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1、机电一体化概论机电一体化概论作者：作者：邵泽强邵泽强第一页，编辑于星期六：十五点 六分。2 27 7 气动与液压技术气动与液压技术第二页，编辑于星期六：十五点 六分。2 27 7 气动与液压技术气动与液压技术教学目标：1了解气压与液压传动的基本原理；2了解气压与液压传动系统的基本构成；3了解气压与液压传动系统中主要元件的结构和作用；4了解气压传动与液压传动的优、缺点。第三页，编辑于星期六：十五点 六分。液压传动与气压传动统称为流体传动，它们都是利用有压流体（液体或气体）作为工作介质来传递动力或控制信号的一种传动方式，是实现各种生产控制、自动控制的重要手段之一。不论液压传动还是气压传动，相对于机
2、械传动来说，都是一门新兴的技术。从17世纪中叶，帕斯卡提出静压传递原理、18世纪末英国制成第一台水压机开始算起，液压传动有二、三百年的历史，目前其在机床、工程机械、农业机械、运输机械、冶金机械等许多机械装置特别是重型机械设备中得到非常广泛的应用，并渗透入工业的其他各个领域中，成为工业领域中一门非常重要的控制和传动技术。第四页，编辑于星期六：十五点 六分。气动技术由风动技术和液压技术演变、发展而来，作为一门独立的技术门类至今只有约50年。由于气压传动采用空气进行优越性动，环境污染小，工程实现容易，所以在自动化领域中充分显示出了它强大的生命力和广阔的发展前景。目前气动技术在机械、电子、钢铁、运输车
3、辆及橡胶、纺织、轻工、化工、食品、包装、印刷、烟草等各个制造行业，尤其在各种自动化生产装备和生产线中得到了非常广泛的应用，成为当今应用最广，发展最快，也最易被接受和重视的技术之一。第五页，编辑于星期六：十五点 六分。2.7.1气、液压传动基本工作原理液压与气压传动的基本工作原理非常相似，在气、液传动系统中，执行元件在控制元件的控制下将传动介质（压缩空气或液压油）的压力能转换为机械能，从而实现对执行机构运动的控制。图2.7.1和图2.7.2所示为液（气）压执行机构（液、气压缸）的活塞在控制元件（换向阀）的控制下实现运动的过程。第六页，编辑于星期六：十五点 六分。图2.7.1所示为单作用气（液压）
4、缸动作控制示意图。按下换向阀4的按钮前，进油（气）口5封闭，单作用缸的活塞2由于弹簧的作用力处于缸体的左侧。按下按钮后，换向阀切换到左位，使液压油（压缩空气）进口5与缸的左侧腔体（无杆腔）相通，液压油（压缩空气）推动活塞克服摩擦力和弹簧的反向作用力，向右运动，带动活塞杆向外伸出。松开按钮，换向阀在弹簧力的作用下回到右位，进油（气）口5再次封闭，单作用缸的无杆腔与出油（气）口6相通，由于油（气）压作用在活塞左侧的推力消失，在缸内复位弹簧弹簧力的作用下，活塞缩回。这样就实现了单作用缸活塞杆在油（气）压和弹簧作用下的直线往复运动。第七页，编辑于星期六：十五点 六分。23456图2.7.1 单作用气、
5、液压缸动作控制示意图1-单作用缸 2-活塞 3-连接管 4-按钮式二位三通换向阀 5-进油(气)口 6-排油(气)口1第八页，编辑于星期六：十五点 六分。图2.7.2所示为双作用气（液压）缸动作控制示意图。对于双作用缸，在按下换向阀4的按钮前，其左腔（无杆腔）与排油（气）口6连通，右腔（有杆腔）与液压油（压缩空气）进口5相通，在液压油（压缩空气）的压力作用下使活塞处于缸体左侧，活塞杆处于缩回状态。按下按钮后，换向阀切换至左位，使双作用缸左腔与进油（气）口5相通，右腔与排油（气）口6相通，压力作用推动活塞向右运动，带动活塞杆伸出。第九页，编辑于星期六：十五点 六分。松开按钮，换向阀4复位，气、液
6、的压力作用在活塞右侧，使活塞杆缩回。通过这种方式就可以使双作用缸的活塞杆在油（气）压作用下进行直线往复运动。通过图2.7.1和图2.7.2可以看出单作用缸活塞仅有一个方向上的运动是通过压缩空气或液压油的压力来实现的；而双作用缸活塞的双向往复运动都是在压力作用下实现的。第十页，编辑于星期六：十五点 六分。123465图2.7.2 双作用液、气压缸动作控制示意图1-双作用缸 2-活塞 3-连接管 4-按钮式二位四通换向阀 5-进油、气口 6-排油、气口第十一页，编辑于星期六：十五点 六分。2.7.2气压与液压传动系统的构成一个完整的气动或液压系统主要由以下几部分构成：能源部件：把机械能转换成空气或
