机电一体化设计与应用研究

侯荣兴

引言：机电一体化技术面对国际市场日益激烈的竞争，使产品的智能化成为机械产品的主要方向。过去单纯靠仿制国外产品将使企业失去市场竞争力，机电一体化系统的创新设计关系到我国能否以自主知识产权的产品跨入世界制造业先进行列。本文以实现工作机功能的机电一体化系统为研究对象，采用机电一体化系统对机电一体化创新设计特点与设计模式进行了研究，并且提出了具体的新产品方案设计方式。

机电一体化控制系统的拥有量反映了一个国家的经济能力和国防实力，目前我国是全世界机电一体化控制技术较先进的国家，但是机电一体化的利用率、开动率低，这样我国制造业也很难把行业中机电一体化的控化率大幅度提上去。机电一体化在工业过程控制系统中接受调节器的控制信号，确保生产过程按预定要求正常执行，执行机构无需特殊的动力源就可以保持原执行位置，可远距离传输信号，更适应采用电子信息新技术。

一、机电一体化的概念

“机电一体化”在国外被称为Mechatronics是日本人在20世纪70年代初提出来的，它是用英文Mechanics的前半部分和Electron-ics的后半部分结合在一起构成的一个新词，意思是机械技术和电子技术的有机结合。这一名称已得到包括我国在内的世界各国的承认，我国的工程技术人员习惯上把它译为机电一体化技术。机电一体化技术又称为机械电子技术，是机械技术、电子技术和信息技术有机结合的产物。二、机电一体化技术基本概念机电一体化技术是在微型计算机为代表的微电子技术、信息技术迅速发展，向机械工业领域迅猛渗透，机械电子技术深度结合的现代工业的基础上，综合应用机械技术、微电子技术、信息技术、自动控制技术、传感测试技术、电力电子技术、接口技术及软件编程技术等群体技术，从系统理论出发，根据系统功能目标和优化组织结构目标，以智力、动力、结构、运动和感知组成要素为基础，对各组成要素及其间的信息处理，接口耦合，运动传递，物质运动，能量变换进行研究，使得整个系统有机结合与综合集成，并在系统程序和微电子电路的有序信息流控制下，形成物质的和能量的有规则运动，在高功能、高质量、高精度、高可靠性、低能耗等诸方面实现多种技术功能复合的最佳功能价值系统工程技术。

二、机电一体化技术的特点

1、安全性和可靠性。机电一体化产品都具有自动监视、报警、自动诊断等功能。在工作过程中电力故障时，能自采取保护措施，避免人身和设备事故，显著提高设备的使用安全性。

2、工作质量提高。机电一体化产品具有信息自动处理和自动控制功能，其控制和检测的精度上很大程度的提高.近几年出新了复合加工机床，派生出各新颖的机床结构，可以采取虚拟轴机床和特殊机械结构。例如：复合型的一体化机床，在钻深孔时大大提高效率。通过自动控制系统可保证机械按照设计的要求完成预定动作，使之不受机械操作者主观因素的影响，从而保证最佳的工作质量和产品的合格率。由于高速加工技术普及，机床主轴转速由3000～4000r/min提高到9000r/min，运动部件的加速度，其已由过去一般机床的0.4G提高到2G，直线电机在机床上开始使用，主轴上大量采用内装式主轴电机。机电一体化产品实现了工作的自动化，使得生产能力大大提高。

3、使用性能改善。机电一体化产品普遍采用程序控制和数字显示，操作按钮数量显著减少，操作技术大大简化并且方便、简单。机电一体化产品根据预设的程序逐步由电子控制系统指挥实现，系统通过被控对象的数学模型以及外界参数的变化随即自寻最佳工作程序，实现自动最优化操作。

4、适用面广。机电一体化产品跳出了机械机电一体化产品的单技术和单功能限制，使得产品的功能水平和自动化程度大大提高。具有自动化控制、自动补偿、自动校验、自动调节、自动保护等多种功能，能满足用户需求的应变能力较强。

5、调整和维护方便。机电一体化产品在安装调试时，通过调整控制程序以适应不同用户对象的需要，通过多种手段输入到控制系统中，事先存入若干套不同的执行程序，然后根据不同的要求，只需给定一个代码信号输入，可按指定的预定程序进行自动工作。机电一体化的定位精度可以提高到提高到1mm左右，最小分辨率为的数控系统和已有产品，并且两轴以上插补技术大大提高，纳米级插补使机床联动出的圆弧都可以达到1μ的圆度，提高了插补质量，并可进行自动拐角处理等。机电一体化产品的自动化检验和自动监事功能可对故障自动采取措施，使工作恢复正常。

6、网络化。依据机电一体化机床的基本要求，提高机床的开动率是企业合理化、最佳化的方法。因此，计算机网络制造和虚拟制造技术都在数控机床基础上发展起来，这必然成为制造业发展的一个主要潮流。

三、机电一体化系统设计模型

机电一体化可控的执行机构子系统是高精度匹配性和信息融合的结构，也是机电一体化系统中设计方案创新的核心。

1、F-P-A-M求解模型。它是根据总功能进行工艺动作过程的分解，通过与其它两个子系统的集成与融合设计得到机电一体化系统的方案，它的柔性化程度将多个单一功能的机械系统组合成多功能的机电一体化系统 ，用计算机控制系统取机械式的控制系统 ，提出了解模块的接口匹配策略。

2、符号表达模型。机电一体化系统需要以简图的形式表达多种可行方案，该表达方法建立在常用机电一体化系统基本功能元模块的层次上，包括文字符号，接口信息等符号，为计算机辅助机电一体化系统方案的创新设计提供了有效手段。机电一体化系统知识库来源可快速存取功能元载体并能自动产生可行的设计方案。

四、机电一体化的结构设计方法

1、硬件结构设计。一体化电动执行机构的电气控制系统结构如图所示，整个系统把可编程序控制器为整个控制系统的核心，它为用户反馈各类状态信号。该方法的优势在于易于调整两比较的标度值且能较好地维持原有的實际意义，两两比较相对优序值可以利用网状图的评价方法， 解决了无法排序方案的缺陷。

2、软件设计。要实现机电一体化电动远控和故障报警的管理与控制，关键在于电动执行机构开、关到位的准确性与实时性。专用可编程序控制器由主程序和多个子程序组成，程序框图来自现场电动执行机构的信号，管理人员在现场或监控室都能对电动执行机构不断扫描，实现对电源故障、电动机过热和机械故障的报警功能。可编程序控制器通过人机界面和红外线控制器的操作信号设置了数据查询系统，并将这些数据放入特定寄存器中，以便通过Modbus。

（作者单位：辽河油田成套电器设备厂）