機電一體化技術與系統(tǒng)(第章)

機電一體化技術與系統(tǒng)

（機電液一體化技術及應用）

——機械電子工程、機械制造及其自動化專業(yè)

學術型、專業(yè)型碩士選修課程浙江大學寧波理工學院鄭堤2014年春季課程簡介課程編號：無課程性質(zhì)：專業(yè)選修課學時：36學分：2適用專業(yè)：機械電子工程、機械制造及其自動化教學方式：課堂講授為主，討論+自學為輔考核方式：考查寧波大學工學院鄭堤3教學目的本課程是機械電子工程、機械制造及其自動化專業(yè)碩士研究生的專業(yè)選修課程。通過本課程的學習，使學生全面了解機械電子工程的內(nèi)涵、地位、發(fā)展與應用前景等，掌握機電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)的總體及各功能的設計分析方法，并重點掌握檢測系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)的設計理論與方法，具備分析、設計、研究機電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)的能力，為畢業(yè)后從事專業(yè)技術工作打下堅實的基礎。課程簡介第一章概論；第二章系統(tǒng)總體技術第三章機械、接口、檢測、伺服系統(tǒng)設計分析第四章計算機控制技術第五章機電一體化系統(tǒng)實例分析課程內(nèi)容主要參考書鄭堤等.機電一體化設計基礎.機械工業(yè)出版社，1997王孫安等.機械電子工程.科學出版社，2003張建民.機電一體化系統(tǒng)設計.高等教育出版社，2001機電一體化技術手冊編委會.機電一體化技術手冊.機械工業(yè)出版社，1994戎月莉編著.計算機模糊控制原理及應用.北京航空航天大學出版社，1995第一章：概論第一節(jié)機電一體化基本概念第二節(jié)機電一體化發(fā)展概況第三節(jié)機電一體化產(chǎn)品構成第四節(jié)機電一體化產(chǎn)品分類第五節(jié)機電一體化共性關鍵技術第六節(jié)機電一體化設計第一節(jié)機電一體化基本概念以機、電為主，多門技術學科相互滲透、融合過程中，逐漸形成并發(fā)展起來的新興邊緣技術學科。英文名稱：Mechatronics=Mechanical+Electronics；最早出現(xiàn)在1971年，在日本《機械設計》雜志副刊上，目前已在世界范圍內(nèi)得到普遍承認和接受。機械電子學；Electro-mechanics（北美）；Mechatronics

（InternationalJournal，荷蘭）；IEEE/ASMEAIM20xx;IEEEICMA20xx。(AIM:AdvancedIntelligentMechatronics)機電一體化乃是在機械的主功能、動力功能和控制功能上引進微電子技術，并將機械裝置與電子裝置用相關軟件有機結(jié)合而構成系統(tǒng)的總稱?！毡緳C械振興協(xié)會經(jīng)濟研究所，1983年3月。共同點：強調(diào)以機為主，機電結(jié)合。機電一體化是一種嶄新的學術思想：凡是由各種現(xiàn)代高新技術與機械和電子技術相互融合而形成的各種技術、產(chǎn)品，都應屬于機電一體化范疇——機電液、機電光、機電信、機電儀一體化。機電一體化是一個綜合的概念：產(chǎn)品、技術兩方面內(nèi)容。機電一體化產(chǎn)品屬高新技術產(chǎn)品。機電一體化技術屬高新技術，是建立在機械、微電子、計算機和信息處理、自動控制、檢測與傳感、電力電子、伺服驅(qū)動、系統(tǒng)總體等現(xiàn)代高新技術群體基礎之上的一種高新技術。但機電一體化技術不是現(xiàn)代尖端技術。突出特點：在機械產(chǎn)品中注入了過去所沒有的新技術，把電子器件的信號檢測與信息處理、自動控制等功能“揉和”到機械裝置中去，從而獲得過去單靠某一種技術無法實現(xiàn)的功能和效果。重要實質(zhì)：應用系統(tǒng)工程的觀點和方法來分析和研究機電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)，綜合運用各種現(xiàn)代高新技術進行產(chǎn)品設計與開發(fā)，通過各種技術的有機結(jié)合，實現(xiàn)產(chǎn)品內(nèi)部的合理匹配，外部的整體效能最佳。機電一體化產(chǎn)品的技術附加值隨機電結(jié)合程度的加深而提高，如圖1-1所示。單純機械技術的附加值含量越來越少，微電子技術的附加值含量卻越來越多。機械技術只有同微電子技術相結(jié)合，傳統(tǒng)的機械產(chǎn)品只有向機電一體化產(chǎn)品方向發(fā)展，才是機械工業(yè)發(fā)展的唯一出路。圖1-1產(chǎn)品技術附加值與技術構成比例的發(fā)展情況

第二節(jié)機電一體化發(fā)展概況經(jīng)歷了較長期的自然產(chǎn)生和發(fā)展過程。機電一體化這一概念出現(xiàn)之前：電子工業(yè)領域內(nèi)通信電臺的自動調(diào)諧系統(tǒng)、雷達伺服系統(tǒng)等；機械工業(yè)領域內(nèi)的數(shù)控機床、工業(yè)機器人等；70年代初，日本人對機電一體化的長期實踐和最新研究與應用成果加以系統(tǒng)地概括和總結(jié)，形成了一個比較完整的機電一體化概念和技術體系。（科學發(fā)展觀）目前，由于機械、電子、計算機與信息處理、自動控制、檢測與傳感、伺服驅(qū)動等技術的發(fā)展，機電結(jié)合的形式更加靈活，內(nèi)容更加豐富，應用更加廣泛。機電一體化產(chǎn)品已經(jīng)滲透到國民經(jīng)濟和日常工作、生活的各個領域。

電冰箱、全自動洗衣機、攝像機等家用電器；激光打印機、復印機、掃描儀等辦公自動化設備；腦CT、核磁共振成象診斷儀、纖維光束內(nèi)窺鏡等醫(yī)療器械；數(shù)控機床、工業(yè)機器人、三坐標測量機等機械制造設備；以及由微機控制正時點火、燃油噴射、排氣凈化等的交通運輸設備；．．．．．．機電一體化的目的：使產(chǎn)品具有多功能、高效率、高智能、高可靠性，同時又能省材料、省能源，并使產(chǎn)品向輕、薄、細、小、巧的方向發(fā)展，以不斷滿足人們生活的多樣化要求和生產(chǎn)的省力化、自動化需求，實現(xiàn)以往無法實現(xiàn)的功能或性能（極端環(huán)境下運行）。機電一體化通過綜合利用現(xiàn)代高新技術的優(yōu)勢，揚長補短，在提高精度、增強功能、改善操作性和使用性、提高生產(chǎn)率和降低成本、節(jié)約能源和降低消耗、減輕勞動強度和改善勞動條件、提高安全性和可靠性、簡化結(jié)構和減輕重量、增強柔性和智能化程度、提高產(chǎn)品性價比等諸多方面都取得了顯著的技術經(jīng)濟效益和社會效益。在當前激烈的國際市場競爭中，機電一體化具有舉足輕重的作用，其發(fā)展水平在很大程度上反映了一個國家的綜合實力和社會進步程度。

在2000年10月黨的十五屆五中全會上通過的《關于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十個五年計劃的建議》中明確提出：“要大力振興裝備制造業(yè)，依托重點技術改造和重大工程項目，提高設計和制造水平，推進機電一體化，為各行業(yè)提供先進和成套的技術裝備”。

