对创新设计思路图的说明

机电一体化系统(产品)创新设计过程可分为五个阶段:产品策划、概念设计、详细设计、样机试制和改进设计。产品策划阶段给出一个新产品的“设想”,概念设计阶段把上述“设想”构思成一个“具体方案”,详细设计阶段将“具体方案”设计成“加工图纸”,样机试制阶段按“加工图纸”制造出产品“样机”,改进设计阶段根据用户反馈意见对“原图纸”进行修改,投入正式生产。

1.产品策划(见图3-1第一阶段)

电影、电视的策划,大家都清楚,他们的任务就是几个人坐下来侃大山,绞尽脑汁编出一个好听、好看的故事梗概,然后交给编剧,编出一个好故事。

图3-1　机电一体化系统(产品)创新设计思路图

产品策划与上述相似,就是几个人凑在一起,根据生产、生活、科研、军事等社会活动的需要,进行市场调查、专家走访、销售预测,并对现有技术水平、人员能力进行评估,然后提出对某个(或某些)产品(或系统)的需求。这是一个反复分析思考的阶段,经过深思熟虑过后,要对该产品(或系统)有一个基本的概貌性的描述,说明该产品的工作对象、用途(工作任务或说功能需求)、使用人员、工作环境、主要技术指标;通过可行性论证和评审以后,最终形成一个产品的设计任务书。

2.概念设计(见图3-1第二阶段)

概念设计在产品创新设计过程中是最基础、最重要、最具有创新性、决定产品成败的阶段,因此要特别地重视。概念设计是一个反复推敲的过程,其目的是帮助设计者尽快将头脑中的设想(即设计任务书)构思成具体方案。

在构思产品总体方案的过程中,不仅要考虑如何去实现产品的功能需求,更要考虑如何保证产品质优价廉,便于人们使用,有利于市场竞争。在构思总体方案之前,先讲一下对设计工作的一般要求,以便在总体方案的构思过程中充分考虑这些要求,确保开发设计出优质产品。

(1)对设计工作的一般要求

设计完的产品应满足下述几项要求,这些要求在进行系统分析和造型设计时一定要同时考虑。

①功能要求:功能要求是首当其冲的,所设计的产品一定要满足人们的需求,否则它就不能完成“工作任务”。因此,在这里再次提醒设计者,在设计之初,一定要把产品的功能需求分析得十分准确,因为这是产品设计的首要依据。

②使用性能要求:这一项要求一般指产品精度、生产能力、生产效率、可靠性、安全性等指标。这一项一定要满足设计任务书给出的产品技术指标,否则产品就没有达到预期指标,属于失败产品。

③工况适应性要求:这一项是指当工作状况在预定范围内发生变化时,产品适应的程度和范围。如要考虑当物料的形状、尺寸、理化性质发生变化时;当环境温度、湿度发生变化时;当负载大小和速度有波动时,采取什么措施加以补偿。应始终使产品正常运转。

④宜人性要求:产品应符合人机工程学的要求,适应人的心理和生理特点,保证操作简便、舒适、准确、安全、可靠,同时还要便于监控与维修。例如,在设计时要合理选择显示装置和操纵装置,并进行合理布局,适应人的生理特点;又如,安装报警装置和防止偶发事故的装置等,以保证人身的绝对安全。

⑤外观要求:这一项要求是指产品的形体结构布局合理,造型美观大方,材料质感与外表颜色和谐宜人。

⑥环境适应性要求:这一要求分两方面。一方面要考虑环境对产品正常工作的影响;另一方面应考虑所设计的产品在工作时对周围环境产生的污染,如温度、湿度、粉尘、有害气体、电磁干扰、振动噪声等。

⑦工艺性要求:这一项要求也分为两方面。一方面为保证产品质量,对产品的零件加工和系统组装都应当提出合理的工艺性要求;另一方面又要考虑你所提出的工艺要求确有相应的加工设备可以完成。

⑧法规与标准化要求:这一项要求分四个方面。其一是设计人员在设计产品时要遵守国家的法律和道德规范;其二是所设计的产品符合国际和国内标准;其三是在产品中尽量采用标准件;其四是产品尽量模块化。

⑨经济性要求:这一项要求分两个方面。其一是开发设计该产品的成本要低,正常生产该产品的费用也要低;其二是使该产品正常运转的维持费用要低。

⑩包装与运输要求:所有产品总要包装搬运才能交给用户,因此在设计时就要考虑向用户交货时产品应如何包装,怎么装卸、运输和安装。

供货计划要求:这一项包括研发时间、交货时间与地点、供货方式等。

(2)构思总体方案

构思总体方案的目的是将头脑中的设想变为一个具体方案。构思的方法就是2.3.4小节所讲的系统分析方法;这是因为我们是把所要设计的新产品视为一个“工程系统”,要按“系统工程”的思想去设计。怎么去构思呢?过程如下:首先明确设计任务;接着根据“工作对象”和“工作任务”去建立一个如图2-5所示的机电一体化系统的一般模型,再按照该模型的架构将产品总体功能分解为功能模块,得到一个由各类功能模块构成的方案框架;然后对每个模块进行方案设计(一般一个模块可能有几个方案),再对每个模块取其中一个方案集合起来构成一个待选总体方案,这样就构成了一个总体方案的待选方案集(参看图3-1“产品总体方案构思”);最后根据“优化目标”,对待选方案集中的每个方案进行分析、比较、评价,选取其中“最优”的一个,作为产品的最终总体方案。当然,这个“最优”是从产品使用的效果和效益上说的,不一定是数学意义上的最优。下面介绍一下,这个过程如何实现。

