第6章机电一体化系统总体设计.ppt

1、第6章 机电一体化总体设计,6.1 静态设计方法 6.2 动态设计方法 6.3 精度设计 6.4 可靠性设计 思考题,回目录,6.1 静态设计方法,6.2 动态设计方法,6.3 精度设计,6.4 可靠性设计,6.4.1 可靠性的基本概念 6.4.2 保证产品可靠性的方法 6.4.3 干扰和抗干扰技术 6.4.4 软件可靠性技术,6.4.1 可靠性的基本概念 一般而言，机电一体化设备经常处于相当重要的位置，或者为工作母机，加工各种精密、复杂的零件，或者将某种生产设备始终保持在某种运行状态。在工作过程中，如果出现故障，就有可能在经济上造成相当大的损失。因此，就一台机电一体化装置来说，人们首先关心的

2、是其是否稳定可靠，而当系统出现故障时，如何尽快地找出故障发生的原因和部位并排除故障。这就是机电一体化系统的可靠性与故障诊断技术。 一. 什么是可靠性？,国标GB318782“可靠性基本名词术语及定义”对可靠性的定义为：产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。它包括四项内容， 1产品 即可靠性研究的对象，它可以是一个零件、一台设备或一个由若干个零部件或设备组成的系统。 2规定的条件 这些条件包括运输条件、存储条件和使用条件，如载荷、温度、压力、湿度、辐射、振动等。此外，使用方法、维修方法和操作人员的技术水平等对设备或系统的可靠性也有很大影内。,3规定的时间 可靠性是有时间要求的，产品

3、只能在一定的时间内达到目标的可靠度。规定时间长短不同，产品的可靠性也不同。这里的时间是广义的，不单指小时、天数等，根据产品的不同，有时可能是应力循环数、转数或里程数等相当于时间的量。 4规定的功能 “规定的功能”就是能够连续地保持产品的工作能力，使各项技术指标符合规定值。如果产品不能完成规定的功能，就称为失效。对于可修复的产品，也称为故障。失效(或故障)是一种破坏产品工作能力的事件，失效越频繁，可靠性就越低。,二. 可靠性指标 “可靠性指标是可靠性量化分析的尺度。可靠性研究的对象是以时间为变量的随机事件，因此要使用概率统计方法。为了定量地研究可靠性，常根据不同产品的性质或不同的考察目的，选择某

4、个统计尺度，作为描述该系统或产品可靠性的指标，这种指标又叫可靠性的特征量。 1故障分布函数和故障密度函数 由于故障率是随时间变化的随机事件，因此可以把产品在规定的条件下，在0，t)的时间间隔内，产生故障的概率用函数F(t)来表示。根据故障的性质可知F(t)满足下式；,由上式可见，产品或系统在开始时刻是没有故障的，经过足够长的时间运行，将必然会发生故障。可见F(t)符合概率分布函数的条件，一般称为故障(概率)分布函数。 根据概率密度函数的定义，可定义,称f(t)为故障密度函数。,2可靠度R(t) 可靠度是指系统、设备、元件等在规定的条件和规定的时间内完成规定功能的概率。由一定时间间隔0，t)内产

5、生故障的概率F(t)，可靠度可表示为：,3平均寿命Ta 即可靠度函数的平均值(数学期望值倒)。即,平均寿命一般有两种常用的形式：发生故障的平均时间MTTF(Mean Time To Failure)，一般用于不可,维修的产品，指产品失效前使用时间的平均值；故障平均间隔时间MTBF(Mean Time Between Failure)，一般用于可维修的产品，指产品在两次故障之间正常工作的平均时间，机电一体化系统的可靠性常用这个特征量作指标。 4失效率 又称故障率，指产品在t时刻没有发生故障而在t之后的dt时间内发生故障的条件概率，即,失效率被广泛地用来表示系统，尤其是器件的可靠性。例如某型号滚动

6、轴承的失效率为0.05/10 h=,5x10 /h，表示10 个轴承中每小时有5个失效。 5有效度(可利用率) 实际使用的机电一体化系统都是可维修的，因此在考虑可靠性时，必需把维修的难易程度考虑进去，这里引入维修度的概念，它定义为可维修的设备在规定条件下进行维修时，在规定时间内完成维修的概率。维修度函数的平均值即产品平均修理时问，一般用MTTR表示。 如果把MTBF看作设备可能工作的时间，把MTTR看作设备不能工作的时间，那么可能工作时间与总时间之比为设备的平均有效度A。,平均有效度反映了设备能正常使用的能力，是衡量设备可靠性的又一个重要指标。 三. 可靠性预测 一台设备或一个系统设计完成以后