7、液压油的压力能的装置。控制元件：对气压和液压系统中的压力、流量和流动方向进行控制和调节的元件。执行元件：把空气或液压油的压力能转换成机械能的装置。辅助装置：指除以上三种装置以外的其它装置。如各种管接头、过滤器、压力表等，它们起着连接、储存、过滤和测量等辅助作用，对保证气动和液压系统可靠、稳定、持久地工作有着重大作用。第十二页，编辑于星期六：十五点 六分。1能源部件1）空气压缩机空气压缩站（简称空压站）是为气动设备提供压缩空气的能源部件，是气动系统的重要组成部分。空气压缩机是空压站的核心装置，它的作用是将电动机输出的机械能转换成压缩空气的压力能供给气动系统使用。按工作原理的不同，空气压缩机则可分
8、成容积型和速度型。容积型空压机的工作原理是将一定量的连续气流限制于封闭的空间里，通过缩小气体的容积来提高气体的压力。在速度式压缩机中，气体压力的提高则是通过使气体分子在高速流动时突然受阻而停滞下来，让动能转化为压力能而实现的。容积式压缩机按结构不同可分为活塞式、膜片式和螺杆式等；速度式压缩机按结构不同可分为离心式和轴流式等。第十三页，编辑于星期六：十五点 六分。图2.7.3 空气压缩机工作原理示意图（1）活塞式空压机（2）轴流式空压机第十四页，编辑于星期六：十五点 六分。2）液压泵液压系统一般由电动机、液压泵、油箱、安全阀等所组成的泵站作为其动力装置。液压泵是液压系统的动力源，它将电动机或原动
9、机输入的机械能，转换为液压油的压力能，来驱动液压执行元件动作。液压泵都是依靠密封容积变化来进行吸油和排油的，所以称为容积式液压泵。液压泵按其在单位时间内所能输出的油液的体积是否可调节分为定量泵和变量泵；按结构形式则可分为齿轮泵、叶片泵以及柱塞泵三大类。第十五页，编辑于星期六：十五点 六分。（1）外啮合齿轮泵（2）叶片泵图2.7.4 液压泵工作原理示意图第十六页，编辑于星期六：十五点 六分。图2.7.5 空压机和液压泵结构示意图 （1）空压机 （2）液压泵第十七页，编辑于星期六：十五点 六分。2控制元件组成一个气动或液压回路的目的是驱动用于各种不同目的的机械装置按要求完成动作。由此应对与机械装置
10、直接连接的各种类型的执行元件的三个基本量：运动方向、运动速度和力的大小进行控制，使之符合设计要求。而运动方向、运动速度和力的大小这三个量的控制是分别靠方向控制阀、流量控制阀和压力控制阀这三种控制元件来实现的，即：方向控制阀用于控制气动执行元件的运动方向；流量控制阀用于控制气动执行元件的运动速度；压力控制阀用于控制气动执行元件输出力的大小。第十八页，编辑于星期六：十五点 六分。1）方向控制阀方向控制阀是用来控制气体流动方向和气流通断的气动控制元件。气动元件中，方向控制阀的种类最为繁多，按其作用特点可以分为：单向型控制阀和换向型控制阀（换向阀）。单向阀是用来控制液流方向，使之只能单向通过的方向控制
11、阀。换向阀的功能主要是改变气、液流动通道，使气、液流动方向发生变化从而改变执行元件的运动方向。换向阀是气压和液压传动系统中最主要的控制元件。换向阀按控制方式分类主要有人力控制、机械控制、气压控制和电磁控制四类。第十九页，编辑于星期六：十五点 六分。（1）单向阀（2）换向阀图2.7.6方向控制阀结构示意图第二十页，编辑于星期六：十五点 六分。图2.7.7 方向控制阀实物图（1）单向阀（2）气动换向阀（3）液压换向阀第二十一页，编辑于星期六：十五点 六分。2）流量控制阀在气、液压传动系统中执行元件的运动速度控制可以通过调节压缩空气或液压油的流量来实现。从流体力学的角度看，流量控制就是在管路中制造局
12、部阻力，通过改变局部阻力的大小来控制流量的大小。凡用来控制气体流量的阀，均称为流量控制阀，在气、液压传动系统中流量控制阀主要有节流阀、单向节流阀、调速阀等。第二十二页，编辑于星期六：十五点 六分。（1）单向节流前阀（2）调速阀图2.7.8 流量控制阀结构示意图第二十三页，编辑于星期六：十五点 六分。（1）节流阀（2）单向节流阀（3）调速阀第二十四页，编辑于星期六：十五点 六分。3）压力控制阀压力控制主要指的是控制、调节气、液压系统中压缩空气或液压油的压力，以满足系统对压力的要求。它不仅是维持系统正常工作所必需的，同时也关系到系统的安全性、可靠性以及执行元件动作能否正常实现等多个方面，所以压力控
