1、5.2 可靠性、安全性设计可靠性、安全性设计5.2.1 可靠性设计可靠性设计1.可靠性的基本概念可靠性的基本概念可靠性问题是机电一体化系统设计的一个重要组成部分。可靠性问题是机电一体化系统设计的一个重要组成部分。所谓所谓可靠性可靠性，是指产品，是指产品(或系统或系统)在规定条件下和规定时间内，在规定条件下和规定时间内，完成规定功能完成规定功能的能力。的能力。如果产品不能完成规定功能，就称为如果产品不能完成规定功能，就称为失效失效；对于可修复的产品，也可称为；对于可修复的产品，也可称为故障故障。失效。失效(或故障或故障)是一种破坏产品是一种破坏产品(或系统或系统)工作能力的事件，失效工作能力的事
2、件，失效(或故障或故障)越频繁越频繁,可取性就越可取性就越低。低。产品产品(或系统或系统)完成规定的功能是相对于完成规定的功能是相对于规定条件规定条件和和规定时间规定时间而言的。而言的。规定条件规定条件是指使用时的应力条件是指使用时的应力条件(工作条件工作条件)、环境条件和存储时的存储条件等，规定、环境条件和存储时的存储条件等，规定条件不同，产品的可靠性也不同。条件不同，产品的可靠性也不同。可靠性的概念包括产品可靠性的概念包括产品(或系统或系统)的的无故障性无故障性和和耐久性耐久性两方面的含义。两方面的含义。产品的无故障性产品的无故障性:是指产品在某一时期内是指产品在某一时期内(或某一段工作时
3、间内或某一段工作时间内)，连续不断地保持其，连续不断地保持其工作能力的性能。工作能力的性能。产品的耐久性产品的耐久性:是指产品在整个使用期限内和规定的维修条件下，保持其工作能力是指产品在整个使用期限内和规定的维修条件下，保持其工作能力的性能。的性能。一般来说，如果不采取维修和预防措施消除故障、恢复其丧失了的工作能力，产品一般来说，如果不采取维修和预防措施消除故障、恢复其丧失了的工作能力，产品是不能长时期工作的。是不能长时期工作的。完成规定功能完成规定功能就是指就是指能够连续地保持产品能够连续地保持产品(或系统或系统)的工作能力，的工作能力，使各项技术指标符合使各项技术指标符合规定值。规定值。2
4、.2.保证产品保证产品(或系统或系统)可靠性的方法可靠性的方法有三种方法有三种方法提高产品的设计提高产品的设计和制造质量和制造质量冗余技术冗余技术诊断技术诊断技术是最根本的是最根本的方法方法它的作用是它的作用是消除故障或消除故障或者降低故障者降低故障率于发生之率于发生之前。前。保证产品可靠性的一种重要方法，它可以在故障发生之后把故障造成保证产品可靠性的一种重要方法，它可以在故障发生之后把故障造成的影响掩蔽起来，使产品在一定时间内继续保持工作能力。的影响掩蔽起来，使产品在一定时间内继续保持工作能力。是一种暴露法，是一种暴露法，它可以把已经它可以把已经出现的或即将出现的或即将出现的故障及出现的故障
5、及时暴露出来，时暴露出来，以便迅速修复。以便迅速修复。1)提高产品的设计和制造质量提高产品的设计和制造质量 裕度法裕度法；对于关键性的产品，可以加大设计的安全系数，以；对于关键性的产品，可以加大设计的安全系数，以保证一定的可取性储备。保证一定的可取性储备。在设计过程中在设计过程中，要进行可靠性分析，估计系统和单元中各种，要进行可靠性分析，估计系统和单元中各种引起失效的可能因素，采取必要的可靠性措施，以降低产品的引起失效的可能因素，采取必要的可靠性措施，以降低产品的故障率。这时可以采用可靠性预测的方法，对各种可取性指标故障率。这时可以采用可靠性预测的方法，对各种可取性指标进行估计。进行估计。制造
6、阶段制造阶段中的原材料和制造工艺，都要保证完全达到各项设中的原材料和制造工艺，都要保证完全达到各项设计指标。计指标。可对产品进行可取性试验可对产品进行可取性试验，以便确定实际产品的可靠性指标。，以便确定实际产品的可靠性指标。对于可靠性要求特别高的产品，除采用冗余技术和诊断技术对于可靠性要求特别高的产品，除采用冗余技术和诊断技术外还可采用下述几种方法。外还可采用下述几种方法。自动控制自动控制：在产品设计中，利用机电一体化技术的优势，使：在产品设计中，利用机电一体化技术的优势，使产品产品(或系统或系统)具有自适应、自调整、自诊断甚至自修复的功能，具有自适应、自调整、自诊断甚至自修复的功能，可以大大
