機(jī)電一體化設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

侯榮興

引言：機(jī)電一體化技術(shù)面對國際市場日益激烈的競爭，使產(chǎn)品的智能化成為機(jī)械產(chǎn)品的主要方向。過去單純靠仿制國外產(chǎn)品將使企業(yè)失去市場競爭力，機(jī)電一體化系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)關(guān)系到我國能否以自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品跨入世界制造業(yè)先進(jìn)行列。本文以實(shí)現(xiàn)工作機(jī)功能的機(jī)電一體化系統(tǒng)為研究對象，采用機(jī)電一體化系統(tǒng)對機(jī)電一體化創(chuàng)新設(shè)計(jì)特點(diǎn)與設(shè)計(jì)模式進(jìn)行了研究，并且提出了具體的新產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)方式。

機(jī)電一體化控制系統(tǒng)的擁有量反映了一個(gè)國家的經(jīng)濟(jì)能力和國防實(shí)力，目前我國是全世界機(jī)電一體化控制技術(shù)較先進(jìn)的國家，但是機(jī)電一體化的利用率、開動(dòng)率低，這樣我國制造業(yè)也很難把行業(yè)中機(jī)電一體化的控化率大幅度提上去。機(jī)電一體化在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中接受調(diào)節(jié)器的控制信號(hào)，確保生產(chǎn)過程按預(yù)定要求正常執(zhí)行，執(zhí)行機(jī)構(gòu)無需特殊的動(dòng)力源就可以保持原執(zhí)行位置，可遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào)，更適應(yīng)采用電子信息新技術(shù)。

一、機(jī)電一體化的概念

“機(jī)電一體化”在國外被稱為Mechatronics是日本人在20世紀(jì)70年代初提出來的，它是用英文Mechanics的前半部分和Electron-ics的后半部分結(jié)合在一起構(gòu)成的一個(gè)新詞，意思是機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。這一名稱已得到包括我國在內(nèi)的世界各國的承認(rèn)，我國的工程技術(shù)人員習(xí)慣上把它譯為機(jī)電一體化技術(shù)。機(jī)電一體化技術(shù)又稱為機(jī)械電子技術(shù)，是機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)和信息技術(shù)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物。二、機(jī)電一體化技術(shù)基本概念機(jī)電一體化技術(shù)是在微型計(jì)算機(jī)為代表的微電子技術(shù)、信息技術(shù)迅速發(fā)展，向機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域迅猛滲透，機(jī)械電子技術(shù)深度結(jié)合的現(xiàn)代工業(yè)的基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感測試技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)及軟件編程技術(shù)等群體技術(shù)，從系統(tǒng)理論出發(fā)，根據(jù)系統(tǒng)功能目標(biāo)和優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)目標(biāo)，以智力、動(dòng)力、結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)和感知組成要素為基礎(chǔ)，對各組成要素及其間的信息處理，接口耦合，運(yùn)動(dòng)傳遞，物質(zhì)運(yùn)動(dòng)，能量變換進(jìn)行研究，使得整個(gè)系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合與綜合集成，并在系統(tǒng)程序和微電子電路的有序信息流控制下，形成物質(zhì)的和能量的有規(guī)則運(yùn)動(dòng)，在高功能、高質(zhì)量、高精度、高可靠性、低能耗等諸方面實(shí)現(xiàn)多種技術(shù)功能復(fù)合的最佳功能價(jià)值系統(tǒng)工程技術(shù)。

二、機(jī)電一體化技術(shù)的特點(diǎn)

1、安全性和可靠性。機(jī)電一體化產(chǎn)品都具有自動(dòng)監(jiān)視、報(bào)警、自動(dòng)診斷等功能。在工作過程中電力故障時(shí)，能自采取保護(hù)措施，避免人身和設(shè)備事故，顯著提高設(shè)備的使用安全性。

2、工作質(zhì)量提高。機(jī)電一體化產(chǎn)品具有信息自動(dòng)處理和自動(dòng)控制功能，其控制和檢測的精度上很大程度的提高.近幾年出新了復(fù)合加工機(jī)床，派生出各新穎的機(jī)床結(jié)構(gòu)，可以采取虛擬軸機(jī)床和特殊機(jī)械結(jié)構(gòu)。例如：復(fù)合型的一體化機(jī)床，在鉆深孔時(shí)大大提高效率。通過自動(dòng)控制系統(tǒng)可保證機(jī)械按照設(shè)計(jì)的要求完成預(yù)定動(dòng)作，使之不受機(jī)械操作者主觀因素的影響，從而保證最佳的工作質(zhì)量和產(chǎn)品的合格率。由于高速加工技術(shù)普及，機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速由3000～4000r/min提高到9000r/min，運(yùn)動(dòng)部件的加速度，其已由過去一般機(jī)床的0.4G提高到2G，直線電機(jī)在機(jī)床上開始使用，主軸上大量采用內(nèi)裝式主軸電機(jī)。機(jī)電一體化產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了工作的自動(dòng)化，使得生產(chǎn)能力大大提高。

