淺談機(jī)電一體化集成設(shè)計(jì)和研究

殷九洲

摘 要：集成技術(shù)是機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力，直接影響著機(jī)電一體化系統(tǒng)作用的發(fā)揮。本文主要從機(jī)電一體化集成技術(shù)簡(jiǎn)述、原理、方法和驗(yàn)證等方面進(jìn)行探討和總結(jié)。

關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化;集成設(shè)計(jì);技術(shù)

0 概述

機(jī)電一體化系統(tǒng)的集成技術(shù)是將機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等融合、協(xié)調(diào)的有效途徑。依靠集成技術(shù)將各種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)充分發(fā)揮出來(lái)，生產(chǎn)出滿足人們生活和生產(chǎn)所需的機(jī)電一體化產(chǎn)品，采用集成方法使產(chǎn)品成為現(xiàn)實(shí)，集成度越高，成本控制優(yōu)勢(shì)越顯著，從而提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 機(jī)電一體化集成技術(shù)簡(jiǎn)述

（1）機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品的出現(xiàn)，是精密機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)等融合的結(jié)果，因此它從已開始發(fā)展就特別強(qiáng)調(diào)集成技術(shù)。機(jī)電一體化的發(fā)展過(guò)程，是一個(gè)以機(jī)電集成為主，同時(shí)綜合集成其它學(xué)科技術(shù)的過(guò)程，特別是計(jì)算機(jī)等信息技術(shù)的發(fā)展，極大促進(jìn)進(jìn)了機(jī)電一體化的發(fā)展。集成是機(jī)電一體化發(fā)展的內(nèi)在動(dòng)力，它是一種創(chuàng)造性的過(guò)程，正是由于這種創(chuàng)造性，將機(jī)、電、信息、控制等各種相關(guān)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)整體優(yōu)化的效果，促使機(jī)電一體化領(lǐng)域的不斷拓展。

（2）機(jī)電一體化是以計(jì)算機(jī)與微電子技術(shù)和機(jī)械主體的協(xié)調(diào)配合為中心，由控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。它需要各種傳感器和許多執(zhí)行機(jī)構(gòu)，需要配備電源進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其性能分析、產(chǎn)品試驗(yàn)和系統(tǒng)評(píng)價(jià)都需要大量的技術(shù)支撐。至于生產(chǎn)裝備、制造工藝等，則因最終產(chǎn)品的類型不同而千差萬(wàn)別。概括地說(shuō)，支撐機(jī)電一體化系統(tǒng)集成的技術(shù)主要包括：精密機(jī)械技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、控制技術(shù)和電工技術(shù)等。

2 機(jī)電一體化集成原理

機(jī)電一體化系統(tǒng)的集成的過(guò)程，必須要從系統(tǒng)整體的角度出發(fā)，利用理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，有步驟、有規(guī)律地實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化集成。

（1）根據(jù)功能進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，然后在此基礎(chǔ)上針對(duì)實(shí)現(xiàn)特定的設(shè)計(jì)目的，再進(jìn)行進(jìn)一步分析研究。功能集成環(huán)節(jié)要將針各個(gè)系統(tǒng)的功能根據(jù)機(jī)電一體化系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)劃分為基本功能子單元，然后再信息層面上有軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)集成，這個(gè)過(guò)程可以用結(jié)構(gòu)化方法、模塊化方法。

（2）要用設(shè)計(jì)、選購(gòu)的物理模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)功能集成中的功能單元要求，即要進(jìn)行物理映射。利用理論基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)，根據(jù)物理映射結(jié)果，并且以系統(tǒng)整體優(yōu)化為目標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)的分析和研究，最后實(shí)現(xiàn)最佳的集成效果。

3 機(jī)電一體化集成方法

機(jī)電一體化系統(tǒng)的集成方法大體上可以分為四種：部件級(jí)集成、系統(tǒng)級(jí)集成、硬件和軟件集成以及分層集成。

3.1 部件級(jí)集成

部件級(jí)集成主要強(qiáng)調(diào)在傳感器或執(zhí)行器或兩者一起的集成技術(shù)，傳感器和執(zhí)行器數(shù)量較多，而且可以完成一種局部任務(wù)，事實(shí)上就局部而言也是一個(gè)完整的系統(tǒng)。如：繁重的計(jì)算任務(wù)可分成兩部分，即高層計(jì)算和低層計(jì)算。高層計(jì)算由SUN工作站進(jìn)行，主要功能是手的姿態(tài)監(jiān)控，手操作的協(xié)調(diào)計(jì)劃和高層控制計(jì)算;低層計(jì)算由手中控制器完成，它根據(jù)傳感器信息和上位機(jī)命令，向與它相連的17個(gè)模擬控制回路發(fā)布空間控制命令。

