機(jī)電一體化

發(fā)展

　　20世紀(jì)80年代初，我國才逐步開始在機(jī)電一體化方面進(jìn)行研究和應(yīng)用，起步比較晚，所以面對全球經(jīng)濟(jì)市場的競爭，我國在這個領(lǐng)域面臨嚴(yán)峻的形勢。首先，傳統(tǒng)工業(yè)面臨著用微電子技術(shù)改造的難題，工作量大；其次，用機(jī)電一體化技術(shù)加速產(chǎn)品更新?lián)Q代，提高市場占有率壓力大；最后，用機(jī)電一體化產(chǎn)品取代技術(shù)含量和附加值低的產(chǎn)品對于我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有重要的意義。從市場需求的角度看，由于我國在機(jī)電一體化領(lǐng)域發(fā)展的歷史不長，差距較大，許多產(chǎn)品很難滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，每年需進(jìn)口大量的國外產(chǎn)品。面對如此艱巨的形勢，我國機(jī)電一體化工作應(yīng)該從以下兩方面入手，一方面，需將微電子技術(shù)引入傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，這樣不僅能提高傳統(tǒng)工業(yè)的技術(shù)水平，而且能解決目前資源能源短缺境況；另一方面，從機(jī)電一體化產(chǎn)品的更新?lián)Q代入手大力發(fā)展其相關(guān)支持技術(shù)如自動化技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)以及智能化技術(shù)等。[1]

　　中國機(jī)電設(shè)計邁入PLM全新階段，正挑戰(zhàn)著了前所未有的，不可預(yù)測的難題，一個個久戰(zhàn)沙場經(jīng)久不衰精兵良將正褪去了昨日英雄的光環(huán)，唯有CAMELVIEW能夠勝任軍統(tǒng)三國，光復(fù)舊業(yè)

　　的重任，此時數(shù)系科技與德國iXtronicsGmbH公司攜手共同開拓機(jī)電設(shè)計領(lǐng)域的新篇章，CAMELVIEW作為機(jī)電一體化設(shè)計系統(tǒng)，從產(chǎn)品的概念設(shè)計到產(chǎn)品性能的測試、驗證、通過都是一體化的，流程化的、規(guī)范化的，在滿足用戶設(shè)計的前提下，數(shù)值實驗的仿真與結(jié)果的驗證無不精確化，支持復(fù)雜環(huán)境下，多工況，多耦合場設(shè)計。

研究目的

　　機(jī)械電子學(xué)主要研究目的是把機(jī)械技術(shù)與微電子技術(shù)和信息技術(shù)有機(jī)地結(jié)合為一體，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的最優(yōu)化。機(jī)械電子學(xué)可以充分發(fā)揮機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)和信息技術(shù)的各自的長處和特點，促進(jìn)機(jī)械產(chǎn)品的更新?lián)Q代。機(jī)械電子學(xué)系統(tǒng)主要由機(jī)械主體、傳感器、信息處理和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分組成。較高級的系統(tǒng)不但有硬件，而且還有相應(yīng)的軟件，利用軟件技術(shù)可以實現(xiàn)硬件難以實現(xiàn)的功能，使機(jī)械系統(tǒng)增加柔性。典型的機(jī)械電子系統(tǒng)有數(shù)控機(jī)床、加工中心、工業(yè)機(jī)器人等。機(jī)械電子學(xué)技術(shù)除用于單個機(jī)器、設(shè)備或一般的生產(chǎn)系統(tǒng)的技術(shù)改造之外，還用于柔性制造系統(tǒng)、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)、工廠自動化、辦公自動化、家庭自動化等方面。

　　我國從事這一專業(yè)的各地大專、中專、院有近百所，教師與學(xué)生近百萬人。

　　研究意義

　　隨著機(jī)電一體化相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)電產(chǎn)品的外觀更加人性化、功能更加強(qiáng)大、體積和重量更加輕巧、可靠性更高等。與傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品相比機(jī)電一體化產(chǎn)品具有以下優(yōu)勢：

　?。?）功能增強(qiáng)并且應(yīng)用廣泛

　　機(jī)電一體化產(chǎn)品最顯著的特點就是突破了原來傳統(tǒng)機(jī)電產(chǎn)品的單技術(shù)和單功能的局限性，將多種技術(shù)與功能集成于一體，使其功能更加強(qiáng)大。而且能適應(yīng)于不同的場合和不同的領(lǐng)域，滿足用戶需求的應(yīng)變能力較強(qiáng)。