3、使用性能改善。機(jī)電一體化產(chǎn)品普遍采用程序控制和數(shù)字顯示，操作按鈕數(shù)量顯著減少，操作技術(shù)大大簡化并且方便、簡單。機(jī)電一體化產(chǎn)品根據(jù)預(yù)設(shè)的程序逐步由電子控制系統(tǒng)指揮實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)通過被控對象的數(shù)學(xué)模型以及外界參數(shù)的變化隨即自尋最佳工作程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)最優(yōu)化操作。

4、適用面廣。機(jī)電一體化產(chǎn)品跳出了機(jī)械機(jī)電一體化產(chǎn)品的單技術(shù)和單功能限制，使得產(chǎn)品的功能水平和自動(dòng)化程度大大提高。具有自動(dòng)化控制、自動(dòng)補(bǔ)償、自動(dòng)校驗(yàn)、自動(dòng)調(diào)節(jié)、自動(dòng)保護(hù)等多種功能，能滿足用戶需求的應(yīng)變能力較強(qiáng)。

5、調(diào)整和維護(hù)方便。機(jī)電一體化產(chǎn)品在安裝調(diào)試時(shí)，通過調(diào)整控制程序以適應(yīng)不同用戶對象的需要，通過多種手段輸入到控制系統(tǒng)中，事先存入若干套不同的執(zhí)行程序，然后根據(jù)不同的要求，只需給定一個(gè)代碼信號(hào)輸入，可按指定的預(yù)定程序進(jìn)行自動(dòng)工作。機(jī)電一體化的定位精度可以提高到提高到1mm左右，最小分辨率為的數(shù)控系統(tǒng)和已有產(chǎn)品，并且兩軸以上插補(bǔ)技術(shù)大大提高，納米級(jí)插補(bǔ)使機(jī)床聯(lián)動(dòng)出的圓弧都可以達(dá)到1μ的圓度，提高了插補(bǔ)質(zhì)量，并可進(jìn)行自動(dòng)拐角處理等。機(jī)電一體化產(chǎn)品的自動(dòng)化檢驗(yàn)和自動(dòng)監(jiān)事功能可對故障自動(dòng)采取措施，使工作恢復(fù)正常。

6、網(wǎng)絡(luò)化。依據(jù)機(jī)電一體化機(jī)床的基本要求，提高機(jī)床的開動(dòng)率是企業(yè)合理化、最佳化的方法。因此，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)制造和虛擬制造技術(shù)都在數(shù)控機(jī)床基礎(chǔ)上發(fā)展起來，這必然成為制造業(yè)發(fā)展的一個(gè)主要潮流。

三、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型

機(jī)電一體化可控的執(zhí)行機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)是高精度匹配性和信息融合的結(jié)構(gòu)，也是機(jī)電一體化系統(tǒng)中設(shè)計(jì)方案創(chuàng)新的核心。

1、F-P-A-M求解模型。它是根據(jù)總功能進(jìn)行工藝動(dòng)作過程的分解，通過與其它兩個(gè)子系統(tǒng)的集成與融合設(shè)計(jì)得到機(jī)電一體化系統(tǒng)的方案，它的柔性化程度將多個(gè)單一功能的機(jī)械系統(tǒng)組合成多功能的機(jī)電一體化系統(tǒng) ，用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)取機(jī)械式的控制系統(tǒng) ，提出了解模塊的接口匹配策略。

2、符號(hào)表達(dá)模型。機(jī)電一體化系統(tǒng)需要以簡圖的形式表達(dá)多種可行方案，該表達(dá)方法建立在常用機(jī)電一體化系統(tǒng)基本功能元模塊的層次上，包括文字符號(hào)，接口信息等符號(hào)，為計(jì)算機(jī)輔助機(jī)電一體化系統(tǒng)方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了有效手段。機(jī)電一體化系統(tǒng)知識(shí)庫來源可快速存取功能元載體并能自動(dòng)產(chǎn)生可行的設(shè)計(jì)方案。

四、機(jī)電一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

1、硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。一體化電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示，整個(gè)系統(tǒng)把可編程序控制器為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，它為用戶反饋各類狀態(tài)信號(hào)。該方法的優(yōu)勢在于易于調(diào)整兩比較的標(biāo)度值且能較好地維持原有的實(shí)際意義，兩兩比較相對優(yōu)序值可以利用網(wǎng)狀圖的評(píng)價(jià)方法， 解決了無法排序方案的缺陷。

2、軟件設(shè)計(jì)。要實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化電動(dòng)遠(yuǎn)控和故障報(bào)警的管理與控制，關(guān)鍵在于電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)開、關(guān)到位的準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性。專用可編程序控制器由主程序和多個(gè)子程序組成，程序框圖來自現(xiàn)場電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)，管理人員在現(xiàn)場或監(jiān)控室都能對電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)不斷掃描，實(shí)現(xiàn)對電源故障、電動(dòng)機(jī)過熱和機(jī)械故障的報(bào)警功能。可編程序控制器通過人機(jī)界面和紅外線控制器的操作信號(hào)設(shè)置了數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)，并將這些數(shù)據(jù)放入特定寄存器中，以便通過Modbus。

（作者單位：遼河油田成套電器設(shè)備廠）