機電一體化系統(tǒng)概念設計的基本原理

張晟昊

摘要：機電一體化是以大規(guī)模微型計算機和集成電路為核心技術的新興微電子技術，在很多的應用領域中都獲得了廣泛的運用。盡管機電一體化在機械設計生產(chǎn)領域中獲得了普遍的運用，不過還必須結合實際具體情況對其技術手段加以優(yōu)化、改進，這不但能夠實現(xiàn)機械設計生產(chǎn)工作的順利進行，同時還能夠提升機械設計生產(chǎn)企業(yè)的效益。

Abstract： Mechatronics is an emerging microelectronics technology with large-scale microcomputers and integrated circuits as the core technology. It has been widely used in many application fields. Although mechatronics has been widely used in the field of mechanical design and production， its technical means must be optimized and improved in accordance with actual conditions. This can not only achieve the smooth progress of mechanical design and production， but also improve mechanical design. The benefit of the production enterprise.

關鍵詞：機械一體化化;概念設計;基本原理

Key words： mechanical integration;conceptual design;basic principles

中圖分類號：TH-39 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）05-0184-03

0 ?引言

電子科技的快速發(fā)展也促進著機械一體化科技的發(fā)展，而科技的發(fā)展又有賴于電子一體化技術的發(fā)展，所以，機電一體化未來的發(fā)展趨勢對科學技術的提升來說，也具有著舉足輕重的意義。但是，我們更需要關注在機械設計中機電一體化技術在發(fā)展過程當中所存在的問題，因為唯有很好地解決了這些問題，才可以推動中國電子科技的更深入發(fā)展，從而帶動中國企業(yè)的快速發(fā)展。

1 ?機電一體化系統(tǒng)概念設計

作為機電一體化產(chǎn)品設計的系統(tǒng)設計中不可分割的關鍵一步，概念設計階段是產(chǎn)品設計中如何進行創(chuàng)新的關鍵所在。而概念設計階段這一過程作為創(chuàng)新的集中體現(xiàn)，是極為繁瑣的重要過程，作為從無到有，由0～1的具象化過程，可以說一個產(chǎn)品設計的整個系統(tǒng)設計品質都將在這一過程中得到提高，唯有以完善的概念設計階段為基礎，才能獲得優(yōu)質的機電一體化產(chǎn)品設計。在過去的歷史發(fā)展中，機電一體化工程技術曾經(jīng)形成過很多優(yōu)秀的設計理論，并且極大地促進了現(xiàn)代機電一體化工程技術的創(chuàng)造性設計，但是由于信息時代的出現(xiàn)，知識大爆發(fā)導致了這些多數(shù)集中于機械方面，或者通過多種技術手段可以簡單進行結合的設計方面的理論知識，早已不再適合于現(xiàn)代的機電一體化的工程設計了。近幾年來，計算機技術方面的圖形學，虛擬現(xiàn)實仿真技術，以及多媒體敏捷設計等方面的新科技的進展，機電一體化這一科學技術的產(chǎn)品概念設計，已經(jīng)有了全新的研發(fā)方向。

概念設計這一理論，也就是要按照市場生產(chǎn)中各個階段的實際需求，從而實現(xiàn)產(chǎn)品的基本設計，進而將功能加以劃分，從而完成產(chǎn)品所有子功能的結構合理設計，進而求解實現(xiàn)在產(chǎn)品基礎上的功能結構的設計要求的工作原理，再設想能夠達到這一工作原理的功能構件的載體方法，從而實現(xiàn)系統(tǒng)化的產(chǎn)品設計工作。這就是基于機電一體化系統(tǒng)以及廣義執(zhí)行機構的特點，對機電一體化系統(tǒng)進行的基本概念研究。而概念設計階段也可分成以下幾個階段，依次是功能的設計，工作原理的設計，方法的設計以及功能結構的初步設計。作為產(chǎn)品設計的初始階段，基礎設計就是按照市場的實際需要構想產(chǎn)品設計理論，對產(chǎn)品設計的總體架構做出合理的規(guī)劃。方案設計則屬于后期工作，對邏輯的思考方面要求也比較高，但是隨著電腦AI科技的發(fā)達，也可能會有計算機輔助工作來減輕負擔。

