機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)-機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法本章內(nèi)容CONTENTS

機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法1機(jī)電一體化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程2優(yōu)化設(shè)計(jì)3有限元方法4可靠性設(shè)計(jì)5抗干擾設(shè)計(jì)6接口設(shè)計(jì)7機(jī)電一體化系統(tǒng)集成83

7.1機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，既要遵循機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)律，又要積極創(chuàng)新、設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)新穎、實(shí)用性強(qiáng)、性能好、資源消耗少、經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)品。在設(shè)計(jì)中要善于運(yùn)用過(guò)去在機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)方法，少走彎路；又要運(yùn)用先進(jìn)的設(shè)計(jì)工具，使產(chǎn)品獲得較好的性能，同時(shí)又要提高設(shè)計(jì)效率，使產(chǎn)品快速推向市場(chǎng)。隨著新材料、新能源、計(jì)算機(jī)控制、網(wǎng)絡(luò)與通訊、人工智能等技術(shù)發(fā)展，在機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要積極運(yùn)用新技術(shù)提高產(chǎn)品的性能和智能化水平。

4取代法：用某一種新功能裝置替代原產(chǎn)品中舊的功能裝置，使原有產(chǎn)品性能有較大提升，這種方法是改造傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品和開(kāi)發(fā)新型產(chǎn)品常用的方法，能大大簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，還可以提高系統(tǒng)的性能和質(zhì)量。缺點(diǎn)是跳不出原系統(tǒng)的框架，不利于開(kāi)拓思路，尤其在開(kāi)發(fā)全新產(chǎn)品時(shí)更具有局限性。組合法：利用已有的功能模塊或組件，按功能要求如同搭積木那樣組合成各種機(jī)電一體化系統(tǒng)。采用該設(shè)計(jì)方法開(kāi)發(fā)的典型產(chǎn)品有數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等。主要功能部件已經(jīng)模塊化或標(biāo)準(zhǔn)化，在設(shè)計(jì)時(shí)主要工作是選用功能部件，因此設(shè)計(jì)工作量大大減少。該方法可以縮短機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期，產(chǎn)品的使用和維修比較方便。

7.1.1

設(shè)計(jì)方法5融合法：融合法在設(shè)計(jì)時(shí)完全從系統(tǒng)的整體目標(biāo)考慮各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，所以接口簡(jiǎn)單，甚至可能互融一體。例如，某些激光打印機(jī)的激光掃描鏡，其轉(zhuǎn)軸就是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子軸，把執(zhí)行元件與運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)相結(jié)合。在大規(guī)模集成電路和微機(jī)不斷普及的今天，隨著精密機(jī)械技術(shù)的發(fā)展，完全能夠設(shè)計(jì)出將驅(qū)動(dòng)元件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器、控制以及機(jī)體等要素有機(jī)地融為一體的機(jī)電一體化新產(chǎn)品。

7.1.1

設(shè)計(jì)方法6

7.1.2

設(shè)計(jì)類(lèi)型開(kāi)發(fā)性設(shè)計(jì)：是指沒(méi)有出現(xiàn)同類(lèi)產(chǎn)品，僅僅是根據(jù)抽象的設(shè)計(jì)原理和要求，設(shè)計(jì)出在質(zhì)量和性能方面滿(mǎn)足目的要求的產(chǎn)品或系統(tǒng)。在產(chǎn)品的工作原理、主體結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)功能三者中至少有一項(xiàng)是首創(chuàng)的才可以認(rèn)為是開(kāi)發(fā)性設(shè)計(jì)。開(kāi)發(fā)性設(shè)計(jì)的過(guò)程最復(fù)雜，創(chuàng)新性強(qiáng)，例如當(dāng)初的錄像機(jī)、攝像機(jī)、電視機(jī)的設(shè)計(jì)就是屬于開(kāi)發(fā)性設(shè)計(jì)。適應(yīng)性設(shè)計(jì)：是指在工作原理和總體結(jié)構(gòu)基本保持不變的情況下對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行局部更改，或增設(shè)某種新部件，或用微電子技術(shù)代替原有的機(jī)械結(jié)構(gòu)，或?yàn)榱诉M(jìn)行微電子控制對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部修改，以改善產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。例如，在內(nèi)燃機(jī)上增加增壓器以增大輸出功率，增加節(jié)油器以節(jié)約燃料，均屬于適應(yīng)性設(shè)計(jì)。7

7.1.2

設(shè)計(jì)類(lèi)型變異性設(shè)計(jì)：是保持工作原理和功能結(jié)構(gòu)不變，僅改變結(jié)構(gòu)配置和尺寸，按新的用戶(hù)或市場(chǎng)需要作新的布局或變更尺寸參數(shù)。這種修改一般不破壞原設(shè)計(jì)的基本原理和基本結(jié)構(gòu)特征，是一種參數(shù)的修改或結(jié)構(gòu)的局部調(diào)整或兩者兼而有之，以滿(mǎn)足不斷變化的市場(chǎng)的要求。組合性設(shè)計(jì)：是指根據(jù)原理方案要求，或在已有的部分結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上從市場(chǎng)或企業(yè)現(xiàn)有的零部件中選取，進(jìn)行有效組合，從而得到新的結(jié)構(gòu)形式。如液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，即按原理和參數(shù)要求，選用標(biāo)準(zhǔn)液壓元器件進(jìn)行組合。87.2機(jī)電一體化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

7.2.1

開(kāi)發(fā)流程根據(jù)機(jī)電一體化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的特征，分為開(kāi)發(fā)準(zhǔn)備階段、設(shè)計(jì)階段、實(shí)施階段、測(cè)試階段、定型階段。9

7.2.1

開(kāi)發(fā)流程107.2.2機(jī)電一體系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工作1.準(zhǔn)備階段確定產(chǎn)品功能：功能是指產(chǎn)品能夠做什么或能夠提供什么功效，它是產(chǎn)品所要解決的最基本的問(wèn)題，它是產(chǎn)品設(shè)計(jì)最基本的也是最主要考慮的因素之一。購(gòu)買(mǎi)一種產(chǎn)品實(shí)際上是購(gòu)買(mǎi)產(chǎn)品所具有的功能和使用性能。產(chǎn)品功能包含基本功能、心理功能和附加功能三個(gè)層次。確定性能指標(biāo)：產(chǎn)品技術(shù)與性能指標(biāo)包括功能性指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)、可靠性指標(biāo)、安全性標(biāo)等。擬定開(kāi)發(fā)計(jì)劃：開(kāi)發(fā)計(jì)劃是為了實(shí)現(xiàn)決策，預(yù)先明確所追求的目標(biāo)以及相應(yīng)的行動(dòng)方案的活動(dòng)，即為設(shè)定目標(biāo)以及決定如何達(dá)成目標(biāo)，指明路線(xiàn)的過(guò)程。117.2.2機(jī)電一體系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工作2.設(shè)計(jì)階段總體設(shè)計(jì)：總體設(shè)計(jì)也稱(chēng)為初步設(shè)計(jì)，是應(yīng)用系統(tǒng)總體技術(shù)，從整體目標(biāo)出發(fā)，統(tǒng)一分析產(chǎn)品的性能要求及各組成單元的特性，選擇最合理的單元組合方案，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化產(chǎn)品整體優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程。機(jī)電一體化系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)內(nèi)容包括總體方案擬訂、工作原理設(shè)計(jì)、功能模塊劃分、技術(shù)方案評(píng)價(jià)等。詳細(xì)設(shè)計(jì)：詳細(xì)設(shè)計(jì)是如何把系統(tǒng)從概念變?yōu)榭梢詼?zhǔn)確描述與可操作的工程圖的過(guò)程，它是把總體方案進(jìn)行細(xì)化，設(shè)計(jì)并畫(huà)出整個(gè)系統(tǒng)、功能單元以及零件的具體結(jié)構(gòu)，并確定相應(yīng)的技術(shù)條件、技術(shù)指標(biāo)。127.2.2機(jī)電一體系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工作實(shí)施階段：主要工作是就是按照設(shè)計(jì)圖紙與工藝圖紙把原材料加工成零件、再組裝成部件以及整個(gè)產(chǎn)品的過(guò)程。對(duì)于機(jī)電一體化系統(tǒng)來(lái)講，制造與實(shí)施階段主要工作包括機(jī)械單元制造、控制系統(tǒng)硬件組建、控制軟件開(kāi)發(fā)等。測(cè)試階段：測(cè)試包括硬件測(cè)試與軟件測(cè)試。硬件測(cè)試包括結(jié)構(gòu)測(cè)試、上電與掉電測(cè)試、系統(tǒng)功能測(cè)試、接口功能測(cè)試、功耗測(cè)試、性能測(cè)試、配置變更測(cè)試、穩(wěn)定性測(cè)試等。軟件測(cè)試包括功能測(cè)試、性能測(cè)試等。137.2.2機(jī)電一體系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工作定型階段：定型是產(chǎn)品在正式投產(chǎn)前的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，產(chǎn)品定型階段主要任務(wù)是準(zhǔn)備定型文件（設(shè)計(jì)圖紙、軟件清單、機(jī)械零部件清單、電氣元器件清單及調(diào)試記錄），編寫(xiě)技術(shù)資料（設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)、使用說(shuō)明書(shū)等），組織產(chǎn)品鑒定等。批準(zhǔn)定型投產(chǎn)的產(chǎn)品必須由技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、工藝規(guī)程、裝配圖、零件圖、工裝圖以及其他相關(guān)技術(shù)資料。147.3.1優(yōu)化設(shè)計(jì)概念優(yōu)化設(shè)計(jì)：優(yōu)化設(shè)計(jì)（optimizationdesign）是將設(shè)計(jì)問(wèn)題的物理模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用最優(yōu)數(shù)學(xué)理論，選用適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法，以計(jì)算機(jī)為手段求解數(shù)學(xué)模型，從而得出最佳設(shè)計(jì)方案的一種設(shè)計(jì)方法。產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)是在規(guī)定的各種設(shè)計(jì)限制條件下，優(yōu)選設(shè)計(jì)參數(shù)，使某項(xiàng)或幾項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)獲得最優(yōu)值。優(yōu)化設(shè)計(jì)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制系統(tǒng)中。7.3優(yōu)化設(shè)計(jì)157.3.1優(yōu)化設(shè)計(jì)概念結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)：是指在給定約束條件下，按某種目標(biāo)（如重量最輕、成本最低、剛度最大等）求出最佳的設(shè)計(jì)方案，也稱(chēng)為結(jié)構(gòu)最佳設(shè)計(jì)或結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程大致可歸納為假定、分析、搜索、最優(yōu)設(shè)計(jì)四個(gè)階段?？刂葡到y(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)：為了確定控制器的結(jié)構(gòu)及其參數(shù)，人們提出了函數(shù)優(yōu)化問(wèn)題和參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題。在數(shù)學(xué)上，解決參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題的途徑一般間接尋優(yōu)和直接尋優(yōu)兩種方法。由于在控制系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題中，一般很難將目標(biāo)函數(shù)寫(xiě)成解析形式，只能在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真的過(guò)程中將其計(jì)算出來(lái)，并且求導(dǎo)目標(biāo)函數(shù)的過(guò)程也不容易實(shí)現(xiàn)，因此間接尋優(yōu)法的應(yīng)用很少。167.3.2優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中可解決機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)參數(shù)選擇優(yōu)化兩類(lèi)問(wèn)題。優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用較早，尤其是機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在平面連桿機(jī)構(gòu)、空間連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)以及組合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面都取得了很好的成果。在機(jī)械零部件優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外都進(jìn)行了深入的研究。工程實(shí)踐中，優(yōu)化設(shè)計(jì)方法與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)仿真設(shè)計(jì)等技術(shù)的結(jié)合，使得在設(shè)計(jì)過(guò)程中能夠不斷選擇設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)而求得最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，加快設(shè)計(jì)速度，縮短設(shè)計(jì)周期。

