不可少的一个重要功能就是插补功能.
而实现插补就有硬件插补、软件插补和软硬件结合插
补等多种方案。软件插补方便灵活,容易实现复杂的
插补运算并获得较高的插补精度。然而若采用硬件插
补,费用必然增加。但采用硬件插补,只需配合普通
微型计算机即可设计一块或几块专用大规模集成电路
芯片(专用擂补器),可以大大加快插补运算速度。
如果既要求高的擂补精度,又要求较高的插补速度,
就可采用软硬件结合的办法。
    对于由电子电路组成的硬件所能实现的功能,在
大多数悄况下既可以用硬件来实现,也可以用软件来
实现。一般来说,如必须用分立元件组成硬件,那么
不如采用软件。因为与采用分立元件组成的电路相
比,采用软件不需要底板,不需要元器件,无需焊
接,可以减少因焊接不良或脱焊而引起的故障,并且
所需的功能也易于修改。如果能用通用的LSI和VLSI
芯片组成所需电路,则最好采用硬件。因为用通用的
LSI和VLSI芯片组成的电路,不仅价廉,而且可靠
性高,处理速度快。
4.5.3机电一体化产品的整体优化
    以计算机为工具,以非线性数学规划为方法的优
化设计是普遍适用的,即首先建立机电一体化系统的
数学模型,确定变量,拟定目标函数,列出约束条
件,然后选择合适的计算方法,如搜索法、复合型
法、可行方向法、惩罚函数法、坐标轮换法、共扼梯
度法等,然后编制程序,用计算机求出最优解。但由
于机电一体化系统的复杂性,目前还无法找到一不通
用的机电一体化的数学模型对机电一体化产品进行整
体优化,而只能针对具体产品、具体问题进行优化求
解。
 

(责任编辑:laugh521521)
文章分享:

标签:
版权所有: 非特殊声明均为本站原创文章,转载请注明出处: 三晖机械科技