7、提高产品的可靠性。可以大大提高产品的可靠性。2)采用冗余技术采用冗余技术 冗余技术又称储备技术。它是利用系统的并联模型来提高冗余技术又称储备技术。它是利用系统的并联模型来提高系统可靠性的一种手段。冗余有系统可靠性的一种手段。冗余有工作冗余工作冗余和和后备冗余后备冗余两类。两类。工作冗余工作冗余；又称工作储备或掩蔽储备，是两个或两个以上；又称工作储备或掩蔽储备，是两个或两个以上单元并行工作的并联模型。平时，由各个单元平均负担工作单元并行工作的并联模型。平时，由各个单元平均负担工作应力，因此工作能力有冗余。只有当所有的单元都失效时系应力，因此工作能力有冗余。只有当所有的单元都失效时系统才失效，如果
8、还有任何一个单元末失效，系统就能可靠地统才失效，如果还有任何一个单元末失效，系统就能可靠地工作，不过这个单元要负担额定的全部工作应力。工作，不过这个单元要负担额定的全部工作应力。后备冗余后备冗余：又称非工作储备或待机储备。平时只需一个单元：又称非工作储备或待机储备。平时只需一个单元工作，另一个单元是冗余的，用于待机备用。这种系统必须工作，另一个单元是冗余的，用于待机备用。这种系统必须设置失效检测与转换装置，不断检测工作单元的工作状态，设置失效检测与转换装置，不断检测工作单元的工作状态，一旦发现失效就启动转换装置，用后备单元代替失效的工作一旦发现失效就启动转换装置，用后备单元代替失效的工作单元。
9、单元。3)采用诊断技术采用诊断技术：诊断技术是用来取得有关产品中产生的失：诊断技术是用来取得有关产品中产生的失效效(故障故障)类型和失效位置信息。它的任务有两个；一是出现故障类型和失效位置信息。它的任务有两个；一是出现故障时，迅速确定故障的种类和位置，以便及时修复。二是在故障时，迅速确定故障的种类和位置，以便及时修复。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，查明产品工作能力下降的原因，以便采取维护措施或进行自动调明产品工作能力下降的原因，以便采取维护措施或进行自动调整，防止发生故障。整，防止发生故障。诊断的过程是；首先
10、对诊断对象进行特定的诊断的过程是；首先对诊断对象进行特定的测试测试，取得诊断，取得诊断信号信号(输出参数输出参数)，再从诊断信号中分离出能表征故障种类和位置，再从诊断信号中分离出能表征故障种类和位置的异常性信号，即的异常性信号，即症兆症兆；最后将症兆与标准数据相比较，确定；最后将症兆与标准数据相比较，确定故障的种类和故障位置。故障的种类和故障位置。测试；测试；通常有两种测试，一是在故障出现之后，为了迅速确通常有两种测试，一是在故障出现之后，为了迅速确定故障的种类和位置，对诊断对象进行的试验性测试，这时定故障的种类和位置，对诊断对象进行的试验性测试，这时诊断对象处于非工作状态，这种情况称为诊断对
11、象处于非工作状态，这种情况称为诊断测试诊断测试；二是在；二是在故障发生之前，诊断对象处于工作状态，为了预测故障或及故障发生之前，诊断对象处于工作状态，为了预测故障或及时发现故障而进行的在线测试，这种情况称为时发现故障而进行的在线测试，这种情况称为故障监测故障监测。症兆：症兆：症兆是有助于判断故障种类和故障位置的异常性症兆是有助于判断故障种类和故障位置的异常性诊断信号，可分为诊断信号，可分为直接症兆直接症兆和和间接症兆两间接症兆两类。类。直接症兆直接症兆是在检测产品整机的输出参数或可能出现故障是在检测产品整机的输出参数或可能出现故障的元部件的输出参数时，取得的异常性诊断信号。的元部件的输出参数时
12、，取得的异常性诊断信号。间接症兆间接症兆是从那些与产品工作能力存在函数关系的间接是从那些与产品工作能力存在函数关系的间接参数中取出的异常性诊断信号。参数中取出的异常性诊断信号。采用间接症兆进行诊断采用间接症兆进行诊断 主要优点主要优点：可以在产品处于工作状态及不作任何拆卸的：可以在产品处于工作状态及不作任何拆卸的情况下，评价产品的工作能力。情况下，评价产品的工作能力。缺点：缺点：间接症兆与产品输出信号之间往往存在某种随机间接症兆与产品输出信号之间往往存在某种随机关系，此外，一些干扰因素也会影响间接症兆的有效性。关系，此外，一些干扰因素也会影响间接症兆的有效性。尽管如此，间接症兆在诊断技术中还是