　?。?）精度大大提高

　　機(jī)電一體化技術(shù)簡化了機(jī)構(gòu)，減少了傳動部件，從而使機(jī)械磨損、配合及受力變形等所引起的誤差大大減少，同時由于采用計算機(jī)檢測與控制技術(shù)補(bǔ)償和校正因各種干擾造成的動態(tài)誤差，從而達(dá)到單純用機(jī)械技術(shù)所無法實現(xiàn)的工作精度。

　　（3）安全性和可靠性提高

　　機(jī)電一體化產(chǎn)品一般具有自動監(jiān)控、報警、自動診斷、自動保護(hù)、安全聯(lián)鎖控制等功能。這些功能能夠避免人身傷害和設(shè)備事故的發(fā)生，提高了設(shè)備的安全性和可靠性。

　　（4）改善操作

　　機(jī)電一體化產(chǎn)品采用計算機(jī)程序控制和數(shù)字顯示，具有良好的人機(jī)界面，減少了操作按鈕及手柄，改善了設(shè)備的操作性能，減少了操作人員的培訓(xùn)時間，從而大大簡化操作。

　　（5）提高柔性

　　所謂柔性，即可以利用軟件來改變機(jī)器的工作程序，以滿足不同的需要。例如，工業(yè)機(jī)器人具有較多的運動自由度，手爪部分可以換用不同的工具，通過改變控制程序改變運動軌跡和運動姿態(tài)，以適應(yīng)不同的作業(yè)要求。

　?。?）生產(chǎn)能力和工作質(zhì)量提高

　　基于虛擬原型的機(jī)電一體化設(shè)計建模與仿真技術(shù)研究。[1]

內(nèi)容

　　機(jī)械技術(shù)

　　機(jī)械技術(shù)是機(jī)電一體化的基礎(chǔ)，機(jī)械技術(shù)的著眼點在于如何與機(jī)電一體化技

　　術(shù)相適應(yīng)，利用其它高、新技術(shù)來更新概念，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)上、材料上、性能上的變更，滿足減小重量、縮小體積、提高精度、提高剛度及改善性能的要求。在機(jī)電一體化系統(tǒng)制造過程中，經(jīng)典的機(jī)械理論與工藝應(yīng)借助于計算機(jī)輔助技術(shù)，同時采用人工智能與專家系統(tǒng)等，形成新一代的機(jī)械制造技術(shù)。

　　電腦技術(shù)

　　其中信息交換、存取、運算、判斷與決策、人工智能技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)均屬于計算機(jī)信息處理技術(shù)。

　　系統(tǒng)技術(shù)

　　系統(tǒng)技術(shù)即以整體的概念組織應(yīng)用各種相關(guān)技術(shù)，從全局角度和系統(tǒng)目標(biāo)出發(fā)，將總體分解成相互關(guān)聯(lián)的若干功能單元，接口技術(shù)是系統(tǒng)技術(shù)中一個重要方面，它是實現(xiàn)系統(tǒng)各部分有機(jī)連接的保證。

　　自動技術(shù)

　　其范圍很廣，在控制理論指導(dǎo)下，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，設(shè)計后的系統(tǒng)仿真，

　　現(xiàn)場調(diào)試，控制技術(shù)包括如高精度定位控制、速度控制、自適應(yīng)控制、

　　自診斷校正、補(bǔ)償、再現(xiàn)、檢索等。

　　傳感技術(shù)

　　傳感檢測技術(shù)是系統(tǒng)的感受器官，是實現(xiàn)自動控制、自動調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其功能越強(qiáng)，系統(tǒng)的自動化程序就越高?，F(xiàn)代工程要求傳感器能快速、精確地獲取信息并能經(jīng)受嚴(yán)酷環(huán)境的考驗，它是機(jī)電一體化系統(tǒng)達(dá)到高水平的保證。

　　伺服技術(shù)

