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1、精品学习资源机电一体化系统的现代设计方法摘要 ： 机电一体化系统的现代设计方法主要有牢靠性设计、优化设计、反求设计、绿色设计、虚拟设计等；本论文主要介绍了牢靠性设计方法和优化设计方法；牢靠性设计包括了很广的内容，可以说在满意产品功能，成本等要求的前提下一切使产品牢靠运行的设计都称之为牢靠性设计；优化设计是指将优化技术应用于设计过程，最终获得比较合理的设计参数，优化设计的方法目前已比较成熟，各种运算机程序能解决不同特点的工程问题；关键词 ： 机电一体化；现代设计方法；牢靠性设计；优化设计 ；一、引言随着社会的进展和科学技术的进步，使人们对设计的要求进展到了一个新的阶段，详细表现为设计对象由单机走
2、向系统、设计要求由单目标走向多目标、设计所涉及的领域由单一领域走向多个领域、承担设计的工作人员从单人走向小组甚至大的群体、产品设计由自由进展走向有方案的开展；与人们对设计的要求相比现阶段的设计的确是落后的，主要表现为：对客观设计的讨论不够，尚未很好的把握设计中的客观规律；当前设计的优劣主要取决于设计者的体会；设计生产率较低；设计进度与质量不能很好掌握；实际手段与设计方法有待改进；尚未形成能被大家接受，能有效指导设计实践的系统设计理论；面对这种形势，唯独的解决方法就是设计必需科学化；这就意味着要科学的阐述客观设计过程及本质，分析与设计有关的领域及其位置，在此基础上科学的支配设计进程，使用科学的方
3、法和手段进行设计工作， 同时也要求设计人员不仅有丰富的专业学问，而且要把握先进的设计理论、设计方法及设计手段，科学地进行设计工作，这样才能准时得到符合要求的产品；二、机电一体化系统的现代设计方法概述机电一体化系统的现代设计方法是以设计产品为目标的一个总的学问群体的总称；它运用了系统工程，实行人、机、环境系统一体化设计，使设计思想、设计进程、设计组织更合理化、现代化，大力采纳很多动态分析方法，使问题分析动态化，实际进程、设计方案和数据的挑选更为优化，运算、绘图等运算机化；所以人们常用动态化、优化、运算机化概括其核心内容；机电一体化系统的现代设计方法包括牢靠性设计方法，优化设计方法，反求设计方法，
4、绿色设计方法，虚拟设计方法等；这里只介绍牢靠性设计和优化设计两种方法；三、牢靠性设计1. 牢靠性设计的主要内容牢靠性作为产品质量的主要指标之一，随产品所使用时间的连续在不断变化；牢靠性设计的任务就是确定产品质量指标的变化规律，并在其基础上确定如何以最少的费用来保证应有的工作寿命和牢靠度，建立最优的设计方案，实现产品的设计要求；因此牢靠性设计的内容主要包括：故障机理和故障模型研究； 牢靠性试验技术讨论；牢靠性水平的确定等；2. 牢靠性设计的常用指标表示牢靠性水平高低的指标体系如下图，主要包括五个方面：牢靠性、修理性、有效性、耐久性和安全性；3. 牢靠性设计常用方法（1） 冗余技术：欢迎下载精品学
5、习资源冗余技术又称为储存技术；它是利用系统的并联模型来提高系统牢靠性的一种手段；冗余有工作冗余和后备冗余两类；工作冗余：又称为工作储备和掩蔽储备，是一种两个或两个以上单元并行工作的并联模型；平常，由各个单元平均分担工作压力，因此工作才能有冗余；只有当全部单元都失效时系统才失效，假如仍有任何一个单元未失效，系统就能牢靠地工作，不过这个单元要负担额定的全部工作应力；后备冗余：又称为非工作储备或待机储备；平常只需一个单元工作，另一个单元是冗余的，用于待机备用；这种系统必需设置失效检测装置和转换装置并保证肯定牢靠，就后备冗余的牢靠度比工作冗余法 高；假如不肯定牢靠，就宁肯采纳工作冗余法，因工作冗余系统
6、仍有一个优点，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，因此其牢靠度比预定值高；挑选冗余法必需考虑产品性能上的要求，假如由多个单元同时完成同一工作显著影响系统的工作特性时，就不能采纳工作冗余法；产品设计必需考虑环境条件和工作条件的影响，例如，假如多个工作单元同时工作，因每个单元的温升而产生系统所不能容许的温升时，最好采纳后备冗余法；又如系统的电源有限，不足以使冗余单元同时工作，也以采纳后备冗余法为好；打算是否采纳冗余技术时，要分析引起失效的牢靠缘由；当失效真正是随机失效时，冗余技术就能大大提高牢靠度，但假如是由于过应力所引起的，冗余技术就没有用；假如某一环境条件是使并联各单
7、元失效的共同因素，就冗余单元也并不行靠；（2） 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：一是显现故障时，快速确定故障的种类和位置，以便准时修复；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，查明产品工作才能下降的缘由，以便实行保护措施或进行自动调整，防止发生故障；诊断的过程是：第一对诊断对象进行特定的测试，取得诊断信号（输出参数）；再从诊断信号中分别出能表征故障种类和位置的反常性信号，即征兆；最终将征兆与标准数据相比较，确定故障的种类和故障的位置；测试：通常有两种测试，一是在故障显现之后，为了快速确定
8、故障的种类和故障的位置，对诊断对象进行试验性测试，这时诊断对象处于非工作状态，这种情形称为诊断测试；二是在故障发生前，诊断对象处于工作状态，为了猜测故障或准时发觉故障而进行的在线测试，这种情形称为故障监测；征兆：征兆是有利于判定故障种类和故障位置的反常性诊断信号，可分为直接征兆和间接征兆两类；直接征兆是在检测产品整机的输出参数或可能显现故障的元部件输出参数时，取得的反常性诊断信号；例如，产品的主要性能参数反常或有关机械零件的磨损量、变形量等参数变化的信号；间接征兆是从那些与产品有关工作才能存在函数关系的间接参数中取得的反常性诊断信号；例如，产品的音响信号、温度变 化、润滑油中磨损产物、系统动态
9、参数（幅频特性），都可作为取得间接征兆的信号；采纳间接征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形下，评判产品的工作才能；其缺点 是，间接征兆与产品输出信号之间往往存在某种立即关系，此外，一些干扰因素也会影响间接征兆的有效性；尽管如此，间接征兆在诊断技术中仍是得到了广泛的应用；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，或利用事先确定的征兆与故障之间的对应关系，来确定故障的种类与部位；标准数据是依据产品或元部件输出参数的极限值来设定的；征兆与故障之间的对应关系，可依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；四、优化设计1.