177.3.2優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用在控制系統(tǒng)中，當(dāng)被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型以及對(duì)控制系統(tǒng)的技術(shù)要求給定之后，就需要設(shè)定控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)對(duì)象簡(jiǎn)單時(shí)，設(shè)計(jì)人員根據(jù)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的了解和經(jīng)驗(yàn)，先假設(shè)控制器參數(shù)的一組初始值，通過(guò)仿真或者直接在實(shí)際系統(tǒng)上做試驗(yàn)，求出系統(tǒng)對(duì)典型輸入的響應(yīng)特性；然后設(shè)計(jì)者分析所得結(jié)果，并依據(jù)理論分析和以往的經(jīng)驗(yàn)修改控制器參數(shù)；接著再進(jìn)行仿真計(jì)算或試驗(yàn)，再分析比較和修改參數(shù)，直到獲得滿(mǎn)意控制效果。對(duì)于具有若干個(gè)輸入的多回路的復(fù)雜系統(tǒng)，即使花費(fèi)了大量的時(shí)間和精力，也不一定能夠找到滿(mǎn)足工程要求的最佳控制器結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的參數(shù)，為了獲得最佳的設(shè)計(jì)效果，利用了最優(yōu)化技術(shù)。

187.3.3優(yōu)化方法優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法較多，根據(jù)設(shè)計(jì)空間的維數(shù)，優(yōu)化方法分為一維優(yōu)化和多維優(yōu)化。一維優(yōu)化方法是優(yōu)化方法中最簡(jiǎn)單、最基本的方法有黃金分割法、二次插值法等，它們是多維優(yōu)化方法的基礎(chǔ)。根據(jù)設(shè)計(jì)變量的性質(zhì)不同，可分為離散變量?jī)?yōu)化和連續(xù)變量?jī)?yōu)化等。根據(jù)數(shù)學(xué)模型中有無(wú)約束條件，將優(yōu)化方法分為無(wú)約束優(yōu)化方法和約束優(yōu)化方法。

優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本步驟為：首先要建立數(shù)學(xué)模型，確定設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)、約束條件等，然后在此基礎(chǔ)上尋找求解方法，最后還要對(duì)求解結(jié)果進(jìn)行分析與驗(yàn)證。197.3.3優(yōu)化方法數(shù)學(xué)模型：結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)可定義為對(duì)于已知的給定參數(shù)，求出滿(mǎn)足全部約束條件并使目標(biāo)函數(shù)取最小值的設(shè)計(jì)變量的解。建立數(shù)學(xué)模型就是把實(shí)際問(wèn)題按照一定的格式轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)表達(dá)式的過(guò)程，數(shù)學(xué)模型建立的合適、正確與否直接影響到優(yōu)化設(shè)計(jì)的最終結(jié)果。設(shè)計(jì)變量：指在設(shè)計(jì)過(guò)程中所要選擇的描述結(jié)構(gòu)特性的量，它的數(shù)值是可變的。設(shè)計(jì)變量一類(lèi)是幾何參數(shù)，例如各個(gè)構(gòu)件的截面尺寸、面積、慣性矩等設(shè)計(jì)截面的幾何參數(shù)，也可以是柱的高度、梁的間距、拱的矢高和節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)等結(jié)構(gòu)總體的幾何參數(shù)；另一類(lèi)是物理參數(shù)，如材料的彈性模量、應(yīng)力、變形、結(jié)構(gòu)固有頻率、材料屈服極限等。設(shè)計(jì)變量通常有連續(xù)設(shè)計(jì)變量和離散設(shè)計(jì)變量?jī)煞N類(lèi)型。207.3.3優(yōu)化方法目標(biāo)函數(shù)：是用設(shè)計(jì)變量來(lái)表示的所追求的目標(biāo)形式，所以目標(biāo)函數(shù)就是設(shè)計(jì)變量的函數(shù)，是一個(gè)標(biāo)量。從工程意義講，目標(biāo)函數(shù)是系統(tǒng)的性能標(biāo)準(zhǔn)，例如，一個(gè)結(jié)構(gòu)的最輕重量、最小體積、最低造價(jià)、最合理形式。建立目標(biāo)函數(shù)的過(guò)程就是尋找設(shè)計(jì)變量與目標(biāo)關(guān)系的過(guò)程。約束條件：在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，目標(biāo)函數(shù)取決于設(shè)計(jì)變量，而設(shè)計(jì)變量的取值范圍有各種限制條件，如強(qiáng)度、剛度等。每個(gè)限制條件都可寫(xiě)成包含設(shè)計(jì)變量的函數(shù)，稱(chēng)為約束條件，因?yàn)樗窃O(shè)計(jì)變量的函數(shù)，也稱(chēng)為約束函數(shù)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化的約束條件一般有幾何約束條件和性態(tài)約束條件兩種。幾何約束條件是在幾何尺寸方面對(duì)設(shè)計(jì)變量加以限制，性態(tài)約束條件是對(duì)結(jié)構(gòu)的工作性態(tài)所施加的一些限制。217.3.4應(yīng)用舉例1.機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程包括：建立優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，選擇適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法，編寫(xiě)計(jì)算機(jī)程序，準(zhǔn)備必要的初始數(shù)據(jù)并上機(jī)計(jì)算，對(duì)計(jì)算機(jī)求得的結(jié)果進(jìn)行必要的分析。建立數(shù)學(xué)模型的基本原則有:①在設(shè)計(jì)變量的選擇上，盡量減少設(shè)計(jì)變量數(shù)目,設(shè)計(jì)變量應(yīng)當(dāng)相互獨(dú)立；②在目標(biāo)函數(shù)的確定上，選擇最重要指標(biāo)作為設(shè)計(jì)追求目標(biāo)；③在約束條件的確定上，可分為性能約束和邊界約束。