2 ?機電一體化中的整體設計原則

2.1 在設計過程中要考慮是否具有較高的精準度

在進行機電一體化設計的過程中，要考慮到計算機的計算模式和設計模式。運用計算機進行計算和設置相比運用人工有著更大的精準度，所以在進行相關產(chǎn)業(yè)制造的過程中，就可以極大程度發(fā)揮計算機的優(yōu)勢技術來達到最好的操作效果。同時計算機的設計度也比較精準，就需要有更加精準的運行系統(tǒng)來配合其運作，才能最大程度上發(fā)揮計算機的優(yōu)勢。如果整體機械系統(tǒng)中的精準度并不高，在生產(chǎn)制造的過程中就會出現(xiàn)問題，所制造出來的產(chǎn)品很容易不合格。所以機械系統(tǒng)中的精準程度能夠極大程度影響到機械產(chǎn)品的合格程度，也是對機械產(chǎn)品劃分的檢驗標準，產(chǎn)品尺寸與設計尺寸的差距越小，就說明機電一體化水平的設計精準度越高。因為應用了計算機技術，所以我國極大多數(shù)情況下，各類機械產(chǎn)品的精準度都是比較高的。

2.2 機電一體化設計中要注意能夠應對突發(fā)情況

在機械系統(tǒng)運行過程中，根據(jù)計算機的自動設計，能夠使機械系統(tǒng)及時的應對各種突然發(fā)生的情況，并根據(jù)該突發(fā)問題有良好的反應能力。機械系統(tǒng)中各個系統(tǒng)之間都是相互獨立運行的，當其中有任何一個系統(tǒng)發(fā)生了變化不會對其他系統(tǒng)產(chǎn)生任何影響，其他系統(tǒng)依然能夠很好的運行。如果要臨時對所要求的信息進行操作改變，那么也不會對系統(tǒng)有很大影響，機械系統(tǒng)能夠根據(jù)改變的信息做出良好的操作反應，在接受到新的信息指令的同時繼續(xù)新的工作，可以極大程度上節(jié)省工作的時間，從而提高整體效率。

2.3 機電一體化設計中要具有良好的穩(wěn)定性

在機電一體化設計中，整體機械系統(tǒng)所存在的分支較多，對穩(wěn)定性的要求較高。擁有良好的穩(wěn)定性才能夠最大程度上保證機械系統(tǒng)的連續(xù)性運行。同時，機械系統(tǒng)的穩(wěn)定性能越高，其所使用的時間就越長，一旦系統(tǒng)的使用時間延長了，那么就會在一定程度上節(jié)約了使用成本，最大限度的提高整體的工作效率和工作質量，提高行業(yè)的經(jīng)濟效率，機械系統(tǒng)的穩(wěn)定性好了，那么就能制造出優(yōu)秀的機械產(chǎn)品，保證產(chǎn)品的質量。要想最大程度上保證機械系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，就要嚴格減少機械的震動程度，使機械減少不必要的摩擦，所以嚴格的對機械零件進行選擇尤為重要。一般情況下，規(guī)格較大的機械制造的過程中產(chǎn)生的震動程度較高，摩擦的程度也較高，所以在對其進行設計制造的過程中，要最大程度上將機械零件規(guī)格進行小化處理。

3 ?機電一體化系統(tǒng)原理設計

3.1 機電一體化系統(tǒng)功能組成

若干個具有內(nèi)在聯(lián)系，且自身具有特定功能的機械裝置、電子要素，共同構成機電一體化系統(tǒng)，進而對產(chǎn)品設計環(huán)節(jié)各類功能要求負責。德國Rolf Iserrmann將機電一體化功能模塊拆解為五個功能模塊，即主要部分、動力、計算測量、控制、構造。各自功能模塊決定不同作用。主要部分是系統(tǒng)必需功能，對例如物質轉換、能量輸送等內(nèi)容負責;動力模塊對系統(tǒng)運行所需動力提供充足動力，保證系統(tǒng)正常運行;計算測量模塊負責對維持系統(tǒng)運作的各類信息收集，并將其傳送到控制模塊;控制模塊對計算模塊收集并發(fā)送的數(shù)據(jù)進行處理，進而對系統(tǒng)進行整體控制;構造模塊則是對系統(tǒng)整體構造負責，隸屬于系統(tǒng)框架一類內(nèi)容。

