機(jī)電一體化設(shè)計(jì)的整體

1、機(jī)電一體化設(shè)計(jì)的整體 摘要 對(duì)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)的整體分析降低了模型的重復(fù)率、使 不必要的成本最小化。 關(guān)鍵字整體分析法模型重復(fù)率成本削減 人們通過減少那些包含重新制作工作模型的設(shè)計(jì)成本，來降低 生產(chǎn)成本。當(dāng)削減成本的決定還懸而未決時(shí) ，工程師們常常擔(dān)心他們 付出了幾個(gè)星期甚至幾個(gè)月心血的設(shè)計(jì)會(huì)修改或者被取消掉。更糟糕 的是，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行從頭到尾的修改，采取完全不同的方式來制作，這 對(duì)成本的削減有好處嗎反復(fù)的設(shè)計(jì)消耗的不僅僅是時(shí)間還有金錢， 這兩者都是現(xiàn)在我們所缺少的。 人們急需的是可以讓成本在設(shè)計(jì)之初就被最優(yōu)化的方法。 如果我們看看其它已解決重復(fù)設(shè)計(jì)問題的地方，就會(huì)發(fā)現(xiàn)機(jī)電 一體化的整體分析法。所

2、有的設(shè)計(jì)都有四個(gè)法則機(jī)電一體化、電子、 控制理論以及微處理器這四個(gè)法則被完全集合起來進(jìn)行檢查和塑模。 結(jié)合每個(gè)部分來設(shè)計(jì)的目的是以整個(gè)系統(tǒng)的要求為基礎(chǔ)。采用這樣的 方法，每個(gè)部件就會(huì)和其它部分緊密合作，使不必要的損耗最小化。 如果這樣的概念被用在成本削減上，我們就能將不同的功能重 新分配，使整體設(shè)計(jì)不僅成本低，還可以降低模型重復(fù)率。 響。結(jié)果得到的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)能夠?qū)⒆罱K數(shù)值錯(cuò)誤率最小化。 這個(gè)方法的問題是，多數(shù)零部件都非常昂貴。溫差補(bǔ)償和性能調(diào) 整需要在制造商零部件組裝線最后一步進(jìn)行特別的測(cè)試和校準(zhǔn)。 另外, 需要調(diào)整的電路需要在信號(hào)鏈的每個(gè)設(shè)備上都進(jìn)行安裝。 結(jié)果是客戶 需要為額外的測(cè)試和傳感器

3、的彌補(bǔ)電路買單。 從我們新的、整體的觀點(diǎn)來看成本削減，這樣額外的費(fèi)用需要最 先被砍掉。 為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，我們必須簡(jiǎn)化微控制器而不是每個(gè)零部件 最后數(shù)值的調(diào)整和補(bǔ)償電路，來交換整個(gè)系統(tǒng)最后測(cè)試校準(zhǔn)步驟所 需的高額零部件成本。這就需要我們?yōu)橄到y(tǒng)增加額外的功能例如電 熱調(diào)節(jié)器以及無反復(fù)的存儲(chǔ)功能但是其它功能也離不開溫度傳感器 和存儲(chǔ)器，因此成本的增加可以忽略。 因?yàn)?設(shè)計(jì)微控制器是為了處理加法、減法和乘法 ，額外的補(bǔ)償 電路、調(diào)節(jié)功能只會(huì)使軟件成本微弱的上升 校準(zhǔn)是大多數(shù)生產(chǎn)線上最不堪的一步，但是相比非補(bǔ)償傳感器 信號(hào)鏈和全調(diào)整補(bǔ)償零部件的價(jià)格差，校準(zhǔn)步驟還是非常值得的。另 外，微控制器可以幫助處