①明确设计任务

充分研究、分析、设计任务书的内容,确定系统(产品)的“工作对象”“工作任务”(工作需求)和“优化目标”。以收集机器人为例(见2.1.1小节,下同),“工作对象”:松糕;“工作任务”(功能需求):将松糕从货架上取下,搬运到储物筐内。“优化目标”:工作全过程(取下、搬运)所用时间最短。

②系统分析及功能模块分解

a.系统分析

这一步,说明怎么样给一个欲开发设计的机电一体化新产品按照系统分析的思路建立一个系统模型。

在这里要强调指出的是,这个系统模型是从系统功能的角度出发,考虑各子系统或模块间的逻辑关系而建立的“结构形式模型”,与后面要讲的“系统物理模型”是不同的。

下面介绍一下,系统结构形式模型的具体构建方法。

依据2.3.4小节系统分析的介绍,需根据①确定的“工作对象”和“工作任务”去构建系统模型,它应当具有图2-6所示的形式和内容。具体包括:系统构成要素(工作对象、物质流、执行者、能量流、操控者、信息流)、系统环境(特别是边界)、输入和输出。这个模型是初步的、粗略的,有待进一步细化。

下面讲一下,在机电一体化系统里,如何去确定图2-6中的系统构成要素、系统环境、输入和输出这三项具体内容。

我们知道,对于一个要开发的机电一体化新产品来说,它的使用环境和输入、输出应该是明确的,系统构成要素中的“工作对象”和“物质流”(即工作任务)也是明确的只有“执行者”与“操控者”,“能量流”与“信息流”是未知的。因此,开发设计工作就转化为开发设计“执行者”与“操控者”。

在机电一体化系统中“执行者”就是“广义执行子系统”,它包括执行机构、传动机构和驱动装置三类功能模块;“操控者”就是“检测控制子系统”,它包括传感检测、信息处理与控制和电气三类功能模块。广义执行子系统在传递着能量流;检测控子系统在传递着信息流。此时,机电一体化产品的系统模型就变成了图2-5所示的形式与内容,包括上述六类功能模块(执行机构、传动机构、驱动装置,传感检测、信息处理与控制、电气)、一类工作对象模块和三个流要素(物质流、能量流、信息流)。系统建模就是要建立这种模型。

需要特别指出的是,一个机电一体化产品往往不是只由一个系统模型构成,而往往包含若干个系统模型,如收集机器人就不止一个系统模型。例如,收集机器人有三个手爪,每一个手爪(两个手指)就有一个气缸驱动,就有一个能量流。有一个能量流就有一个广义执行子系统,这就有三个广义执行子系统;同理,每个手爪都有自己的动作,每个动作都由相应的传感器信号控制,该信号所承载的信息流都经控制器和驱动控制器传到气阀而控制气缸动作,它们就构成了一个检测控制子系统;有几个信息流就有几个检测控制子系统,且每个子系统都包含如图2-5所示的三类功能模块。

b.功能模块与分解

这一步说明如何按照图2-5的思路把新产品的总体功能分解为n个模块。在分解之前先要说明一点,“模块”一词是广义的,它包含了系统内性质相同的所有“功能单元”。例如,收集机器人的“执行机构”模块,包含了取物机械手和行走小车两类功能单元。因此,在设计思路图中系统分解为n个功能模块,而非六个模块;在详细设计阶段出现“功能单元”一词,“模块”即涵盖“功能单元”。

对于模块分解的思路在2.3.4小节“建立系统模型”中已讲过,下面就以收集机器人为例说明“功能模块分解”的步骤。

第一步,确定广义执行子系统中的各个模块。

首先由“工作任务”(即产品功能需求)确定“工作对象”的“运动规律”(如将松糕从货架上取下搬运到储物筐内),该运动规律就是系统的“物质流”。接着将该“运动规律”进行分解,变为若干个“简单动作”(如将松糕的运动分解为“抓取”与“搬运”两个动作)。

然后选择合适的“机构”去完成那些“简单动作”(如选择“机械手”完成“抓取”动作,选择“小车”完成“搬运”动作),这些“机构”(机械手与小车)都属于“执行机构”模块。

要使“执行机构”运动,就必须给它驱动力(能量),这就需给“执行机构”选择合适的“驱动装置”,(例如,“机械手”选的是“气缸”,“小车”选的是“电动机”),这些“装置”都属于“驱动装置”模块。