在2012年7月印發(fā)的《“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中，將高端裝備制造產(chǎn)業(yè)列入重點培育發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)，并將航空裝備、衛(wèi)星及應用、軌道交通裝備、海洋工程裝備、智能制造裝備等列入重點發(fā)展產(chǎn)業(yè)，為機電一體化的研究與應用創(chuàng)造了極其廣闊的未來發(fā)展空間。

機電一體化的發(fā)展為我國進入21世紀以來的經(jīng)濟騰飛做出了重要的貢獻。目前在全球市場上，我國已成為第一大高技術產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品出口國，第一大機電產(chǎn)品出口國，第一大數(shù)控機床生產(chǎn)和消費國，第一大汽車生產(chǎn)和消費國，并于2010年在世界經(jīng)濟總量排序中躍居第二位，這其中機電一體化技術的支撐作用功不可沒。隨著科學技術的不斷進步，人類認知和探索的范圍在不斷拓寬，人類的觸角正在向極大與極小、極高與極低等極端環(huán)境下延伸。探索宇宙需要航天飛機，探索微觀世界需要微納機械，航天飛機和微納機械的設計、制造和使用均以機電一體化作為重要的基礎技術。因此，大到太空和小到納米世界的探索、開發(fā)和利用均離不開機電一體化。嫦娥三號登月探測器=著陸器+玉兔號月球車嫦娥三號登月探測器玉兔號月球車國民經(jīng)濟建設和發(fā)展迫切需要大量掌握機電一體化技術的人才去改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，推動企業(yè)轉(zhuǎn)型升級和科學發(fā)展；去研究和開發(fā)新一代具有自主知識產(chǎn)權的機電一體化產(chǎn)品，以進一步提升出口產(chǎn)品結(jié)構，保持國際市場競爭力，趕超國際先進水平。（機器換人工程）機電一體化的發(fā)展已經(jīng)顯著地改變了傳統(tǒng)的技術思想、生產(chǎn)方式和方法以及傳統(tǒng)的機電產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)結(jié)構，國民經(jīng)濟的各個領域甚至社會各個方面都因此而發(fā)生了深刻的變革。機電一體化是科學技術發(fā)展的必然趨勢，已成為21世紀的主流技術之一，是我國從“中國制造”向“中國創(chuàng)造”轉(zhuǎn)變，從制造大國發(fā)展成為制造強國，全面建成小康社會所必須依賴的重要技術。

第三節(jié)機電一體化產(chǎn)品的構成一、功能構成輸入處理輸出目的功能：滿足人們某種需要的功能。內(nèi)部功能：實現(xiàn)目的功能的產(chǎn)品自身功能構成主功能動力功能計測功能控制功能構造功能主功能構造功能動力功能計測功能控制功能與傳統(tǒng)產(chǎn)品相比，機電一體化產(chǎn)品功能更齊全，實現(xiàn)各功能的形式更靈活，手段更高明，技術更先進，效果更好。二、機電一體化基本結(jié)構要素人體是機電一體化發(fā)展的藍本：在自然環(huán)境中經(jīng)歷了長期進化；人體五大要素的匹配與協(xié)調(diào)是一種盡善盡美的體現(xiàn)。機電一體化產(chǎn)品的組成要素與功能機械本體 構造功能；動力源 動力功能；檢測與傳感裝置 計測功能；控制與信息處理裝置 控制功能；執(zhí)行機構 操作功能/主功能。機電一體化產(chǎn)品的五個基本組成要素之間并非彼此無關或簡單拼湊、疊加在一起，工作中它們各司其職，互相補充、互相協(xié)調(diào)，共同完成所規(guī)定的目的功能。在結(jié)構上，各組成要素通過各種接口及相關軟件有機地結(jié)合在一起，構成一個內(nèi)部合理匹配、外部效能最佳的完整產(chǎn)品。第四節(jié)機電一體化產(chǎn)品的分類按照機電結(jié)合程度和形式的不同，機電一體化產(chǎn)品可劃分為三類：功能附加型：在原有機械產(chǎn)品基礎上，采用微電子技術，使產(chǎn)品功能增加和增強，性能得到適當?shù)奶岣撸ㄈ缃?jīng)濟型數(shù)控機床、電子秤、數(shù)顯量具、全自動洗衣機等）。功能替代型：采用微電子技術及裝置取代原產(chǎn)品中的機械控制功能、信息處理功能甚至主功能，使產(chǎn)品結(jié)構簡化，性能提高，柔性增加（如自動照相機、電子石英鐘、線切割加工機床等）。機電融合型：是機與電在更深層次上有機結(jié)合的產(chǎn)品，其根據(jù)產(chǎn)品的功能和性能要求及技術規(guī)范，采用專門設計的或具有特定用途的集成電路和計算機軟件來實現(xiàn)產(chǎn)品中的控制和信息處理等功能，因而使產(chǎn)品功能更加強大、性能更加優(yōu)越、結(jié)構更加緊湊、設計更加靈活、成本進一步降低（如傳真機、復印機、攝象機、磁盤驅(qū)動器、CNC數(shù)控機床、機器人等）。按照其服務領域和對象的不同來分類，其分類概況如表1-1。分類具體對象舉例生產(chǎn)用機電一體化產(chǎn)品CNC機床，工業(yè)機器人，無人搬運車，F(xiàn)MS，CIMS等運輸、包裝及工程用機電一體化產(chǎn)品微機控制汽車、機車等交通運輸機具，數(shù)控包裝機，數(shù)控運輸機，數(shù)控挖掘機等儲存、銷售用機電一體化產(chǎn)品自動化立體倉庫，自動空調(diào)與制冷系統(tǒng)，自動秤量、分選、銷售及現(xiàn)金處理系統(tǒng)等社會服務性機電一體化產(chǎn)品自動化辦公設備，動力、醫(yī)療、環(huán)保及公共服務自動化設施，文教、體育、娛樂用機電一體化產(chǎn)品等家庭用機電一體化產(chǎn)品微機或數(shù)控型耐用消費品，炊事自動化設備，家庭用信息、服務設備等；智能家居科研及過程控制用機電一體化產(chǎn)品微機控制試驗臺，自動化測試儀器及設備，自動化控制儀表，微機信息處理系統(tǒng)等航空、航天、國防用武器裝備等機電一體化產(chǎn)品飛機、衛(wèi)星、航天飛機等航空、航天設備，雷達、衛(wèi)星地面接收站，自瞄火炮、導彈、激光武器等其它機電一體化產(chǎn)品自動化糧食加工、木材加工設備，自動化畜、禽飼養(yǎng)設施，微機控制耕耘、收割機械等智慧城市機械制造生產(chǎn)過程中的機電一體化技術或產(chǎn)品

生產(chǎn)環(huán)節(jié)機電一體化技術或產(chǎn)品產(chǎn)品設計CAD及其專家系統(tǒng)，PDM工藝設計成組技術、工藝數(shù)據(jù)庫、CAPP工藝裝備NC、CNC、DNC、工業(yè)機器人、FMS、CIMS等工藝實施CAM及其專家系統(tǒng)等產(chǎn)品檢驗CAT、CMM及虛擬儀器、智能化儀表、量儀等生產(chǎn)管理與市場營銷ERP、MIS、CRM（客戶關系管理系統(tǒng)）等第五節(jié)