13、得到了广泛应用。尽管如此，间接症兆在诊断技术中还是得到了广泛应用。诊断：诊断：诊断就是将测试取得的诊断信号与设定的诊断就是将测试取得的诊断信号与设定的标准数标准数据据相比较，或利用事先确定的症兆与故障之间的对应关相比较，或利用事先确定的症兆与故障之间的对应关系，来确定故障的种类与部位。系，来确定故障的种类与部位。标准数据：标准数据：根据产品或元部件输出参数的极限值来设定根据产品或元部件输出参数的极限值来设定的。的。症兆与故障之间的对应关系，可根据理论分析或模拟症兆与故障之间的对应关系，可根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，称为仿真试验来建立，这种关系用列表形式来表示时
14、，称为故障诊断表，有时称为故障诊断表，有时称为故障字典故障字典。3.干扰和抗干扰措施干扰和抗干扰措施 1)干扰源。干扰源。根据干扰进入的渠道可分为两大类型：一是根据干扰进入的渠道可分为两大类型：一是传导型，通过各种线路传入控制器，包括供传导型，通过各种线路传入控制器，包括供电干扰、强电干扰和接地干扰等；二是辐射电干扰、强电干扰和接地干扰等；二是辐射型，通过空间感应进入控制器，包括电磁干型，通过空间感应进入控制器，包括电磁干扰和静电干扰等。扰和静电干扰等。供电干扰：供电干扰：电压波动、断电或瞬时断电电压波动、断电或瞬时断电强电干扰：强电干扰：感性元件感性元件 产生过电压和电流冲击。产生过电压和电
15、流冲击。接地干扰：接地干扰：接地干扰是由于接地不当、形成接地环路产生接地干扰是由于接地不当、形成接地环路产生辐射干扰：辐射干扰：磁场、电磁场、静电场或电磁波辐射源磁场、电磁场、静电场或电磁波辐射源2)抗干扰措施抗干扰措施供电系统的抗干扰措供电系统的抗干扰措（稳压、滤波、隔离）（稳压、滤波、隔离）增加电子交流稳压器增加电子交流稳压器增加低通滤波器增加低通滤波器加入隔离变压器加入隔离变压器 在可靠性要求很高的地方，可采用不间断电源在可靠性要求很高的地方，可采用不间断电源(具有备用直流电源具有备用直流电源)，以解决瞬时停，以解决瞬时停电或瞬时电压降所造成的危害。电或瞬时电压降所造成的危害。接口电路的
16、抗干扰措施接口电路的抗干扰措施采取吸收的方法抑制其产生采取吸收的方法抑制其产生采取隔离的方法，阻断其传导采取隔离的方法，阻断其传导转换接口的隔离转换接口的隔离对于近距离的，不对于近距离的，不需放大需放大滤波：去掉高频整形电路：改善脉冲的前沿对于远距离的，需对于远距离的，需放大放大接地系统的抗干扰措施接地系统的抗干扰措施主要方法是切断接地环路主要方法是切断接地环路单点接地单点接地并联接地并联接地光电隔离光电隔离(4)软件的可靠性技术软件的可靠性技术1)利用软件来提高系统的可靠性利用软件来提高系统的可靠性其措施有；其措施有；增加系统信息管理的软件，与硬件配合，对信息进行保增加系统信息管理的软件，与
17、硬件配合，对信息进行保护。包括防止信息被破坏，在出现故障时保护信息，在故护。包括防止信息被破坏，在出现故障时保护信息，在故降排除后恢复信息等。降排除后恢复信息等。利用软件冗余，防止信息的输入利用软件冗余，防止信息的输入/输出过程及传送过程中输出过程及传送过程中出错。如对关键数据采用重复校验方式，对信息采用重复出错。如对关键数据采用重复校验方式，对信息采用重复传送并进行校验等。传送并进行校验等。编制诊断程序，及时发现故降；找出故障的部位，以便编制诊断程序，及时发现故降；找出故障的部位，以便缩短修理时间。缩短修理时间。用软件进行系统调度。这包括在发生故障时，进行现场用软件进行系统调度。这包括在发生
18、故障时，进行现场保护、迅速将故障装置切换成备用装置；在过负荷或环境保护、迅速将故障装置切换成备用装置；在过负荷或环境条件变化时，采取应急措施；在排除故障后，使系统迅速条件变化时，采取应急措施；在排除故障后，使系统迅速恢复正常并投入运行等。恢复正常并投入运行等。方法：方法：1、明确软件的规格，使测试易于进行。、明确软件的规格，使测试易于进行。2、把测试手段作为软件设计开发的一部分。、把测试手段作为软件设计开发的一部分。3、程序结构本身组合成便于测试的的形式。、程序结构本身组合成便于测试的的形式。2)提高软件本身的可靠性措施提高软件本身的可靠性措施措施：措施：程序分段和层次结构。程序分段和层次结构