若有必要还要在“驱动装置”与“执行机构”之间加上“传动机构”(例如,第一、二个机械手臂上下移动由电动机驱动,在机械手与电动机之间加了绳轮传动机构)。

至此,广义执行子系统中的三类模块就都确定了。

第二步,确定检测控制子系统中的各个模块。

首先搞清楚“执行机构的动作”与“工作对象的运动规律”之间的相互协调的“动作逻辑”(例如,收集机器人到货架处取松糕的“动作逻辑”:机器人先走到货架旁,接着找到松糕的位置,最后感知到松糕将其抓起)。然后再按上述“动作逻辑”去控制执行机构或工作对象的运动,完成产品的功能。为了使上述“动作逻辑”准确无误地执行,必须随时掌握执行机构的动作状态和工作对象的运动状态,这就需要在广义执行子系统合适的位置上布置传感器(例如,为了使机器人走到货架旁,在小车底架上布置了寻位传感器和定位传感器;为了感知松糕,在两个手指之间的根部布置了感知传感器),并对检测到的信号做初步处理,这就构成了“传感检测”模块。

为了将“传感检测”模块输出的信息按“动作逻辑”输出,去控制执行机构的动作,接下来应当将“动作逻辑”编成程序置入微处理器中,采用合适的控制算法对“传感检测”模块传来的信息进行处理,形成对执行机构动作的指令。上述微处理器及内置的程序与算法就是“信息处理与控制”模块。

最后将控制指令传给电门、气压阀或液压阀,使“驱动装置”带动执行机构动作。由电门、气压阀或液压阀和相关电路构成的就是“电气”模块。

至此,功能模块全部分解完毕,我们得到了一个由n个模块组成的产品系统模型框架(见“设计思路图”)。至于框架内每个模块的具体内容,将由产品具体需求而定。

③方案构思

这一步说明如何组成待选方案集,最后怎样确定“最优方案”。

构思方案从功能模块(或功能单元)开始。“功能模块”的同一个“功能”可以有许多不同(原理)的载体,从而有许多不同的方案(见设计思路图)。这是因为实现同一个功能可以有许多不同的原理与技术。比如,令机器人手爪开合的驱动装置,可采用电动机、气缸或液压缸;手爪“开合”这个动作是一个“功能模块”,它对应了三个方案:其一是电动原理,可选用电动机,将电能转变为机械能去驱动手爪动作;其二是气动原理,选用气缸,将气压能转变为机械能去驱动手爪动作;其三是液压原理,选用液压缸,将液体压力转变为机械能去驱动手爪动作。同理,每一个“模块”都可以有若干个方案,且数目不等,所以在“设计思路图”中分别用i、j、k表示。

下面可以构思方案了。构思过程是n个模块的不同方案的“排列组合”过程。比如,n个模块都选每个模块的第一个方案可构成一个总体方案;而在n个模块中只有第一个模块选第一个方案,其他模块都选第二个方案,则又可构成另一个总体方案。按照此法进行“组合”,可以得到许许多多总体方案,构成一个总体方案集。最后对总体方案集中的每一个方案都进行分析比较,进行综合评价,选出一个方案作为“最优”方案,并给出该方案的原理图和初始造型图。

至此,概念设计结束。

在这里还要指出的是,概念设计阶段得到的“最优”方案,是一个“定性”的方案,它完全是凭借着设计者所掌握的基本原理和工作经验而得到的。要想知道这个方案是否可行,就需要下一步的工作——详细设计。

3.详细设计(见图3-1第三阶段)

详细设计的目的是将概念设计阶段给出的“最优”方案具体化,经定量设计以后,形成一个产品设计说明书和一套加工图纸。

这是一项责任非常重大的工作,它决定了产品的质量和信誉,如产品的经济性、可靠性、安全性、可操作性、可维护性和环境适应性等。设计者一定要遵守职业道德,十分认真地去投入这项工作。

(1)要采用并行设计的方法

在提出机电一体化概念以前,产品设计是从这一步开始的,不讲究概念设计的过程,而且一般的设计顺序是,先由机械工程师设计出机械系统,然后才是配备电气与控制系统,这样就把不必要的约束引入控制系统设计中,尤其是机械系统带来的约束(因为机械系统往往是被控对象)。随着科学技术的发展,机电一体化的概念不断深化、机电一体化技术迅猛发展,机电一体化产品的设计不仅按照系统工程的思想去进行,而且并行设计和生命周期设计已得到应用。在概念设计阶段我们已采用了系统工程思想去指导,在详细设计阶段除继续采用系统工程思想外,还要采用并行设计的方法。这是由机电一体化系统(产品)的自动化、智能化特性决定的。机电一体化系统要自动化、智能化,就必须由信息流去控制能量流的运动;在结构形式上就是由检测控制子系统去控制广义执行子系统的运动,使之按照一定的功能逻辑去完成它的动作,继而完成产品的“工作任务”。这样二者就构成了一个机电一体化的自动控制系统(简称自动控制系统),广义执行子系统是被控对象,检测控制子系统是控制器。