7、，必须预测其整体的可靠性，看它是否能达到预定的要求，这就是可靠性预测。预测的结果，如果是可靠性达不到指标，就必须选用可靠性更高的元件，进一步考虑提高可靠性的措施，以至修改设计。,可靠性预测包括元件的可靠性预测和系统的可靠性预测。元件的可推性预测一般有两种方法； 1试验统计法。通过模拟实验，确定元件在任何规定的使用时间内的可靠性。 2经验法。查可靠性手册或根据类似元件的使用经验积累的可靠性数据，考虑在新产品设计中的专用条件，估计出元件的可靠性水平。 系统的可靠性取决于元件的可靠性和元件的组合方式两个因素。最基本的组合方式为串联和并联模型，更复杂的系统模型可以从这两种基本模型引申出来。,四. 可靠

8、性指标的分配 将系统要求的可靠性指标合理地分配到系统的各个组成单元，从而明确对各组成单元的可靠性设计要求，最终落实系统的可靠性指标。主要有以下几种分配方法： 1等同分配法。按照各组成单元可靠度相等的原则分配。 2按比例分配法。其分配原则是按照各组成单元的预计失效率的比例进行分配。 3按重要性分配法。考虑各组成单元的重要程度、复杂程度及工作时间等差别的分配方法。,4最优化分配法。根据系统中起主导作用的特性参数的优化目标和各种限制性的约束条件选取最优化分配方案。,6.4.2 保证产品可靠性的方法 保证产品具有必要的可靠性是一个综合性问题，不能单纯依靠某一特定的方法。在保证产品可靠性的方法中，提高产

9、品的设计和制造质量是最根本的方法，它的作用是消除故障于发生之前，或者降低故障率。但从某种意义上来讲，由于故障是一种随机事件，因而是不可避免的。在这种情况下，冗余技术就成为保证产品可靠性的一种重要方法；诊断技术则可以把已经出现的或即将出现的故障及时暴露出来，以便迅速修复。因此，诊断技术的作用就在于及时发现故障，以便缩短修理时间，提高产品的有效度。,(1)提高产品的设计和制造质量。保证产品的可靠性，要从设计和制造入手，在保证实现各种基本性能指标的同时，还要保证可靠性。在设计过程中，要进行可靠性分析，估计系统和单元中各种引起失效的可能因素，采取必要的可靠性措施，以降低产品的故障率。这时可以采用可靠性

10、预测的方法，对各种可靠性指标进行估计。制造阶段中的原材料和制造工艺，都要保证完全达到各项设计指标。最后，可对产品进行可靠性试验，以便确定实际产品的可靠性指标。对于可靠性要求特别高的产品，除可采用冗余技术和诊断技术，还可采用下述几种方法。,裕度法：对于关键性的产品，可以加大设计的安全系数，以保证一定的可靠性储备。 自适应控制：在产品设计中，利用机电一体化技术的优势，使产品(或系统)具有自适应、自调整、自诊断甚至自修复的功能，可以大大提高产品的可靠性。自适应和自调整等自动化技术，能使机器具有适应工作条件经常变化的功能(对外界的作用作出反应)，以及恢复丧失了的工作能力的功能，使产品不仅具有完成规定功

11、能的能力，而且能够长时期地保持这种能力。 此外，在设计阶段就应考感到在使用阶段如何保证产品可靠性的问题，应规定适当的环境条件、维护,保养条件和操作规程。产品结构应具有良好的维修性，如易损件应便于更换、故障应便于诊断、容易修复等。 (2)冗余技术。冗余技术又称储备技术。它是利用系统的并联模型来提高系统可靠性的一种手段。冗余有工作冗余和后备冗余两类。 工作冗余：又称工作储备或掩蔽储备，是一种两个或两个以上单元并行工作的并联模型。平时，由各个单元平均负担工作应力，因此工作能力有冗余。只有当所有的单元都失效时系统才失效，如果还有任何一个单元未失效，系统就可靠地工作，不过这个单元要负担额定的全部工作应力