13、制是气、液压传动控制中除方向控制、流量控制外的另一个非常重要的方面。压力控制阀主要有限制系统最高压力的安全阀；起调压和稳压作用的调压阀（减压阀）、溢流阀、利用压力作为控制信号控制动作的顺序阀等。第二十五页，编辑于星期六：十五点 六分。（1）溢流阀（2）减压阀图2.7.10 压力控制阀结构示意图（1）溢流阀（2）减压阀（3）顺序阀图2.7.11 流量控制阀实物图第二十六页，编辑于星期六：十五点 六分。3执行元件在气、液压传动系统中执行元件是将流体所具有的压力能转换为机械能的能量转换装置。它主要包括气（液压）缸和气（液压）马达两大类，气（液压）缸主要指的是输出直线运动或输出摆动运动的执行元件，气（
14、液压）马达则是指输出旋转运动的执行元件。1）气（液压）缸第二十七页，编辑于星期六：十五点 六分。气（液压）缸是气、液压传动系统中使用最多的一种执行元件，按其结构形式可以分成活塞缸、柱塞缸和摆动缸三类。活塞缸和柱塞缸实现往复直线运动，输出推力或拉力和直线运动速度；摆动缸则能实现小于360的往复摆动，输出角速度（转速）和转矩。气（液压）缸和其他机构相配合，可完成各种运动。实现直线运动的气（液压）缸有两种基本类型：单作用缸和双作用缸。第二十八页，编辑于星期六：十五点 六分。单作用缸只能对进油（气）腔一侧的活塞或柱塞加压，因此只能单方向作功。反向回程要靠重力、弹簧力或重力负载实现，多用于行程较短以及对
15、活塞杆输出力和运动速度要求不高的场合；双作用缸主要由缸体、活塞和活塞杆组成，其活塞两侧都可以被加压，因此它可以在两个方向上作功，相对于单作用缸它可以获得更稳定的输出力和更长的行程。第二十九页，编辑于星期六：十五点 六分。图2.7.12 双作用缸实物图（1）双作用气缸（2）双作用液压缸第三十页，编辑于星期六：十五点 六分。摆动缸是利用压缩空气或液压油驱动输出轴在一定的角度范围内的作往复摆动的执行元件，多用于物体的转位、工件的翻转、阀门的开闭等场合。摆动缸按结构特点可分为叶片式、齿轮齿条式两大类。（1）叶片式摆动缸（2）齿轮齿条式摆动缸图2.7.13 摆动缸结构示意图第三十一页，编辑于星期六：十五
16、点 六分。（1）叶片式（2）柱塞式（3）齿轮式图2.7.15 液压马达实物图图2.7.14 摆动缸实物图（1）摆动气缸（2）摆动液压缸2）气（液压）马达气（液压）马达是利用压缩空气或液压油的压力能驱动工作部件作连续旋转运动的执行元件。按结构形式气（液压）马达可分为叶片式、活塞式（柱塞式）和齿轮式三类。第三十二页，编辑于星期六：十五点 六分。2.7.3气、液压传动的特点综合各方面因素，液压与气动传动技术所以能在很短的时间内得到迅速的发展和广泛的应用，是由于它们有许多突出的优点：在液压与气动系统中执行元件的速度、转矩、功率均可作无级调节，且调节简单、方便。气、液压系统中，气、液体的压力、流量和方向
17、控制容易。与电气控制相配合，可以方便的实现复杂的自动工作过程的控制和远程控制。气动系统过载时不会发生危险，液压系统则有良好的过载保护，安全性高。气压传动工作介质用之不尽，取之不竭，且不易污染。第三十三页，编辑于星期六：十五点 六分。压缩空气没有爆炸和着火危险，因此不需要昂贵的防爆设施。压缩空气由管道输送容易，而且由于空气粘性小，在输送时压力损失小，可进行远距离压力输送。在相同功率的情况下，液压传动装置的体积小，重量轻，惯性小，结构紧凑。液压传动输出力大，通过液压泵很容易就可以得到有很高压力（2030Mpa）的液压油，把此压力油送入油缸后即可产生很大的输出力，可达7003000N/cm2。液压传
18、动的传动介质是液压油，能够自动润滑，元件的使用寿命长。液压与气动传动也存在一定的不足之处，它们的主要缺点是：第三十四页，编辑于星期六：十五点 六分。由于泄漏及气体、液体的可压缩性，使气、液压传动无法保证严格的传动比，这一缺点在气动系统中尤为明显。气压传动传递的功率较小，气动装置的噪音也大，高速排气时要加消声器。由于气动元件对压缩空气要求较高，为保证气动元件正常工作，压缩空气必须经过良好的过滤和干燥。相对于电信号气动控制远距离传递信号的速度较慢，不适用于需要高速传递信号的复杂回路。第三十五页，编辑于星期六：十五点 六分。液压传动常因有泄漏，而易造成环境污染。另外油液易被污染，从而影响系统工作的可
19、靠性。液压元件制造精度要求高，加工、装配比较困难，使用维护要求严格，在工作过程中发生故障不易诊断。在液压系统中油液混入空气后，易引起液压系统爬行、振动和噪声，使系统的工作性能受影响并缩短元件使用寿命。液压系统中由于油液具有粘性，采用油管传输压力油，压力损失较大，所以不宜进行远距离输送。第三十六页，编辑于星期六：十五点 六分。2.8 2.8 可靠性技术可靠性技术第三十七页，编辑于星期六：十五点 六分。教学目标：教学目标：1.掌握可靠性的基本概念及指标。2.认识可靠性分析模型。3.了解提高系统可靠性的途径。第三十八页，编辑于星期六：十五点 六分。机电一体化系统及产品要能正常发挥其功能，首先必须稳定
