淺談機電一體化系統

岳云霞

（山東交通職業學院機械系，山東 濰坊 261206）

日本企業界在1970年左右最早提出“機電一體化技術”這一概念，當時他們取名為“Mechatronics”，即結合應用機械技術和電子技術于一體。隨著計算機技術的迅猛發展和廣泛應用，機電一體化技術獲得前所未有的發展，成為一門綜合計算機與信息技術、自動控制技術、傳感檢測技術、伺服傳動技術和機械技術等交叉的系統技術，目前正向光機電一體化技術（Opto-mechatronics）（Opto-mechatronics）（Opto-mechatronics）方向發展，應用范圍愈來愈廣。

1 機電一體化技術具體包括內容

1.1 機械技術

機械技術是機電一體化的基礎，機械技術的著眼點在于如何與機電一體化技術相適應，利用其它高、新技術來更新概念，實現結構上、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。在機電一體化系統制造過程中，經典的機械理論與工藝應借助于計算機輔助技術，同時采用人工智能與專家系統等，形成新一代的機械制造技術。

1.2 計算機與信息技術

其中信息交換、存取、運算、判斷與決策、人工智能技術、專家系統技術、神經網絡技術均屬于計算機信息處理技術。

1.3 系統技術

系統技術即以整體的概念組織應用各種相關技術，從全局角度和系統目標出發，將總體分解成相互關聯的若干功能單元，接口技術是系統技術中一個重要方面，它是實現系統各部分有機連接的保證。

1.4 自動控制技術

自動控制技術范圍很廣，在控制理論指導下，進行系統設計，設計后的系統仿真，現場調試，控制技術包括如高精度定位控制、速度控制、自適應控制、自診斷校正、補償、再現、檢索等。

1.5 傳感檢測技術

傳感檢測技術是系統的感受器官，是實現自動控制、自動調節的關鍵環節。其功能越強，系統的自動化程序就越高。現代工程要求傳感器能快速、精確地獲取信息并能經受嚴酷環境的考驗，它是機電一體化系統達到高水平的保證。

1.6 伺服傳動技術

伺服傳動技術包括電動、氣動、液壓等各種類型的傳動裝置，伺服系統是實現電信號到機械動作的轉換裝置與部件、對系統的動態性能、控制質量和功能有決定性的影響。

2 國內外研究現狀

2.1 機械子系統建模技術

機械子系統的數字化模型的建立是系統整機設計的基礎。許多商用軟件如Solidworks,ProE擁有強大三維實體造型能力，為實體造型提供了極大的方便，但其往往不能進行動力學分析，而直接導入到動力學分析軟件中可能會出現質量或者轉動慣量等信息丟失現象，但通過專門開發的接口軟件Mechanism/pro（專為ProE與Adams的開發的接口程序）可以實現無縫連接，但這樣軟件通用性往往很差，一般只適用固定版本的兩個軟件。而隨著柔性零件和結構的廣泛使用，對于柔性零件的仿真也是十分重要的問題。對于柔性零件仿真現在主要兩種方法，對于結構較為簡單，對其柔性變形要求不高零件，可以采用在動力學分析軟件自身中，用相對較小零件的線性變形近似模擬其柔性變形。這種算法的優點是基于相同的動力學分析平臺，不存在信息轉換和調用的問題，實現方便，缺點是對柔性變形模擬誤差精度不高。而另一種是采用基于有限元分析軟件（如Ansys、Nastran等）對零件進行極為微小的劃分，求得其各階模態，再將其轉化為相應的接口文件導入到動力學分析軟件中，替換相應的剛體零件的方法。值得指出的是，在柔性零件替換剛性零件后，需要采用啞物體（有體積而無質量）與其他剛性零件進行連接，以能順利傳遞力或約束等信息。

2.2 伺服電機變頻調速系統分析

伺服電機作為驅動部分，目的在于執行控制系統的指令，將電能轉化為相應的機械運動。直流電機由于其結構復雜，購置和維修成本過高等問題，難以得到廣泛的應用。而隨著電機制造工藝和電機控制理論發展，交流電機控制精度得到了大幅度地提高，再加上自身結構簡單，維修方便，能滿足在惡劣環境和大負載下運行，受到越來越多關注。隨著矢量控制理論（VC）,直接轉矩控制（DTC）變頻調速技術的發展及空間矢量脈寬調制技術（SVPWM）的應用,交流電機往往能達到極高的控制性能。SVPWM是當今廣泛采用的脈寬調制技術，與傳統的SPWM相比，具有轉矩與電流畸變小，易于數字化實現等優點，且其對電壓利用率相對提高16.7%。VC通過坐標系轉化，將定子電流分解勵磁電流和轉矩電流兩部分，從而模擬交流電機的控制策略控制交流電機。DTC控制技術則以電磁轉矩為直接控制目標，達到高性能的調速能力。

2.3 伺服驅動子系統控制器設計

PID控制器的參數整定是控制系統設計的核心內容。它是根據被控過程的特性確定PID控制器的比例系數、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數整定方法主要有兩大種：一是理論計算整定法。依據系統的數學模型，經過理論計算確定控制器參數，但還必須通過工程實際進行調整和修改。二是工程整定方法，主要依賴工程經驗，直接在控制系統的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。隨著只能控制理論的發展，許多智能PID控制算法開發和應用，如變結構滑模PID控制、模糊PID、神經網絡PID控制和神經模糊控制等。值得指出，智能PID算法大多數見諸于理論研究，還不能廣泛應用到實際中。

2.4 機、電信息交換技術以及虛擬樣機設計

現代化大生產的要求直接導致先進制造技術的發展，而對制造方法而言，發展趨勢包括“數字化”、“自動化”、“集成化”，“網絡化”和“智能化”的特點。

虛擬樣機的建立，可以方便對結構，伺服系統和控制器等多方面進行研究。對于機電信息交換，可以采用20-sim或自行開發軟件等對機械和伺服系統進行仿真，由于其采用統一仿真平臺，不存在接口信息問題，但其運行性能有待考證，而采用商用大型軟件，如三維造型軟件Pro/e,Solidworks和動靜力學分析軟件Ansys和Adams的聯合仿真，如何選擇合適步長，既能滿足系統仿真精度，又不至于系統運算量過大，影響系統效率。

總之，機電一體化技術具體包括機械技術、計算機與信息技術、系統技術、自動控制技術、傳感檢測技術、伺服傳動技術等內容，機電一體化系統的發展正在向著更快、更便捷操作的方向發展。

[1]李瑞秦，鄒慧軍.機電一體化產品概念設計理論研究現狀與發展展望[J].機械設計與研究,2003,40(11):10-22.

[2]http://www.solidworks.com.cn/,2007-06-10.

[3]http://www.mscsoftware.com.cn/product/productDetail.asp?id=73,2007-06-10.

[4]http://www.mscsoftware.com.cn/Forum/,2007-06-10.