機電一體化共性關鍵技術

共性關鍵技術：共同涉及的、必須的、核心的技術。機械技術：機電一體化的基礎技術；實現(xiàn)主功能和構造功能的主體；新材料、新工藝、新原理、新機構等不斷出現(xiàn)，現(xiàn)代設計方法不斷發(fā)展和完善，以滿足機電一體化產(chǎn)品對減輕重量、縮小體積、提高精度和剛度、改善性能等多方面的要求。

計算機與信息處理技術：信息處理技術包括信息的交換、存取、運算、判斷和決策等，實現(xiàn)信息處理的主要工具是計算機；在機電一體化產(chǎn)品中，計算機與信息處理裝置指揮整個產(chǎn)品的運行，主要實現(xiàn)控制功能；是促進機電一體化技術和產(chǎn)品發(fā)展的最活躍的因素。

檢測與傳感技術：主要實現(xiàn)計測功能；主要研究對象是傳感器及其信號檢測裝置；機電一體化要求傳感器能快速、精確地獲取信息并經(jīng)受各種嚴酷環(huán)境的考驗；目前檢測與傳感技術還不能與機電一體化的發(fā)展相適應；大力開展檢測與傳感技術的研究對發(fā)展機電一體化具有十分重要的意義。自動控制技術：包括自動控制理論、控制系統(tǒng)設計、系統(tǒng)仿真、現(xiàn)場調(diào)試、可靠運行等從理論到實踐的整個過程；難點在于自動控制理論的工程化與實用化，這是由于現(xiàn)實世界中的被控對象往往與理論上的控制模型之間存在較大差異，使得從控制設計到控制實施往往要經(jīng)過多次反復調(diào)試與修改，才能獲得比較滿意的結(jié)果。伺服驅(qū)動技術：主要實現(xiàn)操作功能或主功能；主要研究對象是執(zhí)行元件及其驅(qū)動裝置；執(zhí)行元件一方面通過電氣接口向上與微型機相聯(lián)，以接受微型機的控制指令，另一方面又通過機械接口向下與機械傳動和執(zhí)行機構相聯(lián)，以實現(xiàn)規(guī)定的動作；是直接執(zhí)行操作的技術，對機電一體化產(chǎn)品的動態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)精度、控制質(zhì)量等具有決定性的影響。系統(tǒng)總體技術：從整體目標出發(fā)，用系統(tǒng)工程的觀點和方法，將系統(tǒng)總體分解成相互有機聯(lián)系的若干功能單元，并以功能單元為子系統(tǒng)繼續(xù)分解，直至找到可實現(xiàn)的技術方案，然后再把功能和技術方案組合成方案組進行分析、評價和優(yōu)選；系統(tǒng)總體技術是最能體現(xiàn)機電一體化設計特點的技術，其原理和方法還在不斷發(fā)展和完善。

第六節(jié)

機電一體化設計

按機電一體化思想、原理和方法進行的機電一體化產(chǎn)品設計。突出體現(xiàn)在兩個方面：當產(chǎn)品的某一功能單靠某一種技術無法實現(xiàn)時，必須進行機械與電子及其它多種技術有機結(jié)合的一體化設計；（如機器人的運動及其控制）當產(chǎn)品某一功能的實現(xiàn)有多種可行的技術方案時，也必須應用機電一體化技術對各種技術方案進行分析和評價，在充分考慮同其它功能單元的聯(lián)接與匹配的條件下，選擇最優(yōu)的技術方案。（如濾波器）互補性：在某些情況下，產(chǎn)品的功能必須通過機電配合才能實現(xiàn)，這時兩種技術是相互關聯(lián)、相互補充的，具有互補性。如機械手的運動及其控制，僅靠電子裝置或機構都無法實現(xiàn)，只有兩者結(jié)合起來，并充分考慮機構的動力學特性與控制裝置硬、軟件控制性能之間的相互影響和相互補充，才能獲得最佳的實現(xiàn)方案。等效性：當多種可行的技術方案同時存在時，說明在實現(xiàn)具體功能上它們具有等效性。如在機床上加工螺紋或齒輪時，工件運動與刀具運動之間的內(nèi)聯(lián)系可以通過機械方案實現(xiàn)，也可以通過電氣方案實現(xiàn)。然而等效并非等價，誰優(yōu)誰劣，需要通過評價才能知道?？杀刃裕翰煌募夹g方案往往具有不同的參量，評價時需選擇具有相同量綱的性能指標(如成本、可靠性、精度等)，或引入新的參量（如時間、無量綱參數(shù)等）將不同的參量聯(lián)系起來，以保證各種技術方案之間具有可比性。

機電一體化產(chǎn)品設計的三種類型：開發(fā)性設計：從無到有的創(chuàng)造過程，是在沒有任何樣板可供參照的情況下，根據(jù)功能和性能要求，按照機電一體化設計原理，為滿足市場需求所進行的設計；要求設計者具備敏銳的市場洞察力、豐富的想象力和廣博而扎實的基礎理論知識。適應性設計：在原有產(chǎn)品總的方案原理基本不變的情況下，對產(chǎn)品的某些局部加以變動或改進，以增加功能、提高性能和質(zhì)量或降低成本為目的所進行的設計；要求設計者對原有產(chǎn)品及相關的市場需求變化和技術進步有充分的了解和掌握。變異性設計：在設計方案和功能結(jié)構不變的情況下，通過改變尺寸、速度、力或功率等參數(shù)，以滿足市場對產(chǎn)品規(guī)格方面的需求所進行的系列化設計；注意采取措施防止因參數(shù)變化可能對產(chǎn)品性能產(chǎn)生的影響。

原始創(chuàng)新機電一體化設計的一般性原則：在保證產(chǎn)品目的功能、性能和使用壽命的前提下，盡量降低成本。機電一體化設計并不是盲目追求“高、精、尖”，而是在充分分析用戶要求的基礎上，努力以最新的技術手段，最廉價的材料或元器件、最簡單的結(jié)構、最低的材料與能量消耗，向用戶提供最滿意的產(chǎn)品。產(chǎn)品功能的多少或強弱，往往與其復雜程度和功能成本直接相關。產(chǎn)品的操作性能與其功能的多少也有直接關系。一般來講，功能越多、越齊全，操作就越復雜，操作性能與可靠性就越差，也越容易引起操作者的不滿，因此在進行機電一體化產(chǎn)品設計時，應注意通過軟件來改善產(chǎn)品的操作性能，使機電一體化產(chǎn)品在向多功能化方向發(fā)展的同時，也向智能化和“傻瓜化”方向發(fā)展。

思考題為什么說機電一體化產(chǎn)品應是“整體結(jié)構最佳化，系統(tǒng)控制智能化，操作性能柔性化”的產(chǎn)品？等效性、互補性、可比性分析對機電一體化設計有何意義？試深入分析產(chǎn)品功能與可靠性、易操作性的關系。第二章系統(tǒng)總體設計第一節(jié)概述第二節(jié)性能指標分析第三節(jié)功能及性能指標分配第四節(jié)定量電子稱總體設計舉例第一節(jié)概述機電一體化總體設計是應用系統(tǒng)總體技術，從整體目標出發(fā)，綜合分析產(chǎn)品的功能和性能要求及各機、電組成單元的特性，選擇最合理的單元組合方案，實現(xiàn)機電一體化產(chǎn)品整體優(yōu)化設計的過程。一方面，市場競爭規(guī)律要求產(chǎn)品不僅具有高性能，而且要有低價格，這就給產(chǎn)品設計人員提出了越來越高的要求。（商品與軍品）另一方面，種類繁多、性能各異的集成電路、傳感器和新材料等，給機電一體化產(chǎn)品設計人員提供了眾多的可選方案，使設計工作具有更大的靈活性。（但同時也帶來更大難度）如何充分利用這些條件，制定出高性能價格比的總體技術方案，開發(fā)出具備市場競爭力的機電一體化產(chǎn)品，是機電一體化總體設計的主要任務。