　　包括電動、氣動、液壓等各種類型的傳動裝置，伺服系統(tǒng)是實現(xiàn)電信號

　　到機(jī)械動作的轉(zhuǎn)換裝置與部件、對系統(tǒng)的動態(tài)性能、控制質(zhì)量和功能有決定性的影響。

階段

　　模型階段

　　模型階段，所有的系統(tǒng)組件都能夠被最優(yōu)化；

　　在仿真計算的幫助下，可以測試和分析這些組件的適用性；監(jiān)測響應(yīng)頻率；

　　對模型進(jìn)行分析。此外，還能夠生成一個物理/拓?fù)湎到y(tǒng)模型，包括機(jī)械、液壓和控制導(dǎo)向組件。有必要有一個模型工具，這個工具支持機(jī)電一體化系統(tǒng)的物理模型，即當(dāng)有實物和節(jié)點時，這些模型能夠以1：1來測試，并且原型設(shè)計研究階段可以在嚴(yán)酷的實時條件下進(jìn)行。

　　測試階段

　　在系統(tǒng)運行完模型階段之后，所產(chǎn)生的具體的性能數(shù)據(jù)可以通過試驗臺驗證。這

　　樣就可以測試和檢驗該系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)波動的魯棒性，功率儲備及連續(xù)運行的特征。這樣做的話，用戶可以進(jìn)行測試或者使用CAMeL-ViewTestRig進(jìn)行硬件在回路（的測試）。要進(jìn)行硬件在回路測試，相關(guān)裝置的物理特性需要詳細(xì)確認(rèn)，這些裝置必須是建立在測試平臺的基礎(chǔ)之上。識別經(jīng)過測試平臺上測試過的組件，容許這些組件在模型中被識別，并確保整個以系統(tǒng)為基礎(chǔ)的仿真分析布局。

　　原型階段

　　成功的測試之后，就會建立一個原型。這里要特別關(guān)注的是模型特性，這些特性特指通過特別費力的仿真所決定的特性，比如組件損耗（性能）。這些數(shù)據(jù)結(jié)果，為模型基礎(chǔ)性分析提供服務(wù)，同時為進(jìn)一步研發(fā)提供知識基礎(chǔ)。

組成要素

　　五大組成要素

　　一個機(jī)電一體化系統(tǒng)中一般由結(jié)構(gòu)組成要素、動力組成要素、運動組成要素、感知組成要素、職能組成要素五大組成要素有機(jī)結(jié)合而成。機(jī)械本體（結(jié)構(gòu)組成要素）是系統(tǒng)的所有功能要素的機(jī)械支持結(jié)構(gòu)，一般包括有機(jī)身、框架、支撐、聯(lián)接等。動力驅(qū)動部分（動力組成要素）依據(jù)系統(tǒng)控制要求，為系統(tǒng)提供能量和動力以使系統(tǒng)正常運行。測試傳感部分（感知組成要素）對系統(tǒng)的運行

　　所需要的本身和外部環(huán)境的各種參數(shù)和狀態(tài)進(jìn)行檢測，并變成可識別的信號，傳輸給信息處理單元，經(jīng)過分析、處理后產(chǎn)生相應(yīng)的控制信息?？刂萍靶畔⑻幚聿糠郑毮芙M成要素）將來之測試傳感部分的信息及外部直接輸入的指令進(jìn)行集中、存儲、分析、加工處理后，按照信息處理結(jié)果和規(guī)定的程序與節(jié)奏發(fā)出相應(yīng)的指令，控制整個系統(tǒng)有目的的運行。執(zhí)行機(jī)構(gòu)（運動組成要素）<BR>；根據(jù)控制及信息處理部分發(fā)出的指令，完成規(guī)定的動作和功能。

　　機(jī)電一體化系統(tǒng)一般由機(jī)械本體、檢測傳感部分、電子控制單元、執(zhí)行器和動力源5個組成部分構(gòu)成。

四大原則

　　構(gòu)成機(jī)電一體化系統(tǒng)的五大組成要素其內(nèi)部及相互之間都必須遵循接口耦合、運動傳遞、信息控制與能量轉(zhuǎn)換四大原則。

　　接口耦合：

　　兩個需要進(jìn)行信息交換和傳遞的環(huán)節(jié)之間，由于信息模式不同（數(shù)字量與模擬量，串行碼與并行碼，連續(xù)脈沖與序列脈沖等）無法直接傳遞和交換，必須通過接口耦合來實現(xiàn)。而兩個信號強(qiáng)弱相差懸殊的環(huán)節(jié)之間，也必須通過接口耦合后，才能匹配。變換放大后的信號要在兩個環(huán)節(jié)之間可靠、快速、準(zhǔn)確的交換、傳遞，必須遵循一致的時序、信號格式和邏輯規(guī)范才行，因此接口耦合時就必須具有保證信息的邏輯控制功能，使信息按規(guī)定的模式進(jìn)行交換與傳遞。

