机电一体化系统的可靠性设计

摘要:本文结合笔者的多年工作经验,对机电一体化系统的构成及关键技术进行了简要的分析,并就机电一体化系统的几种可靠性设计进行了探讨｡
机电一体化概念始于70年代,是根据英文Mechanics(机械学)的前半部分和Electronics(电子学)的后半部分而构成的,即Mechatronics｡在80年代由美国机械工程协会专家组定义为:“由计算机信息网络协调控制的,用于完成包括机械力､运动和能量流等动力学任务的机械和(或)机电部件相互联系的系统”｡
机电一体化技术,是由微电子技术､计算机技术､伺服传动技术与机械技术相结合的综合性技术,是微电子技术､计算机技术向机械技术不断渗透的产物｡机械技术是机电一体化技术的基础｡随着高新技术引入机械行业,机械技术面临着挑战与变革｡在机电一体化产品中,它不再是完成单一的系统联接,而是在系统结构､重量､体积､刚性与耐用方面对机电一体化系统有着重要影响｡目前,随着机电一体化系统所需的控制功能､控制形式､控制方式的不同和多控制过程日趋复杂,对控制系统的要求越来越高｡
1机电一体化系统的构成与关键技术
1.1机电一体化系统的构成
从构成要素上来看,机电一体化系统由机械系统(机构)､电子信息处理系统(计算机)､动力系统(动力源)､传感检测系统(传感器)､执行元件系统(如电机)等五个子系统组成｡机电一体化系统的基本特征是给”机械”增添了头脑(计算机信息处理与控制),因此是要求传感器技术､控制用接口元件､机械结构､控制软件水平较高的系统｡
从所要实现功能上来看,因为机电一体化系统(或产品)是由若干具有特定功能的机械与微电子要素组成的有机整体,要有满足人们使用要求的功能(目的功能),所以根据不同的使用目的,要求系统能对输入的物质､能量和信息(即工业三大要素)进行某种处理,输出所需要的物质､能量和信息｡因此,系统必须具有以下三大“目的功能”:①变换(加工､处理)功能;②传递(移动､输送)功能;③储存(保持､积蓄､记录)功能,不管是实现哪类“目的”功能的系统(或产品),其系统内部必须具备如下图所示的五种内部功能,即主功能､动力能功能､检测功能､控制功能､构造功能｡其中“主功能”是实现系统“目的功能”直接必需的功能,主要是对物质､能量､信息或其相互结合进行变换､传递和存储｡“动力功能”是向系统提供动力､让系统得以运转的功能｡“检测功能和控制功能”的作用是根据系统内部信息和外部信息对整个系统进行控制,使系统正常运转,实施“目的功能”｡而“构造功能”则是使构成系统的子系统及元､部件维持所定的时间和空间上的相互关系所必需的功能｡从系统的输入/输出来看,除有主功能的输入/输出之外,还需要有动力输入和控制信息的输入/输出｡此外,还有因外部环境引起的干扰输入以及非目的性输出(如废弃物等)｡
既然机电一体化系统(产品)可以分解成一系列要素或子系统构成,那么怎样使各要素或子系统之间顺利地进行物质､能量和信息的传递与交换呢?这就涉及到了接口的概念｡所谓接口就是各要素或各子系统之间的联系条件｡从系统外部看,机电一体化系统的输入/输出是与人､自然及其他系统之间的接口;从系统内部看,机电一体化系统是由许多接口将系统构成要素的输入/输出联系为一体的系统｡从这一观点出发,系统的性能在很大程度上取决于接口的性能,各要素或各子系统之间的接口性能就成为综合系统性能好坏的决定性因素｡机电一体化系统是机械､电子和信息等功能各异的技术融为一体的综合系统,其构成要素或子系统之间的接口极为重要,在某种意义上讲,机电一体化系统设计归根结底就是“接口设计”｡广义的接口功能有两种,一种是输入/输出的功能;另一种是变换､调整的功能｡
1.2机电一体化系统的相关关键技术
①机械技术:机电一体化的机械产品与传统的机械产品的区别在于:机械结构更简单､机械功能更强､性能更优越｡在设计和制造机械系统时除了考虑静态､动态刚度及热变形等问题外,还应考虑采用新型复合材料和新型结构及新型的制造工艺和工艺装置｡②传感检测技术:传感检测技术的内容,一是研究如何将各种被测量转换为与之成比例的电量;二是研究对转换的电信号的加工处理｡机电一体化系统要求传感检测装置能快速､准确､可靠地获取信息｡③信息处理技术:信息处理的发展方向是提高信息处理的速度､可靠性和智能化程度｡人工智能技术､专家系统技术､神经网络技术等都属于计算机信息处理技术的范畴｡④自动控制技术:机电一体化系统中的自动控制技术主要包括位置控制､速度控制､最优控制､自适应控制以及模糊控制､神经网络控制等｡⑤伺服传动技术:伺服传动包括电动､气动､液压等各种类型的传动装置,常见的伺服驱动系统主要有电气伺服和液压伺服｡⑥系统总体技术:机电一体化系统是一个技术综合体,它利用系统总体技术将各有关技术协调配合､综合运用而达到整体系统的最佳化｡
2机电一体化的设计过程
机电一体化的机械动力部分由一般电动机演变为控制电动机,里程碑式地引入了电子和计算机等先进技术,代替人完成机器的检测与控制等工作｡在知识经济中体现了制造业高科技化,促进了高科技产业和知识经济的发展｡它是一种用于机电产品最优设计的方法学｡它包括4个基本学科:电气､机械､计算机科学和信息技术｡

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