227.3.4應(yīng)用舉例2.控制系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題控制系統(tǒng)的優(yōu)化問(wèn)題可分為兩類(lèi)，一是函數(shù)優(yōu)化問(wèn)題，另一類(lèi)是參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題。函數(shù)優(yōu)化問(wèn)題：也稱(chēng)為動(dòng)態(tài)優(yōu)化問(wèn)題。在這類(lèi)問(wèn)題中，控制器的結(jié)構(gòu)并不知道，需要設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足某種優(yōu)化條件的控制器。參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題：也稱(chēng)為靜態(tài)優(yōu)化問(wèn)題。在這類(lèi)問(wèn)題中，控制器的結(jié)構(gòu)、形式已經(jīng)確定，而需要調(diào)整或?qū)ふ铱刂破鞯膮?shù)，使得系統(tǒng)性能在某種指標(biāo)意義下達(dá)到最優(yōu)。237.4.1基本思想有限元方法（FiniteElementMethod，F(xiàn)EM）是一種為求解偏微分方程邊值問(wèn)題近似解的數(shù)值技術(shù)。求解時(shí)對(duì)整個(gè)問(wèn)題區(qū)域進(jìn)行分解，每個(gè)子區(qū)域都成為簡(jiǎn)單的部分，這種簡(jiǎn)單部分就稱(chēng)作有限元方法。有限元方法的主要思想是對(duì)連續(xù)體的求解域進(jìn)行單元?jiǎng)澐趾头制?，單元之間僅通過(guò)節(jié)點(diǎn)相互連接成為一個(gè)整體，然后用每一單元內(nèi)所假設(shè)的近似函數(shù)來(lái)分片表示全部求解域內(nèi)的變量，將求解微分方程問(wèn)題轉(zhuǎn)化為有限個(gè)方程組的聯(lián)立求解過(guò)程。7.4有限元方法247.4.2有限元方法應(yīng)用在機(jī)電一體系統(tǒng)設(shè)計(jì)中有限元方法可以解決以下問(wèn)題：結(jié)構(gòu)分析：結(jié)構(gòu)分析包括靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析。靜力學(xué)分析用于靜態(tài)荷載，可以考慮結(jié)構(gòu)的線(xiàn)性及非線(xiàn)性行為，例如大變形、大應(yīng)變、應(yīng)力剛化、接觸、塑性、超彈及蠕變等。動(dòng)力學(xué)分析主要包括模態(tài)分析、瞬態(tài)響應(yīng)分析、諧響應(yīng)分析、響應(yīng)譜分析、顯式動(dòng)力分析。傳熱分析：傳熱分析用于確定物體中的溫度分布?？紤]的物理量有熱量、熱梯度、熱通量。有限元方法可模擬熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射三種熱傳遞方式，可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析和瞬態(tài)分析,還可模擬相變。257.4.2有限元方法應(yīng)用電磁場(chǎng)分析：電磁分析用于計(jì)算電磁裝置中的磁場(chǎng)，考慮的物理量有磁通量密度、磁場(chǎng)密度、磁力和磁力矩、阻抗、電感、渦流、能耗及磁通量泄漏等。有限元方法可進(jìn)行靜態(tài)磁場(chǎng)及低頻電磁場(chǎng)分析，如模擬由直流電源、低頻交流電或低頻瞬時(shí)信號(hào)引起的磁場(chǎng)(螺線(xiàn)管制動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)、變壓器)；高頻電磁場(chǎng)分析如模擬電磁波的傳播裝置，計(jì)算由電壓戓電荷激發(fā)引起的電場(chǎng)，分析電磁裝置與電路的耦合向題等。流場(chǎng)分析：計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）是一種典型的基于有限元方法的流體分析方法。典型的物理量有速度、壓力、溫度、對(duì)流換熱系數(shù)。它可用于確定流體中的流動(dòng)狀態(tài)和溫度，能夠模擬層流和湍流，可壓縮和不可壓縮流體以及多組分流體流動(dòng)。267.4.2有限元方法應(yīng)用聲學(xué)分析：用于模擬流體介質(zhì)和周?chē)腆w的相互作用。典型的物理量有壓力、位移和自振頻率。多場(chǎng)耦合分析：耦合場(chǎng)是指兩個(gè)或多個(gè)物理場(chǎng)之間的相互作用。因?yàn)閮蓚€(gè)物理場(chǎng)之間相互影響，所以單獨(dú)求解一個(gè)物理場(chǎng)是不可能的。例如，熱-應(yīng)力分析(溫度場(chǎng)和結(jié)構(gòu))、流體熱力學(xué)分析(溫度場(chǎng)和流場(chǎng))、聲學(xué)分析(流體和結(jié)構(gòu))、熱-電分析(溫度場(chǎng)與電場(chǎng))、感應(yīng)加熱(磁場(chǎng)和溫度場(chǎng))。277.4.3求解步驟有限元方法求解基本步驟基本相同，但求解不同工程問(wèn)題時(shí)，具體處理過(guò)程不完全相同。下面以力學(xué)問(wèn)題求解為例說(shuō)明有限元方法求解的一般步驟，求解過(guò)程包括：建立積分方程：根據(jù)變分原理或方程余量與權(quán)函數(shù)正交化原理，建立與微分方程初邊值問(wèn)題等價(jià)的積分表達(dá)式，這是有限元方法的出發(fā)點(diǎn)。這也是有限元方法不同應(yīng)用之間最要本的區(qū)別所在。區(qū)域單元剖分：根據(jù)求解區(qū)域的形狀及實(shí)際問(wèn)題的物理特點(diǎn)，將區(qū)域剖分為若干相互連接、不重疊的單元。區(qū)域單元?jiǎng)澐止ぷ髁勘容^大，除了給計(jì)算單元和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)和確定相互之間的關(guān)系之外，還要表示節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，同時(shí)還需要列出自然邊界和本質(zhì)邊界的節(jié)點(diǎn)序號(hào)和相應(yīng)的邊界值。287.4.3求解步驟確定單元基函數(shù)：根據(jù)單元中節(jié)點(diǎn)數(shù)目及對(duì)近似解精度的要求，選擇滿(mǎn)足一定插值條件的插值函數(shù)作為單元基函數(shù)。有限元方法中的基函數(shù)是在單元中選取的，由于各單元具有規(guī)則的幾何形狀，在選取基函數(shù)時(shí)可遵循一定的法則。單元分析：將各個(gè)單元中的求解函數(shù)用單元基函數(shù)的線(xiàn)性組合表達(dá)式進(jìn)行逼近；再將近似函數(shù)代入積分方程，并對(duì)單元區(qū)域進(jìn)行積分，可獲得含有待定系數(shù)（即單元中各節(jié)點(diǎn)的參數(shù)值）的代數(shù)方程組，稱(chēng)為單元有限元方程?？傮w合成：在得出單元有限元方程之后，將區(qū)域中所有單元有限元方程按一定法則進(jìn)行累加，形成總體有限元方程。297.4.3求解步驟邊界條件的處理：一般邊界條件有三種形式，分為本質(zhì)邊界條件、自然邊界條件、混合邊界條件。對(duì)于自然邊界條件，一般在積分表達(dá)式中可自動(dòng)得到滿(mǎn)足。對(duì)于本質(zhì)邊界條件和混合邊界條件，需按一定法則對(duì)總體有限元方程進(jìn)行修正滿(mǎn)足。求解有限元方程：根據(jù)邊界條件修正的總體有限元方程組，是含所有待定未知量的封閉方程組，采用適當(dāng)?shù)臄?shù)值計(jì)算方法求解，可求得各節(jié)點(diǎn)的函數(shù)值。求解結(jié)果輸出：在有限元方法分析中，為了更加直觀地表示求解結(jié)果，在求解之后將求解的結(jié)果以不同的形式輸出，最基本的輸出形式有文本、表格，但為了直觀表示分析結(jié)果，高級(jí)的輸出的方式有云圖、矢量圖、曲線(xiàn)等。307.4.4應(yīng)用舉例下面引用一個(gè)流場(chǎng)分析的實(shí)例說(shuō)明有限元分析過(guò)程。1.應(yīng)用背景：電解加工是一種特種加工方法，加工時(shí)電解液需要以一定的流速流過(guò)加工區(qū)域，否則引起加工短路，因此流場(chǎng)好壞是電解加陰極設(shè)計(jì)成功的重要的衡量因素。圖7-6所示為用于整體葉輪葉片電解成形加工的陰極，它由上蓋板、下蓋板、導(dǎo)流板、成形部件、儲(chǔ)液腔、接桿等組成。電解加工時(shí)，電解液在導(dǎo)流板、上蓋板、下蓋板作用下從儲(chǔ)液腔沿成形部件表面流入加工間隙，再?gòu)牧硗庖粋?cè)流出。由于陰極的流道形狀變化復(fù)雜，在加工區(qū)域中電解液流速變化較大。為了驗(yàn)證流場(chǎng)設(shè)計(jì)的合理性，采用有限元方法對(duì)陰極的流場(chǎng)進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)陰極的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。317.4.4應(yīng)用舉例327.4.4應(yīng)用舉例在本例中選擇了ANSYSWorkbench有限元軟件，它是一款大型、多功能、協(xié)同仿真的限元分析軟件。利用該軟件的CFX模塊對(duì)成形陰極的流場(chǎng)進(jìn)行分析，分析過(guò)程如下：建立模型：首先根據(jù)陰極的流道建立用于陰極流場(chǎng)分析的幾何模型，以陰極的電解液流動(dòng)路徑為對(duì)象建立電解液流道的三維CAD模型，建立的流道幾何模型如圖7-7(a)所示，它包括輸送段、儲(chǔ)液區(qū)、過(guò)渡段、加工區(qū)域。進(jìn)行網(wǎng)格劃分：在軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖7-7(b)所示。網(wǎng)格大小根據(jù)需要?jiǎng)澐?，網(wǎng)格單元?jiǎng)澐衷叫。W(wǎng)格單元的數(shù)量越多，計(jì)算精度變?cè)礁撸擒浖?jì)算的工作量大，運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)。337.4.4應(yīng)用舉例施加邊界條件：本實(shí)例中施加邊界條件是在電解液的入口處施加一定的進(jìn)口壓力p0，在出口處施加背壓p1。施加的邊界條件如圖7-7(c)所示。分析求解：運(yùn)用有限元軟件對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行求解計(jì)算，流場(chǎng)的求解結(jié)果如圖7-7(d)所示，從圖中可以得到流道中流速分布情況。分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)：根據(jù)流道流速分布情況對(duì)陰極的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。經(jīng)過(guò)多次分析、改進(jìn)過(guò)程，使整個(gè)流道中的電解液流速滿(mǎn)足加工要求，最終完成了陰極的流道設(shè)計(jì)。347.4.4應(yīng)用舉例357.5.1可靠性概念7.5可靠性設(shè)計(jì)產(chǎn)品可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)和給定的條件下，完成規(guī)定功能的能力。它不但直接反映了產(chǎn)品各組成部件的質(zhì)量，而且還影響到整個(gè)產(chǎn)品質(zhì)量性能的優(yōu)劣。決定產(chǎn)品的可靠性有設(shè)計(jì)、使用、工作環(huán)境等，因此可靠性分為固有可靠性、使用可靠性和環(huán)境適應(yīng)性。固有可靠性：產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造者必須確立的可靠性，即按照可靠性規(guī)劃，從原材料和零部件的選用，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)，直到產(chǎn)品制造完成的各個(gè)階段所確立的可靠性。固有可靠性是產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、制造過(guò)程中賦予的固有屬性，也是開(kāi)發(fā)者可以在設(shè)計(jì)階段控制的。367.5.1可靠性概念使用可靠性：產(chǎn)品在實(shí)際使用過(guò)程中表現(xiàn)出的可靠性，除固有可靠性的影響因素外，還要考慮包裝、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、安裝、使用、維修等因素的影響。環(huán)境適應(yīng)性：是指產(chǎn)品在服役過(guò)程中的綜合環(huán)境因素作用下能實(shí)現(xiàn)所有預(yù)定的性能和功能且不被破壞的能力，是產(chǎn)品對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力的具體體現(xiàn)，是一種重要的質(zhì)量特性。例如，如果電機(jī)溫升超出范圍，其壽命會(huì)大大縮短。377.5.2度量指標(biāo)可靠性度量指標(biāo)有壽命尺度、失效率、可靠度三種。壽命尺度：在可靠性壽命尺度中，最常見(jiàn)的是平均壽命，即產(chǎn)品從投入運(yùn)行到發(fā)生故障（失效）的平均工作時(shí)間，有平均無(wú)故障工作時(shí)間和平均故障間隔時(shí)間兩種表示方法。①平均無(wú)故障工作時(shí)間（MTTF）。指發(fā)生故障就不能修理的零部件，從開(kāi)始使用到發(fā)生故障的平均時(shí)間，適用于不可維修產(chǎn)品。式中：ti為第i個(gè)零件或設(shè)備的無(wú)故障平均時(shí)間；N為測(cè)試零件或設(shè)備的個(gè)數(shù)。387.5.2度量指標(biāo)②平均故障間隔時(shí)間（MTBF）。指發(fā)生故障經(jīng)修理或更換零部件后還能繼續(xù)工作的可修理產(chǎn)品，從一次故障到下一次故障的平均時(shí)間，適用于可維修產(chǎn)品。式中：tij