20、、可靠的工作。可靠性是系统和产品的主要属性之一，是考虑到时间因素的产品质量，对于提高系统的有效性、降低寿命期费用和防止产品发生故障具有重要意义。可靠性高，意味着故障少、寿命长、维修费用低；可靠性低，意味着故障多、寿命短、维修费用高。第三十九页，编辑于星期六：十五点 六分。2.8.1 可靠性的基本概念及指标1.可靠性的定义国家标准GB318782(可靠性基本名词术语及定义)规定可靠性的定义是：产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力，它包括四项内容。1)产品即可靠性研究的对象，它可以是一个零件、一部设备或一个由若干零部件或设备组成的系统。第四十页，编辑于星期六：十五点 六分。2)规定的
21、条件这些条件包括运输条件、储存条件和使用条件，如载荷、温度、压力、湿度、辐射、振动等。此外，使用方法、维修方法和操作人员的技术水平等对设备或系统的可靠性也有很大影响。任何产品如果误用或滥用都可能引起损坏。3)规定的时间可靠性是有时间要求的，产品只能在一定的时间内达到目标可靠度。规定时间长短不同，产品的可靠性也不同。这里的时间是广义的，不单指小时、天数等，根据产品的不同，有时可能是应力循环数、转数或里程数等相当于时间的量。第四十一页，编辑于星期六：十五点 六分。4)规定的功能产品的可靠性不能脱离“规定的功能”。“完成规定的功能”就是能够连续地保持产品的工作能力，使各项技术指标符合规定值。如果产品
22、不能完成规定的功能，就称为失效。对于可修复的产品，也称为故障。可见失效(或故障)是一种破坏产品工作能力的事件，失效(或故障)越频繁，可靠性就越低。第四十二页，编辑于星期六：十五点 六分。2.可靠性指标“可靠性指标”是可靠性量化分析的尺度。衡量可靠性高低的数量指标有两类，一类是概率指标；另一类是寿命指标。它们一般都是时间的函数。机电一体化系统及产品常用的可靠性指标有：1)可靠度R(t)可靠度是产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率，用R(t)表示，第四十三页，编辑于星期六：十五点 六分。2)失效率产品工作到t时刻后的单位时间内发生失效的概率称为失效率，以表示。它反映任一时刻失效概率
23、的变化情况。失效率和时间的关系可用图2.8.1所示浴盆曲线来表示。它反映了产品的失效规律。这条曲线明显地分为三个阶段：早期失效期、偶然失效期、耗损失效期。第四十四页，编辑于星期六：十五点 六分。早期失效期的特点是失效率高，且随时间的增加而迅速下降。这种失效一般由元器件质量缺陷以及制造工艺缺陷引起，出现在系统运行的初期，可以采取相应的设计和工艺措施来消除。偶然失效发生在系统运行一段时间以后的故障偶发阶段。其特点是失效率低且保持稳定，是系统运行的最佳状态，失效率往往看成一个常数，它决定了系统的有效寿命。第四十五页，编辑于星期六：十五点 六分。图2.8.1 产品的失效率耗损失效是出现在产品使用的后期
24、，其特点是失效率随时间的增加而迅速上升。这是由于元器件的衰老和磨损引起的，说明产品的寿命将尽。第四十六页，编辑于星期六：十五点 六分。3)平均寿命产品从使用开始，直到发生故障，所经历的时间就是产品的寿命。平均寿命是指一批产品的寿命平均值。对不可修复的产品，平均寿命用MTTF（平均失效前时间）表示。对可修复的产品，用MTBF(平均无故障工作时间)来表示。例如，有100台仪器，在规定的使用条件下工作1000h，有10台发生故障，则这批仪器平均寿命的点估计值是MTBF=1001000/10h10000h。第四十七页，编辑于星期六：十五点 六分。4)平均维修时间MTTR有些产品，人们不但关心它发生故障
25、概率的高低，而且关心它发生故障后能否迅速地修复。由于故障发生的原因、部位以及维修条件不同等复杂因素的影响，故维修时间是一个随机变量。产品每次故障后所需维修时间的平均值称为平均维修时间，用MTTR表示。维修时间包括查找故障时间、排除故障时间及清理验证时间等。第四十八页，编辑于星期六：十五点 六分。例如，某产品在使用过程中发生5次故障，其维修时间分别是1，1.5，2，3，3.5h，则MTTR=(1+1.5+2+3+3.5)/5h=2.2h。5)有效度A(t)前面所讲的可靠度指的是系统在规定的工作时间内正常运行(不考虑维修)的概率。它表示了故障前的时间段内的可靠度。但大多数系统在发生故障后是可以修复
