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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(guān)鍵字 整體分析法 模型 重復率 成本削減
人們通過(guò)減少那些包含重新制作工作模型的設計成本, 來(lái)降低生產(chǎn)成本。當削減成本的決定還懸而未決時(shí),工程師們常常擔心他們付出了幾個(gè)星期甚至幾個(gè)月心血的設計會(huì )修改或者被取消掉。更糟糕的是, 對設計進(jìn)行從頭到尾的修改, 采取完全不同的方式來(lái)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(shí)間還有金錢(qián), 這兩者都是現在我們所缺少的。
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(wèn)題的地方, 就會(huì )發(fā)現機電一體化的整體分析法。所有的設計都有四個(gè)法則—機電一體化、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(lái)進(jìn)行檢查和塑模。結合每個(gè)部分來(lái)設計的目的是以整個(gè)系統的要求為基礎。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,使整體設計不僅成本低, 還可以降低模型重復率。
響。結果得到的簡(jiǎn)單設計能夠將最終數值錯誤率最小化。
這個(gè)方法的問(wèn)題是, 多數零部件都非常昂貴。溫差補償和性能調整需要在制造商零部件組裝線(xiàn)最后一步進(jìn)行特別的測試和校準。另外, 需要調整的電路需要在信號鏈的每個(gè)設備上都進(jìn)行安裝。結果是客戶(hù)需要為額外的測試和傳感器的彌補電路買(mǎi)單。
從我們新的、整體的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看成本削減, 這樣額外的費用需要最先被砍掉。
為了實(shí)現這個(gè)目標, 我們必須簡(jiǎn)化微控制器而不是每個(gè)零部件最后數值的調整和補償電路, 來(lái)交換整個(gè)系統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增加額外的功能— 例如電熱調節器以及無(wú)反復的存儲功能—但是其它功能也離不開(kāi)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、調節功能只會(huì )使軟件成本微弱的上升。
校準是大多數生產(chǎn)線(xiàn)上最不堪的一步, 但是相比非補償傳感器信號鏈和全調整補償零部件的價(jià)格差, 校準步驟還是非常值得的。另外, 微控制器可以幫助處理器在多通路同時(shí)運行校準功能, 在生產(chǎn)線(xiàn)最后的測試中自動(dòng)對整個(gè)系統進(jìn)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(guò)觀(guān)察傳感器輸出值的不一致?tīng)顩r對系統的校準進(jìn)行周期性檢查。
另外, 在生產(chǎn)線(xiàn)結尾處無(wú)需進(jìn)行溫度檢測就可以對系統進(jìn)行校驗和補償。
如果只需要傳感器用來(lái)監控指定參數的添加軸, 那就無(wú)需補償。同時(shí)也無(wú)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和電熱調節器, 此時(shí)微控制器需要“ 最佳猜想” 溫度補償, 而無(wú)需進(jìn)行完整測試。
信號發(fā)生條件讓我們從一個(gè)簡(jiǎn)單的例子著(zhù)手— 傳感器, 它的信號發(fā)生條件鏈以及模數轉換器。如上圖當中就展示了一個(gè)帶過(guò)濾器、信號捕獲階段以及將最終數值轉換為數碼的系統。通常的辦法, 是通過(guò)根據低補償和持續獲取信號來(lái)調整零部件以限制最終數值的錯誤率。同時(shí), 用溫差補償來(lái)清除環(huán)境的影驅動(dòng)器那么驅動(dòng)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省在驅動(dòng)電機上的成本、數值或螺線(xiàn)管的不考慮驅動(dòng)的是何種機器, 驅動(dòng)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制器襯一般的辦法是將微控制器的脈寬調制器四連接到集成驅動(dòng)單元來(lái)帶動(dòng)機器運轉。集成驅動(dòng)器非常便捷, 因為它們包含了所有驅動(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, 驅動(dòng)器單元有幾個(gè)缺點(diǎn)。它們價(jià)格昂貴, 在某種程度上屬于專(zhuān)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高的等級電阻如果我們從機電一體化的角度來(lái)看問(wèn)題, 首先需要提出的問(wèn)題是—集成驅動(dòng)器是否是必須的, 或是否需要將控制邏輯輸入其他的設計部分中, 并降低成本幸運的是, 我們發(fā)現微控制器制造商在近兩年間, 已在目外圍設備中構建了橋架驅動(dòng)控制功能。