為第i個(gè)產(chǎn)品從第j-1次故障到第j次故障工作時(shí)間；ni為第i個(gè)測(cè)試產(chǎn)品的故障數(shù)；N為測(cè)試產(chǎn)品的總數(shù)。397.5.2度量指標(biāo)失效率：失效率是指為產(chǎn)品工作到t時(shí)刻后，單位時(shí)間?t內(nèi)發(fā)生失效的概率，也就是等于產(chǎn)品從t時(shí)刻到后一個(gè)時(shí)刻t+?t內(nèi)，失效數(shù)與該時(shí)刻還在工作的產(chǎn)品數(shù)之比。式中：N為產(chǎn)品總數(shù)；n(t)為N個(gè)產(chǎn)品工作到t時(shí)刻的失效數(shù)；n(t)+?t為N個(gè)產(chǎn)品工作到n(t)+?t時(shí)刻的失效數(shù)。由此可見(jiàn)，失效率是時(shí)間t的函數(shù)，記為λ(t)，也稱(chēng)為失效率函數(shù)，單位為菲特（10/h?9）。失效率是標(biāo)志產(chǎn)品可靠性常用的數(shù)量特征之一，失效率愈低，則可靠性愈高。407.5.2度量指標(biāo)可靠度：產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率，稱(chēng)為產(chǎn)品的可靠度，即產(chǎn)品可靠性的概率度量。可靠度包含對(duì)象、規(guī)定條件、規(guī)定時(shí)間、規(guī)定的功能、概率五個(gè)要素?？煽慷仁怯眯?shù)、分?jǐn)?shù)或百分?jǐn)?shù)來(lái)表示的，所以可靠度R的取值范圍為0≤R≤1。產(chǎn)品可靠度計(jì)算公式為可靠度是在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定的功能。假定規(guī)定的時(shí)間為?t，產(chǎn)品的壽命為T(mén)，而T>?t，這就是產(chǎn)品在規(guī)定時(shí)間?t內(nèi)能夠完成規(guī)定的功能。417.5.3可靠性設(shè)計(jì)內(nèi)容可靠性設(shè)計(jì)是指在遵循系統(tǒng)工程規(guī)范的基礎(chǔ)上，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用一些專(zhuān)門(mén)技術(shù)，將可靠性體現(xiàn)到系統(tǒng)中，以滿(mǎn)足系統(tǒng)可靠性的要求。它是根據(jù)需要和可能，在事先就考慮產(chǎn)品可靠性諸因素基礎(chǔ)上的一種設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)目的：可靠性設(shè)計(jì)一般有兩種情況：一種是按照給定的目標(biāo)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，通常用于新產(chǎn)品的研制和開(kāi)發(fā)；另一種是對(duì)現(xiàn)有定型產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)用可靠性的設(shè)計(jì)方法加以改進(jìn)、提高，達(dá)到可靠性增長(zhǎng)的目的。427.5.3可靠性設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)內(nèi)容：可靠性設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容概括起來(lái)有以下幾個(gè)方面：建立可靠性模型。是選擇方案、預(yù)測(cè)產(chǎn)品的可靠性水平、找出薄弱環(huán)節(jié)，以及逐步合理地將可靠性指標(biāo)分配到產(chǎn)品的各個(gè)層面上去理論基礎(chǔ)。進(jìn)行可靠性指標(biāo)的預(yù)計(jì)和分配。在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段，需要反復(fù)多次地進(jìn)行可靠性指標(biāo)的預(yù)計(jì)和分配。進(jìn)行各種可靠性分析。諸如故障模式影響和危機(jī)度分析、故障樹(shù)分析、熱分析等。在發(fā)現(xiàn)了隱患后通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)，從而消除隱患和薄弱環(huán)節(jié)。采取各種有效的可靠性設(shè)計(jì)方法。如制定和貫徹可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、降額設(shè)計(jì)、冗余設(shè)計(jì)、簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、耐環(huán)境設(shè)計(jì)等，并把這些可靠性設(shè)計(jì)方法和產(chǎn)品的性能設(shè)計(jì)工作結(jié)合起來(lái)，減少產(chǎn)品故障的發(fā)生。437.5.4可靠性設(shè)計(jì)方法常用的可靠性設(shè)計(jì)原則和方法有元器件選擇和控制、熱設(shè)計(jì)、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、降額設(shè)計(jì)、冗余和容錯(cuò)設(shè)計(jì)、環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)、健壯設(shè)計(jì)和人為因素設(shè)計(jì)等。除了元器件選擇和控制、熱設(shè)計(jì)主要用于電子產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)外，其余的設(shè)計(jì)原則及方法均適用于機(jī)械產(chǎn)品和電子產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)。簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)：要盡量采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有成熟使用經(jīng)驗(yàn)或標(biāo)準(zhǔn)化的零件和技術(shù)，盡量減少不必要的和可有可無(wú)的零件，減少零部件故障的可能性，保證整機(jī)系統(tǒng)可靠性目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，但不能因?yàn)闇p少零件而使其它零件執(zhí)行超常功能或在高應(yīng)力的條件下工作，否則簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)將達(dá)不到提高可靠性目的。447.5.4可靠性設(shè)計(jì)方法零部件優(yōu)選：零件材料、工藝，電路及制作工藝的選擇對(duì)產(chǎn)品的可靠性起決定性作用。如果要提高產(chǎn)品可靠性，應(yīng)充分估計(jì)現(xiàn)有的技術(shù)水平，盡量采用成熟的、定型的、標(biāo)準(zhǔn)的原材料、元器件、電路和工藝來(lái)完成設(shè)計(jì)。在采用新技術(shù)、新型元器件、新工藝、新材料之前，必須經(jīng)過(guò)試驗(yàn)并嚴(yán)格論證其對(duì)可靠性的影響。冗余設(shè)計(jì)：是指在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)用一套以上的系統(tǒng)來(lái)完成規(guī)定的任務(wù)。對(duì)于機(jī)電一體化產(chǎn)品，必要時(shí)應(yīng)考慮冗余設(shè)計(jì)。冗余設(shè)計(jì)雖然可以提高產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)任務(wù)的可靠性，但是卻增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性、體積、重量，使系統(tǒng)的基本可靠性降低，因此應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的研制目標(biāo)及限制條件進(jìn)行綜合權(quán)衡。457.5.4可靠性設(shè)計(jì)方法概率設(shè)計(jì)：是應(yīng)用概率統(tǒng)計(jì)理論進(jìn)行機(jī)械零件及構(gòu)件設(shè)計(jì)的方法。它將載荷、材料性能與強(qiáng)度及零部件尺寸，都視為屬于某種概率分布的統(tǒng)計(jì)量，以通用的廣義應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型作為基本運(yùn)算公式，廣泛沿用機(jī)械零件傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算模型，求出給定可靠度下的零件的尺寸或給定尺寸下零件的可靠度及相應(yīng)壽命。概率法設(shè)計(jì)的核心是將設(shè)計(jì)變量視為隨機(jī)變量，應(yīng)用應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型，保證所設(shè)計(jì)的零件具有指定的可靠性指標(biāo)。降額設(shè)計(jì)：是使零部件或元器件使用技術(shù)數(shù)據(jù)低于其額定指標(biāo)的一種設(shè)計(jì)方法。對(duì)于電子元器件如果使用中所承受的電應(yīng)力和溫度應(yīng)力低于元器件本身的額定值，可以以達(dá)到延緩其參數(shù)退化，增加工作壽命。對(duì)于機(jī)械零件的降額設(shè)計(jì)可通過(guò)降低零件承受的應(yīng)力或提高零件強(qiáng)度的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)。467.5.4可靠性設(shè)計(jì)方法耐環(huán)境設(shè)計(jì)：包括三防（防潮濕、防鹽霧和霉菌）設(shè)計(jì)、耐熱設(shè)計(jì)、耐振設(shè)計(jì)、耐濕設(shè)計(jì)、耐腐蝕及防微生物等。在產(chǎn)品進(jìn)行耐環(huán)境設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)對(duì)惡劣環(huán)境進(jìn)行分析調(diào)查，再對(duì)各類(lèi)應(yīng)力進(jìn)行分析估算。安全設(shè)計(jì)：主要方法有異常報(bào)警、安全裝置設(shè)計(jì)、故障監(jiān)測(cè)與診斷裝置等。異常報(bào)警設(shè)計(jì)法就是在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，把一套感應(yīng)報(bào)警裝置融合到系統(tǒng)中，當(dāng)設(shè)備各系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時(shí)能夠自動(dòng)報(bào)警，可采用聲音、光電、振動(dòng)等方式。安全裝置設(shè)計(jì)就是把關(guān)鍵性的子系統(tǒng)和部件置入具有一定保護(hù)功能的設(shè)備中，把關(guān)系到整套系統(tǒng)功能發(fā)揮的子系統(tǒng)和部件保護(hù)起來(lái)，以增強(qiáng)其抗破壞能力。故障監(jiān)測(cè)與診斷裝置就是一套能夠?qū)ρb備系統(tǒng)整體效能和完好性進(jìn)行監(jiān)測(cè)的裝置。477.5.4可靠性設(shè)計(jì)方法熱設(shè)計(jì)：熱設(shè)計(jì)主要用于電氣和電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)。當(dāng)溫度升高時(shí)失效率會(huì)發(fā)生變化，或者有些元件只能在某一溫度下使用時(shí),為了提升產(chǎn)品的可靠性,讓系統(tǒng)穩(wěn)定在個(gè)合適的溫度下工作是非常必要的，在設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)該考慮到熱量的產(chǎn)生與發(fā)散的問(wèn)題，這部份工作就是熱設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。例如，半導(dǎo)體器件工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，因此要采取散熱措施。常用的傳熱方式有傳導(dǎo)散熱、自然對(duì)流散熱、輻射散熱、半導(dǎo)體器件自然冷卻。487.5.5應(yīng)用舉例可靠性設(shè)計(jì)貫穿于整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程，無(wú)論是在方案論證、初步設(shè)計(jì)階段，還是在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，都需要采用不同的方法保證產(chǎn)品的可靠性。下面介紹兩個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)的應(yīng)用實(shí)例。冗余設(shè)計(jì)：是常用提高系統(tǒng)可靠方法之一，在關(guān)鍵控制系統(tǒng)中，比如衛(wèi)星控制系統(tǒng)、飛機(jī)及機(jī)場(chǎng)控制系統(tǒng)、鐵路控制系統(tǒng)、醫(yī)療器械等，對(duì)系統(tǒng)的可靠性有苛刻的要求。在這些系統(tǒng)中，要求采用冗余設(shè)計(jì)，包括硬件及軟件環(huán)節(jié)，要求任何單點(diǎn)故障不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行，即使是關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)故障。497.5.5應(yīng)用舉例例7-5圖7-8所示為醫(yī)療用的輸液泵。為了提高輸液泵工作可靠性，在控制系統(tǒng)中，要求采用采用兩個(gè)控制器控制且要同步工作，其中一個(gè)為主控制器，另一個(gè)為備用控制器。圖7-8微量輸液泵及組成507.5.5應(yīng)用舉例控制系統(tǒng)的具體要求如下：（1）當(dāng)主控制器發(fā)生故障（包括掉電、控制器本身出現(xiàn)硬件故障等），備用控制器切換為工作主機(jī)投入工作，切換過(guò)后備用控制器將改為單機(jī)工作模式。（2）兩控制器工作時(shí)保證數(shù)據(jù)同步，即每個(gè)工作周期主控制器需將數(shù)據(jù)處理結(jié)果及控制器狀態(tài)發(fā)送給備用控制器，同時(shí)備用控制器也將自身的狀態(tài)發(fā)送給主控制器。（3）兩控制器間需要有互相監(jiān)測(cè)對(duì)方工作狀態(tài)的機(jī)制，當(dāng)一方出現(xiàn)故障時(shí)另一方能夠及時(shí)檢測(cè)到。517.5.5應(yīng)用舉例為了滿(mǎn)足上述要求，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖7-9所示。該方案中采用的硬件冗余包括控制器冗余、最小系統(tǒng)及報(bào)警裝置冗余、接口模塊冗余。每個(gè)控制器都連接一個(gè)接口模塊，連接到總線(xiàn)上。控制器之間會(huì)定時(shí)發(fā)送心跳信號(hào)以確保對(duì)方是否處于正常工作狀態(tài)。每個(gè)工作周期都會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在數(shù)據(jù)的末端會(huì)添加CRC校驗(yàn)符，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性與完整性。527.5.5應(yīng)用舉例圖7-9微量輸液泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案537.5.5應(yīng)用舉例

主控制器與備用控制器的工作機(jī)制為：當(dāng)備控制器與主控制器的通訊出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，備控制器將通過(guò)與主控制器之間的通訊進(jìn)行最終的確認(rèn)，若所有通訊方式均無(wú)效，則可以認(rèn)定主控制器可能掉電，備用控制器將報(bào)警并將相應(yīng)的故障指示燈點(diǎn)亮。若通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)接口模塊工作正常而控制器工作不正常，則說(shuō)明可能出現(xiàn)故障，此時(shí)備用控制器將報(bào)警并點(diǎn)亮相應(yīng)的故障指示燈。兩個(gè)接口模塊通訊或檢測(cè)總線(xiàn)數(shù)據(jù)時(shí)，如若備用接口模塊發(fā)現(xiàn)主接口模塊出現(xiàn)問(wèn)題將通知備用控制器，備用控制器再請(qǐng)求主控制器做判斷。547.5.5應(yīng)用舉例