10、 优化设计的内容和目的机电一体化系统优化设计就是要把优化设计应用到机电一体化系统的设计中去，通过对零件、机构、元器件和电路、部件、子系统乃至机电一体化系统进行优化设计，确定出正确设计参数和系统结构，提高机电产品及技术装备的设计水平，从而增强其市场竞争力和生命力；欢迎下载精品学习资源2. 机电一体化优化设计的条件机电一体化设计比单一门类的设计有更多的可挑选性和设计敏捷性，由于某些功能既可以采纳机械方案来实现，也可以采纳电子硬件或软件方案来实现，如机械计时器可由电子计时器代替，汽车上的机械式点火机构可由微机掌握的电子点火系统替代，步进电机的硬件环形安排器可由软件环形安排替代等；实际上，这些可以相互
11、替代的机械、电子硬件或软件方案必定在某个层次上可实现相同的功能，因而称这些方案在实现某种功能上具有等效性，这种等效性是可以进行机电一体化设计的充分条件之一；另外，从一般的掌握系统方框图中可以看出，各个组成环节的特性是相互关联的，而且共同影响系统的性能；掌握系统的机电一体化设计不是只转变掌握装置的性能，而是把包括掌握对象在内的大部分组成环节都作为可转变的设计内容，使设计工作比只转变掌握装置有更大的敏捷性，可以优化出更合理的结构组织形式，获得更抱负的产品性能；这种机电环节相互关联、相辅相成的互补特性，是机电一体化设计的另一充分条件；假如在所设计产品中具备等效性环节或互补性环节，那么该产品的设计就应
12、当采纳机电一体化设计方法，否就只需采纳常规设计方法；3. 优化设计的方法（1） 试验法：由试验直接找到目标函数的最优解及相应的最优点，求出最优设计方案；（2） 图解法：依据目标函数和约束函数，画出其图形，找出最优解，虽然此方法只适应于求解极简洁的优化问题，但对于懂得优化问题中的基本概念，目标函数与约束函数之间的关系，把握最优解的存在规律及求解范畴都有很大的帮忙；（3） 数学规划法：优化问题的求解主要是用数学规划法，因此数学规划法是整个优化设计方法的核心， 该方法是依据所建立的数学模型，从求解函数极值问题的数学原理动身，运用优化设计中一系列数学分析及运算方法，求出最优解；数学规划法又有很多类型：
13、依据目标函数的个数分为单目标优化问题和多目标优化问题；依据目标函数及约束函数的线性性质分为线性规划问题和非线性规划问题，线性规划问题求解主要用单纯行优化法；非线性规划问题又分为单变量和多变量问题；单变量问题主要用于唯独变量法；多变量问题就分为无约束优化和有约束优化；无约束优化又分为导数优化法和模式优化法，有约束优化法就分为直接优化法和间接法；4. 优化设计的步骤：（ 1）设计对象分析（ 2）设计变量和设计约束条件的确定（3）目标函数的建立（4） 合适的优化运算方法挑选（5）优化结果分析；结语： 机电一体化的设计方法要遵循产品的一般性设计原就，即在保证产品目的、功能、性能和使用寿命前提下尽量降低
14、成本，机电一体化的现代设计方法并不是盲目追求“高、精、尖”，而是在充分满意用户要求的基础上努力以最新的技术手段，最廉价材料或元器件，最简洁的结构，最低的消耗向用户供应最中意的产品；参考文献1 李建勇 .机电一体化技术 M. 北京：科学出版社，20042 刘杰,宋伟刚 ,李允公 .机电一体化技术导论M. 北京：科学出版社，20063 邱士安 .机电一体化技术 M. 西安：西安电子科技高校出版社，20054 曾励.机电一体化系统设计 M. 北京：高等训练出版社， 20045 郑堤,唐可洪 .机电一体化设计基础M. 北京：机械工业出版社， 20076 袁中凡 .机电一体化技术 M. 北京：电子工业出版社， 20067 王隆太 .先进制造技术 M. 北京：机械工业出版社， 20078 黄邦彦 .现代设计方法基础 M. 北京：中国人民高校出版社，2000欢迎下载精品学习资源欢迎下载