機電一體化

發(fā)展

　　20世紀80年代初，我國才逐步開始在機電一體化方面進行研究和應用，起步比較晚，所以面對全球經濟市場的競爭，我國在這個領域面臨嚴峻的形勢。首先，傳統(tǒng)工業(yè)面臨著用微電子技術改造的難題，工作量大；其次，用機電一體化技術加速產品更新?lián)Q代，提高市場占有率壓力大；最后，用機電一體化產品取代技術含量和附加值低的產品對于我國經濟的發(fā)展有重要的意義。從市場需求的角度看，由于我國在機電一體化領域發(fā)展的歷史不長，差距較大，許多產品很難滿足國民經濟發(fā)展的需求，每年需進口大量的國外產品。面對如此艱巨的形勢，我國機電一體化工作應該從以下兩方面入手，一方面，需將微電子技術引入傳統(tǒng)產業(yè)，這樣不僅能提高傳統(tǒng)工業(yè)的技術水平，而且能解決目前資源能源短缺境況；另一方面，從機電一體化產品的更新?lián)Q代入手大力發(fā)展其相關支持技術如自動化技術、數字化技術以及智能化技術等。[1]

　　中國機電設計邁入PLM全新階段，正挑戰(zhàn)著了前所未有的，不可預測的難題，一個個久戰(zhàn)沙場經久不衰精兵良將正褪去了昨日英雄的光環(huán)，唯有CAMELVIEW能夠勝任軍統(tǒng)三國，光復舊業(yè)

　　的重任，此時數系科技與德國iXtronicsGmbH公司攜手共同開拓機電設計領域的新篇章，CAMELVIEW作為機電一體化設計系統(tǒng)，從產品的概念設計到產品性能的測試、驗證、通過都是一體化的，流程化的、規(guī)范化的，在滿足用戶設計的前提下，數值實驗的仿真與結果的驗證無不精確化，支持復雜環(huán)境下，多工況，多耦合場設計。

研究目的

　　機械電子學主要研究目的是把機械技術與微電子技術和信息技術有機地結合為一體，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的最優(yōu)化。機械電子學可以充分發(fā)揮機械技術、微電子技術和信息技術的各自的長處和特點，促進機械產品的更新?lián)Q代。機械電子學系統(tǒng)主要由機械主體、傳感器、信息處理和執(zhí)行機構等部分組成。較高級的系統(tǒng)不但有硬件，而且還有相應的軟件，利用軟件技術可以實現(xiàn)硬件難以實現(xiàn)的功能，使機械系統(tǒng)增加柔性。典型的機械電子系統(tǒng)有數控機床、加工中心、工業(yè)機器人等。機械電子學技術除用于單個機器、設備或一般的生產系統(tǒng)的技術改造之外，還用于柔性制造系統(tǒng)、計算機集成制造系統(tǒng)、工廠自動化、辦公自動化、家庭自動化等方面。

　　我國從事這一專業(yè)的各地大專、中專、院有近百所，教師與學生近百萬人。

　　研究意義

　　隨著機電一體化相關技術的快速發(fā)展，機電產品的外觀更加人性化、功能更加強大、體積和重量更加輕巧、可靠性更高等。與傳統(tǒng)的機電產品相比機電一體化產品具有以下優(yōu)勢：

　?。?）功能增強并且應用廣泛

　　機電一體化產品最顯著的特點就是突破了原來傳統(tǒng)機電產品的單技術和單功能的局限性，將多種技術與功能集成于一體，使其功能更加強大。而且能適應于不同的場合和不同的領域，滿足用戶需求的應變能力較強。

　?。?）精度大大提高

　　機電一體化技術簡化了機構，減少了傳動部件，從而使機械磨損、配合及受力變形等所引起的誤差大大減少，同時由于采用計算機檢測與控制技術補償和校正因各種干擾造成的動態(tài)誤差，從而達到單純用機械技術所無法實現(xiàn)的工作精度。

　?。?）安全性和可靠性提高

　　機電一體化產品一般具有自動監(jiān)控、報警、自動診斷、自動保護、安全聯(lián)鎖控制等功能。這些功能能夠避免人身傷害和設備事故的發(fā)生，提高了設備的安全性和可靠性。

　?。?）改善操作

　　機電一體化產品采用計算機程序控制和數字顯示，具有良好的人機界面，減少了操作按鈕及手柄，改善了設備的操作性能，減少了操作人員的培訓時間，從而大大簡化操作。

　?。?）提高柔性

　　所謂柔性，即可以利用軟件來改變機器的工作程序，以滿足不同的需要。例如，工業(yè)機器人具有較多的運動自由度，手爪部分可以換用不同的工具，通過改變控制程序改變運動軌跡和運動姿態(tài)，以適應不同的作業(yè)要求。