26、的，这样系统处于正常工作的概率就会增大。可靠度和维修度综合起来的可靠性指标，就是有效度A(t)，又称可用度。第四十九页，编辑于星期六：十五点 六分。有效度的定义是：在可维修系统中、在规定的工作条件和维修条件下、在某一特定的瞬时，系统正常工作的概率。例如，某发电机组，平均寿命为500h，平均修理时间为50h，则平均有效度为：A=MTBF/(MTBF+MTTR)=500/(500+50)=0.91第五十页，编辑于星期六：十五点 六分。2.8.2 可靠性分析模型可靠性设计就是事先考虑产品可靠性的一种方法。其目的是使产品在完成预定功能的前提下，取得性能、重量、成本、寿命等各方面的协调，设计出高可靠性的
27、产品，它包括以下几方面的内容。1.确定产品的可靠性指标及其量值可靠性指标是整个可靠性工程所要达到的目标，必须正确地选择。可靠性指标有许多个，如可靠度R(t)。平均无故障工作时间(MTBF)等。这些指标从不同侧面反映产品的可靠性水平。设计时应根据产品的设计和使用要求来选择。并要重视过去的经验、用户的要求及市场调查。第五十一页，编辑于星期六：十五点 六分。2.产品的失效分析失效是产品的一种破坏方式，产品不可靠就是由于产品在使用过程中发生失效引起的。产品的失效分析就是要确定产品的失效模式及其产生的原因。对于机电一体化系统而言，由于它是由各种零部件组成，零部件的失效将造成系统失效，因此，零部件的失效模
28、式是产品失效模式的组成部分。如机械零件的磨损和断裂、电子元件的击穿等。此外，产品还有其本身独特的失效模式，如机械传动误差、电子设备的电磁干扰和数字电路的竞争冒险等。在进行可靠性设计时，应尽量减少产品的失效模式，特别是那些重要的和致命的失效模式，并延缓失效的发生时间。第五十二页，编辑于星期六：十五点 六分。3.产品的可靠性分析产品的可靠性与其组成的零部件的可靠性之间存在一定的定量关系，可靠性分析的目的就是要建立这种关系。常用的方法是：根据产品的组成原理和功能绘出可靠性逻辑图，建立可靠性数字模型，把产品的可靠性特征量(如失效率、可靠度等)表示为零部件可靠性特征量的函数，然后根据已知各零部件的可靠性
29、数据计算出产品的可靠性，进行可靠性预测。第五十三页，编辑于星期六：十五点 六分。下面介绍几种可靠性分析模型的可靠性分析方法。1)串联系统在串联系统中，只要有一个单元功能失效，整个系统的功能也随之失效，故又称非储备系统，其可靠性逻辑框图如图2.8.2所示。图2.8.2 串联系统可靠性逻辑框图第五十四页，编辑于星期六：十五点 六分。串联系统的可靠度等于组成系统的各独立单元可靠度的连乘积，即式中，串联系统的可靠度；组成串联系统第i个独立单元的可靠度；n组成串联系统的独立单元数。在串联系统中，影响系统可靠度的是系统中可靠度最差的单元。要提高系统的可靠度，应注意提高该薄弱单元的可靠度。第五十五页，编辑于
30、星期六：十五点 六分。2)并联系统并联系统分为工作储备（冗余）系统和非工作储备（冗余）系统。工作储备系统工作储备系统也称热储备系统，在该系统中，所有零件一开始就同时工作，其中任一个零件都能单独地支持整个系统工作，构成系统的元件，只有在全部发生故障后，整个系统才不能工作。其可靠性逻辑框图如图2.8.3所示。图2.8.3 并联系统可靠性逻辑框图第五十六页，编辑于星期六：十五点 六分。其可靠度计算公式为 工作储备系统的可靠度大于各单元中可靠度的最大值，组成系统的单元数n越多，系统可靠度也越高。但是并联的单元数越多，系统的结构也越复杂，尺寸、重量和造价也越大。在机械系统中，一般仅在关键部位采用并联单元
31、，其数量也较少，常取n=2或n=3。第五十七页，编辑于星期六：十五点 六分。非工作储备系统非工作储备系统也称冷储备系统，其结构类似于工作储备系统。但在该系统中，只有某一个元件处于工作状态，其它的元件处于非工作的待命状态，一旦工作元件出现故障，处于待命的元件立即转入工作状态。一般来说，非工作储备系统的可靠性比工作储备系统高，但是非工作储备系统存在一个状态转换开关的可靠性问题。第五十八页，编辑于星期六：十五点 六分。3)混联系统所谓混联系统即有串联和并联混合组成的系统，可分为串-并联系统和并-串联系统两种，其可靠性逻辑框图分别如图2.8.4所示。a)并-串联系统 b)串-并联系统 图2.8.4 混