在分析自动控制系统的时候,应当特别指出,广义执行子系统它也是传送信号的子系统,驱动装置把能量(经过传动机构)传递给执行机构的同时,也把驱动装置的运动信号(位移、转角、线速度、角速度、线加速度、角加速度等信号)传递给了执行机构(引起了执行机构的位移、转角、线速度、角速度、线加速度、角加速度等发生变化),只不过在前面对产品进行系统分析时太强调了传递能量的一面。同时还应指出,检测控制子系统也传递能量,因为该子系统传递的信息是由其载体电流信号带过去的,没有电压是没有电流的,其实,正是电流的能量将电流信号所携带的信息传过去,只不过在机电一体化系统分析时,强调了信息流的一面,在进行自动控制系统分析时,是分析这个电信号。

这样看来,由广义执行子系统与检测控制子系统所构成的自动控制系统就是一个完整的信号传递与处理系统。在该系统中,由能量流(运动信号流)和信息流(电信号流)组成了一个传递控制信号的“闭合流线”,即该系统中流动的信号在广义执行子系统中由机械运动信号(线位移、角位移、线速度、角速度、线加速度、角加速等)传递,在检测控制子系统中由电信号(电压、电流、脉冲编码等)传递;而广义执行子系统向检测控制子系统传递信号的接口就是传感器,是它将运动信号变成了电信号;检测控制子系统向广义执行子系统传递信号的接口就是电气模块,是电气模块发出的电信号控制着驱动装置输入能量的大小,或驱动装置的运动状态(位移、转角、线速度、角速度、线加速度、角加速度等)的变化。自动控制系统的结构形式与信号流如图3-2所示。该图的输入与输出由具体工程问题而定。

图3-2　自动控制系统的结构形式与信号流图

既然自动控制系统是一个信号系统,就应按照信号传输的理论去分析。首先分析所传递信号的特性,然后去构建一个自动控制系统使之与所传输的信号相匹配。所谓匹配是指,由我们设计的广义执行子系统和检测控制子系统的物理参数〔前者为质量,阻尼与刚度(与零件尺寸和材料弹性有关),后者为电感、电阻和电容〕所决定的自动控制系统的固有特性,在传输信号过程中可保证控制系统有良好的稳定性、能控性、能观性、稳态特性和瞬态特性(这些性能在“信号与线性系统”和“控制工程”课中讲解,此处不必深究),使信号完美地传过去而不失真。

由上面的分析可知,要想使自动控制系统的固有特性与所传信号相匹配必须使整个系统的物理参数选择得合理,因此,在设计时必须同时考虑机械系统(广义执行子系统)的参数(质量、阻尼、刚度)和电系统的参数(电感、电阻、电容)。这就必须进行并行设计,使两个子系统的物理参数在控制理论的指导下相互协调,以便得到一个最优的控制系统。

(2)详细设计的过程

第一步,先进行结构设计,对概念设计阶段给出的“最优”方案进行完善,给出产品(包括广义执行子系统和检测控制子系统)的最终造型、材质和各种几何、物理参数。第二步,将上述“最优”方案进行分解重新组成若干个自动控制系统模型;即依能量流将与其有关的模块组合起来构成广义执行子系统;依信息流将与其有关的模块组合起来构成检测控制子系统;依控制信号“闭合流线”(即图3-2所示信号流)将相关的广义执行子系统与检测控制子系统组合在一起构成自动控制系统。第三步,先对自动控制系统建立物理数学模型,经过分析计算,对第一步给出的各类参数进行修正,得到合理的参数。第四步,用第三步所得合理参数,去修改第一步所给的参数,然后对广义执行子系统和检测控制子系统分别建立的物理数学模型进行工作能力验证与校核。第五步,对通过校验的方案再进行一次评价。通过评价以后进入下一步。第六步,撰写设计说明书,绘出全部图纸。

在这里需要提醒的是,第三步、第四步可能要反复好几次才能最后通过校核。好在有计算机辅助工作,速度会很快。

下面按上述步骤做详细介绍。

①产品结构设计

这一步是对概念设计阶段给出的“最优”方案进行结构形式设计,要求给出造型、尺寸和相关物理参数。具体做法是:先进行总体结构设计,后进行模块结构设计。

a.总体结构设计

对概念设计阶段给出的产品造型进行修改,经征求各方意见后,确定为最终造型方案。先给出该方案的整体颜色、材质和尺寸,然后初步给出各模块在产品中的位置和尺寸。

b.模块结构设计

在概念设计阶段所得到的“最优”方案所包含的模块按其功能分只有图2-5所示的六类,这六类的设计方法是不同的,我们按六类不同的模块分别说明它们的一般“结构设计”方法。

(a)机构类模块

该类模块包括执行机构和传动机构。它的结构设计方法是,根据“最优”方案给出的原理图选定相应的机构,并将这些机构拆解成零件,然后给出每个零件的尺寸和材料。需注意的是,给出零件尺寸以后应再将零件组成机构,检查该机构的总体尺寸是否与总体方案中给出的尺寸相符。