可靠性指標(biāo)分配：是把系統(tǒng)可靠性指標(biāo)按一定原則分配給子系統(tǒng)、部件、元件或零件?？煽啃灾笜?biāo)分配在不同的設(shè)計(jì)階段利用不同的分配方法。在設(shè)計(jì)初步階段可靠性指標(biāo)分配方法有多種，例如AGREE可靠性指標(biāo)分配法，可靠性工程加權(quán)分配法等。在進(jìn)行可靠性分配時(shí)，應(yīng)考慮根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)募舨茫绻峙涞目傊笜?biāo)超出了技術(shù)發(fā)展水平和費(fèi)用約束的定量與定性要求，需要重新確定要分配的總指標(biāo)或調(diào)整其它約束條件，目的是使最終的分配做到技術(shù)上合理、經(jīng)濟(jì)效益高、見(jiàn)效快等。557.6抗干擾設(shè)計(jì)機(jī)電一體系統(tǒng)在運(yùn)行期間經(jīng)常會(huì)受到外界因素的干擾，這些干擾按照能量形式可分為機(jī)械振動(dòng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)等形式；按干擾頻率分為高頻、低頻，其高頻干擾最為明顯；按照干擾形式分為周期性、非周期和隨機(jī)形式。這些干擾輕則影響機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度、檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確性、擾亂控制計(jì)算機(jī)正常運(yùn)行，影響系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性與可靠性，重則使系統(tǒng)工作癱瘓。因此，在機(jī)電一體化設(shè)計(jì)中必須要注重抗干擾設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)抗干擾性能。567.6.1干擾源1.供電干擾在供電過(guò)程中，常見(jiàn)的供電干擾有：電壓波動(dòng)：電壓波動(dòng)主要有過(guò)壓與欠壓兩種情況。電涌：也叫浪涌、突波，是指在瞬間內(nèi)（數(shù)毫秒內(nèi)）輸出電壓的有效值高于額定值110%，持續(xù)時(shí)間達(dá)一個(gè)或數(shù)個(gè)周期，包括浪涌電壓和浪涌電流。諧波：是指標(biāo)準(zhǔn)電源波形的多種諧波。電網(wǎng)諧波產(chǎn)生的原因是整流器、UPS電源、電子調(diào)速裝備、熒光燈系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、微波爐、節(jié)能燈、調(diào)光器等電力電子設(shè)備，電器設(shè)備中開(kāi)關(guān)電源，或二次電源本身產(chǎn)生。577.6.1干擾源2.過(guò)程通道干擾過(guò)程通道干擾是指干擾沿著過(guò)程通道進(jìn)入計(jì)算機(jī)的一種干擾形式，其主要原因是過(guò)程通道與計(jì)算機(jī)之間存在公共地線(xiàn)。過(guò)程通道干擾又分為共模干擾與串模干擾兩種形式。共模干擾：指的是干擾電壓在信號(hào)線(xiàn)及其回線(xiàn)（一般稱(chēng)為信號(hào)地線(xiàn)）上的幅度相同，這里的電壓以附近任何一個(gè)物體（大地、金屬機(jī)箱、參考地線(xiàn)板等）為參考電位。干擾電流則是在導(dǎo)線(xiàn)與參考物體構(gòu)成的回路中流動(dòng)。串模干擾：是指由兩條信號(hào)線(xiàn)本身作為回路時(shí)，由于外界干擾源或設(shè)備內(nèi)部本身耦合而產(chǎn)生干擾信號(hào)。串模干擾的電壓與有效信號(hào)串聯(lián)疊加后作用到過(guò)程通道上。串模干擾通常來(lái)自于高壓輸電線(xiàn)、與信號(hào)線(xiàn)平行鋪設(shè)的電源線(xiàn)及大電流控制線(xiàn)所產(chǎn)生的空間電磁場(chǎng)。587.6.1干擾源3.場(chǎng)干擾由于機(jī)電設(shè)備工作環(huán)境的特殊性，機(jī)電一體化系統(tǒng)的周?chē)偸潜苊獠涣舜嬖诖艌?chǎng)、電磁場(chǎng)，靜電場(chǎng)，例如太陽(yáng)及天體輻射電磁波，廣播、移動(dòng)電話(huà)、通訊發(fā)射臺(tái)的電磁波，周?chē)蓄l設(shè)備(如中頻爐、晶閘管變送電源、微波爐等)發(fā)出的電磁輻射等。這些無(wú)處不在的場(chǎng)會(huì)對(duì)電源和傳輸線(xiàn)產(chǎn)生一定的影響，進(jìn)而使機(jī)電一體化系統(tǒng)中的各個(gè)模塊的電平發(fā)生變化或者使其產(chǎn)生脈沖干擾信號(hào)，影響其正常工作，使系統(tǒng)出現(xiàn)干擾故障。597.6.2供電干擾抑制遠(yuǎn)離干抗源：遠(yuǎn)離干抗源就是采取有效措施避開(kāi)干抗源。最有效的辦法是使系統(tǒng)的電源線(xiàn)遠(yuǎn)離有大功率感性負(fù)載的動(dòng)力線(xiàn)，有條件的地方要拉專(zhuān)用交流電源，必要時(shí)可以用干凈的照明線(xiàn)路電源為系統(tǒng)供電。安裝濾波器：濾波器是由電容、電感和電阻組成的濾波電路，可以對(duì)電源線(xiàn)中特定頻率的頻點(diǎn)或該頻點(diǎn)以外的頻率進(jìn)行有效濾除，得到一個(gè)特定頻率的電源信號(hào)，或消除一個(gè)特定頻率后的電源信號(hào)。直流去耦處理：直流電源干擾抑制主要使用去耦法，即在各主要的集成電路芯片的電源輸入端與地之間，或在印刷電路板電源布線(xiàn)的一些關(guān)鍵點(diǎn)與地之間接入1~10μF的電解電容，同時(shí)為消除高頻干抗，可再并聯(lián)一個(gè)0.01pF左右的小電容。607.6.2供電干擾抑制安裝尖峰抑制器：尖峰抑制器件有浪涌保護(hù)器、硅瞬變吸收二極管、均衡器等，它可將尖峰電壓的集中能量分配到不同的頻段上去，從而減其破壞性。浪涌保護(hù)器，也叫防雷器，是一種為各種電子設(shè)備、儀器儀表、通訊線(xiàn)路提供安全防護(hù)的電子裝置。安裝穩(wěn)壓電源：針對(duì)電網(wǎng)交流電壓波動(dòng)，可在直流開(kāi)關(guān)電源前面采用交流穩(wěn)壓器或選用電網(wǎng)調(diào)節(jié)范圍大的直流穩(wěn)壓電源，大多數(shù)的計(jì)算機(jī)設(shè)備都應(yīng)配有交流穩(wěn)壓裝置。穩(wěn)壓電源是能為負(fù)載提供穩(wěn)定的交流電或直流電的電子裝置，包括交流穩(wěn)壓電源和直流穩(wěn)壓電源兩大類(lèi)。當(dāng)電網(wǎng)電壓或負(fù)載出現(xiàn)瞬間波動(dòng)時(shí)，穩(wěn)壓電源會(huì)以10～30ms的響應(yīng)速度對(duì)電壓幅值進(jìn)行補(bǔ)償，使其穩(wěn)定±2%以?xún)?nèi)。617.6.2供電干擾抑制安裝電抗器：電抗器也叫電感器，由導(dǎo)線(xiàn)繞成螺線(xiàn)管構(gòu)成，有時(shí)為了讓這只螺線(xiàn)管具有更大的電感，便在螺線(xiàn)管中插入鐵心，稱(chēng)鐵心電抗器。電抗分為感抗和容抗，主要功能限流、濾波、補(bǔ)償。在供電中主要應(yīng)用的形式有進(jìn)線(xiàn)電抗器、濾波電抗器、功率因數(shù)補(bǔ)償電抗器等。接地處理：地線(xiàn)是噪聲入侵的主要渠道，通常應(yīng)采用匯流排或粗導(dǎo)線(xiàn)，電柜接地線(xiàn)與公共接地線(xiàn)應(yīng)分開(kāi)走線(xiàn)。此外，變壓器屏蔽端子及鐵芯的靜電屏蔽層、產(chǎn)生噪聲的線(xiàn)路所用屏蔽導(dǎo)線(xiàn)的屏蔽層、低通濾波器的外殼、控制柜、外部沒(méi)備等均可靠接地。電柜接地和公共接地之間應(yīng)保證電位差為零，若兩者之間允許直接連接可將兩者于某一處可靠接地，若兩者不允許直接連接則將兩者用1~10pF的電容器連接。627.6.2供電干擾抑制在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，常用的抑制供電干擾的裝置有穩(wěn)壓電源、濾波器、電抗器、浪涌保護(hù)器等，如圖7-10所示。圖7-10常用的供電干擾抑制裝置637.6.3電磁干擾抑制1.電磁干擾傳播條件電磁干擾傳播需要有三個(gè)基本條件：干擾源、傳播途徑、敏感體。干擾源：分為自然干擾源和人為干擾源。自然干擾源主要來(lái)源于大氣層的天電噪聲、地球外層空間的宇宙噪聲。人為干擾源來(lái)自電磁體或周?chē)O(shè)備，它是由機(jī)電或其他人工裝置產(chǎn)生的電磁能量干擾。敏感體：敏感設(shè)備是對(duì)干擾對(duì)象的統(tǒng)稱(chēng)，它可以是一個(gè)很小的元件或一個(gè)電路板組件，也可以是一個(gè)單獨(dú)的用電設(shè)備甚至可以是一個(gè)大型系統(tǒng)。傳播途徑：按照耦合機(jī)理，電磁干擾可將其分為傳導(dǎo)耦合和輻射耦合。傳導(dǎo)耦合是指一個(gè)電路中的騷擾電壓或騷擾電流通過(guò)公共電路（如共用的導(dǎo)線(xiàn)、元器件等）流通到另一個(gè)電路中的耦合方式。輻射耦合是以電磁場(chǎng)的形式將能量從一個(gè)電路傳輸?shù)搅硪粋€(gè)電路。647.6.3電磁干擾抑制2.抑制電磁干擾措施屏蔽：利用屏蔽體阻斷或減小電磁能量在空間傳播的一種技術(shù)，是減少電磁發(fā)射和電磁騷擾防護(hù)的最重要的手段之一。屏蔽有兩個(gè)目的，一是限制內(nèi)部產(chǎn)生的輻射超出某一區(qū)域，二是防止外來(lái)的輻射進(jìn)入某一區(qū)域。屏蔽按照其機(jī)理可分為電場(chǎng)屏蔽（靜電場(chǎng)屏蔽和交變電場(chǎng)屏蔽）、磁場(chǎng)屏蔽（恒定磁場(chǎng)屏蔽和交變磁場(chǎng)屏蔽）、電磁場(chǎng)屏蔽（電場(chǎng)和磁場(chǎng)同時(shí)存在的高頻輻射電磁場(chǎng)屏蔽）。按屏蔽體結(jié)構(gòu)又可分為完整屏蔽、不完整屏蔽及編織帶屏蔽（屏蔽線(xiàn)、同軸電纜等）。接地：是指設(shè)備或系統(tǒng)與大地保持良好的電連接，形成一個(gè)低阻抗通路。干擾抑制接地是指給設(shè)備或系統(tǒng)內(nèi)部各種電路的信號(hào)電壓提供一個(gè)零電位的公共參考點(diǎn)或參考面。干擾抑制接地方法有浮地、單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地和混合接地。657.6.3電磁干擾抑制合理布線(xiàn)：電動(dòng)機(jī)電纜應(yīng)獨(dú)立于其它電纜走線(xiàn)，同時(shí)應(yīng)避免電機(jī)電纜與其它電纜長(zhǎng)距離平行走線(xiàn)，以減少變頻器輸出電壓快速變化而產(chǎn)生的電磁干擾?？刂齐娎|和電源電纜交叉時(shí)，應(yīng)盡可能使它們按90°角交叉，同時(shí)必須用合適的線(xiàn)夾將電機(jī)電纜和控制電纜的屏蔽層固定到安裝板上。電磁濾波：對(duì)于電路中傳播的電磁干擾，則需要采用濾波技術(shù)來(lái)加以抑制。濾波器的作用就是要限制接收裝置的頻率，使其在不影響接收有用信號(hào)的前提下抑制無(wú)用信號(hào)。電磁濾波器對(duì)電磁干擾的抑制作用不僅取決于濾波器本身及工作條件還與安裝有關(guān)。采用磁環(huán)：磁環(huán)是一塊環(huán)狀的導(dǎo)磁體。磁環(huán)是電子電路中常用的抗干擾元件，對(duì)于高頻噪聲有很好的抑制作用，一般使用鐵氧體材料制成。對(duì)于通過(guò)各種接地?zé)o法消除的通訊干擾，可以使用磁環(huán)對(duì)干擾進(jìn)行抑制。667.6.4過(guò)程通道干擾抑制1.電磁輻射抑制（1）電磁屏蔽電磁屏蔽是電磁兼容技術(shù)的主要措施之一，即用金屬屏蔽材料將電磁干擾源封閉起來(lái)，使其外部電磁場(chǎng)強(qiáng)度低于允許值的一種措施，或用金屬屏蔽材料將電磁敏感電路封閉起來(lái)，使其內(nèi)部電磁場(chǎng)強(qiáng)度低于允許值的一種措施。采用同軸電纜傳輸可以對(duì)外部電磁場(chǎng)干擾進(jìn)行抑制。