4、理器在多通路同時(shí)運(yùn)行校準(zhǔn)功能 ，在生產(chǎn)線 最后的測(cè)試中自動(dòng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行必要的校準(zhǔn)以溫度為周期微控制 器還可以在閑置狀態(tài)，通過觀察傳感器輸出值的不一致狀況對(duì)系統(tǒng) 的校準(zhǔn)進(jìn)行周期性檢查。 另外，在生產(chǎn)線結(jié)尾處無需進(jìn)行溫度檢測(cè)就可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校 驗(yàn)和補(bǔ)償。 如果只需要傳感器用來監(jiān)控指定參數(shù)的添加軸，那就無需補(bǔ)償。 同時(shí)也無需補(bǔ)償溫度變化。但是，如果溫度是獲取傳感器信號(hào)鏈的要 素，那么則使用零部件溫度系數(shù)和電熱調(diào)節(jié)器 ，此時(shí)微控制器需要 最佳猜想溫度補(bǔ)償，而無需進(jìn)行完整測(cè)試。 信號(hào)發(fā)生條件讓我們從一個(gè)簡(jiǎn)單的例子著手 傳感器，它的信號(hào) 發(fā)生條件鏈以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器。如上圖當(dāng)中就展示了一個(gè)帶過濾器、 信 號(hào)

5、捕獲階段以及將最終數(shù)值轉(zhuǎn)換為數(shù)碼的系統(tǒng)。通常的辦法 ，是通過 根據(jù)低補(bǔ)償和持續(xù)獲取信號(hào)來調(diào)整零部件以限制最終數(shù)值的錯(cuò)誤率。 同時(shí)，用溫差補(bǔ)償來清除環(huán)境的影驅(qū)動(dòng)器那么驅(qū)動(dòng)器電路又如何呢 ， 一一機(jī)電一體化設(shè)計(jì)方法又是如何幫助節(jié)省在驅(qū)動(dòng)電機(jī)上的成本、 數(shù) 值或螺線管的不考慮驅(qū)動(dòng)的是何種機(jī)器，驅(qū)動(dòng)器在一定范圍控制之 下必須盡可能的達(dá)到高效。這通常是意味要安裝脈寬調(diào)制器襯一般的 辦法是將微控制器的脈寬調(diào)制器四連接到集成驅(qū)動(dòng)單元來帶動(dòng)機(jī)器 運(yùn)轉(zhuǎn)。集成驅(qū)動(dòng)器非常便捷，因?yàn)樗鼈儼怂序?qū)動(dòng)器電路。另外, 實(shí)際輸出的金氧半場(chǎng)效電晶體丁和外圍四讓微控制器更容易控制。 遺憾的是，驅(qū)動(dòng)器單元有幾個(gè)缺點(diǎn)。它們價(jià)格昂

6、貴，在某種程度上屬 于專業(yè)制造產(chǎn)品，同時(shí)輸出電晶體比分離的電晶體一般具有更咼的等 級(jí)電阻如果我們從機(jī)電一體化的角度來看問題，首先需要提出的問 題是集成驅(qū)動(dòng)器是否是必須的，或是否需要將控制邏輯輸入其他的 設(shè)計(jì)部分中，并降低成本幸運(yùn)的是，我們發(fā)現(xiàn)微控制器制造商在近兩 年間，已在目外圍設(shè)備中構(gòu)建了橋架驅(qū)動(dòng)控制功能。 四外圍設(shè)備通常不僅僅包括或者全部日橋架驅(qū)動(dòng)輸出值，但是 他們還常有一個(gè)比較器關(guān)閉功能見下方圖。 這個(gè)日橋架驅(qū)動(dòng)功能意味 著溯外圍設(shè)備可以直接在日橋架中驅(qū)動(dòng)四個(gè)分離的電晶體，而無需 集成驅(qū)動(dòng)器中包含控制功能。 比較器關(guān)閉功能可以被用在過電關(guān)閉或者扭轉(zhuǎn)力控制循環(huán)的電 流限制上。 在一些較新的

