機(jī)電一體化總體設(shè)計(jì)

李恩平 成學(xué)武

（中國(guó)有色〈沈陽〉泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽 110144）

1 主體機(jī)械結(jié)構(gòu)

主體機(jī)械結(jié)構(gòu)方案包括：機(jī)械的主要幾何尺寸確定、布局、作業(yè)空間的確定、運(yùn)動(dòng)自由度數(shù)的確定。

機(jī)床主體在設(shè)計(jì)時(shí)候要遵循以下幾點(diǎn)原則：

明確——結(jié)構(gòu)方案應(yīng)能明確體現(xiàn)各個(gè)方面的設(shè)計(jì)指標(biāo)。首先是所選方案的工作原理要明確，才能使所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)能可靠地實(shí)現(xiàn)所要求的目標(biāo)；其次，要明確工作條件，如載荷情況和運(yùn)行速度；還要明確作業(yè)空間參數(shù)和使用條件。

簡(jiǎn)單——滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求的條件下，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單。

安全可靠——包括機(jī)器的工作安全性和操作安全性兩方面內(nèi)容，是總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)必須考慮的內(nèi)容。

例如，在機(jī)械行業(yè)中最有名氣的車床CA6140，它在主體設(shè)計(jì)時(shí)車床的床身、床腳、油盤等采用整體鑄造結(jié)構(gòu)，剛性高，抗震性好，符合高速切削機(jī)床的特點(diǎn)；車機(jī)床潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理可靠，車頭箱、進(jìn)給箱、溜板箱均采用體內(nèi)飛濺潤(rùn)滑，并增設(shè)線泵、柱塞泵對(duì)特殊部位進(jìn)行自動(dòng)強(qiáng)制潤(rùn)滑。

2 驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)

直線驅(qū)動(dòng)元件直接驅(qū)動(dòng)：

直線步進(jìn)電機(jī)其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，傳感器采用磁電式或直接開環(huán)控制，控制特點(diǎn)是使用專用傳感器，開環(huán)控制位置精度高，低速振動(dòng)較大，直線步進(jìn)電機(jī)適用場(chǎng)合為并聯(lián)機(jī)器人，成本較高。

氣壓缸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳感器是直接型位移傳感器，控制特點(diǎn)是使用氣壓控制閥控制，快速性好，負(fù)載能力差，適用場(chǎng)合為包裝機(jī)，成本較低。

液壓缸，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，傳感器為直接型位移傳感器，控制特點(diǎn)是使用電液伺服閥控制，快速性好，負(fù)載能力強(qiáng)，適用場(chǎng)合為并聯(lián)機(jī)器人和包裝機(jī)，成本較高。

3 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

機(jī)床的控制系統(tǒng)是非常重要的，如果沒有控制系統(tǒng)，那么機(jī)床就是一個(gè)不完整的，說嚴(yán)重一些就是一個(gè)廢品，那么機(jī)床也不可能為人們服務(wù)了。

機(jī)床控制系統(tǒng)按原理分為：開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)控制。

開環(huán)控制系統(tǒng)也就是沒有反饋元件。

閉環(huán)控制系統(tǒng)是有反饋元件，反饋元件直接安裝在最終的運(yùn)動(dòng)部件上。

半閉環(huán)控制系統(tǒng)是檢測(cè)元件安裝在機(jī)床的中間環(huán)節(jié)上。

4 可靠性設(shè)計(jì)

4.1 可靠度函數(shù)與失效概論

可靠度函數(shù)是產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間t 內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率，以R(t)表示；反之，不能完成規(guī)定功能的概率稱為失效概率，以F(t)表示。

4.2 系統(tǒng)可靠性

可靠性預(yù)測(cè)，通過預(yù)測(cè)，對(duì)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可靠性做出估計(jì)，提供方案修改、調(diào)整及優(yōu)選的依據(jù)，并可由此對(duì)產(chǎn)品的維修費(fèi)用以至全壽命運(yùn)行費(fèi)用做出估計(jì)。

包括元件可靠性預(yù)測(cè)和系統(tǒng)可靠性預(yù)測(cè)。

（1）元件可靠性預(yù)測(cè)包括以下兩種方法：

實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法—通過模擬實(shí)驗(yàn)，確定元件在任何規(guī)定的使用時(shí)間內(nèi)的可靠性。

經(jīng)驗(yàn)法—查可靠性手冊(cè)或根據(jù)類似元件的使用經(jīng)驗(yàn)積累的可靠性數(shù)據(jù)，考慮在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的使用條件，估計(jì)出元件的可靠性水平。

（2）系統(tǒng)的可靠度主要取決于元件的可靠度和元件的組合方式兩個(gè)因素。最基本的組合方式為串聯(lián)和并聯(lián)，串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度R，等于各組成單元可靠度Ri 的乘積。

4.3 優(yōu)化指標(biāo)

設(shè)某個(gè)產(chǎn)品共有m 個(gè)可行的方案，每個(gè)方案都選定n 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)；Kij為第i 個(gè)方案中第j 項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)值；Kmaxj是第j 項(xiàng)指標(biāo)在各方案中的最大值；Wj是第j 項(xiàng)指標(biāo)的加權(quán)值，它反映了這項(xiàng)指標(biāo)在該產(chǎn)品中相對(duì)于其它各項(xiàng)指標(biāo)的重要程度，且滿足：

則采i 個(gè)方案的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)（即評(píng)價(jià)函數(shù)）為：

求出各方案的最佳評(píng)價(jià)函數(shù)值Himax：

通過（1），（2），（3）求出數(shù)據(jù)，通過下列方案進(jìn)行對(duì)比選出最佳方案。

可行方案1，失效率Ki1/10-6h-1為120，成本Ki2為7 千元，模塊化程度Ki3是0.5，評(píng)價(jià)函數(shù)Himax是-0.46，權(quán)重系數(shù)Wj為0.5。

可行方案2，失效率Ki1/10-6h-1為170，成本Ki2為4 千元，模塊化程度Ki3是0.8，評(píng)價(jià)函數(shù)Himax是-0.37，權(quán)重系數(shù)Wj為0.3。

可行方案3，失效率Ki1/10-6h-1為180，成本Ki2為4 千元，模塊化程度Ki3是0.7，評(píng)價(jià)函數(shù)Himax是-0.42，權(quán)重系數(shù)Wj為0.2。

可行方案4，失效率Ki1/10-6h-1為210，成本Ki2為3 千元，模塊化程度Ki3是0.5，評(píng)價(jià)函數(shù)Himax是-0.50.