机电一体化系统概念设计的基本原理

机电一体化系统概念设计的基本原理

张磊

(神华准能集团选煤厂内蒙古鄂尔多斯市010300)

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

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、机电一体化系统概念设计原理

2.1机电一体化系统的概念设计内涵

产品的概念设计是实现产品创新的关键。因此，对产品的概念设计理论与方法的研究，得到了各个地方人士的关注，目前已成为学术研究的热点。人们也慢慢认识到产品设计最重要、最复杂、最富有创造性的阶段是概念设计，产品的概念设计也是一个从无到有、从上到下、从模糊到清晰、从抽象到具体的过程。特别是近几年来，随着计算机图形学、虚拟现实、敏捷设计、多媒体等技术的发展和CAD/CAM应用的深入，产品概念设计的研究也有了新的进展。概念设计比较全面的定义：概念设计是根据产品生命周期各个阶段的要求，进行产品功能创造、功能分解以及功能和子功能的结构设计；进行满足功能和结构要求的工作原理求解和实现功能结构的工作原理载体方案的构思和系统化设计。0概念设计可划分为功能设计、原理设计、方案设计及初步结构设计四个阶段。

2.2机电一体化系统的功能构成

目前，对机电一体化系统仍然没有一个普遍认同的定义。由于机电一体化系统的跨学科性及其自身的复杂性，不同学科领域的学者分别从不同的研究角度对机电一体化系统进mechatronics/definitions，html可以得到几十种关于机电一体化系统的定义。从功能上讲，是用于完成包括机械力、运动和能量流等多动力学任务的机械和（或）机电部件相互联系的系统。机电一体化系统是一个完整的系统，强调各种技术的协调和集成，各部分之间是有机结合而不是简单拼凑和堆积。关于机电一体化系统的设计理论研究方面，认为机电一体化产品是由控制功能、动力功能、构造功能、传感检测功能和操作功能五大功能模块组成丹麦理工大学的JacobBurr等人提出的三环论，认为机电一体化产品分为机械、电子、软件三大功能模块，挪威科技大学的BassamA.Hussein提出的两个子系统论，将机电一体化系统划分为物理系统与控制系统两大子系统。以上三种结构组成的划分，更多地立足于电或控制的角度，没有突出机械主体部分，也没有很好地解决机电一体化系统概念设计的模糊性、复杂性和多面性，因此不利于产品的系统设计，尤其是概念设计。从概念设计的需要出发，从完成工艺动作过程这一总功能要求出发，将机电一体化系统划分为广义执行机构子系统、传感检测子系统、信息处理及控制子系统三个子系统，称为/三子系统论。三个子系统分别完成机械运动和动作、信息检测、信息处理及控制。这种划分有利于对机电一体化系统按功能进行分解，分别寻求各自的功能载体，通过集成优化来得到机电一体化系统的概念设计的若干方案。

三、机电一体化的关键技术

3.1传感器技术

任何机电一体化产品，都要求传感器能快速、准确地采集信息。随着测控技术的发展，对传感器的检测速度、灵敏度和精度的要求越来越高，并推动传感器技术的发展。集成化和智能化是传感器的发展方向，传感器技术是现代科技的起点。

3.2信息处理技术

信息处理技术包括信息输入、变换、运算。信息处理技术的硬件包括有输入/输出设备编程控制器和数控装置等。信息处理是否及时，直接影响产品的质量和效率。存储、判断、决策和输出等技、显示器、磁盘、计算机、可处理结果是否正确和精确，将直接影响产品的质量和效率。

3.3系统技术即以整体概念组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目标出发，将总体分解成相互关联的若干功能单元，接口技术是系统技术中一个重要方面，是实现系统各部分有机连接的保证。

3.4自动控制技术

自动控制技术包括高精度定位控制、速度控制、力控制、自适应控制，以及自诊断、仿真、校正、补偿、再现、检索等等。经典控制理论和现代控制理论是自动控制的理论基础，微机的发展为控制理论的应用和实施提供了条件。自动控制技术的发展，得以使机电一体化产品实现多功能和全功能控制、多微机分级控制、复杂控制系统的仿真、自适应控制、自诊断监控和容错等。

3.5伺服驱动技术

伺服驱动技术包括电动、气动、液压等直接执行操作技术，对产品的质量产生直接的影响。在机电一体化产品中，对电动机、液压马达、气马达等执行元件的精度、可靠性要求更高，响应速度要求更快。伺服驱动技术的发展，得以使机电转换件具有高精度、高可靠性和快的响应速度，使直流伺服电机具有较高的分辨率和灵敏性等。

3.6精密机械技术

机械技术是一门历史悠久的应用技术，是各技术领域的基础，它已经形成一套完整的理论和实践规范。近几十年来，随着新技术的发展，传统的机械工业受到了猛烈的冲击。应用力学、机械设计、制造工艺和控制技术是机械技术的四大支柱，得以使机电一体化产品重量轻、体积小、精度高、刚度大、摩擦磨损小及动态性能好。

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。这些理论种类较多,也各成体系,其中比较有代表性的是以功能为主线的设计模型,概括起来主要有：一是功能结构模型；二是功能逻辑模型模型；三是功能-行为-状态模型；四是功能-行为-结构模型。

五、机电一体化技术的应用研究

5.1数控机床

数控机床及相应的数控技术经过40年的发展，在结构、功能、操作和控制精度上都有迅速提高，具体表现在：

（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。

（6）系统的多级网络功能，加强了系统组合及构成复杂加工系统的能力。

（7）以单板、单片机作为控制机，加上专用芯片及模板组成结构紧凑的数控装置。

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

随着机械制造技术与其他高新技术的日益融合、集成，“机电一体化”已逐渐成为现代机械系统的本质特征。相比于传统机械系统，机电一体化系统结构、信息处理及控制方式等的改变导致了其功能、性质和设计方法的极大变化。只有通过产品创新才能从根本上解决企业的生存与发展问题。研究机电一体化系统的创新设计理论、方法及应用，是关系到我国能否凭借自主知识产权产品跻身世界制造强国的关键。

参考文献:

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