12、。,后备冗余：又称非工作储备或待机储备。平时只需一个单元工作，另一个单元是冗余的，用于待机备用。这种系统必须设置失效检测与转换装置，不断检测工作单元的工作状态，一旦发现失效就启动转换装置，用后备单元代替失效的工作单元。 在设计中，究竟采用哪种冗余方法为好，要根据具体情况作具体分析。如果失效检测和转换装置绝对可取，则后备冗余的可靠度比工作冗余法高，如果不绝对可靠，就宁肯采用工作冗余法，因工作冗余系统还有一个优点，就是由于冗余单元分担了工作应力，各单元的工作应力都低于额定值，因此其可靠度比,备用系统,并联系统,表决系统,预定值高。产品设计必须考虑环境条件和工作条件的影响。例如，如果多个工作单元同时

13、工作，因每个工作单元的温升而产生系统所不能容许的温升时，最好采用后备冗余法。又如系统的电源有限，不足以使冗余单元同时工作，也以采用后备冗余法为好。 通常，机械系统很少采用冗余技术，而常采用裕度法来提高可靠性。例如在强度、刚度、抗振性等方面采取较大的安全系数，实现可靠性储备。当然在采用冗余技术时，还要考虑经济上的可行性和产品的体积和重量等因素。,(3)诊断技术。从本质上来看，诊断技术是一种检测技术，用来取得有关产品中产生的失效(故障)类型和失效位置信息。它的任务有两个：一是出现故障时，迅速确定故障的种类和位置，以便及时修复；二是在故障尚未发生时，确定产品中有关元器件距离极限状态的程度，查明产品工

14、作能力下降的原因，以便采取维护措施或进行自动调整，防止发生故障。诊断的过程是：首先对诊断对象进行特定的测试，取得诊断信号(输出参数)，再从诊断信号中分离出能表征故障种类和位置的异常性信号，即症兆；最后将症兆与标准数据相比较，确定故障的种类和故障位置。,测试：通常有两种测试，一是在故障出现之后，为了迅速确定故障的种类和位置，对诊断对象进行的试验性测试，这时诊断对象处于非工作状态，这种情况称为诊断测试；二是在故障发生之前，诊断对象处于工作状态，为了预测故障或及时发现故障而进行的在线测试，这种情况称为故障监测。 症兆：症兆是有助于判断故障种类和故障位置的异常性诊断信号，可分为直接症兆和间接症兆两类。

15、直接症兆是在检测产品整机的输出参数或可能出现故障的元部件的输出参数时，取得的异常性诊断信号。例如，产品的主要性能参数异常或有关机械零件的磨损量、变形量等参数变化的信号。,间接症兆是从那些与产品工作能力存在函数关系的间接参数中取出的异常性诊断信号。例如，产品的音响信号、温度变化、润滑油中的磨损产物、系统动态参数(幅频特性)等，都可作为取得间接症兆的信号。采用间接症兆进行诊断的主要优点是，可以在产品处于工作状态及不作任何拆卸的情况下，评价产品的工作能力。其缺点是，间接症兆与产品输出信号之间往往存在某种随机关系，此外，一些干扰因素也会影响间接症兆的有效性。尽管如此，间接症兆在诊断技术中还是得到了广泛

16、应用。,诊断：诊断就是将测试取得的诊断信号与设定的标准数据相比较，或利用事先确定的症兆与故障之间的对应关系，来确定故障的种类与部位。标准数据是根据产品或元部件输出参数的极限值来设定的。症兆与故障之间的对应关系，可根据理论分析或模拟仿真试验来建立，这种关系用列表形式来表示时，称为故障诊断表，有时称为故障字典。 前面简述了保证产品可靠性的方法，其中裕度法主要是一种改进硬件的措施，自适应控制法以及冗余技术和诊断技术是用硬件、软件或两者结合来保证产品可靠性的措施。,6.4.3 干扰和抗干扰技术 在机电一体化产品(或系统)中，电噪声的干扰是产生元部件失效或数据传输、处理失误进而影响其可靠性的最常见和最主