（2）電磁消除雙絞線(xiàn)由兩根具有絕緣保護(hù)層的銅導(dǎo)線(xiàn)組成，它是把兩根絕緣的銅導(dǎo)線(xiàn)按一定密度互相絞在一起，每一根導(dǎo)線(xiàn)在傳輸中輻射的電磁波會(huì)被另一根線(xiàn)上發(fā)出的電磁波抵消。雙絞線(xiàn)構(gòu)成的每個(gè)環(huán)路使線(xiàn)間的電磁感應(yīng)改變了方向，兩者相互抵消，因此對(duì)電磁場(chǎng)的干擾有著抑制的效果。

677.6.4過(guò)程通道干擾抑制2.輸入濾波在輸入通道中采用濾波器抑制過(guò)程通道干擾中的串模干擾是最常用的方法。根據(jù)干擾的頻率與被測(cè)信號(hào)頻率的分布特性，分別采用具有低通、高通、帶通等傳遞特性的濾波器。一般情況下，采用電阻、電容、電感等無(wú)源元件構(gòu)成無(wú)源濾波器，其缺點(diǎn)是對(duì)信號(hào)有很大的衰減。為把增益和頻率特性結(jié)合起來(lái)，可采用以反饋放大器為基礎(chǔ)的有源濾波器，這對(duì)小信號(hào)尤其重要，缺點(diǎn)是線(xiàn)路較復(fù)雜。3.消除地線(xiàn)干擾（1）保持系統(tǒng)共地要消除干擾就必須保證系統(tǒng)中只有一個(gè)地線(xiàn)，即所謂的共地。（2）采用信號(hào)隔離器消除隔離器是采取將輸入和輸出兩部分的地線(xiàn)隔離的方法來(lái)消除干擾的。687.6.4過(guò)程通道干擾抑制（3）采用雙絞線(xiàn)

雙絞線(xiàn)傳輸系統(tǒng)是平衡式系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的抑制共模干擾的能力。地線(xiàn)干擾電流在雙絞線(xiàn)的兩條導(dǎo)線(xiàn)中產(chǎn)生大小相等的電流。輸出端的放大器輸出的是差模信號(hào)，被輸入端的差分放大后正常輸出，因?yàn)檩斎氩捎貌罘州斎敕糯笃鳎瑢?duì)這樣的共模信號(hào)不具備放大作用。4.光電隔離

光電隔離器亦稱(chēng)光電耦合器、光耦合器，簡(jiǎn)稱(chēng)光耦。光耦合器以光為媒介傳輸電信號(hào)。它對(duì)輸入、輸出電信號(hào)有良好的隔離作用，所以它在各種電路中得到廣泛的應(yīng)用。它從電路上把干擾源和易受干擾的部分隔離開(kāi)來(lái)，使測(cè)控裝置與現(xiàn)場(chǎng)僅保持信號(hào)聯(lián)系，而不直接發(fā)生電的聯(lián)系。697.6.4過(guò)程通道干擾抑制5.優(yōu)化布線(xiàn)由布線(xiàn)產(chǎn)生的干擾主要原因是傳輸線(xiàn)與強(qiáng)電線(xiàn)路長(zhǎng)距離緊密平行布線(xiàn)，相互產(chǎn)生電磁耦合。同軸電纜的干擾防衛(wèi)度在低頻段較低，而強(qiáng)電干擾成分主要是50Hz交流電及其諧波，因此對(duì)同軸電纜的威脅較大，因此要避免信號(hào)線(xiàn)與強(qiáng)電線(xiàn)路長(zhǎng)距離緊密平行布線(xiàn)。強(qiáng)電線(xiàn)路與信號(hào)傳輸線(xiàn)應(yīng)分線(xiàn)槽布設(shè)，且線(xiàn)槽間保持一定的距離。707.6.5接地技術(shù)1.基本概念（1）接地將電力系統(tǒng)或電氣裝置的某一部分經(jīng)接地線(xiàn)連接到接地極稱(chēng)為接地。接地是電力系統(tǒng)和電氣裝置的中性點(diǎn)，電氣設(shè)備的外露導(dǎo)電部分和裝置外導(dǎo)電部分經(jīng)由導(dǎo)體與大地相連。大地是一個(gè)電阻非常低、電容量非常大的物體，擁有吸收無(wú)限電荷的能力，而且在吸收大量電荷后仍能保持電位不變，因此可作為電氣系統(tǒng)中的參考電位體。（2）接地裝置接地裝置由接地體和接地線(xiàn)組成。接地點(diǎn)與接地體連接的金屬導(dǎo)體稱(chēng)為接地線(xiàn)。直接與土壤接觸的金屬導(dǎo)體稱(chēng)為接地體，可分為自然接地體和人工接地體兩類(lèi)。717.6.5接地技術(shù)（3）接地電阻接地電阻是電流由接地裝置流入大地，再經(jīng)大地流向另一接地體或向遠(yuǎn)處擴(kuò)散所遇到的電阻。接地電阻值體現(xiàn)電氣裝置與“地”接觸的良好程度和反映接地網(wǎng)的規(guī)模，它包括接地線(xiàn)和接地體本身的電阻，接地體與大地的電阻之間的接觸電阻，兩接地體之間大地的電阻或接地體到無(wú)限遠(yuǎn)處的大地電阻。（4）接地功能（a）工作接地工作接地就是由電力系統(tǒng)運(yùn)行需要而設(shè)置的（如中性點(diǎn)接地），因此在正常情況下就會(huì)有電流長(zhǎng)期流過(guò)接地電極，但是只是幾安培到幾十安培的不平衡電流。727.6.5接地技術(shù)（b）防雷接地防雷接地是為了消除過(guò)電壓危險(xiǎn)影響而設(shè)的接地，如避雷針、避雷線(xiàn)和避雷器的接地。防雷接地只是在雷電沖擊的作用下才會(huì)有電流流過(guò)，流過(guò)防雷接地電極的雷電流幅值可達(dá)數(shù)十至數(shù)千安培，但是持續(xù)時(shí)間很短。（c）保護(hù)接地保護(hù)接地是為了防止設(shè)備因絕緣損壞帶電而危及人身安全所設(shè)的接地，如電力設(shè)備的金屬外殼、鋼筋混凝土桿和金屬桿塔。保護(hù)接地只是在設(shè)備絕緣損壞的情況下才會(huì)有電流流過(guò)，其值可以在較大范圍內(nèi)變動(dòng)。（d）屏蔽接地屏蔽接地是消除電磁場(chǎng)對(duì)人體危害的有效措施，也是防止電磁干擾的有效措施。737.6.5接地技術(shù)2.接地方式常用的有保護(hù)接地、工作接地、防雷接地、屏蔽接地、防靜電接地等。單點(diǎn)接地：是指所有電路的地線(xiàn)接到公共地線(xiàn)的同一點(diǎn)，進(jìn)一步可分為串聯(lián)單點(diǎn)接地和并聯(lián)單點(diǎn)接地。最大的好處就是沒(méi)有地環(huán)路，相對(duì)簡(jiǎn)單，但是地線(xiàn)往往過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致地線(xiàn)阻抗過(guò)大。單點(diǎn)接地分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種方式，如圖7-12所示。圖7-12單點(diǎn)接地工作頻率低（<1MHz）的電路宜采用單點(diǎn)接地式747.6.5接地技術(shù)多點(diǎn)接地：工作頻率高時(shí)（>30MHz）的電路宜采用多點(diǎn)接地式，如圖7-13所示。在該電路系統(tǒng)中，用一塊接地平板代替電路中每部分各自的地回路。因?yàn)榻拥匾€(xiàn)的感抗與頻率和長(zhǎng)度成正比，工作頻率高時(shí)將增加共地阻抗，從而將增大共地阻抗產(chǎn)生的電磁干擾，所以要求地線(xiàn)的長(zhǎng)度盡量短。圖7-13多點(diǎn)接地757.6.5接地技術(shù)混合接地：是在地線(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)使用電感、電容連接，利用電感、電容器件在不同頻率下有不同阻抗的特性，使地線(xiàn)系統(tǒng)在不同的頻率具有不同的接地結(jié)構(gòu)。它分為容性和感性耦合接地，圖7-14（a）所示為容性耦合接地，圖7-14（a）所示感性耦合接地方式。工作頻率介于1～30MHz的電路采用混合接地式。當(dāng)接地線(xiàn)的長(zhǎng)度小于工作信號(hào)波長(zhǎng)的1/20時(shí)，采用單點(diǎn)接地式，否則采用多點(diǎn)接地式。在PCB中存在高低頻混合頻率時(shí)，也常使用這種接地方式。圖7-14混合點(diǎn)接地767.6.5接地技術(shù)3.接地干擾地線(xiàn)干擾的形式很多，主要是地線(xiàn)環(huán)路干擾與公共阻抗干擾。（1）地環(huán)路干擾地環(huán)路干擾是一種較常見(jiàn)的干擾現(xiàn)象，常常發(fā)生在通過(guò)較長(zhǎng)電纜連接并且相距較遠(yuǎn)的設(shè)備之間。如圖7-15所示，當(dāng)電流流過(guò)地線(xiàn)時(shí)，會(huì)在地線(xiàn)上產(chǎn)電位差，在這個(gè)電壓的驅(qū)動(dòng)下，會(huì)產(chǎn)生地線(xiàn)環(huán)路電流，形成地環(huán)路干抗。圖7-15接地干擾777.6.5接地技術(shù)