一、總體設計的主要內(nèi)容（一）技術資料準備搜集國內(nèi)外有關技術資料，了解現(xiàn)有技術發(fā)展的水平和趨勢，確定產(chǎn)品技術構成。了解產(chǎn)品的功能、性能要求，使用對象等，確定產(chǎn)品技術指標。了解生產(chǎn)單位的各方面條件，確定產(chǎn)品具體結(jié)構方案。

（二）性能指標確定功能性指標：包括運動參數(shù)、動力參數(shù)、尺寸參數(shù)、品質(zhì)指標等實現(xiàn)產(chǎn)品功能所必需的技術指標。

經(jīng)濟性指標：包括成本指標、可靠性指標、工藝性指標、標準化指標、美學指標等關系到產(chǎn)品能否進人市場并成為商品的技術指標。

安全性指標：包括操作指標、自身保護指標和人員安全指標等保證產(chǎn)品在使用過程中不致因誤操作或偶然故障而引起產(chǎn)品損壞或人身事故方而的技術指標。

（三）總體方案擬定總體方案擬定是機電一體化總體設計的實質(zhì)性內(nèi)容，要求充分發(fā)揮機電一體化設計的靈活性，根據(jù)產(chǎn)品的市場需求、企業(yè)實際能力及所掌握的資料和技術，擬定出綜合性能最好的總體方案。

性能指標分析：找出設計重點和難點。預選各環(huán)節(jié)結(jié)構：列出各種可行的功能和結(jié)構方案。整體評價：采用優(yōu)化方法選擇最佳或較佳方案。

二、產(chǎn)品的使用要求與性能指標

產(chǎn)品的使用要求：包括功能性、經(jīng)濟性和安全性等方面的要求；技術方案設計的目標和依據(jù)；市場導向型產(chǎn)品的使用要求是在對目標市場研究和預測的基礎上，由開發(fā)者決策確定的；非標專用設備的使用要求則由用戶直接提供。產(chǎn)品的性能指標：保證產(chǎn)品滿足規(guī)定的使用要求的定量的專業(yè)技術條款；采用規(guī)定的技術術語表述形式；根據(jù)使用要求并結(jié)合生產(chǎn)者的設計和制造能力來合理確定。（一）功能性要求要求產(chǎn)品在預定的壽命期間內(nèi)有效地實現(xiàn)其預期的全部功能和性能。常用功能范圍、精度、可靠性、維修性指標來描述。1、功能范圍：任何產(chǎn)品所能實現(xiàn)的功能都有—定范圍（打印機，照相機）。功能范圍窄結(jié)構簡單開發(fā)周期短成本低；但由于適用范圍窄市場覆蓋面小產(chǎn)品批量小單臺成本增加。

確定產(chǎn)品功能范圍應考慮的因素：①用戶的使用要求；②對生產(chǎn)者在經(jīng)濟上的合理性；③市場環(huán)境；④技術難度；⑤生產(chǎn)企業(yè)的實力等。如能獲得市場需求與功能范圍之間的關系，可以采用優(yōu)化方法對功能范圍的確定做出最優(yōu)決策。

功能范圍市場需求功能范圍成本2、精度指標：產(chǎn)品實現(xiàn)其規(guī)定功能的準確程度；衡量產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標之一。一般情況下：精度↑→成本↑→價格↑→銷量↓。精度↓→成本↓→價格↓→銷量↑。精度↑→使用范圍↑→銷量↑。精度指標確定是一個多變量優(yōu)化問題，需要在確定了精度與成本、價格與銷量兩個基本函數(shù)關系后，才可進行優(yōu)化計算，做出最優(yōu)決策。成本精度/價格銷量精度3、可靠性指標產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。

規(guī)定的條件：工作條件、環(huán)境條件和儲存條件；規(guī)定的時間：產(chǎn)品使用壽命期或平均故障間隔時間；完成規(guī)定的功能：指不發(fā)生破壞性失效或性能指標下降性失效。產(chǎn)品零、部件或元、器件的可靠性對整機可靠性的影響是“與”的關系。（可靠性匹配問題）可靠性指標對成本、價格和銷量的影響與精度指標類似，也需要在確定了可靠性與成本、價格與銷量兩個基本函數(shù)關系后，才能對可靠性指標作出最優(yōu)決策。

產(chǎn)品可靠性的增高使得“規(guī)定的時間”超過產(chǎn)品市場壽命期(即產(chǎn)品更新?lián)Q代周期)時，繼續(xù)提高可靠性是沒有意義的。

4、維修性指標維修是保證產(chǎn)品有效運行，完成其規(guī)定功能的重要手段。預防性維修：當系統(tǒng)工作一定時間后，但尚未失效時所進行的檢修。修復性維修：在規(guī)定的工作期內(nèi)因出現(xiàn)失效而進行的搶修。預防性維修所花的代價(如費用、時間等)一般小于修復性維修所花的代價。把預計維修周期較短的局部或環(huán)節(jié)設計成易于查找故障、便于拆裝等便于維修的結(jié)構。維修性指標一般不會增加成本，不受其它要求的影響，因此可按充分滿足維修性要求來確定，并依據(jù)維修性指標來確定最合理的總體結(jié)構方案。

(二)經(jīng)濟性要求

用戶對獲得具有所需功能和性能的產(chǎn)品所需付出的費用方面的要求。

1．購置費用

影響購置費用的最主要因素是生產(chǎn)成本。在降低生產(chǎn)成本這一點上，生產(chǎn)者與用戶的利益是一致的，因此成本指標不象功能性指標那樣存在最佳值，而是在滿足功能性要求和安全性要求的前提下，成本越低越好。一般按價格和銷量關系定出上限，作為衡量設計是否滿足經(jīng)濟性要求的準則。設計階段降低成本的主要方法：避免“大才小用”、“大馬拉小車”。盡可能簡化結(jié)構。標準化、系列化和通用化。選用新技術、新結(jié)構、新材料、新元件和新器件。

2．使用費用

包括運行費用和維修費用。在產(chǎn)品使用過程中體現(xiàn)出來。在設計過程中，一般采取下述措施來降低使用費用：提高產(chǎn)品的自動化程度，以提高生產(chǎn)率，減少管理費用及勞務開支等。（機器換人）選用效率高的機構、功率電路或電器，以減少動力或燃料等的消耗。合理確定維修周期，以降低維護費用。