32、联系统可靠性逻辑框图第五十九页，编辑于星期六：十五点 六分。求混联系统可靠度的方法是先将系统中的并联(图2.8.4a)或串联(图2.8.4b)部分折算成等效单元，将混联系统化简成串联或并联系统，即可利用串联或并联系统的可靠度计算公式计算出混联系统的可靠度。4)表决系统在n个元件组成的并联系统中，要求同时有k个以上的元件正常工作，才能保证系统正常工作，这就称为k/n表决系统。这种系统即为广义储备系统，当k1时即并联工作储备系统；当kn时即为串联系统。第六十页，编辑于星期六：十五点 六分。当时，则k/n表决系统的可靠度为 k/n表决系统的可靠性比工作储备系统的可靠性要低一些。第六十一页，编辑于星期
33、六：十五点 六分。4.产品的可靠性分配可靠性分配是把产品经过论证确定的可靠性指标，从系统开始，自上而下地分配给各个子系统、部件和元器件。这样，只要系统各组成部分的可靠性指标达到了分配值，整个系统的可靠性就能达到规定的指标。可靠性分配是系统可靠性设计的重要环节，一个合理的可靠性设计，力求达到对容易实现高可靠性的子系统，提出高要求；对不易实现高可靠性的子系统提出低的要求，最终满足系统的可靠度、成本、研制时间、重量和体积等的最优。第六十二页，编辑于星期六：十五点 六分。常用的可靠性分配方法有：等同分配法、按重要性分配法、最小目标分配法以及拉格朗日乘数法等。1)等同分配法按照各组成单元可靠性相等的原则
34、分配。如设系统的可靠度为R，含有n个单元，各单元分配可靠度为，则第六十三页，编辑于星期六：十五点 六分。串联模型 并联模型 2)按重要性分配法按重要性分配法是考虑到各子系统在整个系统中的重要程度，亦即以某子系统出现故障会引起整个系统发生故障的概率大小为依据来分配子系统可靠度的分配方法。各单元分配可靠度为的计算公式如下第六十四页，编辑于星期六：十五点 六分。式中，第i个子系统基本元件数；Nn个子系统共有的基本元件数；第i个子系统发生故障，引起整个系统发生故障的概率；整个系统的可靠度。第六十五页，编辑于星期六：十五点 六分。3)最小目标分配法系统可靠性指标分配还要考虑到成本、重量、体积和研制周期等
35、条件。应用动态规划，可以以系统的成本、重量、体积、研制周期等尽可能小为目标，而以可靠度不小于某一最低值为约束条件来进行可靠度分配。也可以以系统可靠度尽可能大为目标，而把系统的成本、重量、体积、研制周期作为约束条件来进行可靠度分配。第六十六页，编辑于星期六：十五点 六分。5.产品的可靠性验证通过采用各种可靠性试验手段，可以确定各种元器件的可靠性指标值，也可以验证新设计出的产品是否达到规定的可靠性指标。如没有达到，则必须重新设计，直至达到规定指标为止。第六十七页，编辑于星期六：十五点 六分。2.8.3 提高系统可靠性的途径影响机电一体化系统可靠性的因素很多，因此，提高其可靠性的途径也很多。根据可靠
36、性理论进行预测和分配是基本的。此外，还应从以下几方面考虑。1.提高系统各组成元、器件的设计、制造质量及系统的装配质量例如采用可靠度高的元器件等。此外，在设计阶段就应考虑到在使用阶段如何保证产品的可靠性，应规定适当的环境条件、维护保养条件及操作规程，产品结构应具有良好的维修性等。第六十八页，编辑于星期六：十五点 六分。例如，某焊接机器人，为提高其可靠性，采取了如下措施：1)所有元器件必须100经过测试、检验、老炼、筛选等处理，合格后才允许装机使用。2)电子元器件的正确使用对可靠性有重要影响。因此，规定降额使用电子元器件，降额准则参照航天工业部标准0J1417执行。功率电子元件进行热设计，以防止其
37、温升过高而失效；电子线路，特别是计算机控制系统，应采用电磁兼容设计，加强抗干扰措施。第六十九页，编辑于星期六：十五点 六分。3)机械零件尽可能采用强度可靠性设计，并进行适当的工艺处理，以提高抗疲劳、耐磨损、抗腐蚀等性能；机械零部件还应进行严格加工和精密装配，有的零件配合要进行磨合试验或精细调整。4)对计算机控制系统、伺服电路板、伺服电动机、谐波齿轮减速器、滚珠丝杠等关键部件，应进行可靠性试验。不合要求者不能使用，并为预防性维修和零部件周期更换提供有效的数据。第七十页，编辑于星期六：十五点 六分。5)机器人上应有为防止人为差错和提高维修效率而设的明显标记，如不同插头插座的位置标记等。6)对机器人
38、的使用环境条件、操作规程、预防性维修等制定一系列规定。如机械传动件、轴承等的注油、清洗、调整；伺服电动机用炭刷的定期更换、炭粉的清除；焊机极片(导电带)的定期更换；紧急停车按钮功能的定期模拟检查等等。第七十一页，编辑于星期六：十五点 六分。2.容错法设计按容错法设计的系统，能在一定条件下允许系统出现故障而不影响系统功能的发挥，大大提高了系统的可靠性。容错技术的关键是冗余技术。即采用备用的硬件或软件参与系统的运行或处于准备状态，一旦系统出现故障，能自动切换，保持系统不间断地正常工作。第七十二页，编辑于星期六：十五点 六分。1)软件冗余采取程序复执的方式，能有效地预防和处理瞬时故障。所谓复执，是指
