电气工程师需要考虑的5大机械因素

在机电一体化项目中可能会出现问题，因为机械和电气工程师通常没有足够的经验或对对方的学科没有足够的理解。以下是一个应用工程师的建议，在为机电系统指定部件时，如何避免这五个常见问题。

找到合适的马达是至关重要的，这意味着要将它与整个系统的机械部件相匹配。换句话说，只有在机械设计经过微调以匹配应用程序的性能规格时，才能进行电气系统设计。

机电一体化系统需要一个复杂的相互作用的电子和机械系统，以完成日益苛刻的任务。但是，由于机械工程师和电气工程师通常是在他们的单一专业领域内接受教育的，因此出现的疏忽可能导致更高的成本和更低的可靠性能。作为一名参与机电系统选型、选型和启动的机械工程师，我在设计阶段和现场都看到过这些问题。为了帮助弥合这一差距，我想向我的电子同事们提供在机电系统设计中需要考虑的五件重要事情。

复杂的机电整合系统需要仔细的提前计划，以确保最佳的性能和最佳的总拥有成本。

考虑事项1:拥有的总成本就是一切
当然，机电系统的设计应该在长期内以最低的成本达到可能的最佳性能。然而，每年(而不是整个系统的生命周期)记录成本节约的需求可能是寻找更便宜的组件以保持机电系统的低成本的强大动力。事实上，选择看似简单的组件可能会导致后来的头痛。例如，在许多步进电机驱动应用中，在电机或变速箱和执行器输入轴之间使用较便宜的波纹管式联轴器是一个非常合适的选择。事实上，在移动较重的负载时，一个稍微松软的联轴器可以提供一定的阻尼。当然，牺牲的是精度，在许多典型的伺服电机驱动的机电系统中，最好使用更硬的弹性体型联轴器。使用较便宜的联轴器可以在短期内节省资金，但如果没有达到所需的刚度，重新设计和改装电机安装系统的成本很容易是最初使用“经济型”联轴器节省的资金的三倍或更多。另外，还会增加停机和生产损失的成本，这不是一个好的权衡。在任何机电系统设计中，总拥有成本(TCO)都是最重要的考虑因素，剩下的四个点最终也将有助于降低TCO。

考虑2:总是先着眼于机制
对于电气工程师来说，在进行电气设计和控制之前，参与或至少理解机电系统的机械设计是非常重要的。在定义机械结构之前尝试确定电气组件的尺寸和规格可能会导致浪费时间和返工，因为惯性和扭矩等参数严重受机械组件的选择影响。博世力士乐的工程师使用一种称为LOSTPED的系统来帮助确定和选择最适合应用程序性能要求的机械部件。LOSTPED是一个简单的首字母缩写，代表负载、方向、速度、行程、精度、环境和负载周期。它系统地回顾了所有需要考虑的性能和设计属性，最终目标是每个应用程序的最佳系统设计。不遵循这一过程可能会导致比所需的更大或更昂贵的机械系统。例如，如果OEM或最终用户强迫设计适应特定的电机而不考虑LOSTPED标准，则可能需要比实际应用所需的更大的机械部件来处理电机扭矩或惯性。控制系统也是如此。如果滚珠丝杠驱动执行机构可以实现0.01 mm的重复性，则需要确保编码器能够满足或超过这个规格;否则你将无法利用滚珠丝杠的精度。 It is human nature to want to use components that are in stock or that the user is familiar with, but each system deserves its own review to ensure that the components and the overall system are optimized for cost and performance. Otherwise, you may leave money on the table or fail to get the system performance you need.

清洁和细心的电缆管理经常被忽视，但可以帮助你确保即使是狭小的空间也不会造成问题。如果不考虑电缆管理，可能会导致系统寿命缩短、与最终操作环境的物理不兼容，甚至导致火灾。

考虑3:不要试图把方的钉子放进圆的孔里
最后一个例子很常见，值得强调的是，它本身也是一个重要的考虑因素:不要试图把方钉入圆孔。许多电气工程师熟悉特定的电机和驱动器，或者被迫使用他们已有的组件来节省资金。然而，使用体积太大的发动机可能会导致问题。为线性模块提供过大的扭矩进行处理(导致机械故障或断裂);或者它可能导致惰性和解决问题。不可预测的沉降在精密应用中可能是一个特别的问题，例如半导体和医疗应用中的点胶、引脚插入或精密组装。如果电机过大，有太多的惯性，执行机构可能很难实现所需的位置，导致比所需的更长的整体循环时间。特别是在精密应用中，应该尽量使机械和电子元件的尺寸尽可能接近1比1的惯性匹配。对于那些希望减少对环境的影响并使制造操作更加绿色的客户来说，将应用所需的电力消耗保持在最低水平也很重要。

考虑4:记住“混蛋”
“加速度”是加速度的变化率，或轴加速度的“累积”。正是挺举参数的限制(你加速的速度)让你体验到过山车的加速度而不会产生鞭打。在机械电子应用中，为了在要求的时间内实现所需的移动，加速度是重要的，但如果加速度速度过高，振动可能导致定位丢失或部件过早磨损。另一方面，如果电气系统设计人员不考虑所需的震动大小，电机可能会过小，系统将无法按要求运行。

看起来总是首先是机械师。LOSTPED首字母缩略词可以帮助您考虑机电组件的尺寸和选择所需的每一个可能的细节:负载、方向、速度、行程、精度、环境和占空比。

考虑#5:电缆必须进行管理
电缆管理是机电系统中最常被忽视的属性之一;这可能会很昂贵。电缆和电缆轨道需要物理空间，快速、多轴运动通常要求电缆能够处理紧弯曲和高负载循环。特别是在设计电缆管理系统时，理论操作和空间要求可能与现实世界的要求有很大的不同。一旦安装在机器或工厂，系统的活动环境可能包括邻近的机器，工厂墙壁，柱子或横梁，以及其他部分或工具，造成干扰电缆管理系统。适当的电缆应变缓解也是至关重要的，因为电缆的弯曲和扭曲超过其规格会造成火灾或短路的安全危险。

所有这些加起来就是TCO
任何机电系统设计的最终目标都应该是在机械和电力方面达到最佳性能，以最低的总成本完成工作。在现实世界中，许多这样的系统是由来自这两个学科的工程师团队共同设计的。这是一个理想的模型，但由于机电一体化的学科相对年轻，我在这里描述的问题经常发生，因为缺乏经验或对其对应学科的理解。以下五点建议旨在帮助弥合这一差距，并防止昂贵、不受欢迎和耗时的意外。

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