19、。提高可测试性设计。提高可测试性设计。对软件进行测试。对软件进行测试。测试按照下述步骤进行：测试按照下述步骤进行：单元测试。单元测试。局部或系统测试。局部或系统测试。系统功能调试。系统功能调试。现场安装、综合验收。现场安装、综合验收。应用软件可靠性除了取决于设应用软件可靠性除了取决于设计时具有固有的特性外，还取计时具有固有的特性外，还取决于使用条件。必须根据现场决于使用条件。必须根据现场条件，在实际系统中，按设计、条件，在实际系统中，按设计、使用双方共同拟定的验收标准使用双方共同拟定的验收标准进行验收调试，直到满足用户进行验收调试，直到满足用户要求达到验收标准为止。要求达到验收标准为止。5.3
20、.2 安全性设计安全性设计(1)工业机器人产生事故的原因工业机器人产生事故的原因A.淡化了安全观念淡化了安全观念表现在：表现在：对机器人较低的可靠性认识不足；对机器人较低的可靠性认识不足；自动机械与人有密切联系，尽管人的不安全动作直接与事故有联系，但在设自动机械与人有密切联系，尽管人的不安全动作直接与事故有联系，但在设计和使用上还没充分认识到这一点；计和使用上还没充分认识到这一点；机器人的手臂是在三维空间运动的，没有在整体上充分考虑安全保护措施。机器人的手臂是在三维空间运动的，没有在整体上充分考虑安全保护措施。(2)工业机器人的安全措施工业机器人的安全措施1)设置安全栅。设置安全栅。2)安装警
21、示灯。安装警示灯。3)安装监视器。安装监视器。4)安装防越程装置。安装防越程装置。5)安装紧急停止装置。安装紧急停止装置。6)低速示教。低速示教。对紧急停止装置的要求是：对紧急停止装置的要求是：应能尽快地停止：应能尽快地停止：电路应是独立的，以确保高可靠电路应是独立的，以确保高可靠性；性；除控制台以外，在作业位置上也除控制台以外，在作业位置上也要安装紧急停止按钮；要安装紧急停止按钮；紧急停止后不能自动恢复工作。紧急停止后不能自动恢复工作。B.误动作；误动作；C.失控和示教上的错误。失控和示教上的错误。机械设备的高度自动化和大型化，控制的软件化，机械设备的高度自动化和大型化，控制的软件化，从外观
22、上不可能了解自动化机械的动作，操作者处从外观上不可能了解自动化机械的动作，操作者处理异常情况比较困难；理异常情况比较困难；许多自动化机械与非自动化机械的混合使用，因许多自动化机械与非自动化机械的混合使用，因而事故较多，难以制定对策，以确保安全；而事故较多，难以制定对策，以确保安全；异常情况的处理是由人来完成的，而自动化设备异常情况的处理是由人来完成的，而自动化设备并末充分考虑人的存在，在排除故障过程中容易发并末充分考虑人的存在，在排除故障过程中容易发生安全事故。生安全事故。机电一体化机械设备的自动化机电一体化机械设备的自动化还存在如下问题：还存在如下问题：课后习题1、机电一体化系统中干扰信号进
23、入控制器的主要渠道有：一是传导型：供、机电一体化系统中干扰信号进入控制器的主要渠道有：一是传导型：供电干扰、强电干扰和电干扰、强电干扰和 。二是辐射形：。二是辐射形：和静电干扰。和静电干扰。2、机电一体化系统保证产品（或系统）可靠性的方法可以采用冗余技术，、机电一体化系统保证产品（或系统）可靠性的方法可以采用冗余技术，冗余技术又称为储备技术，分为冗余技术又称为储备技术，分为 和和 。3、保证机电一体化系统（产品）可靠性的方法有哪些？简要说明、保证机电一体化系统（产品）可靠性的方法有哪些？简要说明4、什么是产品的可靠性？、什么是产品的可靠性？5、机电一体化系统中，电噪声的干扰是产生元部件失效或数据传输、处理、机电一体化系统中，电噪声的干扰是产生元部件失效或数据传输、处理失误、进而影响其可靠性的最常见的也是最主要的因素，针对这些干扰，可失误、进而影响其可靠性的最常见的也是最主要的因素，针对这些干扰，可以采取哪些看干扰的措施？以采取哪些看干扰的措施？6、下列所示的图中，哪一个具有抗干扰功能？、下列所示的图中，哪一个具有抗干扰功能？
