論機電一體化技術(shù)的控制原理及應(yīng)用

韓大明 石明東

摘 要：機電一體化作為機械技術(shù)與微電子技術(shù)相互融合發(fā)展的結(jié)晶，打破了傳統(tǒng)的機械工程、建筑工程、控制工程等舊單元模塊的劃分，形成了集機械技術(shù)、計算機技術(shù)等技術(shù)為一體的新興交叉學(xué)科。本文討論了機電一體化技術(shù)的控制原理，并說明了其在機械工程行業(yè)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：機電一體化；控制原理，應(yīng)用

1、機電一體化技術(shù)概要

機電一體化是指在機構(gòu)的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進電子技術(shù)，將機械裝置與電子化設(shè)計及軟件結(jié)合起來所構(gòu)成的系統(tǒng)的總稱。“機電一體化”這個詞是日本安川電機公司在上世紀60年代末作商業(yè)注冊時最先創(chuàng)用的。當時人們一直把機電一體化看作是機械與電子的結(jié)合。機電一體化發(fā)展至今也已成為一門有著自身體系的新型學(xué)科。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，還將被賦予新的內(nèi)容。但其基本特征可概括為：機電一體化是從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，綜合運用機械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)、傳感測控技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)、信息變換技術(shù)以及軟件編程技術(shù)等群體技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)功能目標和優(yōu)化組織目標，合理配置與布局各功能單元，在多功能、高質(zhì)量、高可靠性、低能耗的意義上實現(xiàn)特定功能價值，并使整個系統(tǒng)最優(yōu)化的系統(tǒng)工程技術(shù)。由此而產(chǎn)生的功能系統(tǒng)，則成為一個機電一體化系統(tǒng)或機電一體化產(chǎn)品。

因此，“機電一體化”涵蓋“技術(shù)”和“產(chǎn)品”兩個方面。只是，機電一體化技術(shù)是基于上述群體技術(shù)有機融合的一種綜合技術(shù)，而不是機械技術(shù)、微電子技術(shù)以及其它新技術(shù)的簡單組合、拼湊。這是機電一體化與機械加電氣所形成的機械電氣化在概念上的根本區(qū)別。機械工程技術(shù)有純技術(shù)發(fā)展到機械電氣化，仍屬傳統(tǒng)機械，其主要功能依然是代替和放大的體力。但是發(fā)展到機電一體化后，其中的微電子裝置除可取代某些機械部件的原有功能外，還能賦予許多新的功能，如自動檢測、自動處理信息、自動顯示記錄、自動調(diào)節(jié)與控制、自動診斷與保護等。即機電一體化產(chǎn)品不僅是人的手與肢體的延伸，還是人的感官與頭腦的眼神，具有智能化的特征是機電一體化與機械電氣化在功能上的本質(zhì)區(qū)別。

2、機電一體化技術(shù)的控制原理

PC機控制一個機器運動是機電一體化技術(shù)典型的代表。就現(xiàn)代工業(yè)來說，基本上由PC機發(fā)出的電子信號，然后被機械識別，最后由電動機拖動。對于控制電動機的起動、停止、調(diào)速和制動，一般需采用接觸器或電子元件，通過控制電動機電路的通斷實現(xiàn)。

接觸器要控制電動機電路的通斷，主要是控制線圈的電源，即：接觸器的線圈通電，使其觸頭改變狀態(tài)，由原來的斷開的變成閉合，或者原來的閉合的變成斷開。由于計算機輸出的信號功率太小，而控制接觸器一般需要較大的功率才能工作。因此，為了實現(xiàn)對電動機的工作狀態(tài)的控制，需要通過斷電器或其它元件對控制信號進行功率放大，再用放大后的信號控制接觸器的通電與斷電。

有觸點的控制系統(tǒng)是采用繼電器、接觸器控制的電路系統(tǒng)，是較早采用的控制方案，目前仍具有相當廣泛的應(yīng)用；現(xiàn)在的控制系統(tǒng)很多采用晶閘管、晶體管等作為控制元件，稱為無觸點控制系統(tǒng)。計算機輸出的信號同樣需要進行功率放大，然后控制允許通過的較大電流、能承受高電壓的晶閘管或大功率晶體管。通過控制信號控制晶閘管或大功率晶體管，實現(xiàn)晶閘管或大功率晶體管接通或斷開電動機的主電路，從而控制電動機工作。

3、機電一體化技術(shù)的應(yīng)用

縱觀我國機電一體化的發(fā)展歷程，可發(fā)現(xiàn)機電一體化在我國的起步發(fā)展是較晚的，為此，大量的基礎(chǔ)理論與技術(shù)未能得到較好的研究，國內(nèi)也未能涌現(xiàn)出強大的自助研發(fā)能力，前期只能研究國外的機電一體化產(chǎn)品，從中獲得經(jīng)驗和技術(shù)成果。但是，20世紀80年代起，機電一體化技術(shù)得到了國務(wù)院的重視，成立了專門的機電一體化領(lǐng)導(dǎo)小組，并納入了“國家863計劃”。在制定“九五”規(guī)劃和2010年發(fā)展綱要時充分考慮了國際上關(guān)于機電一體化技術(shù)的發(fā)展動向，以及由此可能帶來的影響。在國內(nèi)，許多研究機構(gòu)、高校設(shè)立專門項目、專業(yè)課程來研發(fā)、學(xué)習(xí)該技術(shù)，部分大型企業(yè)也對機電一體化技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用做了大量工作，取得了一定的成果，具體有以下幾個方面的突出表現(xiàn)。