39、在系统出现瞬时故障时，重复执行故障的那一部分程序，这样系统不必停机，往往可以自动回复到原来正确的动作，这实际上是一种时间冗余方式。第七十三页，编辑于星期六：十五点 六分。2)硬件冗余在没有冗余的串联系统中，某一零部件发生故障，就会引起系统发生故障而不能正常工作。因此，串联系统的可靠性最低。重要的系统必须有冗余，即在系统中增加一些冗余部件(或子系统)，以便当系统的某一零部件发生故障时，整个系统能正常工作，例如汽车的制动系统等。前面提到的并联系统、表决系统等均属于冗余设计。冗余设计是大幅度提高产品可靠性的有效措施，但同时会增加产品的体积、重量、费用和功耗等，因此，设计时需全盘考虑。第七十四页，编辑
40、于星期六：十五点 六分。3.采用故障诊断术，提高系统的可维护性要确保一个系统完全不出故障是不可能的，也是不现实的。那么，当系统发生故障时，如何检测故障、判断故障原因并准确定位故障点，这就需要故障诊断术。目前，许多机电一体化系统都具有自诊断功能。有些机电一体化系统还具有自适应、自调整、自诊断、甚至自修复的功能，遇到过载、过压、过流、短路、漏电等情况时，能自动采取对策和保护措施，避免事故的发生，这样可以大大提高系统的可靠性和安全性。例如，现代数控机床，能够对加工过程中的几百种故障进行自诊断、发现故障立刻报警，并采取相应保护措施。第七十五页，编辑于星期六：十五点 六分。故障诊断技术的发展方向是人工智
41、能和专家系统，即将机、电、液等各方面的故障知识统一建立一个知识库，并利用在线检测到的各种信息，通过专用计算机来分析、综合、推理，准确定位故障点并提出合理的排除故障方法。例如，美、日等发达国家生产的智能机器人，具有一定的感知、判断、决策能力，能够自动识别对象和环境，根据要求自己规划动作来完成作业，在出现故障时不但能进行自诊断，而且还能进行自我修复。第七十六页，编辑于星期六：十五点 六分。2.9 2.9 抗干扰技术抗干扰技术第七十七页，编辑于星期六：十五点 六分。教学目标：教学目标：1.掌握干扰的定义及分类。2.理解干扰的传播途径。3.了解干扰的抑制和防护措施。第七十八页，编辑于星期六：十五点 六
42、分。任何机电一体化系统都在一定的电磁环境中工作。电磁干扰现象在我们的日常生活中是常见的。例如，附近的汽车点火系统会使电视机的图像跳动并出现爆裂声；使用电钻或电焊机会使计算机运行不正常；接通或断开电源开关时会使收音机发出“扑扑”的声音等等。因此要使机电一体化系统正常的工作，达到预期的功能，必须保证设备具有较高的抗干扰性能。特别是工业用机电一体化系统及产品，大多工作在干扰弥漫的车间现场，电磁环境恶劣，对其抗干扰性能要求更高。第七十九页，编辑于星期六：十五点 六分。2.9.1 干扰的定义与分类1.干扰的定义电磁干扰一般是指系统在工作过程中出现的一些与有用信号无关的，并且对系统性能或信号传输有害的电气
43、变化现象。这些有害的电气变化现象使得有用信号的数据发生瞬态变化，增大误差，出现假象，甚至使整个系统出现异常信号而引起故障。例如几毫伏的噪声可能淹没传感器输出的模拟信号，构成严重干扰，影响系统正常运行。第八十页，编辑于星期六：十五点 六分。2.干扰的分类干扰根据其现象和信号特征有不同的分类方法。按干扰性质分：1)自然干扰主要由雷电、太阳异常电磁辐射及来自宇宙的电磁辐射等自然现象形成的干扰。2)人为干扰分有意干扰和无意干扰。有意干扰指由人有意制造的电磁干扰信号。人为无意干扰很多：如工业用电、高频及微波设备等引起的干扰。第八十一页，编辑于星期六：十五点 六分。3)固有干扰主要是电子元器件固有噪声引起
44、的干扰。包括信号线之间的相互串扰，长线传输时由于阻抗不匹配而引起的反射噪声、负载突变而引起的瞬变噪声以及馈电系统的浪涌噪声干扰等。按干扰的耦合模式分：1)静电干扰电场通过电容耦合的干扰，包括电路周围物件上积聚的电荷直接对电路的泄放，大载流导体产生的电场通过寄生电容对受扰装置产生的耦合干扰等。第八十二页，编辑于星期六：十五点 六分。2)磁场耦合干扰大电流周围磁场对装置回路耦合形成的干扰。动力线、电动机、发电机、电源变压器和继电器等都会产生这种磁场。3)漏电耦合干扰绝缘电阻降低而由漏电流引起的干扰。多发生于工作条件比较恶劣的环境或器件性能退化、器件本身老化的情况下。4)共阻抗感应干扰电路各部分公共