(b)驱动(伺服)类模块

驱动装置(如电动机、气缸、液压缸、气马达、液压马达)都是系列定型产品,只需选用,而不需要我们设计。选用时注意两点:一个是外形尺寸尽量符合总体方案所给尺寸的要求;另一个是所选的输出功率和力(力矩)要符合广义执行子系统的能量(力)的需求。开始可以先按总体方案给出的尺寸选几个不同功率的驱动装置备用,待最后校验计算以后再决定选用哪个。

(c)电气类模块

电气类模块中包括各类开关、继电器、继电保护器、电线、气压阀、液压阀等,它们也都是定型系列产品,其选择方法同驱动器。但一般是根据相近尺寸的电气元件去设计控制箱,然后布置电线。

(d)信息处理与控制类模块

该类模块由以微处理器(单片机、ARM、DSP)为核心的开发板配以接口元器件或接口电路组成。微处理器与接口元器件都是定型系列产品,主要由使用功能去选取,而兼顾尺寸。一般是控制开发板的尺寸尽量满足总体方案的要求,然后根据开发板的尺寸去设计控制箱或控制柜。

(e)传感检测类模块

传感检测模块由传感器、前置放大器、测量电路、模数转换器和调制解调器等组成,也有将上述器件或电路做在一起的传感检测模块。不管哪种,都是定型系列产品,主要由功能需求选用,而兼顾尺寸。

②构建自动控制系统模型

构建自动控制系统模型的目的是用并行设计的方法对机电参数进行更好的整合与优化。请注意,在构建自动控制系统模型时,在一个产品中不止有一个自动控制系统模型。

构建自动控制系统模型的思路是(这里重提一下):首先将概念设计阶段方案中确定的各类模块按其传递能量流或传递信息流分成两类,然后按能量流线将相关的能量模块组合起来构成广义执行子系统;按信息流线将相关的信息模块组合起来构成检测控制子系统;接着再将相关的广义执行子系统和检测控制子系统依控制信号“闭合流线”组合在一起,构成一个自动控制系统模型。

a.模块的类型

在机电一体化系统中有两类不同的模块:一类是传递能量的;另一类是传递信息的。比如在收集机器人中驱动小车行走的电动机和驱动轮,驱动手爪闭合的气缸和手指,都是能量型模块;指使小车沿预定路线行走的寻位传感器、定位传感器、控制器和驱动控制器,令手爪闭合的感知传感器、控制器和驱动控制器都是信息型模块。一般情况下,属于广义执行子系统的模块都是能量型的,属于检测控制子系统的模块都是信息型的。

b.将模块重新构成自动控制系统模型的方法

下面详细介绍将概念设计阶段分解的各类模块重新构成自动控制系统模型的方法。

(a)由模块构成自动控制系统的依据

构建自动控制系统模型既不按模块,也不按整体,而是按传递自动控制系统信号流的“闭合流线”。该“闭合流线”是由相关的能量流线和信息流线组成的。一般来说,广义执行子系统中不止有一条能量流线,而检测控制子系统中也不止有一条信息流线(比如,在收集机器人中,广义执行子系统有11条能量流线,检测控制子系统也有11条信息流线)。所以一个机电一体化系统就不止有一条“闭合流线”,在构建自动控制系统模型时是一条“闭合流线”建一个自动控制系统模型,且每一个自动控制系统模型都有图3-2的模式。

下面要解决的问题是怎么找“闭合流线”,怎么将模块集成自动控制系统模型。

(b)寻找“闭合流线”

下面结合收集机器人的实例说明寻找“闭合流线”的方法,即先寻找能量流线和信息流线,然后再按它们的逻辑关系找出“闭合流线”。

·寻找能量流线的方法

首先抓住使工作对象运动(物质流)的能量(或力)的输出模块(执行机构),然后找给予该能量的输入模块(驱动装置),如果有的话再找将输出模块和输入模块连起来的传动模块(传动机构),将三者连起来,则构成一条能量流线。例如,手爪上的手指与气缸直接相连,将气缸的能量(力)直接传给手指,则构成一条能量流线,该流线的指向,气缸→手指→松糕。又如,第二个机械手,其手臂6可以沿导柱10上下滑动,该动作是由绳轮传动机构(11、12、13)带动滑套7运动完成的,而带动绳轮转动的是电动机14,那么由电动机经绳轮传动机构到滑套(手臂)就形成了另一条能量流线,该流线的指向是电动机14→绳轮机构(11、12、13)→滑套7(手臂6)→松糕。