17、要的因素，这是机电一体化产品设计中不可忽视的问题之一。 (1)干扰源 一般来说，在机电一体化系统(或产品)中，用专用或通用微型计算机组成的控制器，其硬件经过筛选和老化处理，可靠性非常高，平均无故障工作时间较长。因此，引起控制器故障(失效)的原因多半不在于其本身，而在于从各种渠道进入控制器的干扰信号。,如图所示为干扰信号进入控制器的各种渠道。这些渠道可分为两大类型：一是传导型，通过各种线路传入控制器，包括供电干扰、强电干扰和接地干扰等；二是辐射型，通过空间感应进入控制器，包括电磁干扰和静电干扰等。 供电干扰：控制器一般都配备有专用的直流稳压电源，即使如此，从交流供电网传来的干扰信号仍然可能影响电

18、源电压的稳定性，并可能经过整流电源窜入控制器。这些干扰信号主要来源于附近大容量用电设备的负载变化和开、停时产生的电压波动。这些设备在起动时使电网电压瞬时降低，在停止时又产生,干扰渠道示意图,过电压和冲击电流。此外，雷电感应也会产生冲击电流。供电电网对控制器的另一种干扰是断电或瞬时断电，这将引起数据丢失或程序紊乱。 强电干扰：驱动电路中的强电元件，如继电器、电磁铁和接触器等感性负载，在断电时会产生过电压和冲击电流。这些干扰信号不仅影响驱动电路本身，还会通过电磁感应干扰其它信号线路。这种强电干扰信号能通过外部接口通道影响控制器内部I/O接口的状态，并通过I/O接口进入控制器。 接地干扰：接地干扰是

19、由于接地不当、形成接地环路产生的。如图所示接地环路的两种典型情况。,图a是由于接地点远而形成的环路，因为不同位置的接地点一般不可能电位相同，因此形成图中所示的地电位差；图b是采用公用地线中联接地而形成的环路，由于各设备负载不平衡、过载或漏电等原因，可能在设备之间形成电位差。无论哪种情况形成的电位差，都会产生一个显著的电流而干扰电路的低电平。 辐射干扰：如果在控制系统附近存在磁场、电磁场、静电场或电磁波辐射源，就可能通过空间感应，直接干扰系统中的各设备(控制器、驱动接口、转换接口等)和导线，使其中的电平发生变化，或产生脉冲干扰信号。系统附近或系统中的感性负载是最常见的,接地环路,干扰源，它的开、

20、停会引起电磁场的急剧变化，其触点的火花放电也会产生高频辐射。人体和处于浮动状态的设备都可能带有静电，甚至可能积累很高的电压。在静电场中，导体表面的不同部位会感应出不同的电荷，或导体上原有的电荷经感应而重新分配，这些都将干扰控制系统的正常运行。 (2)抗干扰措施 对于以上所述干扰，既有针对各种干扰源的性质和部位而采取的措施，也有从全局出发而采取的提高产品可靠性的措施。 供电系统的抗干扰措施：针对交流供电网络这个,干扰源所采取的抗干扰措施主要是稳(稳压)、滤(滤波)、隔(隔离)。增加电子交流稳压器。在直流稳压电源的交流进线侧增加电子交流稳压器、用来稳定220 v单向交流进线电压，可以进一步提高电源

21、电压的稳定性。 增加低通滤波器，用来滤去电源进线中的高频分量或脉冲电流。 加入隔离变压器，以阻断干扰信号的传导通路，并抑制干扰信导的强度。 在可靠性要求很高的地方，可采用不间断电源(具有备用直流电源)，以解决瞬时停电或瞬时电压降所造成的危害。 接口电路的抗干扰措施：在控制器与执行元件之间的驱动接口电路中，少不了由弱电转强电的电感性,负载，以及用来通、断电感负载的触点，这些都是产生强电干扰的干扰源。对于这种干扰，首先是采取吸收的方法抑制其产生，然后采取隔离的方法，阻断其传导。这种强电干扰，也会通过电磁感应影响控制器与检测传感器之间的转换接口电路。对于这种干扰以及从空间感应到的其它辐射干扰、也需采取隔离的办法，以免通过转换接口进入控制器。采用RC电路或二极管和稳压二极管吸收在电感负载断开时产生的过电压，以消除强电干扰。,驱动接口的光电隔离措施,差动式运算放大器抗干扰原理,接地系统的抗干扰措施：要防止