3.2 系統(tǒng)級(jí)集成

系統(tǒng)級(jí)集成主要著眼于系統(tǒng)的整體性能和整體結(jié)構(gòu)，一般包括系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和控制策略，傳感器和執(zhí)行器的數(shù)量和配置方案等。當(dāng)要建造的系統(tǒng)能精確建模時(shí)，可以利用模型將系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制策略的不同集成方案對(duì)比優(yōu)選，或者按規(guī)定的約束條件進(jìn)行優(yōu)化，以得到最佳方案，這種方法稱為模型優(yōu)化法。

3.3 硬、軟件綜合集成

硬件軟件綜合集成既可面向部件，也可以面向整個(gè)系統(tǒng)，其要領(lǐng)是將機(jī)電一體化系統(tǒng)所要完成的功能或任務(wù)，根據(jù)性質(zhì)進(jìn)行劃分，確定哪些任務(wù)應(yīng)由硬設(shè)備完成，哪些任務(wù)要由軟件完成，哪些任務(wù)需要兩者配合完成;然后由不同的工作小組分頭承擔(dān)并完成;最后再進(jìn)行整體調(diào)試運(yùn)行。下面以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)為例進(jìn)行說(shuō)明，可以將其分成計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)輔助制造兩大任務(wù)，設(shè)計(jì)部分又可分成零件和整機(jī)設(shè)計(jì)以及整機(jī)性能分析兩個(gè)任務(wù)。制造部分又可分成加工和質(zhì)量控制與測(cè)試兩大任務(wù)。設(shè)計(jì)部分應(yīng)由計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的軟件承擔(dān)，制造部分的零件編程要由計(jì)算和自動(dòng)編程軟件進(jìn)行，加工裝配要由數(shù)控機(jī)床和機(jī)械手、機(jī)器人等協(xié)同完成，質(zhì)量控制與測(cè)試則由相應(yīng)的測(cè)試設(shè)備及軟件互相配合完成。這種方法可以稱為任務(wù)驅(qū)動(dòng)集成技術(shù)。

3.4 分層集成

分層集成又可分為兩種，自頂向下集成和自底向上集成。這兩種方法首先要將系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)分成若干子系統(tǒng)，子系統(tǒng)又分成若干基本部件。電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)就是一個(gè)典型的自頂向下的系統(tǒng)集成案例，它可以分成車體、儲(chǔ)能系統(tǒng)、電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和駕駛與信息管理系統(tǒng)等5個(gè)子系統(tǒng)。車體是整車的基本骨架，它既裝載全車的所有子系統(tǒng)，又載人或載貨。為了提高性能就要設(shè)法減輕總質(zhì)量，降低車輛的阻力系數(shù)，在材料選用、外觀造型和部件配置等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì);儲(chǔ)能系統(tǒng)要考慮電池類型，是選用化學(xué)電池、燃料電池還是飛輪電池、還要考慮充電方式和設(shè)備等等。

4 機(jī)電一體化集成設(shè)計(jì)驗(yàn)證

4.1 系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)仿真是機(jī)電一體化系統(tǒng)集成的重要步驟，但只有系統(tǒng)能夠建立精確或比較精確的模型時(shí)，仿真的結(jié)果才是有效的，也是可信的。當(dāng)系統(tǒng)模型無(wú)法建立時(shí)，可采用原型逐次逼進(jìn)法進(jìn)行系統(tǒng)集成，靠實(shí)際樣機(jī)的測(cè)試來(lái)評(píng)估系統(tǒng)。

4.2 系統(tǒng)測(cè)試和評(píng)估

系統(tǒng)測(cè)試和評(píng)估是系統(tǒng)集成不可缺少的環(huán)節(jié)，它通過(guò)對(duì)樣機(jī)或?qū)嵨锏男阅軠y(cè)試，驗(yàn)證系統(tǒng)是否達(dá)到規(guī)定的或預(yù)期的要求，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果和設(shè)計(jì)資料，對(duì)系統(tǒng)做出全面估價(jià)。

5 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)電一體化集成設(shè)計(jì)和研究是一項(xiàng)系統(tǒng)的、復(fù)雜的工程，涵蓋計(jì)算機(jī)、軟件、機(jī)械、電子等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，需要不斷深入的研究和實(shí)踐，以便為人們的生活和生產(chǎn)提供更好的服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

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