四外圍設備通常不僅僅包括或者全部日橋架驅動(dòng)輸出值, 但是他們還常有一個(gè)比較器關(guān)閉功能見(jiàn)下方圖。這個(gè)日橋架驅動(dòng)功能意味著(zhù)溯外圍設備可以直接在日橋架中驅動(dòng)四個(gè)分離的電晶體, 而無(wú)需集成驅動(dòng)器中包含控制功能。
比較器關(guān)閉功能可以被用在過(guò)電關(guān)閉或者扭轉力控制循環(huán)的電流限制上。
在一些較新的溯外圍設備上, 比較器還安裝了模數轉換器來(lái)控制比較器閨值, 這樣便可以控制電機驅動(dòng)器的速度和扭轉力。外部零部件僅需要丁電晶體以及簡(jiǎn)單級別的—轉化〔通路驅動(dòng)器。
可以將他們的傳感器直接集成到系統機械結構中。例如, 角度傳感器能夠監控伺服器控制的輸出值見(jiàn)圖, 巧頁(yè)一般的設計會(huì )將光學(xué)編碼器或電位計連接到軸上, 然后監控計數器或模數轉換器的輸出值。
這個(gè)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(cháng)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(kāi)關(guān)以及將編碼器連接到計數器上的電路接口。
從機電一體化的角度來(lái)看這個(gè)設計, 你會(huì )問(wèn)為什么我們需要將傳感器添加到現有的軸承上, 為什么不直接在軸里面安裝傳感器, 另外, 如果需要進(jìn)行絕對角測量, 為什么采用智能航跡推算系統為什么不直接測量角度大小這些問(wèn)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)行絕對角測量嗎答案是有可能的。
讓我們來(lái)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(shí)間傳感器傳感器是機電一體化設計方法中可以確實(shí)降低成本的地方, 因為設計師們從電子和機械角度來(lái)看問(wèn)題, 我們就會(huì )有如下的選擇電位計帶灰度掩模板的光學(xué)元件電導系統, 如分相器電容系統從可靠性角度來(lái)看, 我們從一開(kāi)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。
如果我們在相對清潔的環(huán)境中工作, 那么則可以使用光學(xué)元件, 但是灰塵和潤滑劑會(huì )對光學(xué)元件產(chǎn)生影響。
電導系統不受灰塵和潤滑劑影響,但是將傳感器線(xiàn)圈安裝到軸上工藝復雜, 摩擦會(huì )附帶信號, 這樣又回到了灰塵和磨損問(wèn)題上來(lái)。
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(shuō)繞軸安裝了。沒(méi)有任何磨損問(wèn)題, 唯一接觸軸的是半圈帶電導的金屬板。電容的第二個(gè)金屬板是另外一個(gè)固定在系統外殼上的電導體, 與軸上的金屬板十分接近見(jiàn)圖, 左邊�？梢杂矛F在市場(chǎng)上的電容觸摸塊來(lái)進(jìn)行電容測量, 或采用簡(jiǎn)單的壓力對比器系統為模數轉化器進(jìn)行充電放電。
結果是得到了無(wú)需接觸軸而能夠進(jìn)行測量的相對簡(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備進(jìn)行數碼轉換。另外, 這種類(lèi)型的傳感器相對來(lái)說(shuō)受灰塵和潤滑劑影響較小。更重要的是, 成本較低。
每個(gè)例子當中, 我們需要做的是避開(kāi)一般的結構塊問(wèn)題, 取而代之的是采用更加系統化的方法。這樣的方法將整個(gè)系統都考慮在內, 同時(shí)基于哪個(gè)系統能夠最有效的完成任務(wù)來(lái)分配功能。與此同時(shí), 保留系統的完整’生和精確性。
最后, 這就是機電一體化設計—評估整個(gè)系統, 并且從采用對整個(gè)系統都受益的設計, 而不是分開(kāi)來(lái)看。
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