机电一体化设计问题的分析探讨

机电一体化设计问题的分析探讨

蔡锴

关键词：机电一体化；设计；要点

1、机电一体化概述

“机电一体化”这一技术术语最初来源于日本学术界，他们根据英文的Mechanics（机械学）和Electronics（电子学）两词，组合出Mechantronics一词。

随着机电一体化技术的发展，以计算机技术、通信技术和控制技术为特征的信息技术“渗透”到机械技术中，丰富了机电一体化的含义，现代的机电一体化不仅仅指机械、电子与信息技术的结合，还包括光（光学）机电一体化、机电气（气压）一体化、机电液（液压）一体化、机电仪一体化等。机电一体化表达了技术之间相互结合的学术思想，强调各种技术在机电产品中的相互协调，以达到系统总体最优。

2、机电一体化系统设计的目的

2.1提高系统的安全行和可靠性

机电一体化系统由于采用了多种新型的技术，从而使系统具有自动检测的功能，当运行的设备中出现潜藏的故障时，系统可以实时进行在线检测和修复，从而提高了系统的安全性和可靠性。

2.2增强系统的功能

由于采用了多种新型的技术，从而使传统的机械装置拥有了电气产品的功能，比如系统向智能化方向发展，在自动控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学和动力学等新思想、新方法，模拟人类的功能，使它具有自动判断、逻辑推理、自主决策等能力，以求获得更高的控制性能。

2.3提高系统的精度

机电一体化系统采用了大量的电子装置来代替传统的机械传动装置，消除了原来的机械损耗、弹性形变所引起的误差，简化了系统的结构，采用电子装置实现自动检测和控制，从而缩小了动态误差，使工作精度得到大幅度的提升。

2.4简化系统的结构

现在采用微电子和集成电路构成的系统，不但大幅提高了生产的效率，还减小了系统的体积，简化了结构，减轻了重量。

2.5增加特殊的应用功能

随着用户对产品要求的多样性，系统可以通过软件编程或者是数控加工中心等来实现客户的产品的特殊要求，生产出个性化的产品，使其满足用户的要求及不同现场的需求。系统对这些功能的实现，形成了控制系统的智能化的发展趋势。

2.6降低能耗、节约能源

机电一体化系统采用了一些低能耗的电子装置，有些装置的材料是可以重复利用的，这些绿色材料在使用时不污染生态环境，报废后还能回收利用。这些低能耗的装置在使用的过程中节约了能源，符合现在建设资源节约型社会的要求。

2.7提高效率、降低成本

由于使用了机电一体化系统，在产品的研发过程中，缩短了准备时间，减少了产品的开发时间，使不合格产品的数量大大减少，提高了生产效率，降低了成本。在产品的生产过程中，机电一体化系统可以使用计算机、数控机床等辅助设备，把人们从一些复杂、危险的劳动环境中解放出来，同时生产过程又可以实现过程控制，提高了生产效率。

2.8降低了产品的价格

随着现代电力电子技术的发展，新的生产工艺不断出现，而且电子器件的价格也在不断地下降，电子器件日益平民化，极大地扩展了使用的范围。而且功能越来越完善，维护越来越方便，使用寿命在不断地延长。所有这些因素相加导致产品的价格在不断地下降，从而反过来扩大其应用范围。

3、机电一体化的设计要点

3.1结构模块

机械本体是系统的所有功能要素的机械支持结构，一般包括有机身、框架、支撑、联接等，这是机电系统控制的主要对象。设计一体化系统要考虑设备本身的结构设置，使机电、机械等设备发挥出预期的功效，这样才可以加快控制系统的功能发挥。

3.2指令模块

控制及信息处理部分将来之测试传感部分的信息及外部直接输入的指令进行集中、存储、分析、加工处理后，按照信息处理结果和规定的程序与节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的的运行。机电一体化控制系统设计应考虑指令的控制，尤其是自然语言与计算机语言之间的转换，更应该朝着一体化方向转变，这是保证机电信号稳定传输的重点条件。

3.3动力模块

动力驱动部分依据系统控制要求，为系统提供能量和动力以使系统正常运行。无论是哪一种类型的机械设备，都要借助动力系统才能正常地运转，这是机电一体化设计的主要内容。动力模块设计可选用变频调节技术，根据主电机传输能量的大小，由变频器自动控制电传动速率，进而对设备动力供应系统进行调节，这样能够方便机电系统的自动化运转。

3.4感知模块

测试传感部分对系统的运行所需要的本身和外部环境的各种参数和状态进行检测，并变成可识别的信号，传输给信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的控制信息。传感器是信息传递的主要设备，用其作为信号感应与自处理装置，对机电设备调度具有指导作用。无线传感技术的普及应用，能够帮助控制系统快速地分析数据信息，避免其他信号传递造成的干扰。

4、机电一体化产品设计实现的方法

4.1产品可行性研究

通过实际调查和研究，掌握对所设计产品的市场需求，并进行可行性论证，从而确定产品设计的基本方案，其中包括预测投资总额、组成部件价格、产品的性能价格比以及经济评价等。

4.2基本设计阶段

在基本设计阶段要提出必需的主要技术，其中包括硬件技术和软件技术两个方面。硬件包括产品的结构元件和控制元件，软件包括操作系统和控制系统。在进行整个系统设计时，必须提出几个方案进行比较，从中选出较优的方案。

4.3详细设计阶段

详细设计包括业务分工、操作系统设计、工艺设计、外围设备设计、总体设计、控制系统设计、安全保护设计等。在开发性产品设计过程中，要拟定产品的各项性能指标参数，通过计算选定所用的设备，从而进一步完成机构设计、运动和性能设计以及控制设计等。

4.4实际运行试验

这一阶段的工作主要包括产品工作性能检验和改进以及产品性能评价。产品工作性能检验的目的是进行生产周期和生产率测定，进行故障分析和考察故障时间等。改进是指对产品存在的问题提出改进措施以提高产品的性能。这一阶段是产品设计过程的总结阶段，目的是通过对已确定的操作系统的具体使用，检验其实际的使用价值。

结束语：

综上所述，机电一体化技术的迅速发展，是现代科学技术发展的必然结果。机电一体化系统设计是一项非常复杂的工程。因此，在进行设计工作时，应根据机械系统的结构特点来确定电气参数，综合运用多学科知识，充分体现机电一体化的优越性。

参考文献

[1]吕强，孙锐，李学生.基机电一体化原理及应用[M].北京：国防工业出版社，2016，（18）.

[2]倪志博.关于机电一体化技术及其应用研究[J].中小企业管理与科技（上旬刊），2010，（06）.

[3]林仁宝.机电一体化控制系统的设计与应用[J].中国科技信息，2015，（11）.

[4]梁治河.机电控制系统自动控制技术与一体化设计[J].科技风，2011，（09）.