(三)安全性要求

包括對人身安全的要求和對產(chǎn)品安全的要求。

不因各種原因(如誤操作等)而危及操作者或周圍其他人員的人身安全。設置安全檢測和防護裝置。

產(chǎn)品外表及殼罩等應倒角去毛刺。

在危險部位或區(qū)域設置警告性提示燈或安全標語。

電氣連線應埋于地下或架在高空，并用鋼管加以保護。不因各種原因(如偶然故障等)而導致產(chǎn)品被損壞甚至永久性失效。設置各種保護電器，如熔斷器、熱繼電器等。

安裝限位裝置、故障報警裝置和急停裝置等。

采用狀態(tài)檢測及互鎖等方法防止因誤操作等所帶來的危害。

1981年7月4日清晨5點，日本兵庫縣川崎重工公司的汽車傳動機構車間，一臺機械發(fā)生了故障,修理工酒田寬二前去修理。當他完工后,正準備接通電源試一試剛修好的機器，慘案發(fā)生了：一個部分電路發(fā)生故障的機器人突然用兩只鐵手從酒田寬二的背后緊緊地抓住他，并把他放入工作機器中活活壓死。第二天，日本各大報刊以頭版頭條消息刊登出“日本第一次機器人殺人事件”。人們被這突如其來的事件震驚了，對被人們稱作“解放人類的工具”的機器人產(chǎn)生一種巨大的恐懼。第二節(jié)性能指標分析在產(chǎn)品的性能指標確定之后，設計工作的主要任務是選擇和設計適當?shù)慕Y(jié)構來滿足這些指標。機電一體化產(chǎn)品中某些性能指標的實現(xiàn)需要采用機械、電子等多種技術來實現(xiàn)。在進行總體設計時，首先要對性能指標進行分析，將產(chǎn)品整體功能分解成功能單元或子功能單元，以確定哪些功能單元采用機械技術實現(xiàn)，哪些采用電子技術實現(xiàn)，哪些必須采用機、電兩種技術綜合實現(xiàn)，并將性能指標合理分配到各功能單元，從而保證以最佳的結(jié)構方案實現(xiàn)產(chǎn)品的總體性能指標。一、性能指標對設計方法的影響按使用要求劃分功能性指標經(jīng)濟性指標安全性指標從優(yōu)化設計的角度劃分特征指標優(yōu)化指標尋常指標不同的性能指標，對產(chǎn)品總體設計的限定作用也不同。

特征指標是決定產(chǎn)品功能和基本性能的指標，是設計中必須設法達到并且不必顯著超出的指標。特征指標可以是工作范圍、運動參數(shù)、動力參數(shù)、精度等指標，也可以是整機的可靠性指標等。特征指標在優(yōu)化設計中起約束條件的作用。

優(yōu)化指標產(chǎn)品優(yōu)化設計中用來進行方案對比的評價指標。優(yōu)化指標一般不象特征指標那樣“達到即可”，而是在一定范圍盡可能取優(yōu)。設計中常被選作優(yōu)化指標的有生產(chǎn)成本、可靠度等。尋常指標產(chǎn)品設計中作為常規(guī)要求的一類指標，一般不定量描述。工藝性指標、人機接口指標(如宜人化操作等方而的要求)、美學指標、安全性指標、標準化指標等，通常都作為尋常指標尋常指標一般不參與優(yōu)化設計，只須采用常規(guī)設計方法來保證。一般來講，尋常指標有較為固定的范疇，而特征指標和優(yōu)化指標的選定則應根據(jù)具體產(chǎn)品的設計要求來進行。一種產(chǎn)品設計中的特征指標可能是另一種產(chǎn)品設計中的優(yōu)化指標，兩者可在一定條件下相互轉(zhuǎn)化。某些指標在要求較為嚴格，必須經(jīng)過周密設計才能達到時，應選為特征指標，而在要求較為寬松的情況下，則可選為優(yōu)化指標。在產(chǎn)品可靠性要求很高的情況下(如航空航天設備等，天宮X號)，必須采用可靠性設計方法，把產(chǎn)品的可靠度作為特征指標進行設計，嚴格地限定所有零、部件和元、器件的失效率，才能保證產(chǎn)品的可靠性要求。但是，在可靠性無明顯要求或要求較低的情況下(如兒童玩具等)，可將可靠度作為優(yōu)化指標，在達到各特征指標要求的前提下，選擇可靠度較高的方案。

二、機電一體化優(yōu)化設計的條件和方法

機電一體化設計比單一門類的設計有更多的可選擇性和設計靈活性，因為某些功能既可以采用機械方案來實現(xiàn)，也可以采用電子硬件或軟件方案來實現(xiàn)?？梢曰ハ嗵娲臋C械、電子硬件或軟件方案必然在某個層次上可實現(xiàn)相同的功能，因而稱這些方案在實現(xiàn)某種功能上具有等效性，這種等效性是可以進行機電一體化優(yōu)化設計的充分條件之一。

產(chǎn)品各組成環(huán)節(jié)的特性是相互關聯(lián)的，而且共同影響系統(tǒng)的性能，這種機、電環(huán)節(jié)互相關聯(lián)、相輔相成的互補特性，是機電一體化優(yōu)化設計的另一充分條件。

在機電一體化產(chǎn)品中，除了包含有機械和電子環(huán)節(jié)外，還可能具有涉及其它學科技術的環(huán)節(jié)，比如化學的、光學的環(huán)節(jié)等，對于這樣涉及多種學科技術的機電一體化產(chǎn)品，難以獲得一種通用的統(tǒng)一設計方法。目前，多采用多方案優(yōu)化的方法來進行總體設計，即在滿足約束條件(特征指標)的前提下，采用不同原理及不同品質(zhì)的組成環(huán)節(jié)構成多種可行方案，用優(yōu)化指標對這些方案進行比較、優(yōu)選，從而獲得滿足特征指標要求，且優(yōu)化指標最合理的總體設計方案。

列出可行方案這一步工作是創(chuàng)造性很強的工作，設計者應充分了解可能涉及的各學科領域的知識及其最新進展，正確地分析和考慮具體設計要求，創(chuàng)造性地綜合出品質(zhì)可能更為優(yōu)異的新方案。

機電一體化優(yōu)化設計要在具有等效性的功能中和具有互補性的環(huán)節(jié)中進行機械、電子、硬件、軟件等技術之間的比較和權衡。首先找出它們具有可比性的表達形式，用具有相同量綱的優(yōu)化指標(如成本、可靠度、相對精度等)對各方案進行比較。機電一體化優(yōu)化設計的基本目標是高性能、低價格，包含了技術性和經(jīng)濟性兩大類指標，通常需要采用多目標規(guī)劃的方法實現(xiàn)優(yōu)化。多目標規(guī)劃的求解策略有降維法、順序單目標法和評價函數(shù)法等幾種方法，這些方法的共同特點是，設法把多目標問題轉(zhuǎn)化成單目標問題求解，但不同的轉(zhuǎn)化方法對應著不同的求解策略。

降維法：用一個起主要作用的指標作為目標函數(shù)，而將其它優(yōu)化指標轉(zhuǎn)化為約束條件，從而使多目標優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標優(yōu)化問題。順序單目標法：首先對各優(yōu)化指標按重要程度排序，按單目標優(yōu)化方法依序求出每個指標所對應的最優(yōu)解，然后對這些單目標優(yōu)化解進行折衷處理，從而得到整體最優(yōu)解。評價函數(shù)法：首先將各優(yōu)化指標依一定關系進行組合，從而構造出一個單目標問題的目標函數(shù)，稱為評價函數(shù)，然后依據(jù)這個評價函數(shù)對各種方案進行評價，最終確定出最優(yōu)方案。（重點介紹）