7、溯外圍設(shè)備上，比較器還安裝了模數(shù)轉(zhuǎn)換器來控 制比較器閨值，這樣便可以控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的速度和扭轉(zhuǎn)力。外部零 部件僅需要丁電晶體以及簡(jiǎn)單級(jí)別的轉(zhuǎn)化通路驅(qū)動(dòng)器。 可以將他們的傳感器直接集成到系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)中。例如 ，角度傳 感器能夠監(jiān)控伺服器控制的輸出值見圖，巧頁一般的設(shè)計(jì)會(huì)將光學(xué) 編碼器或電位計(jì)連接到軸上，然后監(jiān)控計(jì)數(shù)器或模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出 值。 這個(gè)設(shè)計(jì)當(dāng)中最不容易削減成本的地方 ，是設(shè)計(jì)需要安裝的聯(lián) 軸器、傳感器以及組裝托架，這增加了材料的成本并延長(zhǎng)了 組裝的時(shí)間。如果我們選擇光學(xué)編碼器，我們還需要增加家用限制開 關(guān)以及將編碼器連接到計(jì)數(shù)器上的電路接口。 從機(jī)電一體化的角度來看這個(gè)設(shè)計(jì) ，你會(huì)問為

8、什么我們需要將 傳感器添加到現(xiàn)有的軸承上，為什么不直接在軸里面安裝傳感器，另 外，如果需要進(jìn)行絕對(duì)角測(cè)量，為什么采用智能航跡推算系統(tǒng)為什么 不直接測(cè)量角度大小這些問題提的都非常好。 我們能有辦法在軸里面 安裝傳感器并且進(jìn)行絕對(duì)角測(cè)量嗎答案是有可能的。 讓我們來看看下面這些傳感器需求清單高可靠性絕對(duì)角測(cè)量軸 上最少的延遲時(shí)間傳感器傳感器是機(jī)電一體化設(shè)計(jì)方法中可以確實(shí) 降低成本的地方，因?yàn)樵O(shè)計(jì)師們從電子和機(jī)械角度來看問題，我們就 會(huì)有如下的選擇電位計(jì)帶灰度掩模板的光學(xué)元件電導(dǎo)系統(tǒng)，如分相 器電容系統(tǒng)從可靠性角度來看，我們從一開始就要去掉電位計(jì)。從磨 損角度看，電位計(jì)大大限制了設(shè)備的壽命。 如果我們

9、在相對(duì)清潔的環(huán)境中工作，那么則可以使用光學(xué)元件, 但是灰塵和潤(rùn)滑劑會(huì)對(duì)光學(xué)元件產(chǎn)生影響。 電導(dǎo)系統(tǒng)不受灰塵和潤(rùn)滑劑影響，但是將傳感器線圈安裝到軸上 工藝復(fù)雜，摩擦?xí)綆盘?hào)，這樣又回到了灰塵和磨損問題上來。 電容傳感器不受灰塵或潤(rùn)滑劑的影響，也不需要和軸接觸，更不 用說繞軸安裝了。沒有任何磨損問題，唯一接觸軸的是半圈帶電導(dǎo)的 金屬板。電容的第二個(gè)金屬板是另外一個(gè)固定在系統(tǒng)外殼上的電導(dǎo)體 與軸上的金屬板十分接近見圖，左邊?？梢杂矛F(xiàn)在市場(chǎng)上的電容觸摸 塊來進(jìn)行電容測(cè)量，或采用簡(jiǎn)單的壓力對(duì)比器系統(tǒng)為模數(shù)轉(zhuǎn)化器進(jìn) 行充電放電。 結(jié)果是得到了無需接觸軸而能夠進(jìn)行測(cè)量的相對(duì)簡(jiǎn)單的傳感器。 我們能夠采用一些簡(jiǎn)單的、芯片微控制器外圍設(shè)備進(jìn)行數(shù)碼轉(zhuǎn)換。另 外，這種類型的傳感器相對(duì)來說受灰塵和潤(rùn)滑劑影響較小。更重要的 是，成本較低。 每個(gè)例子