機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)和方法

裴剛 朱喜文

摘 要：機電一體化起源于上世紀(jì)八十年代的日本，它融合了機械、自動控制、伺服傳動、電子、信息處理、傳感檢測、系統(tǒng)總體等多種技術(shù)，并綜合應(yīng)用到實際中去的綜合技術(shù)。它不是上述技術(shù)的簡單疊加，而是在從系統(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)，對各組成部分及其間的信息處理，接口耦合，運動傳遞，物質(zhì)運動，能量變換進(jìn)行研究，組成有機的系統(tǒng)，集成各種技術(shù)，并在系統(tǒng)軟件程序和微電子的有序控制信號的作用下，使物質(zhì)和能量形成有規(guī)律運動的軌跡，在多功能性、高精度、高安全性、高可靠性、低能耗等諸多方面實現(xiàn)多種技術(shù)功能融合成最優(yōu)效果的系統(tǒng)工程技術(shù)。

1 現(xiàn)代機械的機電一體化目標(biāo)

1.1節(jié)約能源，降低能耗

通過采用低能耗的驅(qū)動機構(gòu)、最佳調(diào)節(jié)控制和提高能源利用率等措施，機電一體化產(chǎn)品和系統(tǒng)可以取得良好的節(jié)能效果。

1.2提高安全性、可靠性

機電一體化系統(tǒng)通常具有自動檢測、監(jiān)控子系統(tǒng)，因而可以對各種故障和危險自動采取保護措施并及時修正參數(shù)，提高系統(tǒng)的安全可靠性。

1.3改善操作性和實用性

機電一體化系統(tǒng)的各相關(guān)子系統(tǒng)的動作順序和功能協(xié)調(diào)關(guān)系由控制系統(tǒng)決定。隨著計算機技術(shù)和自動控制技術(shù)的發(fā)展，可以通過簡便的人機界面操作，實現(xiàn)復(fù)雜的功能控制和良好的使用效果。

1.4提高精度

機電一體化技術(shù)使機械傳動部件減少，因而使由機械磨損、配合間隙及變形而引起的誤差大為減小。同時，由于機電一體化技術(shù)采用電子技術(shù)實現(xiàn)自動檢測和自動控制，校正和補償由各種干擾因素造成的動態(tài)誤差，從而達(dá)到單純機械裝備所不能實現(xiàn)的工作精度。

1.5增強功能

現(xiàn)代高新技術(shù)的引入，使機械產(chǎn)品具有多種復(fù)合功能，成為機電一體化產(chǎn)品和系統(tǒng)的一個顯著特點。

1.6提高生產(chǎn)效率

機電一體化系統(tǒng)可以有效地減少生產(chǎn)準(zhǔn)備時間和輔助時間，縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高產(chǎn)品的合格率，減少操作人員，從而提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

1.7減輕勞動強度，改善勞動條件

減輕勞動強度包括繁重的體力勞動和復(fù)雜的腦力勞動。機電一體化系統(tǒng)能夠由計算機完成設(shè)計制造和生產(chǎn)過程中極為復(fù)雜的人的智力活動和資料記憶查找工作，同時又能通過過程控制自動運行，從而替代人的緊張和單調(diào)重復(fù)操作以及在危險環(huán)境下的工作。

1.8簡化結(jié)構(gòu)，減輕重量

機電一體化系統(tǒng)采用先進(jìn)的電力電子器件和傳動技術(shù)，替代老式笨重的電氣控制和機械變速結(jié)構(gòu)，由微處理器和集成電路等微電子元件和程序邏輯軟件，完成過去靠機械傳動鏈來實現(xiàn)的關(guān)聯(lián)運動，從而使機電一體化產(chǎn)品和系統(tǒng)的體積小，結(jié)構(gòu)簡化，重量減輕。

1.9降低價格

由于機械結(jié)構(gòu)簡化，材料消耗減少，制造成本降低，而且電子器件的價格下降迅速，因此機電一體化產(chǎn)品和系統(tǒng)的價格日趨低廉，而使用性能、維修性能日趨完善，使用壽命不斷延長。

1.10增強柔性應(yīng)用功能

為了滿足市場多樣性的要求，機電一體化系統(tǒng)可以通過編制用戶程序來實現(xiàn)機電產(chǎn)品工作方式的改變，適應(yīng)各種用戶對象及現(xiàn)場參數(shù)變化的需要。

2機電一體化系統(tǒng)開發(fā)的設(shè)計思想

機電一體化的優(yōu)勢，在于它吸收了各相關(guān)學(xué)科之長并加以綜合運用而取得整體優(yōu)化效果。因此，在機電一體化系統(tǒng)開發(fā)的過程中，要特別強調(diào)技術(shù)融合、學(xué)科交叉的作用。機電一體化系統(tǒng)開發(fā)是一項多級別、多單元組成的系統(tǒng)工程。把系統(tǒng)的各單元有機地結(jié)合成系統(tǒng)后，各單元的功能不僅相互疊加，而且相互輔助、相互促進(jìn)、相互提高，使整體的功能大于各單元功能的簡單的和，即“整體大于部分的和”。

3機電一體化系統(tǒng)設(shè)計方法

3.1整體設(shè)計法

這種方法主要用于全新產(chǎn)品和系統(tǒng)的開發(fā)。在設(shè)計時，完全從系統(tǒng)的整體目標(biāo)考慮各子系統(tǒng)的設(shè)計，所以接口簡單，甚至可能互融一體。在大規(guī)模集成電路和微機不斷普及的今天，隨著精密機械技術(shù)的發(fā)展，完全能夠設(shè)計出將執(zhí)行元件、運動機構(gòu)、檢測傳感器、控制與機體等要素有機地融為一體的機電一體化新產(chǎn)品。

3.2組合法

這種方法就是選用各種標(biāo)準(zhǔn)模塊，像積木那樣組合成各種機電一體化系統(tǒng)。例如，設(shè)計數(shù)控機床時，可以從系統(tǒng)整體的角度選擇工業(yè)系列產(chǎn)品，諸如數(shù)控單元、伺服驅(qū)動單元、位置傳感檢測單元、主軸調(diào)速單元以及各種機械標(biāo)準(zhǔn)件或單元等，然后進(jìn)行接口設(shè)計，將各單元有機的結(jié)合起來融為一體。在開發(fā)機電一體化系統(tǒng)時，利用此方法可以縮短設(shè)計與研制周期、節(jié)約工裝設(shè)備費用，有利于生產(chǎn)管理、使用和維修。

3.3取代法

這種方法是用電氣控制取代原傳統(tǒng)中機械控制機構(gòu)。這種方法是改造傳統(tǒng)機械產(chǎn)品和開發(fā)新型產(chǎn)品常用的方法。例如，用電氣調(diào)速控制系統(tǒng)取代機械式變速機構(gòu)，用可編程序控制器或微型計算機來取代機械凸輪控制機構(gòu)、插銷板、步進(jìn)開關(guān)、繼電器等，以彌補機械技術(shù)的不足。這種方法不但能大大簡化機械結(jié)構(gòu)，而且可以提高系統(tǒng)的性能和質(zhì)量。

4結(jié)語

綜上所述，機電一體化系統(tǒng)設(shè)計是一項非常復(fù)雜的工程，不是單一部門能夠獨自完成的，它需要眾多行業(yè)合作才能實現(xiàn)。在設(shè)計系統(tǒng)時，應(yīng)根據(jù)機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點來確定電氣參數(shù)，綜合運用多學(xué)科知識，充分體現(xiàn)機電一體化的優(yōu)越性。

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