地線(xiàn)環(huán)路將包圍一定的面積，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，如果這個(gè)環(huán)路所包圍的面積中有較強(qiáng)變化的磁場(chǎng)存在，就會(huì)在環(huán)路中產(chǎn)生感生電流形成干擾，這種干擾是電磁耦合干擾。由于空間磁場(chǎng)的變化無(wú)處不在，于是包圍的面積越大干擾就越嚴(yán)重。（2）公共阻抗干擾在數(shù)字電路中，由于信號(hào)的頻率較高，地線(xiàn)往往呈現(xiàn)較大的阻抗。當(dāng)幾個(gè)電路共用一段地線(xiàn)時(shí)，由于地線(xiàn)的阻抗，一個(gè)電路的地電位會(huì)受另一個(gè)電路工作電流的調(diào)制，這樣一個(gè)電路中的信號(hào)會(huì)合進(jìn)另一個(gè)電路，這種耦合稱(chēng)為公共阻抗耦合。解決公共阻抗耦合的方法是減小公共地線(xiàn)部分的阻抗，或采用單點(diǎn)接地，徹底消除公共阻抗。787.7接口設(shè)計(jì)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中把機(jī)械、計(jì)算機(jī)、傳感器等元件集成一體，實(shí)現(xiàn)信息傳遞的連接元件稱(chēng)之為接口。這些接口按照其用途可分為人機(jī)界面接口、開(kāi)關(guān)量輸入輸出、模擬量輸入輸出、通訊接口等。7.7.1接口技術(shù)在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中接口的主要作用有：（1）速度匹配。由于外設(shè)的速度慢，無(wú)法和CPU的速度相比，在數(shù)據(jù)傳送的過(guò)程中常常需要等待，接口電路中設(shè)置緩沖器，用以暫存數(shù)據(jù)。（2）信號(hào)變換。將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，把串行數(shù)據(jù)變換成并行數(shù)據(jù)，例如模擬量通道的A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器。（3）電平轉(zhuǎn)換。把計(jì)算機(jī)輸出的邏輯電平轉(zhuǎn)換成外設(shè)的邏輯電平，或?qū)⑼庠O(shè)的邏輯電平轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)的邏輯電平。79無(wú)論在接口設(shè)計(jì)還是在選擇接口模塊時(shí)，一般要遵循以下原則：（1）接口電路是接口的骨架，用來(lái)實(shí)現(xiàn)被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)、信息在電氣上、時(shí)間上的匹配。接口驅(qū)動(dòng)程序是接口的中樞，完成接口數(shù)據(jù)的輸入輸出，傳送可編程接口器件的方式設(shè)定、中斷設(shè)定等控制信息。（2）接口設(shè)計(jì)需要滿(mǎn)足信息傳輸和轉(zhuǎn)換的要求，例如信息采集（信號(hào)輸入），驅(qū)動(dòng)控制（信號(hào)輸出），變送單元。（3）不同的機(jī)電一體化產(chǎn)品有其自身的特點(diǎn)功能，對(duì)接口有不同的要求，要根據(jù)具體情況而定。（4）注意計(jì)算機(jī)與接口設(shè)備的速度匹配問(wèn)題。（5）選擇技術(shù)成熟的人機(jī)接口，成熟的接口在電氣規(guī)范、抗干擾性能、可靠性等方面經(jīng)受過(guò)長(zhǎng)時(shí)間考驗(yàn)。（6）在滿(mǎn)足系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)時(shí)以小型、廉價(jià)為原則，提高整個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)的性?xún)r(jià)比。7.7.1接口技術(shù)807.7.2數(shù)字量接口設(shè)計(jì)1.數(shù)字量輸入接口數(shù)字量輸入位數(shù)一般為4位、8位、16位、32位，每一位有獨(dú)立的輸入接口電路。輸入電路中一般采用光電方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離，提高抗干擾性能，并且在每一個(gè)路中有指示燈顯示輸入狀態(tài)。在進(jìn)行數(shù)字量輸入接口設(shè)計(jì)或模塊選擇時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面因素：（1）輸入容量。一般按字節(jié)的整數(shù)倍設(shè)置，計(jì)算機(jī)讀取時(shí)通常按字節(jié)或字讀取數(shù)字量的輸入狀態(tài)，也可以按位讀取。（2）隔離措施。在輸入接口電路中，需要對(duì)外部輸入信號(hào)隔離，一般采用光電耦合方法。光電耦合在信號(hào)傳遞采取電-光-電轉(zhuǎn)換形式，發(fā)光部分和受光部分不接觸，能夠避免輸出端對(duì)輸入端可能產(chǎn)生的反饋和干擾，抑制噪聲干擾能力強(qiáng)。817.7.2數(shù)字量接口設(shè)計(jì)（3）電平轉(zhuǎn)換。當(dāng)外部輸入信號(hào)電平與計(jì)算機(jī)內(nèi)部輸入電平通常不一致，需要通過(guò)接口進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。（4）驅(qū)動(dòng)電壓。如果采用光電隔離，為了點(diǎn)亮發(fā)光二極管，需要內(nèi)部或外部輸入驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)。驅(qū)動(dòng)信號(hào)有直流和交流兩種形式，直流電壓一般在+5V～+24V之間，交流電壓在110V～220V之間，如采用交流需要整流電路。（5）有效信號(hào)。數(shù)字量的有效信號(hào)分為高電平、低電平、上升沿、下降沿信號(hào)。選擇合適的有效信號(hào)形式，表示輸入信號(hào)狀態(tài)。（6）輸入類(lèi)型。輸入接口電路分為源型與漏型兩種類(lèi)型，相對(duì)于公共端，電流從接線(xiàn)公共端（COM端或M端）流入，從輸入端流出為漏型輸入，電流是從輸入端流進(jìn)，而從公共端流出為源型輸入。827.7.2數(shù)字量接口設(shè)計(jì)圖7-16為西門(mén)子S7-300數(shù)字量輸入模塊接口，采用光電耦合器進(jìn)行內(nèi)隔離，信號(hào)通過(guò)總線(xiàn)輸入到CPU中。圖7-16數(shù)字量輸入接口電路837.7.2數(shù)字量接口設(shè)計(jì)2.數(shù)字量輸出接口數(shù)字量輸出通常為8位、16位、32位，每一位有相同的輸出結(jié)構(gòu)，在接口模塊中有隔離、顯示、保護(hù)功能。數(shù)字量輸出接口設(shè)計(jì)或模塊選擇時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面因素：電氣隔離：在數(shù)字量輸出接口中也需要隔離，多采用光電耦合方式。供電方式：驅(qū)動(dòng)功率小時(shí)可以由計(jì)算機(jī)供電，功率較大時(shí)采用外部供電方式。外部供電可以用直流或交流方式。保護(hù)措施：防止外部輸出控制對(duì)象短路、接線(xiàn)等故障對(duì)接口電路損壞，需要在接口中安裝保險(xiǎn)絲、防反向、穩(wěn)壓等保護(hù)措施。輸出要求：為了滿(mǎn)足不同控制對(duì)象要求，數(shù)字量輸出分為繼電器輸出、晶體管輸出，直流輸出、交流輸出等類(lèi)型。847.7.2數(shù)字量接口設(shè)計(jì)圖7-17所示為西門(mén)子S7-300中SM322數(shù)字量輸出模塊接口電路，16路輸出，采用光電耦合器輸出隔離，其中圖7-17（a）為晶體管輸出，圖7-17（b）為繼電器輸出類(lèi)型。（a）晶體管輸出接口857.7.2數(shù)字量接口設(shè)計(jì)（b）繼電器輸出接口867.7.3模擬量接口設(shè)計(jì)1.模擬量輸入接口模擬量輸入接口主要由多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、隔離器組成，可以實(shí)現(xiàn)電壓、電流或電阻信號(hào)輸入。設(shè)計(jì)需要考慮的性能和功能指標(biāo)有：轉(zhuǎn)換方式：把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的方法有多種，常采用的逐次逼近法、雙積分法、電壓頻率轉(zhuǎn)換法。采樣頻率：采樣頻率越高，采樣得到的離散信號(hào)越接近于模擬信號(hào)真實(shí)值。采樣最小頻率要高于采集信號(hào)頻率的2倍以上，采樣頻率通常在幾赫茲到幾百赫茲之間。輸入范圍：模擬量輸入范圍可分為電壓、電流、電阻等信號(hào)。電壓輸入分單極性、雙極性輸入，雙極性輸入的電壓范圍有±10V、±5V、±2.5V等。電流信號(hào)輸入的電流范圍有0～20mA、4mA～20mA等。877.7.3模擬量接口設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換時(shí)間：轉(zhuǎn)換時(shí)間包括基本轉(zhuǎn)換時(shí)間和模塊在處理上花費(fèi)的其它時(shí)間?；巨D(zhuǎn)換時(shí)間取決于轉(zhuǎn)換方法、實(shí)際值轉(zhuǎn)換。分辨率：模擬量輸入分辨率取決于轉(zhuǎn)換器數(shù)字量位數(shù)，通常有13位、16位，位數(shù)越高，分辨率越高。例如，13位轉(zhuǎn)換器的模擬量輸入范圍-10V～+10V，對(duì)應(yīng)的數(shù)字量輸出范圍為-27648～+27648。精度：一般用百分比表示，例如電壓輸入型時(shí)為±0.1%，電流輸入時(shí)為±0.3%。噪聲抑制能力：對(duì)外界輸入的共模干擾、串模干擾以及不同通道的輸入之間有一定的抑制能力。887.7.3模擬量接口設(shè)計(jì)圖7-18所示為西門(mén)子SM1231模擬量輸入模塊，共有8路輸入，采用24V直流電源供電，西門(mén)子模擬量輸入模塊中有個(gè)量程選擇模塊，用它選擇電壓或電流信號(hào)的不同量程。圖7-18SM1231模擬量輸入接口電路897.7.3模擬量接口設(shè)計(jì)2.模擬量輸出接口模擬量輸出接口用于控制模擬量控制的外部設(shè)備，例如變頻器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等。模擬量輸出接口電路包括D/A轉(zhuǎn)換器、保護(hù)電路等組成。模擬量輸出模塊接口設(shè)計(jì)或選擇時(shí)主要考慮的功能和性能指標(biāo)有：信號(hào)類(lèi)型：模擬量輸出信號(hào)有電壓輸出與電流輸出兩種類(lèi)型。電壓輸出范圍有±10V、0～10V、1～5V等；電流輸出有±20mA、0～20mA、4～20mA等。轉(zhuǎn)換時(shí)間：轉(zhuǎn)換時(shí)間包括傳送內(nèi)部存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)的時(shí)間以及其數(shù)模轉(zhuǎn)換的時(shí)間，轉(zhuǎn)換時(shí)間一般在幾毫秒之內(nèi)。907.7.3模擬量接口設(shè)計(jì)穩(wěn)定時(shí)間：即轉(zhuǎn)換值達(dá)到模擬量輸出指定級(jí)別所經(jīng)歷的時(shí)間，穩(wěn)定時(shí)間由負(fù)載決定。負(fù)載分為阻性、容性和感性負(fù)載，容性和感性負(fù)載轉(zhuǎn)換時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，穩(wěn)定時(shí)間通常在幾毫秒之內(nèi)。響應(yīng)時(shí)間：即從將數(shù)字量輸出值輸入內(nèi)部存儲(chǔ)器到模擬量輸出的信號(hào)穩(wěn)定所經(jīng)歷的時(shí)間，此時(shí)間可能等于周期時(shí)間與穩(wěn)定時(shí)間的總和。周期時(shí)間：即模擬量輸出值再次轉(zhuǎn)換前所經(jīng)歷的時(shí)間，等于全部激活的模擬量輸出通道的積累轉(zhuǎn)換時(shí)間。轉(zhuǎn)換精度：一般用量程的百分比表示，例如輸出為±10V時(shí)，誤差在±0.02%。917.7.3模擬量接口設(shè)計(jì)圖7-19所示為西門(mén)子SM1232模擬量輸出模塊，共有4路輸出通道，采用直流24V供電，可選擇不同電壓、電流信號(hào)輸出量程。圖7-19SM1232模擬量輸出接口電路927.7.4功率接口設(shè)計(jì)功率接口常用的驅(qū)動(dòng)元件有光電耦合器、繼電器、晶閘管、功率MOS管、集成功率電子開(kāi)關(guān)、固態(tài)繼電器等。光電晶體管輸出型驅(qū)動(dòng)接口：光電晶體管除沒(méi)有使用基極外，跟普通晶體管一樣，取代基極電流的是以光作為晶體管的輸入。光電晶體管可以根據(jù)光照的強(qiáng)度控制集電極電流的大小，從而使光電晶體管處于不同的工作狀態(tài)。光電耦合器不僅有功率放大的作用還有較好的隔離作用。晶體管輸出一般用于高速輸出，如伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等，或者動(dòng)作頻率高的輸出，如溫度PI控制。937.7.4功率接口設(shè)計(jì)圖7-20為電晶體管輸出電路，單片機(jī)輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)光電耦合送入晶體管放大后輸出。由于晶管輸出是通過(guò)光耦合使晶體管通斷控制外部直流負(fù)載，響應(yīng)快。圖7-20光電晶體管接口電路947.7.4功率接口設(shè)計(jì)晶閘管輸出型驅(qū)動(dòng)接口：輸出端是光敏晶閘管或光敏雙向晶閘管。當(dāng)光電耦合器的輸入端有一定的電流流入時(shí)，晶閘管導(dǎo)通。雙向晶閘管輸出電路只能驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載，響應(yīng)速度也比繼電器輸出電路形式要快，壽命要長(zhǎng)。雙向晶閘管輸出的驅(qū)動(dòng)能力要比繼電器輸出要小，允許的負(fù)載電壓一般為AC85～242V，單點(diǎn)輸出電流為0.2A~0.5A。圖7-21為雙向晶閘管驅(qū)動(dòng)輸出電路，單片機(jī)輸出信號(hào)控制雙向晶閘管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)負(fù)載。圖7-21雙向晶閘管驅(qū)動(dòng)接口電路957.7.4功率接口設(shè)計(jì)繼電器輸出型驅(qū)動(dòng)接口：繼電器輸出型的額定負(fù)載電壓為直流24～120V或交流48～230V，適用于交直流電磁閥、接觸器、電機(jī)起動(dòng)器、FHP電機(jī)和信號(hào)燈。圖7-22所示為直流繼電器的驅(qū)動(dòng)電路。P1.0輸出低電平時(shí)繼電器J吸合，輸出高電平繼電器J釋放。采用這種控制邏輯可以使繼電器在上電復(fù)位或單片機(jī)受控復(fù)位時(shí)不吸合。當(dāng)繼電器J吸合時(shí)，二極管D截止，不影響電路工作。繼電器釋放時(shí)，由于繼電器線(xiàn)圈存在電感，這時(shí)晶體管T已經(jīng)截止，所以會(huì)在線(xiàn)圈的兩端產(chǎn)生較高的感應(yīng)電壓。967.7.4功率接口設(shè)計(jì)圖7-22直流繼電器驅(qū)動(dòng)接口電路功率驅(qū)動(dòng)芯片：為了滿(mǎn)足控制器信號(hào)輸出驅(qū)動(dòng)需要，由專(zhuān)業(yè)廠家設(shè)計(jì)了多種用于信號(hào)功率放大的驅(qū)動(dòng)芯片，用戶(hù)根據(jù)需要選擇。下面介紹兩種常用的功率驅(qū)動(dòng)芯片。977.7.4功率接口設(shè)計(jì)IR2110內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖7-23所示。它兼有光耦隔離和電磁隔離的優(yōu)點(diǎn)，在中小功率變換裝置中的驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用較多。該芯片具有獨(dú)立的低端和高端輸入通道。懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達(dá)500V。輸出的電源端的電壓范圍為10～20V；邏輯電源的輸入范圍5～15V，而且邏輯電源地和功率電源地之間允許有幾伏的偏移量。它的工作頻率可達(dá)500KHz。圖7-23IR2110內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖987.7.4功率接口設(shè)計(jì)ULN2068芯片為高電大電流四路達(dá)林頓開(kāi)關(guān)陣列輸出器件，能驅(qū)動(dòng)電流高達(dá)1.5A的負(fù)載，輸入可以是TTL、DTL、LS、CMOS電平信號(hào)。圖7-24（a）所示為其中的一路的驅(qū)動(dòng)電路圖，它采用了三級(jí)放大輸出，芯片針腳安排如圖7-24（b）所示。由于ULN2068在25°C時(shí)功耗達(dá)到2W，因而使用時(shí)一定要加散熱板。圖7-24ULN2068芯片原理圖997.7.5通訊接口設(shè)計(jì)通訊接口是機(jī)電一體化系統(tǒng)與上位機(jī)或下位機(jī)、終端以及控制對(duì)象之間進(jìn)行信息傳遞的端口。機(jī)電一體化系統(tǒng)中通常配置的接口類(lèi)型包括串行通訊接口、以太網(wǎng)接口以及其它用于通訊接口。系統(tǒng)配置的通訊接口類(lèi)型和數(shù)量越多，其適用范圍就越廣，但成本也會(huì)相對(duì)增加。1.串行通訊接口串行通訊是機(jī)電一體化系統(tǒng)常用的通訊方式，例如計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間，計(jì)算機(jī)與外設(shè)傳感器、打印機(jī)、儀表等）之間。串行通訊傳輸相對(duì)簡(jiǎn)單，串行通訊接口工作多在強(qiáng)電、戶(hù)外等復(fù)雜環(huán)境，并且通信這距離一般較長(zhǎng)，因此容易受干擾。串行通訊接口根據(jù)所采用的協(xié)議不同又分為RS232、RS485、RS422、USB接口等。1007.7.5通訊接口設(shè)計(jì)RS232通訊接口：是常用的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)之一。RS232只限于PC串口和設(shè)備間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信。RS-232串口通信最遠(yuǎn)距離是15米。RS232規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)傳送速在50b/s～192b/s之間，可靈活選擇。RS232通訊分為握手和無(wú)握手協(xié)議。圖7-25所示為計(jì)算機(jī)與PLC之間采用RS232無(wú)握手通訊的接線(xiàn)圖，只需要連接RX、TX、SG三根線(xiàn)即可通迅。圖7-25RS232通訊1017.7.5通訊接口設(shè)計(jì)