評價函數(shù)的構造：平方加權法線性加權法虛擬目標法等在構造評價函數(shù)之前，需要先統(tǒng)一各指標的量綱。統(tǒng)一量綱的方法：無量綱相對化法（歸一處理）專家評分法等下面具體介紹用于構造評價函數(shù)的線性加權法及統(tǒng)一各指標量綱的無量綱相對化法。

設某產(chǎn)品共有m個可行的方案，每個方案都選定n個評價指標；為第i個方案中第j項評價指標值；是第j項指標在各方案中的最大值；是第j項指標的加權值，它反映了這項指標在該產(chǎn)品中相對于其它各項指標的重要程度，且滿足評價指標可行方案權重系數(shù)12…m…

…評價函數(shù)——則采用線性加權法所構造的第i個方案的綜合評價指標(即評價函數(shù))為：通過Kij與Kmaxj的比值實現(xiàn)了各評價指標的無量綱相對化，同時反映了不同方案中第j項指標的相對優(yōu)劣程度。

對每個方案的參數(shù)（設計變量）進行調(diào)整，使各方案的評價函數(shù)取最佳值，即D是優(yōu)化指標取值范圍邊界條件的集合（即約束條件）。

這里是以綜合評價指標最大為優(yōu)化目標，所以如果某項優(yōu)化指標期望取得較小的值，則應將其負值(即-)代入上式。采用優(yōu)化方法依次求出各方案的最佳評價函數(shù)值，然后對它們進行比較，從中選出最佳方案，其對應的評價函數(shù)值為：

下表列出了某產(chǎn)品各項優(yōu)化指標的權重系數(shù)及四種可行方案，在滿足特征指標約束條件下按式(7-3)優(yōu)化求得的最佳評價函數(shù)值。第一種方案的最佳評價函數(shù)值為：

優(yōu)化指標可行方案i權重系數(shù)1234失效率1201701802100.5成本74430.3模塊化程度0.50.80.70.50.2評價函數(shù)-0.46-0.37-0.42-0.50——三、性能指標對產(chǎn)品結(jié)構的影響

一個特征指標由一系列具有一定功能的環(huán)節(jié)按一定關系連接起來加以實現(xiàn)。實現(xiàn)特征指標的環(huán)節(jié)構成方案可用功能框圖的形式來表示。

功能框圖是用來分析各環(huán)節(jié)方案的等效性和互補性，表示各種結(jié)構方案的異同，對產(chǎn)品進行定性分析或粗略定量考察的工具。

用三種砂輪磨削速度的控制方案，說明性能指標對系統(tǒng)結(jié)構方案的影響，以及如何根據(jù)性能指標去選擇系統(tǒng)結(jié)構方案。將砂輪的磨削速度設為特征指標。不同用途的磨床，對砂輪磨削速度的穩(wěn)定性有著不同的要求。

根據(jù)磨削速度的三種不同品質(zhì)等級，可設計出三種不同的結(jié)構方案：

電動機傳動砂輪速度設定值磨削速度磨削速度速度設定值電動機傳動砂輪調(diào)速磨削速度速度設定值電動機傳動砂輪調(diào)速圖7—1砂輪磨削速度控制的三種結(jié)構方案方案1：砂輪轉(zhuǎn)速不可調(diào)整，磨削速度的變化主要是由于砂輪磨損導致直徑改變而產(chǎn)生的，變化范圍為30%。

方案2：以砂輪直徑（速度）為反饋量調(diào)整砂輪轉(zhuǎn)速，磨削速度的變化主要是由電網(wǎng)電壓波動、皮帶打滑、磨削力變化等原因而引起的，變化范圍為4%左右。如果采用同步齒形帶消除打滑，采用穩(wěn)壓器抑制電壓波動?？墒鼓ハ魉俣鹊淖兓秶抵?%左右。

方案3：在砂輪主軸上增加了轉(zhuǎn)速反饋，可將磨削速度的變化范圍控制在0.5%左右。

如果以磨削速度的變化范圍為特征指標（約束條件），以成本和可靠性為優(yōu)化目標，來選擇合理的結(jié)構方案，則可有下面幾種結(jié)果：

當磨削速度變化范圍要求可大于30%時，三種方案均可行，但按優(yōu)化指標進行評價，可確定方案1最佳（結(jié)構簡單，成本低、可靠性好）。當磨削速度變化范圍要求小于30%時，后兩種方案可行，優(yōu)化結(jié)果方案2較好（具有機電互補性，進一步進行子功能分配、性能指標分配等定量優(yōu)化工作，可得出該方案的變形方案：手動開環(huán)調(diào)整砂輪轉(zhuǎn)速）。當磨削速度變化范圍要求小于5%時，后兩種方案可行，但其綜合評價指標值相差不多，應增加優(yōu)化指標，進行定量優(yōu)化，以便最后決策。當磨削速度變化范圍要求小于1%時，只有方案3可行，但為獲得具體結(jié)構實現(xiàn)方案，還應進一步定量優(yōu)化。

結(jié)論：特征指標對產(chǎn)品的總體結(jié)構有限定作用，即限制了可采用結(jié)構的范圍；優(yōu)化指標及權重系數(shù)則是在特征指標所限定的范圍內(nèi)，作為方案選擇的依據(jù)，它們直接影響著結(jié)構方案的確定。在總體設計階段，特征指標、優(yōu)化指標及權重系數(shù)的選擇和量化是確定總體結(jié)構方案的關鍵，應給予充分的重視，確保其合理性和正確性。第三節(jié)功能及性能指標的分配經(jīng)過對性能指標的分析，得到了實現(xiàn)特征指標的總體結(jié)構初步方案。對于初步方案中具有互補性的環(huán)節(jié)，還需要進一步統(tǒng)籌分配機與電的具體設計指標（性能指標分配）；對于具有等效性的環(huán)節(jié)，還需要進一步確定其具體的實現(xiàn)形式（功能分配）。在完成這些工作后，各環(huán)節(jié)才可采用常規(guī)方法進行詳細設計。

一、功能分配具有等效性的功能；盡可能列出全部實現(xiàn)形式；組合成各種可行方案；優(yōu)化決策最終方案。以某定量稱重裝置的濾波功能為例．說明等效功能的分配方法。

控制驅(qū)動送料基座A/D放大傳感振動干擾

輸出值

給定值

圖7-2定量稱重裝置功能框圖“△”表示裝置中可建立濾波功能的位置。

可以采用三種形式的濾波器來實現(xiàn)這一濾波功能：機械濾波器(又稱阻尼器)——安裝在基座處模擬電子濾波器——置于放大環(huán)節(jié)數(shù)字濾波器——軟件形式放在控制環(huán)節(jié)這三種濾波器在實現(xiàn)濾波功能這一點上具有等效性，但它們并不是完全等價的，在濾波質(zhì)量、結(jié)構復雜程度、成本等方面它們具有不同的特點和效果。必須根據(jù)具體情況從中擇優(yōu)選擇一種最合適的方案。

通過對工作環(huán)境和性能要求進行分析，歸納出選擇濾波方案的具體條件為：在存在最低頻率為ω1、振幅為Al的主要振動干擾的條件下，保證實現(xiàn)以T為工作節(jié)拍、精度為K的稱量工作，并且成本要低。選擇成本作為該問題的優(yōu)化指標。對主要振動干擾的衰減率α1和閉環(huán)回路中所允許的時間滯后Tc作為特征指標。衰減率α1可根據(jù)干擾信號振幅A1和要求的稱量精度K計算得出；允許的滯后時間Tc可根據(jù)工作節(jié)拍T和稱量精度K計算得出。