3.1 在現(xiàn)代機械制造業(yè)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的機械制造業(yè)是建立在規(guī)模經(jīng)濟的基礎(chǔ)之上，靠企業(yè)規(guī)模、批量生產(chǎn)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和重復(fù)性來獲得競爭優(yōu)勢，主要強調(diào)的是資源的有效利用，以低成本獲得高效率、高質(zhì)量，其盈利來自于機器取代人，復(fù)雜的專業(yè)加工取代人工技能。而先進的機械制造業(yè)則不同，是以信息為主導(dǎo)，采用先進的生產(chǎn)模式、制造系統(tǒng)、制造技術(shù)、組織管理的全新機械制造業(yè)，具有網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化、智能化、全球化以及環(huán)保綠色化的特征?，F(xiàn)代制造業(yè)集成了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，充分利用電子計算機技術(shù)，使制造技術(shù)提高到新的高度，近年來，制造工程領(lǐng)域也相繼誕生了很多的新技術(shù)，如：計算機數(shù)字控制、現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)、柔性制造技術(shù)等。

3.2 在煤礦行業(yè)中的應(yīng)用

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，向機電要產(chǎn)量、要效益是煤炭行業(yè)提出的新要求和目標。機電一體化在煤炭行業(yè)中有著小型化、智能化、數(shù)字化、綠色化的發(fā)展方向。

機電一體化技術(shù)在煤礦含有中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在一下幾個方面：（1）在線監(jiān)控、故障自診、自動報警，即對煤礦機械的電動機、傳動系統(tǒng)、工作裝置、制動系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等的在線運行狀態(tài)監(jiān)控，出現(xiàn)故障能動報警并準確地指出故障的部位；（2）節(jié)能降耗，提高生產(chǎn)效率，例如：井下使用的膠帶輸送機、通風(fēng)機、提升機等，使用變頻起動、PLC控制系統(tǒng)，節(jié)電量就為30%左右，同時生產(chǎn)效率也大大提高；（3）自動化或半自動化程度的提高。煤礦機械實現(xiàn)自動化或半自動化控制，可以減輕操作者的勞動強度，提高生產(chǎn)效率，并減少因操作者的經(jīng)驗不足對作業(yè)精度的影響。

3.3 在數(shù)控機床中的應(yīng)用

機電一體化技術(shù)在數(shù)控機床及相應(yīng)的數(shù)控技術(shù)中的使用，經(jīng)過40年的發(fā)展，在結(jié)構(gòu)、功能、操作和控制精度等方面都得到了迅速提高，主要體現(xiàn)在一下幾個方面：（1）總線式、模塊化、緊湊型的結(jié)構(gòu)，以單板、單片機作為控制機，加上專用芯片及模板組成結(jié)構(gòu)緊湊的數(shù)控裝置；（2）能同時完成多個獨立加工任務(wù)或控制多臺和多種機床的能力，將刀具破損檢測、物料搬運、機械手等控制都集成到系統(tǒng)中去，實現(xiàn)了多過程、多通道控制；（3）WOP技術(shù)和智能化的運用，系統(tǒng)能提供面向車間的編程技術(shù)和實現(xiàn)二、三維加工過程的動態(tài)仿真，并引入在線診斷、模糊控制等智能機制；（4）系統(tǒng)的多級網(wǎng)絡(luò)功能，加強了系統(tǒng)組合及構(gòu)成復(fù)雜加工系統(tǒng)的能力；（5）硬件體系結(jié)構(gòu)和功能模塊具有層次性、兼容性、符合接口標準，能最大限度地提高用戶的使用效益，實現(xiàn)了開放性設(shè)計；（6）數(shù)控功能、CNC系統(tǒng)控制功能，得到豐富和加強的大容量存儲器的應(yīng)用和軟件的模塊化設(shè)計。

結(jié)束語：

機電一體化的出現(xiàn)是許多科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶，是社會生產(chǎn)力發(fā)展到一定階段的必然要求。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種技術(shù)相互融合的趨勢將越來越明顯，機電一體化技術(shù)的發(fā)展前景將更為廣闊。

參考文獻：

[1]董金森，張小揚.論機電一體化技術(shù).有色金屬加工， 2009年第38卷第1期

[2]譚得健，徐?？?我國煤礦機電一體化技術(shù)的發(fā)展與思考.煤礦機電，2003年第5期

[3]郝明煥，湯宏偉.機電一體化的應(yīng)用[J].科技論壇，2011，（19）：72-72.

[4]陳冬，盧永霞，等.機電一體化技術(shù)及其應(yīng)用研究[J].致富時代，2010，3：161-161.