机电一体化系统设计

机电一体化系统设计

刘户国

府谷县祥荣煤矿有限公司

摘要：机电一体化是微电子技术向机械工业渗透过程逐渐形成的一个较新概念，是各相关技术有机结合的一种新形式。充分运用电子计算机的信息处理和控制功能可控驱动元件特性的现代化机械系统实现了机械系统的智能化、自动化。本文分析机电一体化系统概念设计原理，研究机电一体化系统概念设计的关键技术，并建立机电一体化系统概念设计的过程模型。以望促进机电一体化系统的研究与发展。

关键词：机电一体化；系统概念设计；基本原理

引言

机电一体化系统广泛地综合了机械、微电子、自动控制、信息、传感测试、电力电子、接口、信号变换和软件编程等技术，并将这些技术有机的结合成一体，它是当今世界机械工业技术和产品发展的潮流。机电一体化技术并非现代尖端技术，它是微电子技术和精密机械技术相互融合，是实现系统整体最优化的产物，属于技术综合应用范畴。是充分挖掘多学科合作共生的体现。

一、机电一体化的发展背景

总的来说，机电一体化技术的发展可以分成三个阶段。1960年以前可以视为第一阶段。作为机电一体化发展的初级阶段，由于种种原因，比如当时的电子技术水平和机械技术水平都没有得到完善，使得运用机电一体化技术开发出来的产品不能够被广泛的推广。但是，人们在有意无意的情况下已经开始运用简单的电子技术来完善产品的机械性能了。尤其是在战争时期，电子技术和机械产品的完美结合，使得这项军用技术发挥出了重要的作用。战争结束后，这项技术由以前的军用转变为民用，促进了战后经济的快速发展。第二阶段的发展是在1970年至1980年之间，在这一发展时期，机电一体化技术不仅得到了来自通信技术、计算机技术和控制技术等提供的技术基础，而且由于微型计算机和大规模集成电路的飞速发展，机电一体化还得到了充分的物质基础。1990年以来，机电一体化技术已经开始向智能化的新阶段迈进。在这个深入发展的阶段里，一些人工智能技术、光纤技术以及神经网络技术如雨后春笋般的迅速发展，给机电一体化技术打开了一片新的发展天地。

二、机电一体化系统设计

1.机电一体化系统的构成

机电一体化系统的构成由5部分组成：机械系统（机构）、电子信息处理系统（电子计算机）、动力系统（动力源）、传感检测系统（传感器）、执行元件系统（电动机等）。5个部分组成的机电一体化系统可分为：闭环、半闭环2种控制方式，其中，闭环指对最终执行元件进行直接控制，而半闭环指对中间元件进行控制，从而推算出最终元件的状态。

2.机电一体化中的集成设计

由于机电一体化方法内在的并行性，或同时性工程，所以样机试制阶段的建模与仿真很重要。因为模型来自于各学科的综合应用。所以应用一种可视化的编程软件是很重要的。这样就涉及到了框图，流程图，状态转换图和波特图。机电一体化是一种设计哲学，其产品或设备有一个重要的特点就是它们内部的智能，这是将执行器，传感器，控制系统和计算机组合设计实现的。系统的集成是通过硬件（部件）和软件（信息处理）的联合实现的。硬件集成是将机电一体化系统看成一个整体系统来设计的，将传感器、执行器和微处理器融入到机械系统中，软件集成主要基于高级控制功能在设计时应首先分析客户要求以及系统集成的技术环境。在制作时应考虑了解客户、市场分析、优化性能、生命周期性能、质量、可靠性和销售等因素。

3.系统中的从属功能设计

机电一体化系统的所有主功能的实现或期望目的的达成，都需要一些从属功能的协同配合。这些从属功能包括：结构功能、通讯功能、保护功能、接口功能、控制功能、动力功能。结构功能确保满足主要部件的正常工作所需空间条件。通讯功能保证环境状态与系统部件的信息得以交换。保护功能将系统重要部件各功能参数限制在可允许的工作范围内并防止系统中各部件产生对环境的不利影响。

4.变频调速系统设计

伺服电机作为驱动部分，目的在于执行控制系统的指令，将电能转化为相应的机械运动。直流电机由于其结构复杂，购置和维修成本过高等问题，难以得到广泛的应用。而随着电机制造工艺和电机控制理论发展，交流电机控制精度得到了大幅度地提高，再加上自身结构简单，维修方便，能满足在恶劣环境和大负载下运行，受到越来越多关注。随着矢量控制理论（VC），直接转矩控制（DTC）变频调速技术的发展及空间矢量脉宽调制技术（SVPWM）的应用，交流电机往往能达到极高的控制性能。SVPWM是当今广泛采用的脉宽调制技术，与传统的SPWM相比，具有转矩与电流畸变小，易于数字化实现等优点，且其对电压利用率相对提高16.7%。

四、机电一体化系统概念设计的过程模型

由于机电一体化系统的主功能仍然是完成特定的工艺动作要求,执行机构是完成主功能的主体,而信息检测和信息处理则是完成主功能的保证。因此,在该过程模型中执行机构的运动方案设计仍然是核心,但要充分考虑信息检测和信息处理。以上原因决定了机电一体化系统概念设计过程模型和传统的机械运动系统概念设计过程模型有相似之处,同时,由于电子技术、计算机技术的融入也必然导致两者概念设计过程模型上的差异。机电一体化系统计算机辅助概念设计的过程模型一般都是基于各种各样的设计方法学的基本理论。

五、机电一体化技术的应用研究

5.1数控机床

（1）总线式、模块化、紧凑型的结构，即采用多CPU，多主总线的体系结构。

（2）开放性设计，即硬件体系结构和功能模块具有层次性、兼容性、符合接口标准，能最大限度地提高用户的使用效益。

（3）WOP技术和智能化。系统能提供面向车间的编程技术和实现二、三维加工过程的动态仿真，并引入在线诊断、模糊控制等智能机制。

（4）大容量存储器的应用和软件的模块化设计，不仅丰富了数控功能，同时也加强了CNC系统的控制功能。

（5）能实现多过程、多通道控制，即具有一台机床同时完成多个独立加工任务或控制多台和多种机床的能力，并将刀具破损检测、物料搬运、机械手等控制都集成到系统中去。

5.2计算机集成制造系统（CIMS）

CIMS的实现不是现有各分散系统的简单组合，而是全局动态最优综合。它打破原有部门之间的界线，以制造为基干来控制“物流”和“信息流”，实现从经营决策、产品开发、生产准备、生产实验到生产经营管理的有机结合。企业集成度的提高可以使各种生产要素之间的配置得到更好的优化，各种生产要素的潜力可以得到更大的发挥。

5.3柔性制造系统（FMS）

柔性制造系统是计算机化的制造系统，主要由计算机、数控机床、机器人、料盘、自动搬运小车和自动化仓库等组成。它可以随机地、实时地、按量地按照装配部门的要求，生产其能力范围内的任何工件，特别适于多品种、中小批量、设计更改频繁的离散零件的批量生产。

结束语

机电一体化系统的设计是一种复合技术，它需要很多部门产业的支持和配合，才能取得满意的结果，我们不仅要对机电一体化的各相关技术进行全面深入的了解，还要从系统工程的概念入手，通过系统总体设计来使各相关技术形成有机的结合，并且要注意分析和解决技术融合过程中出现的新问题，只有这样，才能满足机电一体化系统的飞速发展。

参考文献

[1]赵再军主编.机电一体化概论.浙江大学出版社，2014.

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[6]王晓勇.解析机电一体化技术及其发展应用展望[J].科技传播，2013（06）