3.2 機電一體化系統(tǒng)組成要素

機電一體化系統(tǒng)各部分功能模塊，無論是結構還是功能都不相同，但是其組成要素卻主要由傳感器、動力系統(tǒng)、驅動部分、信息控制與處理環(huán)節(jié)、執(zhí)行模塊幾部分構成，具有一定體系。如果將機電一體化系統(tǒng)比作人體系統(tǒng)，可以簡單看作傳感器是人體五官，負責對系統(tǒng)運行與周邊信息進行收集;動力系統(tǒng)可以看作人體內(nèi)臟，是為系統(tǒng)運轉提供最基礎內(nèi)容的部分;驅動部分則是人體的肌肉、肌腱等部分，是帶動系統(tǒng)運作的重要組成部分;信息控制與處理環(huán)節(jié)可以看作人體大腦部分，是對傳感器收集到的數(shù)據(jù)信息進行分析，從而對執(zhí)行模塊下命令，驅動系統(tǒng)運轉的重要內(nèi)容;而執(zhí)行模塊可以看作人體四肢部分，接收信息控制與處理環(huán)節(jié)信息數(shù)據(jù)后，讓系統(tǒng)動起來的部分。

4 ?機電一體化系統(tǒng)的一種新認識

經(jīng)過對眾多機電一體化系統(tǒng)案例的剖析后，從機電一體化系統(tǒng)概念設計需要入手，本文提出將機電一體化系統(tǒng)的組成部分，從更廣義的功能原理入手，來加以界定。對此，本文產(chǎn)生了以下的一些新認識：

①機械一體化化控制系統(tǒng)，是由電腦實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與控制的現(xiàn)代機械系統(tǒng)，它的終極目的是完成機械運動和動作。②從實現(xiàn)工藝的動態(tài)過程這一總體功能特點來看，工業(yè)機械一體化化控制系統(tǒng)又可以區(qū)分為：廣義的執(zhí)行機構子系統(tǒng)、傳感檢測子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理和控制子系統(tǒng)，它分別實現(xiàn)了機械運動與動作、信號監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理和監(jiān)控。③機電一體化控制系統(tǒng)中的執(zhí)行機構子系統(tǒng)，有它的共同特點，它是將驅動部件與執(zhí)行機構件（或執(zhí)行機構）一體化的廣義執(zhí)行機構。這個機構的最大特色，就是可控性。

以上三點的新認識，使人們更有可能通過對機電一體化系統(tǒng)按功能特點加以分解，分別尋找相應的功能載體，并經(jīng)過綜合優(yōu)化來進行機電一體化系統(tǒng)的概念設計中的一些方法。

5 ?機電一體化系統(tǒng)三個子系統(tǒng)的功能和特點

5.1 廣義執(zhí)行機構子系統(tǒng)

傳統(tǒng)的傳動與執(zhí)行機構控制系統(tǒng)，均以由剛性物件所構成的形形色色機構組成來實現(xiàn)，它的最大問題就是缺乏可控性。廣義的執(zhí)行機構是把驅動部件和執(zhí)行機構件（或執(zhí)行機構）一體化，進行控制運動。所以廣義的執(zhí)行機構就是實現(xiàn)機械運動與動力轉換和傳遞功能的功能載體，從實現(xiàn)功能角度來看它和傳統(tǒng)的機械傳動、機構沒什么差別。

驅動元器件的類型很多，如電動機（包括步進電機、伺服電機、變頻電機等等），以及液壓、氣動馬達和動作缸、彈性元件、電磁鐵結構、光能電機、形狀記憶合金等。驅動部件的多樣化，可使機電一體化控制系統(tǒng)得以更為高效工作。執(zhí)行部件既可以為獨立構件，也可能是傳統(tǒng)機器中的輸出部件。

驅動元器件和執(zhí)行機構部件（或執(zhí)行機構）的綜合運用，使機電一體化控制系統(tǒng)更為高效地工作。如，步進電機就可以直接控制由執(zhí)行機構部件完成控制的步進運動;再如，伺服電機與執(zhí)行件整合能夠實現(xiàn)控制的復雜多變的運動;還有，伺服電機與運行部分整合實現(xiàn)的各種控制運動，使得機構系統(tǒng)運動更具有柔性。

5.2 檢測傳感子系統(tǒng)

測量傳感器，是進行物理量的測定與信息收集的重要功能載體。它是聯(lián)系廣義上執(zhí)行子系統(tǒng)之間的中間紐帶。我們可根據(jù)所測的物理量和所需要精度來加以選擇。

5.3 信息處理及控制子系統(tǒng)

信息處理與控制子系統(tǒng)是由運動檢測傳感器提供的信號，并通過工藝動作流程和控制策略而實現(xiàn)對廣義執(zhí)行機構的控制?？刂葡到y(tǒng)的進行也將按廣義執(zhí)行機構的運動學建模、動力學模擬來實現(xiàn)。它是由計算機和應用軟件具體實施的。信息處理和控制子系統(tǒng)設計是實現(xiàn)現(xiàn)代機械系統(tǒng)智能化、自動化的重要。只有將驅動部件和執(zhí)行機構系統(tǒng)的模型設置好，信息處理設備和控制器系統(tǒng)的結構與設計也就相對簡單了。