可见,能量流线的寻找方法是根据工作对象的动作从执行机构至驱动装置,有几个执行机构则有几条能量流线。

·寻找信息流线的方法

首先抓住检测控制子系统的输出端(输出模块)(输出量一般是给驱动装置的电压),然后去寻找该输出信息的输入端(输入模块)(输入量一般是传感器采集的信号,如执行机构和工作对象的位移、速度和环境信息),再找到将二者连接起来的驱动控制器模块和信息处理与控制模块,把它们连接起来,则构成一条信息流线。例如,手爪动作由连接两个手指的气缸驱动,气缸动作需要打开驱动控制器36中的气阀给气缸供气,要打开气阀则需要控制器35给气阀一个控制信号(电压),而这个信号的来源是传感器4;只有当传感器4感知到松糕时,才能发出这一信号给控制器35,经35处理后输出控制信号给驱动控制器36,36中的气阀打开通气,使气缸动作,则驱动手指闭合。这一信息流线的流向是传感器4→控制器35→驱动控制器36→气阀。

可见,信息流线的寻找方法是从驱动装置需要的控制信号开始,至相关的传感器,该传感器应该在驱动器驱动的执行机构上,或在该执行机构的工作对象上,有几个驱动信号则应当有几条信息流线。

·寻找“闭合流线”的方法

还是从“工作对象”的每一个动作(运动)入手。先由工作对象的一个动作找到驱动该动作的执行机构及供给其能量的能量流线;接着找出控制该能量流的信息流线;然后将上述二流线首尾相接,则得到一条传递控制信息(号)的“闭合流线”。

(c)构建自动控制系统模型的方法

构建自动控制系统模型的依据是上面找到的控制信息(号)传递“闭合流线”。对于一个机电一体化产品(系统)要建立它的自动控制系统模型,首先要找出它的所有控制信息(号)传递“闭合流线”,然后针对每一条“闭合流线”建一个自动控制系统。

具体做法是:选一条“闭合流线”,将该流线经过的每一个模块的物理模型依序(逻辑)填加到“闭合流线”图上,这就构成了一个自动化控制系统模型。在该模型中,由能量流线串起来的模块的物理模型就构成了广义执行子系统的物理模型(被控制对象);而由信息流线串起来的模块的物理模型则构成了检测控制子系统的物理模型(控制器)。比如,(b)中所举的第二个机械手的例子,其能量流传递逻辑是,电动机14→绳轮传动机构(11、12、13)→滑套7(连带手臂6)→松糕;则其广义执行子系统所涉及的模块有:驱动装置模块的电动机14、传动机构模块的绳轮机构(11、12、13)和执行机构模块的手臂6(滑块7与上面手爪5都附于手臂6)。将上述模块的物理模型按上述逻辑顺序填加到“闭合流线”中则构成广义执行子系统的物理模型(即被控对象)。

又如,(b)中所举的控制手爪动作的信息流的例子。其信息流传递的逻辑是:传感器4→控制器35→驱动控制器36→气阀。则其检测控制子系统所涉及的模块有:传感检测模块的传感器4,信息处理与控制模块的控制器35和电气模块的驱动控制器36。将上述模块的物理模型按上述逻辑顺序填加到“闭合流线”中则构成检测控制子系统的物理模型(即控制器)。

按上述做法将机电一体化产品(系统)的所有“闭合流线”都做完,则该产品(系统)的自动控制系统模型才算构建完成。下面就可以对每一个自动控制系统模型进行系统分析,最后确定该机电一体系产品(系统)的各类参数。

③分析自动控制系统,修正结构参数——建模、仿真

这一步完全是在计算机辅助下进行的,通常有一个仿真计算机环境。具体过程如下:首先将上节②(c)中所构建的自动控制系统的物理模型加以细化,即先根据产品的功能要求,明确输入和输出、被控对象、控制器、干扰和反馈等要素,然后在控制理论的指导下建立该物理模型的数学模型,这个过程就叫建模。最后,依据该数学模型,借助于仿真软件,对该系统进行分析、计算,验证在结构设计阶段所给的各类参数是否满足自动控制系统指标的要求,若不满足,反复修正,直到满足要求为止。这个过程叫仿真。

在此,需要指出三点:

a.上述建模、仿真计算对一个产品中所有的自动控制系统都要进行,比如,收集机器人就不止有一个自动控制系统。另外,在一些产品中,一个驱动装置可能分时段带动两个不同的执行机构,那么它应当按两个能量流处理,这时驱动装置的参数就应当兼顾两个能量流,从而兼顾两个自动控制系统。

b.在建模时,已将广义执行子系统和检测控制子系统融合在一个自动控制系统的数学模型中,是这两个子系统的几何、物理参数决定了该自动控制系统的系统特性,在修正系统参数时,既可调整机械类模块(机构或零件)的几何尺寸和物理参数,也可以调整电子、电器元件的物理参数,哪一个好调就调哪一个,这样才体现出并行设计的优越性,避免了机械系统对控制系统的约束。

c.这一步计算是基于理想的数学模型,纯粹是纸上谈兵,这类数学模型与实际产品之间经常会存在偏差。这个偏差称为不可模拟误差,它往往是把基本模型设计的结果应用于实际产品时引起失败的罪魁祸首。避免失败的办法是,在建立物理模型时考虑得更周到、更切合实际一些,这样使所得数学模型更反映实际状况。当然,这就要求建立物理模型者具有深厚的理论基础和丰富的实际工程经验。这正是同学们需要注意学习的知识。

