機電一體化設計的整體

1、機電一體化設計的整體 摘要 對機電一體化設計的整體分析降低了模型的重復率、使 不必要的成本最小化。 關鍵字整體分析法模型重復率成本削減 人們通過減少那些包含重新制作工作模型的設計成本，來降低 生產(chǎn)成本。當削減成本的決定還懸而未決時 ，工程師們常常擔心他們 付出了幾個星期甚至幾個月心血的設計會修改或者被取消掉。更糟糕 的是，對設計進行從頭到尾的修改，采取完全不同的方式來制作，這 對成本的削減有好處嗎反復的設計消耗的不僅僅是時間還有金錢， 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計之初就被最優(yōu)化的方法。 如果我們看看其它已解決重復設計問題的地方，就會發(fā)現(xiàn)機電 一體化的整體分析法。所

2、有的設計都有四個法則機電一體化、電子、 控制理論以及微處理器這四個法則被完全集合起來進行檢查和塑模。 結(jié)合每個部分來設計的目的是以整個系統(tǒng)的要求為基礎。采用這樣的 方法，每個部件就會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，使整體設計不僅成本低，還可以降低模型重復率。 響。結(jié)果得到的簡單設計能夠?qū)⒆罱K數(shù)值錯誤率最小化。 這個方法的問題是，多數(shù)零部件都非常昂貴。溫差補償和性能調(diào) 整需要在制造商零部件組裝線最后一步進行特別的測試和校準。 另外, 需要調(diào)整的電路需要在信號鏈的每個設備上都進行安裝。 結(jié)果是客戶 需要為額外的測試和傳感器

3、的彌補電路買單。 從我們新的、整體的觀點來看成本削減，這樣額外的費用需要最 先被砍掉。 為了實現(xiàn)這個目標，我們必須簡化微控制器而不是每個零部件 最后數(shù)值的調(diào)整和補償電路，來交換整個系統(tǒng)最后測試校準步驟所 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)器以及無反復的存儲功能但是其它功能也離不開溫度傳感器 和存儲器，因此成本的增加可以忽略。 因為 設計微控制器是為了處理加法、減法和乘法 ，額外的補償 電路、調(diào)節(jié)功能只會使軟件成本微弱的上升 校準是大多數(shù)生產(chǎn)線上最不堪的一步，但是相比非補償傳感器 信號鏈和全調(diào)整補償零部件的價格差，校準步驟還是非常值得的。另 外，微控制器可以幫助處

4、理器在多通路同時運行校準功能 ，在生產(chǎn)線 最后的測試中自動對整個系統(tǒng)進行必要的校準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系統(tǒng) 的校準進行周期性檢查。 另外，在生產(chǎn)線結(jié)尾處無需進行溫度檢測就可以對系統(tǒng)進行校 驗和補償。 如果只需要傳感器用來監(jiān)控指定參數(shù)的添加軸，那就無需補償。 同時也無需補償溫度變化。但是，如果溫度是獲取傳感器信號鏈的要 素，那么則使用零部件溫度系數(shù)和電熱調(diào)節(jié)器 ，此時微控制器需要 最佳猜想溫度補償，而無需進行完整測試。 信號發(fā)生條件讓我們從一個簡單的例子著手 傳感器，它的信號 發(fā)生條件鏈以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器。如上圖當中就展示了一個帶過濾器、 信 號

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)低補償和持續(xù)獲取信號來調(diào)整零部件以限制最終數(shù)值的錯誤率。 同時，用溫差補償來清除環(huán)境的影驅(qū)動器那么驅(qū)動器電路又如何呢 ， 一一機電一體化設計方法又是如何幫助節(jié)省在驅(qū)動電機上的成本、 數(shù) 值或螺線管的不考慮驅(qū)動的是何種機器，驅(qū)動器在一定范圍控制之 下必須盡可能的達到高效。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)動單元來帶動機器 運轉(zhuǎn)。集成驅(qū)動器非常便捷，因為它們包含了所有驅(qū)動器電路。另外, 實際輸出的金氧半場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)動器單元有幾個缺點。它們價格昂

6、貴，在某種程度上屬 于專業(yè)制造產(chǎn)品，同時輸出電晶體比分離的電晶體一般具有更咼的等 級電阻如果我們從機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)動器是否是必須的，或是否需要將控制邏輯輸入其他的 設計部分中，并降低成本幸運的是，我們發(fā)現(xiàn)微控制器制造商在近兩 年間，已在目外圍設備中構(gòu)建了橋架驅(qū)動控制功能。 四外圍設備通常不僅僅包括或者全部日橋架驅(qū)動輸出值，但是 他們還常有一個比較器關閉功能見下方圖。 這個日橋架驅(qū)動功能意味 著溯外圍設備可以直接在日橋架中驅(qū)動四個分離的電晶體，而無需 集成驅(qū)動器中包含控制功能。 比較器關閉功能可以被用在過電關閉或者扭轉(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驅(qū)動器的速度和扭轉(zhuǎn)力。外部零 部件僅需要丁電晶體以及簡單級別的轉(zhuǎn)化通路驅(qū)動器。 可以將他們的傳感器直接集成到系統(tǒng)機械結(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，巧頁一般的設計會將光學 編碼器或電位計連接到軸上，然后監(jiān)控計數(shù)器或模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出 值。 這個設計當中最不容易削減成本的地方 ，是設計需要安裝的聯(lián) 軸器、傳感器以及組裝托架，這增加了材料的成本并延長了 組裝的時間。如果我們選擇光學編碼器，我們還需要增加家用限制開 關以及將編碼器連接到計數(shù)器上的電路接口。 從機電一體化的角度來看這個設計 ，你會問為

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，如果需要進行絕對角測量，為什么采用智能航跡推算系統(tǒng)為什么 不直接測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 安裝傳感器并且進行絕對角測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角測量軸 上最少的延遲時間傳感器傳感器是機電一體化設計方法中可以確實 降低成本的地方，因為設計師們從電子和機械角度來看問題，我們就 會有如下的選擇電位計帶灰度掩模板的光學元件電導系統(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。從磨 損角度看，電位計大大限制了設備的壽命。 如果我們

9、在相對清潔的環(huán)境中工作，那么則可以使用光學元件, 但是灰塵和潤滑劑會對光學元件產(chǎn)生影響。 電導系統(tǒng)不受灰塵和潤滑劑影響，但是將傳感器線圈安裝到軸上 工藝復雜，摩擦會附帶信號，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的 金屬板。電容的第二個金屬板是另外一個固定在系統(tǒng)外殼上的電導體 與軸上的金屬板十分接近見圖，左邊。可以用現(xiàn)在市場上的電容觸摸 塊來進行電容測量，或采用簡單的壓力對比器系統(tǒng)為模數(shù)轉(zhuǎn)化器進 行充電放電。 結(jié)果是得到了無需接觸軸而能夠進行測量的相對簡單的傳感器。 我們能夠采用一些簡單的、芯片微控制器外圍設備進行數(shù)碼轉(zhuǎn)換。另 外，這種類型的傳感器相對來說受灰塵和潤滑劑影響較小。更重要的 是，成本較低。 每個例子