机电一体化系统设计的目标和方法

裴刚 朱喜文

摘 要：机电一体化起源于上世纪八十年代的日本，它融合了机械、自动控制、伺服传动、电子、信息处理、传感检测、系统总体等多种技术，并综合应用到实际中去的综合技术。它不是上述技术的简单叠加，而是在从系统理论出发根据系统功能目标和优化组织结构目标，对各组成部分及其间的信息处理，接口耦合，运动传递，物质运动，能量变换进行研究，组成有机的系统，集成各种技术，并在系统软件程序和微电子的有序控制信号的作用下，使物质和能量形成有规律运动的轨迹，在多功能性、高精度、高安全性、高可靠性、低能耗等诸多方面实现多种技术功能融合成最优效果的系统工程技术。

1 现代机械的机电一体化目标

1.1节约能源，降低能耗

通过采用低能耗的驱动机构、最佳调节控制和提高能源利用率等措施，机电一体化产品和系统可以取得良好的节能效果。

1.2提高安全性、可靠性

机电一体化系统通常具有自动检测、监控子系统，因而可以对各种故障和危险自动采取保护措施并及时修正参数，提高系统的安全可靠性。

1.3改善操作性和实用性

机电一体化系统的各相关子系统的动作顺序和功能协调关系由控制系统决定。随着计算机技术和自动控制技术的发展，可以通过简便的人机界面操作，实现复杂的功能控制和良好的使用效果。

1.4提高精度

机电一体化技术使机械传动部件减少，因而使由机械磨损、配合间隙及变形而引起的误差大为减小。同时，由于机电一体化技术采用电子技术实现自动检测和自动控制，校正和补偿由各种干扰因素造成的动态误差，从而达到单纯机械装备所不能实现的工作精度。

1.5增强功能

现代高新技术的引入，使机械产品具有多种复合功能，成为机电一体化产品和系统的一个显著特点。

1.6提高生产效率

机电一体化系统可以有效地减少生产准备时间和辅助时间，缩短新产品的开发周期，提高产品的合格率，减少操作人员，从而提高生产效率，降低生产成本。

1.7减轻劳动强度，改善劳动条件

减轻劳动强度包括繁重的体力劳动和复杂的脑力劳动。机电一体化系统能够由计算机完成设计制造和生产过程中极为复杂的人的智力活动和资料记忆查找工作，同时又能通过过程控制自动运行，从而替代人的紧张和单调重复操作以及在危险环境下的工作。

1.8简化结构，减轻重量

机电一体化系统采用先进的电力电子器件和传动技术，替代老式笨重的电气控制和机械变速结构，由微处理器和集成电路等微电子元件和程序逻辑软件，完成过去靠机械传动链来实现的关联运动，从而使机电一体化产品和系统的体积小，结构简化，重量减轻。

1.9降低价格

由于机械结构简化，材料消耗减少，制造成本降低，而且电子器件的价格下降迅速，因此机电一体化产品和系统的价格日趋低廉，而使用性能、维修性能日趋完善，使用寿命不断延长。

1.10增强柔性应用功能

为了满足市场多样性的要求，机电一体化系统可以通过编制用户程序来实现机电产品工作方式的改变，适应各种用户对象及现场参数变化的需要。

2机电一体化系统开发的设计思想

机电一体化的优势，在于它吸收了各相关学科之长并加以综合运用而取得整体优化效果。因此，在机电一体化系统开发的过程中，要特别强调技术融合、学科交叉的作用。机电一体化系统开发是一项多级别、多单元组成的系统工程。把系统的各单元有机地结合成系统后，各单元的功能不仅相互叠加，而且相互辅助、相互促进、相互提高，使整体的功能大于各单元功能的简单的和，即“整体大于部分的和”。

3机电一体化系统设计方法

3.1整体设计法

这种方法主要用于全新产品和系统的开发。在设计时，完全从系统的整体目标考虑各子系统的设计，所以接口简单，甚至可能互融一体。在大规模集成电路和微机不断普及的今天，随着精密机械技术的发展，完全能够设计出将执行元件、运动机构、检测传感器、控制与机体等要素有机地融为一体的机电一体化新产品。

3.2组合法

这种方法就是选用各种标准模块，像积木那样组合成各种机电一体化系统。例如，设计数控机床时，可以从系统整体的角度选择工业系列产品，诸如数控单元、伺服驱动单元、位置传感检测单元、主轴调速单元以及各种机械标准件或单元等，然后进行接口设计，将各单元有机的结合起来融为一体。在开发机电一体化系统时，利用此方法可以缩短设计与研制周期、节约工装设备费用，有利于生产管理、使用和维修。

3.3取代法

这种方法是用电气控制取代原传统中机械控制机构。这种方法是改造传统机械产品和开发新型产品常用的方法。例如，用电气调速控制系统取代机械式变速机构，用可编程序控制器或微型计算机来取代机械凸轮控制机构、插销板、步进开关、继电器等，以弥补机械技术的不足。这种方法不但能大大简化机械结构，而且可以提高系统的性能和质量。

4結语

综上所述，机电一体化系统设计是一项非常复杂的工程，不是单一部门能够独自完成的，它需要众多行业合作才能实现。在设计系统时，应根据机械系统的结构特点来确定电气参数，综合运用多学科知识，充分体现机电一体化的优越性。

参考文献：

[1] 武藤一夫.机电一体化[M].北京：科学出版社，2007.

[2] 吕强，孙锐，李学生.基机电一体化原理及应用[M].北京：国防工业出版社，2010.