④工作能力校验

因为在第一步产品结构设计环节对产品的所有模块都已经给出了结构形式和初步的几何物理参数,在第三步自动控制系统分析环节对上述各类参数进行了修正,本步——即第四步的工作只有两项:其一是将已修正后的机类参数代入广义执行子系统的各模块(零件)中,选择驱动装置的输出功率及力(力矩)和输入功率并给出其工作原理图,对各机构的合理性和各零件的强度、刚度进行校验,以最后确定这些参数,供制图用。其二是根据已修改后的电类参数去重新选择微处理器和电子元器件,按结构设计环节的方案搭建成一个实际的检测控制子系统。

a.对广义执行子系统中各模块工作能力的检验

(a)选择驱动装置并给出工作原理图

在本环节要做两项工作:其一是,按能量流建立的物理模型去求出驱动装置的输出功率及力(力矩)和输入功率;其二是依据所求的功率按照概念设计阶段给出的驱动方式(电动、气功、液动)选择具体的驱动装置(电动机、电磁铁、气缸、气马达、液压缸)的型号,并给出该装置工作〔启动、停车、正转(正移)、反转(反移)、调速〕的原理图,选出原理图中所用的控制上述运动的元件(开关、继电器、气泵、气阀、油泵油阀等),然后按相关定律(电路有关定律、气压系统有关定律和液系统有关定律)检验所选元件是否合理。

(b)机构运动状况校验

对机构进行校验主要是根据“机械原理”去校验所设计的执行机构和传动机构在结构形式上是否合理,运动是否有干涉,损耗能量是否少。在此提醒一下,具体计算时有现成软件可用。

(c)零件工作能力校验

若机构运动校验已合格,则将机构拆成零件,利用牛顿定律对每个零件建立数学模型,求出其所受的外力,然后再根据“弹性力学和有限元解法”所讲的理论求出其所受应力与弹性变形,由强度、刚度、振动、稳定等条件,校验我们所设计的这个零件的形状、尺寸、和所选用的材料是否满足工作要求。在此提醒一下,具体计算时有现成软件可用。

在这里需说一下,对于机构和零件进行校验,虽然工作繁多,但有现成软件可以帮助人们实现。这一步工作的目的是,利用这些软件对所设计的机构及其零件的参数,进行反复的修改、完善,直至达到“最优”的要求。

这里还要提醒一下,在这一步所确定的各模块的各类参数,如果与第三步确定的参数相吻合,则可确定为产品的最后参数;若与第三步确定的参数误差较大,则须重新进行第三步的工作,校验本环节所确定的参数是否影响了自控系统的控制特性;若不影响,则以本环节确定的参数为最终参数;若影响则还需重新修正这些参数,这两个环节反复进行直到满意为止。

b.搭建检测控制子系统并进行初步的调试

在对广义执行子系统中各模块进行工作能力校验的同时,进行这一工作。首先按第三步确定的参数去选择符合要求的微处理器和电子元器件,然后按结构设计环节确定的方案将它们搭建成检测控制电子系统,并将仿真时使用过的(控制)应用程序移置到该电子系统的微处理器中,编好接口驱动程序,输入模拟的输入信号对该系统进行调试,合格后待用。同时根据检测控制电子系统中微处理器和电子元器件的大小设计好控制箱或控制柜。(设计控制箱(柜)要同时考虑驱动装置的控制元件尺寸)

⑤方案评价

经过前四步的工作,可以说新产品的开发设计工作已基本完成,即将给出设计文件。因为在前面的四步中一系列的分析计算,反反复复,工作非常繁杂,头脑处于高度紧张之中,到了这一步必须冷静下来,按照设计任务书的要求,非常认真地将前四步的工作再审查一遍。首先,检查本设计是否已经达到了设计任务书提出的技术要求;其二,检查按本设计制造出产品以后,其经济性、可靠性、安全性如何;其三,评价本设计的技术先进性;其四,检查按本设计制造的产品的可维护性、环境适应性及对环境的影响;其五,不要忘记包装运输问题;其六,最好考虑到产品报废以后怎么办。都检查完毕无误后,给出全部设计文件。

⑥给出设计文件

设计文件有两套,一套为设计说明书,它是对设计方案的详细说明;另一套是全部加工图纸。

a.设计说明书的主要内容

设计说明书是在产品开发设计完以后对产品的说明和技术工作的总结,它有一定的格式,到毕业设计时再详细介绍,这里说一下设计说明书所包括的主要内容。

(a)设计依据:产品用途(功能),主要技术指标,使用环境,对使用者的要求。

(b)技术工作总结:方案论证、自动控制系统分析与参数的确定、广义执行子系统的设计计算(驱动装置及伺服元件选择,机构设计、零件设计的主要公式、计算过程和结果)、检测控制子系统的设计计算(传感器及其他电子元器件的选择,控制器的设计计算和结果)、接口及有关电路的设计计算、驱动程序、控制算法及控制程序。

