機電一體化總體設計

李恩平 成學武

（中國有色〈沈陽〉泵業有限公司，遼寧 沈陽 110144）

1 主體機械結構

主體機械結構方案包括：機械的主要幾何尺寸確定、布局、作業空間的確定、運動自由度數的確定。

機床主體在設計時候要遵循以下幾點原則：

明確——結構方案應能明確體現各個方面的設計指標。首先是所選方案的工作原理要明確，才能使所設計的結構能可靠地實現所要求的目標；其次，要明確工作條件，如載荷情況和運行速度；還要明確作業空間參數和使用條件。

簡單——滿足設計目標要求的條件下，系統結構盡量簡單。

安全可靠——包括機器的工作安全性和操作安全性兩方面內容，是總體結構方案設計必須考慮的內容。

例如，在機械行業中最有名氣的車床CA6140，它在主體設計時車床的床身、床腳、油盤等采用整體鑄造結構，剛性高，抗震性好，符合高速切削機床的特點；車機床潤滑系統設計合理可靠，車頭箱、進給箱、溜板箱均采用體內飛濺潤滑，并增設線泵、柱塞泵對特殊部位進行自動強制潤滑。

2 驅動方案設計

直線驅動元件直接驅動：

直線步進電機其結構比較復雜，傳感器采用磁電式或直接開環控制，控制特點是使用專用傳感器，開環控制位置精度高，低速振動較大，直線步進電機適用場合為并聯機器人，成本較高。

氣壓缸結構簡單，傳感器是直接型位移傳感器，控制特點是使用氣壓控制閥控制，快速性好，負載能力差，適用場合為包裝機，成本較低。

液壓缸，結構較復雜，傳感器為直接型位移傳感器，控制特點是使用電液伺服閥控制，快速性好，負載能力強，適用場合為并聯機器人和包裝機，成本較高。

3 控制系統方案設計

機床的控制系統是非常重要的，如果沒有控制系統，那么機床就是一個不完整的，說嚴重一些就是一個廢品，那么機床也不可能為人們服務了。

機床控制系統按原理分為：開環、半閉環和閉環控制。

開環控制系統也就是沒有反饋元件。

閉環控制系統是有反饋元件，反饋元件直接安裝在最終的運動部件上。

半閉環控制系統是檢測元件安裝在機床的中間環節上。

4 可靠性設計

4.1 可靠度函數與失效概論

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

4.2 系統可靠性

可靠性預測，通過預測，對新產品設計的可靠性做出估計，提供方案修改、調整及優選的依據，并可由此對產品的維修費用以至全壽命運行費用做出估計。

包括元件可靠性預測和系統可靠性預測。

（1）元件可靠性預測包括以下兩種方法：

實驗統計法—通過模擬實驗，確定元件在任何規定的使用時間內的可靠性。

經驗法—查可靠性手冊或根據類似元件的使用經驗積累的可靠性數據，考慮在新產品設計中的使用條件，估計出元件的可靠性水平。

（2）系統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因素。最基本的組合方式為串聯和并聯，串聯系統的可靠度R，等于各組成單元可靠度Ri 的乘積。

4.3 優化指標

設某個產品共有m 個可行的方案，每個方案都選定n 個評價指標；Kij為第i 個方案中第j 項評價指標值；Kmaxj是第j 項指標在各方案中的最大值；Wj是第j 項指標的加權值，它反映了這項指標在該產品中相對于其它各項指標的重要程度，且滿足：

則采i 個方案的綜合評價指標（即評價函數）為：

求出各方案的最佳評價函數值Himax：

通過（1），（2），（3）求出數據，通過下列方案進行對比選出最佳方案。

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，評價函數Himax是-0.46，權重系數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，評價函數Himax是-0.37，權重系數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，評價函數Himax是-0.42，權重系數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，評價函數Himax是-0.50.