機電一體化系統方案創新設計理論與方法的研究

李青文

引言：機電一體化技術面對國際市場日益激烈的競爭，使產品的智能化成為機械產品的主要方向。過去單純靠仿制國外產品將使企業失去市場競爭力，機電一體化系統的創新設計關系到我國能否以自主知識產權的產品跨入世界制造業先進行列。本文以實現工作機功能的機電一體化系統為研究對象，采用機電一體化系統對機電一體化創新設計特點與設計模式進行了研究，并且提出了具體的新產品方案設計方式。

機電一體化控制系統的擁有量反映了一個國家的經濟能力和國防實力，目前我國是全世界機電一體化控制技術較先進的國家，但是機電一體化的利用率、開動率低，這樣我國制造業也很難把行業中機電一體化的控化率大幅度提上去。機電一體化在工業過程控制系統中接受調節器的控制信號，確保生產過程按預定要求正常執行，執行機構無需特殊的動力源就可以保持原執行位置，可遠距離傳輸信號，更適應采用電子信息新技術。

一、機電一體化技術的特點

1、安全性和可靠性。機電一體化產品都具有自動監視、報警、自動診斷等功能。在工作過程中電力故障時，能自采取保護措施，避免人身和設備事故，顯著提高設備的使用安全性。

2、工作質量提高.機電一體化產品具有信息自動處理和自動控制功能，其控制和檢測的精度上很大程度的提高.近幾年出新了復合加工機床，派生出各新穎的機床結構，可以采取虛擬軸機床和特殊機械結構。例如：復合型的一體化機床，在鉆深孔時大大提高效率。通過自動控制系統可保證機械按照設計的要求完成預定動作，使之不受機械操作者主觀因素的影響，從而保證最佳的工作質量和產品的合格率。由于高速加工技術普及，機床主軸轉速由3000～4000r/min提高到9000r/min，運動部件的加速度，其已由過去一般機床的0.4G提高到2G，直線電機在機床上開始使用，主軸上大量采用內裝式主軸電機。機電一體化產品實現了工作的自動化，使得生產能力大大提高。

3、使用性能改善.機電一體化產品普遍采用程序控制和數字顯示，操作按鈕數量顯著減少，操作技術大大簡化并且方便、簡單。機電一體化產品根據預設的程序逐步由電子控制系統指揮實現，系統通過被控對象的數學模型以及外界參數的變化隨即自尋最佳工作程序，實現自動最優化操作。

4、適用面廣。機電一體化產品跳出了機械機電一體化產品的單技術和單功能限制，使得產品的功能水平和自動化程度大大提高。具有自動化控制、自動補償、自動校驗、自動調節、自動保護等多種功能，能滿足用戶需求的應變能力較強。

5、調整和維護方便.機電一體化產品在安裝調試時，通過調整控制程序以適應不同用戶對象的需要，通過多種手段輸入到控制系統中，事先存入若干套不同的執行程序，然后根據不同的要求，只需給定一個代碼信號輸入，可按指定的預定程序進行自動工作。機電一體化的定位精度可以提高到提高到1mm左右，最小分辨率為的數控系統和已有產品，并且兩軸以上插補技術大大提高，納米級插補使機床聯動出的圓弧都可以達到1μ的圓度，提高了插補質量，并可進行自動拐角處理等。機電一體化產品的自動化檢驗和自動監事功能可對故障自動采取措施，使工作恢復正常。

6、網絡化。依據機電一體化機床的基本要求，提高機床的開動率是企業合理化、最佳化的方法。因此，計算機網絡制造和虛擬制造技術都在數控機床基礎上發展起來，這必然成為制造業發展的一個主要潮流。

二、機電一體化系統設計模型

機電一體化可控的執行機構子系統是高精度匹配性和信息融合的結構，也是機電一體化系統中設計方案創新的核心。

1、F-P-A-M 求解模型。它是根據總功能進行工藝動作過程的分解，通過與其它兩個子系統的集成與融合設計得到機電一體化系統的方案，它的柔性化程度 將多個單一功能的機械系統組合成多功能的機電一體化系統 ，用計算機控制系統取機械式的控制系統 ，提出了解模塊的接口匹配策略。

2、符號表達模型。機電一體化系統需要以簡圖的形式表達多種可行方案，該表達方法建立在常用機電一體化系統基本功能元模塊的層次上， 包括文字符號， 接口信息等符號，為計算機輔助機電一體化系統方案的創新設計提供了有效手段。機電一體化系統知識庫來源可快速存取功能元載體并能自動產生可行的設計方案。

三、機電一體化的結構設計方法

1、硬件結構設計 。一體化電動執行機構的電氣控制系統結構如圖所示，整個系統把可編程序控制器為整個控制系統的核心，它為用戶反饋各類狀態信號。該方法的優勢在于易于調整兩比較的標度值且能較好地維持原有的實際意義，兩兩比較相對優序值可以利用網狀圖的評價方法， 解決了無法排序方案的缺陷。

2、軟件設計。要實現機電一體化電動遠控和故障報警的管理與控制，關鍵在于電動執行機構開、關到位的準確性與實時性。專用可編程序控制器由主程序和多個子程序組成，程序框圖來自現場電動執行機構的信號，管理人員在現場或監控室都能對電動執行機構不斷掃描，實現對電源故障、電動機過熱和機械故障的報警功能。可編程序控制器通過人機界面和紅外線控制器的操作信號設置了數據查詢系統，并將這些數據放入特定寄存器中，以便通過Modbus。

參考文獻

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（作者單位：哈爾濱市萬博電子有限公司）