6 ?機電一體化技術原理分析

剖析機電一體化構成要點，可看出組成機電一體化最主要的五大核心技術，依次是：傳感器、數(shù)據(jù)處理、自動控制、系統(tǒng)驅動與精密控制。

作為機電一體化的關鍵部分，傳感器科技在測控技術高速發(fā)展的大背景下，在人類生產(chǎn)生活中對傳感器的測量速率、精度和靈敏度等內(nèi)容均提出了更高需求，這將影響傳感器急需技術創(chuàng)新，從而對傳感器科技的高速發(fā)展帶來了充足動能;信息處理技術主要是根據(jù)系統(tǒng)工作時數(shù)據(jù)信號進行輸入、輸出操作，并將其進行處理，使其符合系統(tǒng)運作需求。在信息處理階段，操作人員可以對預先設計參數(shù)進行調(diào)整，使其更加符合作業(yè)需求;自動控制則是將系統(tǒng)所需內(nèi)容進行數(shù)據(jù)，對關鍵數(shù)值輸入后，讓系統(tǒng)按照預先設計進行速度、運行等內(nèi)容調(diào)控，并且可以實現(xiàn)自我診斷、數(shù)據(jù)校正，以及定向內(nèi)容搜索與情景再現(xiàn)等內(nèi)容。使系統(tǒng)即使在無人看管的情況下，也能保證正常生產(chǎn)運行，并且保證安全生產(chǎn);系統(tǒng)驅動則是依靠例如電動、氣動或者液壓系統(tǒng)，直接影響系統(tǒng)運作。而在機電一體化系統(tǒng)中，例如電動機、馬達、活塞等裝置需求量較大，設備精度要求高。在節(jié)能環(huán)保的背景下，系統(tǒng)驅動往往取代以往的化石能源燃燒方式，采用電能或者風能提供能源，進而減少環(huán)境污染;而精密控制系統(tǒng)是自工業(yè)化生產(chǎn)，直到目前為止，一直被社會、學術界研究的內(nèi)容，具有完整體系與技術內(nèi)容，對生產(chǎn)產(chǎn)品質量具有較強影響效果。精密控制系統(tǒng)要求系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)銜接到位，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

7 ?機電一體化設計要求與方法

機電一體化不同功能模塊，其設計要求不同，可以總結為以下內(nèi)容：

主要部分要求系統(tǒng)誤差小，保證系統(tǒng)作業(yè)安全，并且具有較強的抗干擾能力，在周圍存在干擾的情況下，依舊可以正常運行系統(tǒng)?；诰G色工程理念，也要求污染物產(chǎn)生與排放的數(shù)量要少。基于節(jié)能環(huán)保理念，要求能源轉化效率要高;動力模塊則要求輸入功率小，而動力源盡可能選擇內(nèi)裝，避免外裝動力源因環(huán)境影響，對系統(tǒng)運行造成負面影響;控制模塊要求對可控的I/O端口數(shù)量適合即可，不需要過多。除配備自動控制系統(tǒng)外，還要預留手動控制方法，避免因系統(tǒng)故障，自動運行出現(xiàn)意外，沒有預備方案對系統(tǒng)進行處理;構造模塊的幾何尺寸要小，讓系統(tǒng)整體占地面積與空間小，適宜搬運與組裝，但是構造的強度要強，避免因搬運造成磕碰，影響系統(tǒng)正常使用。

對機電一體化系統(tǒng)進行產(chǎn)品設計時，根據(jù)性質區(qū)分設計，可將其區(qū)分為三種性質，即開發(fā)性、適用性和變異性。開發(fā)性產(chǎn)品設計主要特點是在當前沒有任何設計參照樣例時，即通過對已有產(chǎn)品開發(fā)新動能，以提高新特性的產(chǎn)品設計，可理解為“從無到有”的一種產(chǎn)品設計;而適應性設計則是在不改變對已有產(chǎn)品總體設計原則的前提下，對設計方案的部分內(nèi)涵加以改變，亦即通過微電子技術手段對已有產(chǎn)品的設計全面替代，從而更適用于當前生產(chǎn)作業(yè);而變異性設計主要是在系統(tǒng)整體設計方案、功能內(nèi)容不發(fā)生改變的情況下，對產(chǎn)品規(guī)格、尺寸等外觀內(nèi)容進行調(diào)整，使其與生產(chǎn)產(chǎn)品相符合的一種“變形”。