　　能量轉(zhuǎn)換：

　　兩個需要進(jìn)行傳輸和交換的環(huán)節(jié)之間，由于模式不同而無法直接進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換和交流，必須進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換，能量的轉(zhuǎn)換包括執(zhí)行器，驅(qū)動器和他們的不同類型能量的最優(yōu)轉(zhuǎn)換方法及原理。

　　信息控制：

　　在系統(tǒng)中，所謂智能組成要素的系統(tǒng)控制單元，在軟、硬件的保證下，完成信息的采集、傳輸、儲存、分析、運算、判斷、決策，以達(dá)到信息控制的目的。對于智能化程度高

　　的信息控制系統(tǒng)還包含了知識獲得、推理機(jī)制以及自學(xué)習(xí)功能等知識驅(qū)動功能。

　　運動傳遞：

　　運動傳遞使構(gòu)成機(jī)電一體化系統(tǒng)各組成要素之間，不同類型運動的變換與傳輸以及以運動控制為目的的優(yōu)化。

　　智能化控制技術(shù)(IC)

　　由于鋼鐵工業(yè)具有大型化、高速化和連續(xù)化的特點，傳統(tǒng)的控制技術(shù)遇到了難以克服的困難，因此非常有必要采用智能控制技術(shù)。智能控制技術(shù)主要包括專家系統(tǒng)、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，智能控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于鋼鐵企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)、控制、設(shè)備與產(chǎn)品質(zhì)量診斷等各個方面，如高爐控制系統(tǒng)、電爐和連鑄車間、軋鋼系統(tǒng)、煉鋼———連鑄———軋鋼綜合調(diào)度系統(tǒng)、冷連軋等。

　　分布式控制系統(tǒng)(DCS)

　　分布式控制系統(tǒng)采用一臺中央計算機(jī)指揮若干臺面向控制的現(xiàn)場測控計算機(jī)和智能控制單元。分布式控制系統(tǒng)可以是兩級的、三級的或更多級的。利用計算機(jī)對生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制。隨著測控技術(shù)的發(fā)展，分布式控制系統(tǒng)的功能越來越多。不僅可以實現(xiàn)生產(chǎn)過程控制，而且還可以實現(xiàn)在線最優(yōu)化、生產(chǎn)過程實時調(diào)度、生產(chǎn)計劃統(tǒng)計管理功能，成為一種測、控、管一體化的綜合系統(tǒng)。DCS具有特點控制功能多樣化、操作簡便、系統(tǒng)可以擴(kuò)展、維護(hù)方便、可靠性高等特點。DCS是監(jiān)視集中控制分散，故障影響面小，而且系統(tǒng)具有連鎖保護(hù)功能，采用了系統(tǒng)故障人工手動控制操作措施，使系統(tǒng)可靠性高。分布式控制系統(tǒng)與集中型控制系統(tǒng)相比，其功能更強(qiáng)，具有更高的安全性。是當(dāng)前大型機(jī)電一體化系統(tǒng)的主要潮流。

　　開放式控制系統(tǒng)(OCS)

　　開放控制系統(tǒng)(OpenControlSystem)是計算機(jī)技術(shù)發(fā)展所引出的新的結(jié)構(gòu)體系概念。“開放”意味著對一種標(biāo)準(zhǔn)的信息交換規(guī)程的共識和支持，按此標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的系統(tǒng)，可以實現(xiàn)不同廠家產(chǎn)品的兼容和互換，且資源共享。開放控制系統(tǒng)通過工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)使各種控制設(shè)備、管理計算機(jī)互聯(lián)，實現(xiàn)控制與經(jīng)營、管理、決策的集成，通過現(xiàn)場總線使現(xiàn)場儀表與控制室的控制設(shè)備互聯(lián)，實現(xiàn)測量與控制一體化。