濾波器放在不同位置，對系統(tǒng)的動態(tài)特性會產(chǎn)生不同的影響。由基座形成的干擾通道不在閉環(huán)控制回路內(nèi)，機械濾波器的衰減率及相位移不會影響閉環(huán)控制回路的控制性能，濾波器參數(shù)選擇不受特征指標的約束，不需要考慮相位特性，因而衰減率可以設計得足夠大，容易滿足特征指標α1的要求。但是由于干擾信號的最低頻率ω1較低，機械式濾波器的結(jié)構較復雜，體積較大，成本較高。

模擬式濾波器可以與放大器設計在一起，也可單獨置于放大環(huán)節(jié)之后，但不論放在哪一位置，都是在閉環(huán)回路內(nèi)。由于ω1是干擾信號的低端頻率，所以這里應采用低通濾波器。由低通濾波器的特性可知，當在控制回路內(nèi)串入低通濾波器后，將使控制系統(tǒng)的階躍響應時間增加，相位滯后增大，快速響應性能降低。因此，模擬濾波器性能的選擇受特征指標Tc的約束，不能采用高階低通濾波器，而低階低通濾波器的濾波效果又較差，往往不能單獨滿足濾波要求。

數(shù)字濾波器的算法種類較多，這里可采用算術平均值法來實現(xiàn)低通濾波。同模擬濾波器一樣，數(shù)字濾波器也在閉環(huán)控制回路內(nèi)，濾波計算需要時間，也受允許的滯后時間Tc的限制，不能采用大衰減率，且對較低頻率的干擾信號，抑制能力較弱。但數(shù)字濾波器容易實現(xiàn)，且成本較低。

三種濾波器各有特點，需采用優(yōu)化方法合理分配濾波功能，以得到最優(yōu)方案。為了討論問題方便，這里只選成本作為優(yōu)化指標，將特征指標作為約束條件，構成單目標優(yōu)化問題。由于方案優(yōu)化是離散形式的，故采用列表法較為方便、直觀。首先根據(jù)濾波器的設計計算方法，求出各種實現(xiàn)形式在滿足約束條件下的—定范圍內(nèi)的有關性能，將這些性能列成表格，按表選擇可行方案，然后再對各可行方案進行比較，根據(jù)優(yōu)化指標選擇出最優(yōu)方案。

三種濾波器的特征指標和優(yōu)化指標值如下表：其中，A、B、C、D是四個不同的品質(zhì)等級；T/T1是滯后時間與頻率為ω1的干擾信號周期之比。濾波形式項目ABCD

機械濾波器衰減率/dB-20-30-35-40T/T1————成本/元100200300500

模擬濾波器衰減率/dB-5-10-15-20T/T11.4735.510成本/元20202020

數(shù)字濾波器衰減率/dB-12-17-20-22T/T11.52.53.54.5成本/元10101010當允許的滯后時間Tc小于干擾信號周期T1時，即Tc/T1＜l時，模擬濾波器和數(shù)字濾波器都不能滿足系統(tǒng)動態(tài)特性的要求，這時只能選擇機械濾波器。若約束條件Tc/T1≤5.5，α1≤一40dB，則單個模擬濾波器和單個數(shù)字濾波器都無法滿足該約束條件，必須將濾波器組合起來(即由幾個濾波器共同實現(xiàn)濾波功能)才能構成可行方案。從表7-2中選出滿足約束條件的可行方案列于表7-3，其中總特征指標值為構成可行方案的各濾波器的相應特征指標值之和。

較佳方案3：機械濾波器和數(shù)字濾波器分別實現(xiàn)對干擾信號的衰減，衰減率均為-20dB，即，將濾波功能平均分配給機械濾波器和數(shù)字濾波器，同時還滿足另一約束條件Tc/T1＝3.5＜5.5。應當指出，表中并末列出所有可行方案，因此方案3并不一定是所有可行方案中的最優(yōu)方案。當約束條件改變時，將會得到不同的可行方案組及相應的較佳方案。

可行方案機械濾波器模擬濾波器數(shù)字濾波器總衰減率dB總Tc／T1總成本（元）1D

-40

—5002AAB-423.971303A

C-40

3.51104BB

-403220二、性能指標分配在總體方案中一般都有多個環(huán)節(jié)對同一性能指標產(chǎn)生影響，即這些環(huán)節(jié)對于實現(xiàn)該性能指標具有互補性。合理地限定這些環(huán)節(jié)對總體性能指標的影響程度，是性能指標分配的目的。在進行性能指標分配時，首先要把各互補環(huán)節(jié)對性能指標可能產(chǎn)生的影響作用范圍逐一列出。在滿足約束條件的前提下，采用不同的分配方法將性能指標分配給各互補環(huán)節(jié)，構成多個可行方案。對這些可行方案進行評價，從中選出最優(yōu)的方案。以車床刀架進給系統(tǒng)的進給精度分配為例，說明性能指標的分配方法。接力比賽中的任務分配某車床刀架進給系統(tǒng)的功能框圖如下圖。對各組成環(huán)節(jié)進行精度指標的分配。

約束條件：刀架運動的兩個特征指標——最大走刀速度vmax＝14mm／s，最大定位誤差δmax＝16μm。優(yōu)化指標：成本。

刀架絲杠減速電動機驅(qū)動數(shù)控

首先分析各組成環(huán)節(jié)誤差產(chǎn)生的原因、誤差范圍及各精度等級的生產(chǎn)成本。

刀架環(huán)節(jié)：將床身各部分的影響也都列在刀架一個環(huán)節(jié)內(nèi)，將刀架相對主軸軸線的徑向位置誤差作為定位誤差。床身各部分影響定位誤差的主要因素是床鞍在水平面內(nèi)移動的直線度。絲杠環(huán)節(jié)：絲杠螺母副的傳動精度直接影響刀架的位置誤差，可選擇的結(jié)構形式有普通滑動絲杠和滾動絲杠，分別對應著不同的精度等級。假定絲杠螺母副的傳動間隙已被消除，則傳動誤差是影響位置誤差的主要因素。

減速器環(huán)節(jié)：該環(huán)節(jié)誤差主要來自齒輪的傳動誤差，齒側(cè)間隙產(chǎn)生的誤差應采用間隙消除機構加以消除。齒輪傳動誤差需依據(jù)初步確定的參數(shù)，如絲杠導程、齒輪直徑、傳動比等，轉(zhuǎn)換成與定位誤差有相同方向和量綱的等效誤差。數(shù)控環(huán)節(jié)：包括數(shù)控裝置、驅(qū)動電路和步進電動機。步進電動機轉(zhuǎn)子實際位置對理論位置的偏移角在不失步正常運行情況下不超過土0.5個步距角。此外，由于步進電動機的控制指令是以脈沖為單位的，因此數(shù)控裝置也會產(chǎn)生土0.5個步距角的舍入誤差。這樣，數(shù)控環(huán)節(jié)可能產(chǎn)生的總誤差為土1個步距角。應將步距角轉(zhuǎn)換成刀架運動方向上的脈沖當量。由于最大走刀速度vmax限制了脈沖當量的下限，因此通常用最大走刀速度除以步進電動機的最高運行頻率來求取最小脈沖當量，并作為精度指標分配的參考值。