而根據(jù)方式區(qū)分與設計，又可分成機械互補、結合、組合等三類方式。機電互補法在對以下系統(tǒng)中陳舊、落后的機器部件改造工作過中比較普遍，重點是對其進行技術升級;結合法多應用于新設計中，即當以往的思考方向不產(chǎn)生變化時，再增加新型理論和內(nèi)容，使之更適應于當前的作業(yè)要求;而組合法則是將機電互補法和結合法則相組合，對一體化系統(tǒng)的各個職能模塊加以劃分，重新組合成全新內(nèi)容的一種設計方法。

8 ?機電一體化系統(tǒng)概念設計的應用

8.1 數(shù)控技術的應用

目前，機電一體化在數(shù)控技術開發(fā)領域已經(jīng)獲得了越來越普遍的運用，甚至開始擴展至機械控制系統(tǒng)中，包括了多功能數(shù)控車床、經(jīng)濟型數(shù)控機床和火焰切數(shù)控車床等。同時，數(shù)控技術還能夠利用機械可操作的編程方式演化出流程型的加工智能技術，其能夠通過主軸箱的指令來完成機械性的回轉技術、換刀技術等。而在機械操作流程中，數(shù)控技術還能夠進行科學型、信息型、指令遞進型的轉換，如最常用的CJK6153型數(shù)控技術，大多是以CAD指令為核心來實現(xiàn)加工物流管理中的機械動作。另外，對數(shù)控技術的有效擴展還能夠更加明確了CAM技術與CAD技術之間的目標指向性，從而增強了其實際運用的整體效益，同時也實現(xiàn)了對數(shù)控技術的可視化運用，在有效擴展數(shù)據(jù)模型功能的同時，也實現(xiàn)了自動化發(fā)展。

8.2 運動控制

使用PLC可編程系統(tǒng)還能夠做某些有特定要求的長距離運動，一般都會使用于工業(yè)或者生產(chǎn)場所中，對各種輸入與輸出接待以及輸出設備進行合理的分布，在實際的使用過程中，還必須對PLC可編程控制器的內(nèi)部信息加以綜合以及對繼電器加以編號，以便于改善PLC可編程控制器以及設備的電氣特性以及自提高動化水平。要想保證設備長時間而平穩(wěn)的工作使用，就必須對其進行優(yōu)化設計以及各種輸入與輸出的設備合理分布，從而提高工作效能以及制造效率。PLC等可編程控制器可廣泛應用于水泥攪拌站的工作，以處理某些實際生產(chǎn)問題，而針對此，企業(yè)必須進一步減少其對能源消耗和由于控制系統(tǒng)裝置故障而造成的產(chǎn)量影響，以提升其對資源的利用效率。

8.3 科學地使用傳感器，提升設備裝配品質

傳感器，可以測量和傳遞信息以及各種信息的物理設備，在機電一體化設備裝配環(huán)節(jié)，科學使用傳感器裝置尤其關鍵，傳感器的平穩(wěn)工作，就可以保障機電一體化設備平安工作。在許多應用領域中，由于傳感器的有效利用，就可以取代人工進行大量的工作，從而降低了成本，也保障機電一體化設備安裝更加安全。尤其結合在某電子行業(yè)中的機電一體化裝置而言，因為此行業(yè)正處于高危產(chǎn)業(yè)中，為更好的降低工業(yè)安全事故發(fā)生率，并保障作業(yè)人員的生命安全。可以把傳感器運用于人工智能機械之中，通過使用人工智能機械來取代人力工作，使效率得以更進一步提高，從而確保了作業(yè)人員的生命安全。在中國煤炭行業(yè)的機電一體化裝置安裝中，通過合理使用傳感器，可以對機電一體化進程產(chǎn)生良性促進作用，從而有效降低了人員、資金消耗，也更好的延伸了中國煤炭機電一體化裝置的應用時期。

9 ?結束語

綜上所述，在實現(xiàn)機械設計生產(chǎn)過程中，在數(shù)控技術、傳感器技術、監(jiān)控技術、動力設計、生產(chǎn)線中融入機電一體化信息技術，不但能夠實現(xiàn)機械設計生產(chǎn)工作的順利進行，同時還能夠提升機械設計生產(chǎn)的總體效益與品質，促進機械設計生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)的健康、可持續(xù)發(fā)展。

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