(c)包装与运输:这是从设计角度对包装与运输提出的要求,若不注意,产品在运输过程中就坏了。对包装提出的要求是产品需特别保护的部分和防潮、防震;对运输提出的要求是吊装位置,旋转方位。

b.设计图纸要求

设计图纸体现了产品开发设计的全部成果,它是产品制造的依据,必须精心绘制。应当有以下几类图纸。

(a)总体造型图:总体造型图应包括不同方向看的三维造型图,对细小部位应当有放大图。要注明颜色与材质〔包括控制箱(柜)的造型图〕。

(b)总装图:总装图包括主机和控制箱两部分,它们标明了产品中各模块或零件、电路板在产品中的位置,及它们之间彼此的关联关系;同时,标明产品的总体尺寸、各模块或零件、配电盘、电路板的尺寸。以备拆零件或总装装配时应用。

(c)零件图:包括机架、传动机构、执行机构、控制箱中每个零件的“零件加工图”。零件图以投影图的方式表示零件的形状;在图中应注明材料、尺寸、公差、精度、光洁度、表面处理等加工要求。

(d)电气原理图和电气安装图(当选择电动驱动原理时用)

电气原理图:是根据电路工作原理,用规定的图形符号和文字符号绘制的表示各个电器连接关系的线路图。

电路安装图:是电气原理图的具体实现形式,它是用规定的图形符号,按电气元件的实际位置和实际接线来绘制的,用于电气设备和电气元件的安装、配线或故障检修。实际工作中,该二图结合起来使用。

(e)气控逻辑原理图和气控回路图(当选用气动驱动原理时用)

气控逻辑原理图:用符号表示的驱动装置动作逻辑的图。

气控回路图:按气控原理图,将气缸(气马达)和控制它的阀连成回路的图。根据它还可以绘制一个施工图。

(f)液压系统原理图和液压系统安装图(当选用液压驱动原理时用)

液压系统原理图:是对初步拟定的系统经反复修改完善,选定了液压元件之后,所绘制的液压系统图。该原理图是根据驱动装置的运动逻辑绘制的。

液压系统装配图:是液压系统的施工安装图。包括液压泵装置图、集成油路装配图和管路安装图。

(g)控制电路原理图和电路版图

控制电路原理图:包括传感检测模块电路原理图、控制器模块电路原理图。

电路版图:是按控制电路原理图绘制的电路板加工图。电路板可能有几层,要很完美地将电路图布置在电路板上而导线互不干扰。同时要注意导线阻值、导线间电容、电感干扰和接地问题。

至此,详细设计阶段结束。

4.样机试制(见图3-1第四阶段)

样机试制阶段是将开发设计的新产品给予实现的阶段。机械加工涉及的知识面很广,且需有丰富的实践经验,其包含内容很多,在有关机械制造的课程中详细介绍,本阶段讲三项工作:其一是机械零件加工;其二是产品组装;其三是联调修正。下面分别加以说明。

(1)机械零件加工

在此环节,要将所设计的新产品的全部零件都按图纸加工出来(标准件除外),以备总装之用。本环节工作程序如下:首先为每一个被加工的零件制定一个工艺规程,然后到加工车间找合适的机床(设备)和工人进行加工,最后对所加工的零件进行严格的检验,合格的转到总装车间备用。其中,工艺规程就是规定产品和零部件加工工艺过程和操作方法等的指导性技术文件。(注意:在详细设计阶段检测控制子系统已初步制作完成)

(2)产品组装

产品组装就是按装配工艺依照总装图将所有零件都装配在一起,包括主机和控制箱,使其成为一个能按设计任务书要求而工作的机器。

(3)联调修正

在详细设计阶段,我们已采用模拟信号输入,对已组装好的检测控制子系统进行了初调,那时检测控制子系统是真实的,而广义执行子系统是模拟的。现在产品已总装好,可以真枪真刀的调试了。

调试工作注意两个方面:其一是看该新产品是否已满足设计任务书中规定的功能要求;其二是看该新产品是否达到了设计任务书中规定的技术指标。

联调阶段是必不可少的,因为详细设计阶段建模仿真基本依赖的是理想的物理数学模型,而现在面对的是真实的产品,它与物理模型之间必然有差距,因此,必须通过本阶段的实测来修正系统(产品)参数,以使系统的固有特性更符合所传信号的要求,即系统与所传信号更加匹配。

经过联调修正环节,产品通过检测以后,就能正式投产销售。

5.改进设计(见图3-1第五阶段)

该阶段又分为两个环节:一个是小批量生产及试销;另一个是正常生产及市场销售。

小批量生产及试销其目的是倾听市场(用户)的反馈意见,以改进设计,提高产品竞争力。其实,正式生产以后建立产品质量反馈网对于创建名牌产品更重要,因为只有不断地变革、更新,才有生命力。

设计工作至此,可以说该产品的开发设计已完成了。