絲杠螺母副傳動誤差：A、B對應滾動絲杠的兩個精度等級，C、D對應滑動絲杠；齒輪傳動誤差：對應兩種可能的傳動比和兩個可能的齒輪精度等級；控制環(huán)節(jié)最小脈沖當量：按選定的兩種具有不同最高運行頻率的步進電動機確定的。組成環(huán)節(jié)指標ABCD

刀架床鞍移動直線度/μm46810

成本/千元10521絲杠螺母副

傳動誤差/μm0.5124成本/千元5321.2減速器

齒輪傳動誤差/μm11.222.5成本/千元0.60.60.30.3控制環(huán)節(jié)

最小脈沖當量/μm37

—

—成本/千元32

—

—表7-4各組成環(huán)節(jié)誤差及對應成本從表7-4中找出若干滿足最大定位誤差要求的可行方案。部分可行方案列于表7-5，總成本一欄是各可行方案的優(yōu)化指標值。若有多個優(yōu)化指標，應按式（7-2）和式（7-3）求出綜合指標值(即評價函數(shù)值)列入該欄。

可行方案刀架環(huán)節(jié)絲杠環(huán)節(jié)減速器環(huán)節(jié)數(shù)控環(huán)節(jié)總定位誤差

μm總成本（千元）1BBCB1610.32CDAA166.83DCAA16

6.64CCCA157.35BCAB169.6表7-5精度分配方案

最佳方案3：采用高頻步進電動機驅(qū)動，較高精度等級的齒輪和高精度的滑動絲杠傳動，較低精度的床身導軌支承和導向。方案選定后，對各組成環(huán)節(jié)的精度要求也就自然成為各環(huán)節(jié)進一步詳細設計的精度指標。

為何沒考慮進給速度限制？第四節(jié)定量電子秤總體設計舉例以定量電子秤的總體設計為例，進一步說明總體設計過程中所涉及的各項設計內(nèi)容之間的關系，以便對機電一體化產(chǎn)品總體設計有一個完整的概念。定量電子秤主要功能：自動配料和自動包裝。定量電子秤主要性能指標：稱量精度、工作節(jié)拍、稱量范圍、可靠性及成本等。定量電子秤為適應不同使用要求的其他性能指標：集中顯示、遠程控制等。產(chǎn)品的總體設計應圍繞這些性能指標展開。概括地說，就是依據(jù)市場有關信息和企業(yè)自身的條件確定所要設計的產(chǎn)品屬性，進而設計出相應的總體技術方案來實現(xiàn)這些產(chǎn)品屬性。

合理地制定產(chǎn)品屬性決策對于產(chǎn)品能否按預期目標進入市場至關重要。為此必須了解目標市場的供求狀況，掌握所設計產(chǎn)品的屬性需求分布、價格需求彈性、競爭者的現(xiàn)狀、潛在市場、產(chǎn)品的預計壽命周期等方面的變化趨勢。具體就定量電子秤而言，需要了解和掌握各類需要自動配料或自動包裝設備的用戶對稱量范圍、稱量精度、工作節(jié)拍、自動化程度等方面的要求，對購置費用、使用費用的承受能力，所能提供的設備工作環(huán)境，當前使用的同類設備的性能、更新周期及其生產(chǎn)者的現(xiàn)狀等。除了了解上述一些外部環(huán)境外，為了正確地做出產(chǎn)品屬性決策，還必須充分考慮生產(chǎn)企業(yè)的內(nèi)部條件，按生產(chǎn)企業(yè)的設計、制造能力和經(jīng)驗及生產(chǎn)規(guī)模等因素，對市場所需各種水平的產(chǎn)品屬性的制造成本做出正確估計，如根據(jù)本廠情況對不同稱量精度、不同稱量范圍、不同工作節(jié)拍、不同控制方式的定量電子秤的制造成本做出估計，并列表以備后續(xù)分析用。

制定產(chǎn)品屬性決策的過程也是一個優(yōu)化過程?？上葘⑸鲜隽谐龅母黜椥阅苤笜藙澐譃閮?yōu)化指標和特征指標，然后按最大利潤準則或最大市場占有率準則等，優(yōu)化確定所要設計的產(chǎn)品屬性。但這時所做出的產(chǎn)品屬性決策只是初步的，因為其中所使用的制造成本是在沒有做出詳細設計的情況下的估計值。在按初步產(chǎn)品屬性做出詳細設計后，還應按詳細技術方案的制造成本對產(chǎn)品屬性進行復查，并做出必要的修正，以保證產(chǎn)品屬性的合理性。關于產(chǎn)品屬性決策，還涉及到很多有關市場分析和銷售分析方面的內(nèi)容，請參閱有關市場營銷學方面的書籍。下面介紹在產(chǎn)品屬性已經(jīng)確定的條件下，定量電子秤的總體設計方法，即如何對產(chǎn)品屬性所規(guī)定的各種性能指標及相關功能進行分析，如何根據(jù)各功能環(huán)節(jié)的機電互補性和等效性對總體結(jié)構方案進行機電統(tǒng)一協(xié)調(diào)、統(tǒng)籌優(yōu)化。

假定通過產(chǎn)品屬性決策確定出定量電子秤的性能指標為：稱量范圍l～10kg；稱量精度0.2％；工作節(jié)拍7s；具有遠程控制功能；銷售價格低于5500元。首先根據(jù)上述性能指標選擇控制方式并確定總體結(jié)構功能框圖。定量電子秤的基本控制方式有容積開環(huán)控制、容積半閉環(huán)控制、重量開環(huán)控制和重量半閉環(huán)控制等四種，每種控制方式可達到的性能指標如表7-6所示。按性能指標要求選定重量半閉環(huán)為比較合理的控制方式，根據(jù)這一控制方式設計出定量電子秤總體結(jié)構功能框圖如圖7-2所示。

控制方式

節(jié)拍／s

精度成本/元容積開環(huán)15.0％1000容積半閉環(huán)40.7％2500

重量開環(huán)60.2％3000

重量半閉環(huán)7

0.1％

4000表7-6控制方式與性能指標控制驅(qū)動送料基座A/D放大傳感振動干擾

輸出值

給定值

這是一個單回路閉環(huán)控制系統(tǒng)，但由于送料機構只能單向工作，即只能增加物料重量而不能減少之，使得控制系統(tǒng)不能像典型的單回路閉環(huán)控制系統(tǒng)那樣有效地補償執(zhí)行機構產(chǎn)生的正反向誤差，所使用的控制算法更近似于開環(huán)控制方式，因而稱為重量半閉環(huán)控制。

在控制方式和總體結(jié)構方案選定之后，便可進行機電等效性和互補性分析，以便優(yōu)化選擇最佳的總體結(jié)構方案。

定量電子秤的精度指標是一個必須要達到但不必顯著超出的指標，因此它屬于特征指標。影響定量電子秤稱量精度的各種原因可分為外部環(huán)境干擾和內(nèi)部各構件非理想特性兩類，其中機械振動是外部干擾的主要形式。抑制機械振動干擾的方法有機械隔振、模擬濾波和數(shù)字濾波等，也就是說，抑制機械振動干擾這一功能具有等效性，應統(tǒng)籌分配該功能的機與電的具體實現(xiàn)方式。系統(tǒng)內(nèi)部影響稱量精度的環(huán)節(jié)包括電動機、送料器、傳感器、放大器、A／D轉(zhuǎn)換器、控制器等環(huán)節(jié)，其中有機械環(huán)節(jié)，也有電子環(huán)節(jié)，即具有機電互補