　　（6）生產能力和工作質量提高

　　基于虛擬原型的機電一體化設計建模與仿真技術研究。[1]

內容

　　機械技術

　　機械技術是機電一體化的基礎，機械技術的著眼點在于如何與機電一體化技

　　術相適應，利用其它高、新技術來更新概念，實現(xiàn)結構上、材料上、性能上的變更，滿足減小重量、縮小體積、提高精度、提高剛度及改善性能的要求。在機電一體化系統(tǒng)制造過程中，經典的機械理論與工藝應借助于計算機輔助技術，同時采用人工智能與專家系統(tǒng)等，形成新一代的機械制造技術。

　　電腦技術

　　其中信息交換、存取、運算、判斷與決策、人工智能技術、專家系統(tǒng)技術、神經網絡技術均屬于計算機信息處理技術。

　　系統(tǒng)技術

　　系統(tǒng)技術即以整體的概念組織應用各種相關技術，從全局角度和系統(tǒng)目標出發(fā)，將總體分解成相互關聯(lián)的若干功能單元，接口技術是系統(tǒng)技術中一個重要方面，它是實現(xiàn)系統(tǒng)各部分有機連接的保證。

　　自動技術

　　其范圍很廣，在控制理論指導下，進行系統(tǒng)設計，設計后的系統(tǒng)仿真，

　　現(xiàn)場調試，控制技術包括如高精度定位控制、速度控制、自適應控制、

　　自診斷校正、補償、再現(xiàn)、檢索等。

　　傳感技術

　　傳感檢測技術是系統(tǒng)的感受器官，是實現(xiàn)自動控制、自動調節(jié)的關鍵環(huán)節(jié)。其功能越強，系統(tǒng)的自動化程序就越高?，F(xiàn)代工程要求傳感器能快速、精確地獲取信息并能經受嚴酷環(huán)境的考驗，它是機電一體化系統(tǒng)達到高水平的保證。

　　伺服技術

　　包括電動、氣動、液壓等各種類型的傳動裝置，伺服系統(tǒng)是實現(xiàn)電信號

　　到機械動作的轉換裝置與部件、對系統(tǒng)的動態(tài)性能、控制質量和功能有決定性的影響。

階段

　　模型階段

　　模型階段，所有的系統(tǒng)組件都能夠被最優(yōu)化；

　　在仿真計算的幫助下，可以測試和分析這些組件的適用性；監(jiān)測響應頻率；

　　對模型進行分析。此外，還能夠生成一個物理/拓撲系統(tǒng)模型，包括機械、液壓和控制導向組件。有必要有一個模型工具，這個工具支持機電一體化系統(tǒng)的物理模型，即當有實物和節(jié)點時，這些模型能夠以1：1來測試，并且原型設計研究階段可以在嚴酷的實時條件下進行。

　　測試階段

　　在系統(tǒng)運行完模型階段之后，所產生的具體的性能數據可以通過試驗臺驗證。這

　　樣就可以測試和檢驗該系統(tǒng)有關參數波動的魯棒性，功率儲備及連續(xù)運行的特征。這樣做的話，用戶可以進行測試或者使用CAMeL-ViewTestRig進行硬件在回路（的測試）。要進行硬件在回路測試，相關裝置的物理特性需要詳細確認，這些裝置必須是建立在測試平臺的基礎之上。識別經過測試平臺上測試過的組件，容許這些組件在模型中被識別，并確保整個以系統(tǒng)為基礎的仿真分析布局。

　　原型階段

　　成功的測試之后，就會建立一個原型。這里要特別關注的是模型特性，這些特性特指通過特別費力的仿真所決定的特性，比如組件損耗（性能）。這些數據結果，為模型基礎性分析提供服務，同時為進一步研發(fā)提供知識基礎。

組成要素

　　五大組成要素

　　一個機電一體化系統(tǒng)中一般由結構組成要素、動力組成要素、運動組成要素、感知組成要素、職能組成要素五大組成要素有機結合而成。機械本體（結構組成要素）是系統(tǒng)的所有功能要素的機械支持結構，一般包括有機身、框架、支撐、聯(lián)接等。動力驅動部分（動力組成要素）依據系統(tǒng)控制要求，為系統(tǒng)提供能量和動力以使系統(tǒng)正常運行。測試傳感部分（感知組成要素）對系統(tǒng)的運行

　　所需要的本身和外部環(huán)境的各種參數和狀態(tài)進行檢測，并變成可識別的信號，傳輸給信息處理單元，經過分析、處理后產生相應的控制信息。控制及信息處理部分（職能組成要素）將來之測試傳感部分的信息及外部直接輸入的指令進行集中、存儲、分析、加工處理后，按照信息處理結果和規(guī)定的程序與節(jié)奏發(fā)出相應的指令，控制整個系統(tǒng)有目的的運行。執(zhí)行機構（運動組成要素）<BR>；根據控制及信息處理部分發(fā)出的指令，完成規(guī)定的動作和功能。