RS485通訊接口：RS485是一個(gè)定義平衡數(shù)字多點(diǎn)系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)器和接收器的電氣特性的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）定義，有兩線(xiàn)制和四線(xiàn)制兩種接線(xiàn)方式，多數(shù)采用兩線(xiàn)制接線(xiàn)方式。

如圖7-26所示為總線(xiàn)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在同一總線(xiàn)上最多可以?huà)旖?2個(gè)節(jié)點(diǎn)。在低速、短距離、無(wú)干擾的場(chǎng)合可以采用普通的雙絞線(xiàn)，在高速長(zhǎng)線(xiàn)傳輸時(shí)則必須采用阻抗匹配（一般為120Ω）的RS485專(zhuān)用電纜，在干擾惡劣的環(huán)境下還應(yīng)采用鎧裝型雙絞屏蔽電纜（ASTP-120Ω）。RS485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mb/s，最大傳輸距離達(dá)1200m。1027.7.5通訊接口設(shè)計(jì)圖7-26RS-485通訊1037.7.5通訊接口設(shè)計(jì)RS422通訊接口：采用四線(xiàn)制，全雙工，差分傳輸?shù)亩帱c(diǎn)通信的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，接線(xiàn)圖如圖7-27所示。由于RS-422接收器采用高輸入阻抗，它的發(fā)送驅(qū)動(dòng)器比RS232接口有更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，故允許在相同傳輸線(xiàn)上連接多個(gè)接收節(jié)點(diǎn)，最多可接10個(gè)節(jié)點(diǎn)。RS-422的最大傳輸距離為1200米，最大傳輸速率為10Mb/s。圖7-27RS-422通訊1047.7.5通訊接口設(shè)計(jì)

USB通訊接口：USB接口（通用串行總線(xiàn)接口）是計(jì)算機(jī)等設(shè)備中最常用的接口類(lèi)型。USB只有4根線(xiàn)，兩根為電源線(xiàn)，兩根為信號(hào)線(xiàn)，信號(hào)是串行傳輸?shù)?，接口輸出的電壓和電流分別為+5V、500mA。目前使用的USB接口版本有USB2.0、USB3.0、USB3.1。USB2.0的最大傳輸速率為480Mb/s，USB3.0的最大傳輸速率為5Gb/s，USB3.1最大傳輸速率為10Gb/s。2.現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通訊接口現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通訊接口是指采用了現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通訊協(xié)議的接口?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的工業(yè)數(shù)據(jù)總線(xiàn)。1057.7.5通訊接口設(shè)計(jì)CAN接口：CAN接口是用于連接CAN總線(xiàn)的端口，現(xiàn)在北美和歐洲的汽車(chē)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。CAN（ControllerAreaNetwork）總線(xiàn)是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)之一，由德國(guó)BOSCH公司開(kāi)發(fā)，并最終成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。CAN總線(xiàn)支持多主工作方式，通訊距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km，通訊速率最高可達(dá)1Mb/s，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)110個(gè)。在北美和歐洲，CAN總線(xiàn)協(xié)議已經(jīng)成為汽車(chē)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)。1067.7.5通訊接口設(shè)計(jì)PROFIBUS接口：是用于連接PROFIBUS總線(xiàn)的端口，現(xiàn)在西門(mén)子數(shù)控系統(tǒng)和PLC中得到普遍應(yīng)用。PROFIBUS（ProcessFieldBus）是由德國(guó)西門(mén)子公司等十四家公司及五個(gè)研究機(jī)構(gòu)發(fā)起的，分為DP、FMS、PA三種類(lèi)型。其中，DP用于分散外設(shè)之間的高速數(shù)據(jù)傳輸，適用于加工自動(dòng)化領(lǐng)域；FMS適用于紡織、樓宇自動(dòng)化、可編程控制器、低壓開(kāi)關(guān)等；PA用于過(guò)程自動(dòng)化的總線(xiàn)類(lèi)型。PROFIBUS支持主-從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)等幾種傳輸方式。PROFIBUS總線(xiàn)的傳輸速率為9.6Kb/s～12Mb/s，在12Mb/s時(shí)傳輸距為200m，傳輸介質(zhì)為雙絞線(xiàn)或者光纜，最多可掛接127個(gè)站點(diǎn)。1077.7.5通訊接口設(shè)計(jì)CC-Link接口：是用于CC-Link總線(xiàn)連接的端口，現(xiàn)在三菱控制器、PLC中得到了廣泛應(yīng)用。CC-Link（Control&CommunicationLink）是由三菱電機(jī)公司聯(lián)合多家公司推出。它可以將控制和信息數(shù)據(jù)同時(shí)以10Mb/s高速傳送至現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)，具有性能卓越、使用簡(jiǎn)單、應(yīng)用廣泛、節(jié)省成本等優(yōu)點(diǎn)。FFH1接口：是用于基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)連接的端口，主要用低速現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接?；饡?huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)（FoundationFieldbus）是由美國(guó)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì)(FieldbusFoundation，F(xiàn)F）在ISP協(xié)議和WorldFIP協(xié)議基礎(chǔ)上制訂的國(guó)際上統(tǒng)一的總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。1087.7.5通訊接口設(shè)計(jì)3.以太網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)接口工業(yè)以太網(wǎng)是以太網(wǎng)技術(shù)與通用工業(yè)協(xié)議的完美結(jié)合，也是標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用拓展，在實(shí)用性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質(zhì)安全等方面比以太網(wǎng)有更高的要求。機(jī)電一體化系統(tǒng)使用的工業(yè)以太網(wǎng)接口主要有Profinet接口、ModbusTCP/IP接口、Ethernet/IP接口、FFHSE接口等類(lèi)型。Profinet接口：是一種用于使用Profinet通訊協(xié)議進(jìn)行通訊的端口類(lèi)型，現(xiàn)主要應(yīng)用西門(mén)子控制系統(tǒng)中。PROFINET為自動(dòng)化通信領(lǐng)域提供了一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)解決方案，包括實(shí)時(shí)以太網(wǎng)、運(yùn)動(dòng)控制、分布式自動(dòng)化、故障安全以及網(wǎng)絡(luò)安全等，可以完全兼容工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)。1