45、导线阻抗、地阻抗和电源内阻压降相互耦合形成的干扰。这是机电一体化系统普遍存在的一种干扰。第八十三页，编辑于星期六：十五点 六分。5)电磁辐射干扰由各种大功率高频、中频发生装置、各种电火花以及电台电视台等产生的高频电磁波，向周围空间辐射，形成电磁辐射干扰。2.9.2 干扰的传播途径上述这些干扰，并非每一个机电一体化系统都会遇到。干扰的产生和引起，既与系统本身的结构和制造有关，也与工作环境有关。产生电磁干扰必须同时具备干扰源、干扰传播途径和干扰接收器三个条件。第八十四页，编辑于星期六：十五点 六分。在电磁环境中，我们把发出电磁干扰的设备、系统等称为干扰源，把受影响的设备、系统等称为干扰对象或干扰接
46、收器。从干扰源把干扰能量递送到干扰对象(即传播途径)有两种方式：一是传导方式，干扰信号通过各种线路传入；一是辐射方式，干扰信号通过空间感应传入。因此，从接收器的角度看，耦合分为两类：传导耦合和辐射耦合。传导耦合是指电磁能量以电压或电流的形式通过金属导线或集总元件(如电容器、变压器等)耦合至接收器。辐射耦合指电磁干扰能量通过空间以电磁场形式耦合至接收器。第八十五页，编辑于星期六：十五点 六分。2.9.3 干扰的抑制和防护机电一体化系统抗干扰能力的提高必须从设计阶段开始，并贯穿在制造、调试和使用维护的全过程。实践证明，若在系统设计时就考虑到如何抑制干扰的问题，则可消除可能出现的大多数干扰，而且技术
47、难度小，成本低。如果待系统做好开始使用时，再去考虑解决干扰的问题，则将事倍功半，难度大，成本高。第八十六页，编辑于星期六：十五点 六分。在设计中，考虑所设计的设备或系统在预定的工作场所运行时，既不受周围的电磁干扰的影响，又不对周围的设备施加干扰，这种设计方法叫电磁兼容性设计。电磁兼容性设计是目前电子设备及机电一体化系统设计时考虑的一个重要原则。它的核心是抑制电磁干扰。电磁干扰的抑制方法有许多种。屏蔽、隔离、滤波、接地、浪涌吸收器和设备的合理布局等都是控制或消除干扰的基本方法和有效措施。此外，利用软件抗干扰技术，也能收到良好效果。第八十七页，编辑于星期六：十五点 六分。1.屏蔽屏蔽是利用导电或导
48、磁材料制成的盒状或壳状屏蔽体，将干扰源或干扰对象包围起来从而割断或削弱干扰场的空间耦合通道，阻止其电磁能量的传输。按需屏蔽的干扰场的性质不同，可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。1)电场屏蔽电场屏蔽是为了消除或抑制由于电场耦合引起的干扰。通常用铜和铝等导电性能良好的金属材料作屏蔽体。屏蔽体结构应尽量完整严密并保持良好的接地。第八十八页，编辑于星期六：十五点 六分。图2.9.1所示在感应源g与受感器s之间加一金属隔板j，则原来的耦合电容被分成、和。由于非常小，故可忽略不计。设金属隔板j对地阻抗，则在j上产生的感应电压为 第八十九页，编辑于星期六：十五点 六分。导体s上被感应的电压决定于，即将金
49、属板j接地，由上式可知，0，0，则0，即起到了电场屏蔽作用。第九十页，编辑于星期六：十五点 六分。图2.9.1 电场屏蔽无论是静电场或交变电场，电场屏蔽的必要条件是完善的屏蔽及屏蔽体良好接地。第九十一页，编辑于星期六：十五点 六分。2)磁场屏蔽磁场屏蔽是为了消除或抑制由于磁场耦合引起的干扰。对静磁场及低频交变磁场，可用高磁导率的材料作屏蔽体，并保证磁路畅通。对高频交变磁场，由于主要靠屏蔽体壳体上感生的涡流所产生的反磁场起排斥原磁场的作用，因此，应选用良导体材料，如铜、铝等作屏蔽体。表2.9.1列出了一些实验结果。第九十二页，编辑于星期六：十五点 六分。表2.9.1 无屏蔽的和加不同材质屏蔽物的
50、屏蔽效果磁场屏蔽电场屏蔽以比值表示以分贝表示以比值表示以分贝表示无屏蔽1:101:105cm铝管屏蔽1.5:13.3215:160.55cm钢管屏蔽40:1328850:178.9 3)电磁场屏蔽一般情况下，单纯的电场或磁场是很少见的，通常是电磁场同时存在，因此应将电磁场同时屏蔽。第九十三页，编辑于星期六：十五点 六分。电磁场屏蔽用于抑制噪声源和敏感设备距离较远时通过电磁场耦合产生的干扰。通常说的屏蔽多半是指电磁屏蔽，电场和磁场同时加以屏蔽。只有在频率较低时的近场干扰，电场分量和磁场分量有很大的不同。随着频率的升高，电磁辐射能力增加，产生辐射电磁场，并趋于远场干扰。远场干扰中，由于电场分量和磁