　　機電一體化系統(tǒng)一般由機械本體、檢測傳感部分、電子控制單元、執(zhí)行器和動力源5個組成部分構成。

四大原則

　　構成機電一體化系統(tǒng)的五大組成要素其內部及相互之間都必須遵循接口耦合、運動傳遞、信息控制與能量轉換四大原則。

　　接口耦合：

　　兩個需要進行信息交換和傳遞的環(huán)節(jié)之間，由于信息模式不同（數字量與模擬量，串行碼與并行碼，連續(xù)脈沖與序列脈沖等）無法直接傳遞和交換，必須通過接口耦合來實現(xiàn)。而兩個信號強弱相差懸殊的環(huán)節(jié)之間，也必須通過接口耦合后，才能匹配。變換放大后的信號要在兩個環(huán)節(jié)之間可靠、快速、準確的交換、傳遞，必須遵循一致的時序、信號格式和邏輯規(guī)范才行，因此接口耦合時就必須具有保證信息的邏輯控制功能，使信息按規(guī)定的模式進行交換與傳遞。

　　能量轉換：

　　兩個需要進行傳輸和交換的環(huán)節(jié)之間，由于模式不同而無法直接進行能量的轉換和交流，必須進行能量的轉換，能量的轉換包括執(zhí)行器，驅動器和他們的不同類型能量的最優(yōu)轉換方法及原理。

　　信息控制：

　　在系統(tǒng)中，所謂智能組成要素的系統(tǒng)控制單元，在軟、硬件的保證下，完成信息的采集、傳輸、儲存、分析、運算、判斷、決策，以達到信息控制的目的。對于智能化程度高

　　的信息控制系統(tǒng)還包含了知識獲得、推理機制以及自學習功能等知識驅動功能。

　　運動傳遞：

　　運動傳遞使構成機電一體化系統(tǒng)各組成要素之間，不同類型運動的變換與傳輸以及以運動控制為目的的優(yōu)化。

　　智能化控制技術(IC)

　　由于鋼鐵工業(yè)具有大型化、高速化和連續(xù)化的特點，傳統(tǒng)的控制技術遇到了難以克服的困難，因此非常有必要采用智能控制技術。智能控制技術主要包括專家系統(tǒng)、模糊控制和神經網絡等，智能控制技術廣泛應用于鋼鐵企業(yè)的產品設計、生產、控制、設備與產品質量診斷等各個方面，如高爐控制系統(tǒng)、電爐和連鑄車間、軋鋼系統(tǒng)、煉鋼———連鑄———軋鋼綜合調度系統(tǒng)、冷連軋等。

　　分布式控制系統(tǒng)(DCS)

　　分布式控制系統(tǒng)采用一臺中央計算機指揮若干臺面向控制的現(xiàn)場測控計算機和智能控制單元。分布式控制系統(tǒng)可以是兩級的、三級的或更多級的。利用計算機對生產過程進行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制。隨著測控技術的發(fā)展，分布式控制系統(tǒng)的功能越來越多。不僅可以實現(xiàn)生產過程控制，而且還可以實現(xiàn)在線最優(yōu)化、生產過程實時調度、生產計劃統(tǒng)計管理功能，成為一種測、控、管一體化的綜合系統(tǒng)。DCS具有特點控制功能多樣化、操作簡便、系統(tǒng)可以擴展、維護方便、可靠性高等特點。DCS是監(jiān)視集中控制分散，故障影響面小，而且系統(tǒng)具有連鎖保護功能，采用了系統(tǒng)故障人工手動控制操作措施，使系統(tǒng)可靠性高。分布式控制系統(tǒng)與集中型控制系統(tǒng)相比，其功能更強，具有更高的安全性。是當前大型機電一體化系統(tǒng)的主要潮流。

　　開放式控制系統(tǒng)(OCS)

　　開放控制系統(tǒng)(OpenControlSystem)是計算機技術發(fā)展所引出的新的結構體系概念。“開放”意味著對一種標準的信息交換規(guī)程的共識和支持，按此標準設計的系統(tǒng)，可以實現(xiàn)不同廠家產品的兼容和互換，且資源共享。開放控制系統(tǒng)通過工業(yè)通信網絡使各種控制設備、管理計算機互聯(lián)，實現(xiàn)控制與經營、管理、決策的集成，通過現(xiàn)場總線使現(xiàn)場儀表與控制室的控制設備互聯(lián)，實現(xiàn)測量與控制一體化。