論機電一體化技術的控制原理及應用

韓大明 石明東

摘 要：機電一體化作為機械技術與微電子技術相互融合發展的結晶，打破了傳統的機械工程、建筑工程、控制工程等舊單元模塊的劃分，形成了集機械技術、計算機技術等技術為一體的新興交叉學科。本文討論了機電一體化技術的控制原理，并說明了其在機械工程行業中的應用。

關鍵詞：機電一體化；控制原理，應用

1、機電一體化技術概要

機電一體化是指在機構的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進電子技術，將機械裝置與電子化設計及軟件結合起來所構成的系統的總稱?！皺C電一體化”這個詞是日本安川電機公司在上世紀60年代末作商業注冊時最先創用的。當時人們一直把機電一體化看作是機械與電子的結合。機電一體化發展至今也已成為一門有著自身體系的新型學科。隨著科學技術的不斷發展，還將被賦予新的內容。但其基本特征可概括為：機電一體化是從系統的觀點出發，綜合運用機械技術、微電子技術、自動控制技術、計算機技術、信息技術、傳感測控技術、電力電子技術、接口技術、信息變換技術以及軟件編程技術等群體技術，根據系統功能目標和優化組織目標，合理配置與布局各功能單元，在多功能、高質量、高可靠性、低能耗的意義上實現特定功能價值，并使整個系統最優化的系統工程技術。由此而產生的功能系統，則成為一個機電一體化系統或機電一體化產品。

因此，“機電一體化”涵蓋“技術”和“產品”兩個方面。只是，機電一體化技術是基于上述群體技術有機融合的一種綜合技術，而不是機械技術、微電子技術以及其它新技術的簡單組合、拼湊。這是機電一體化與機械加電氣所形成的機械電氣化在概念上的根本區別。機械工程技術有純技術發展到機械電氣化，仍屬傳統機械，其主要功能依然是代替和放大的體力。但是發展到機電一體化后，其中的微電子裝置除可取代某些機械部件的原有功能外，還能賦予許多新的功能，如自動檢測、自動處理信息、自動顯示記錄、自動調節與控制、自動診斷與保護等。即機電一體化產品不僅是人的手與肢體的延伸，還是人的感官與頭腦的眼神，具有智能化的特征是機電一體化與機械電氣化在功能上的本質區別。

2、機電一體化技術的控制原理

PC機控制一個機器運動是機電一體化技術典型的代表。就現代工業來說，基本上由PC機發出的電子信號，然后被機械識別，最后由電動機拖動。對于控制電動機的起動、停止、調速和制動，一般需采用接觸器或電子元件，通過控制電動機電路的通斷實現。

接觸器要控制電動機電路的通斷，主要是控制線圈的電源，即：接觸器的線圈通電，使其觸頭改變狀態，由原來的斷開的變成閉合，或者原來的閉合的變成斷開。由于計算機輸出的信號功率太小，而控制接觸器一般需要較大的功率才能工作。因此，為了實現對電動機的工作狀態的控制，需要通過斷電器或其它元件對控制信號進行功率放大，再用放大后的信號控制接觸器的通電與斷電。

有觸點的控制系統是采用繼電器、接觸器控制的電路系統，是較早采用的控制方案，目前仍具有相當廣泛的應用；現在的控制系統很多采用晶閘管、晶體管等作為控制元件，稱為無觸點控制系統。計算機輸出的信號同樣需要進行功率放大，然后控制允許通過的較大電流、能承受高電壓的晶閘管或大功率晶體管。通過控制信號控制晶閘管或大功率晶體管，實現晶閘管或大功率晶體管接通或斷開電動機的主電路，從而控制電動機工作。

3、機電一體化技術的應用

縱觀我國機電一體化的發展歷程，可發現機電一體化在我國的起步發展是較晚的，為此，大量的基礎理論與技術未能得到較好的研究，國內也未能涌現出強大的自助研發能力，前期只能研究國外的機電一體化產品，從中獲得經驗和技術成果。但是，20世紀80年代起，機電一體化技術得到了國務院的重視，成立了專門的機電一體化領導小組，并納入了“國家863計劃”。在制定“九五”規劃和2010年發展綱要時充分考慮了國際上關于機電一體化技術的發展動向，以及由此可能帶來的影響。在國內，許多研究機構、高校設立專門項目、專業課程來研發、學習該技術，部分大型企業也對機電一體化技術的發展及應用做了大量工作，取得了一定的成果，具體有以下幾個方面的突出表現。

3.1 在現代機械制造業中的應用

傳統的機械制造業是建立在規模經濟的基礎之上，靠企業規模、批量生產、產品結構和重復性來獲得競爭優勢，主要強調的是資源的有效利用，以低成本獲得高效率、高質量，其盈利來自于機器取代人，復雜的專業加工取代人工技能。而先進的機械制造業則不同，是以信息為主導，采用先進的生產模式、制造系統、制造技術、組織管理的全新機械制造業，具有網絡化、虛擬化、智能化、全球化以及環保綠色化的特征?，F代制造業集成了現代科學技術的發展，充分利用電子計算機技術，使制造技術提高到新的高度，近年來，制造工程領域也相繼誕生了很多的新技術，如：計算機數字控制、現代集成制造系統、柔性制造技術等。

3.2 在煤礦行業中的應用

隨著工業的快速發展，向機電要產量、要效益是煤炭行業提出的新要求和目標。機電一體化在煤炭行業中有著小型化、智能化、數字化、綠色化的發展方向。

機電一體化技術在煤礦含有中的應用主要體現在一下幾個方面：（1）在線監控、故障自診、自動報警，即對煤礦機械的電動機、傳動系統、工作裝置、制動系統和液壓系統等的在線運行狀態監控，出現故障能動報警并準確地指出故障的部位；（2）節能降耗，提高生產效率，例如：井下使用的膠帶輸送機、通風機、提升機等，使用變頻起動、PLC控制系統，節電量就為30%左右，同時生產效率也大大提高；（3）自動化或半自動化程度的提高。煤礦機械實現自動化或半自動化控制，可以減輕操作者的勞動強度，提高生產效率，并減少因操作者的經驗不足對作業精度的影響。

3.3 在數控機床中的應用

機電一體化技術在數控機床及相應的數控技術中的使用，經過40年的發展，在結構、功能、操作和控制精度等方面都得到了迅速提高，主要體現在一下幾個方面：（1）總線式、模塊化、緊湊型的結構，以單板、單片機作為控制機，加上專用芯片及模板組成結構緊湊的數控裝置；（2）能同時完成多個獨立加工任務或控制多臺和多種機床的能力，將刀具破損檢測、物料搬運、機械手等控制都集成到系統中去，實現了多過程、多通道控制；（3）WOP技術和智能化的運用，系統能提供面向車間的編程技術和實現二、三維加工過程的動態仿真，并引入在線診斷、模糊控制等智能機制；（4）系統的多級網絡功能，加強了系統組合及構成復雜加工系統的能力；（5）硬件體系結構和功能模塊具有層次性、兼容性、符合接口標準，能最大限度地提高用戶的使用效益，實現了開放性設計；（6）數控功能、CNC系統控制功能，得到豐富和加強的大容量存儲器的應用和軟件的模塊化設計。

結束語：

機電一體化的出現是許多科學技術發展的結晶，是社會生產力發展到一定階段的必然要求。隨著科學技術的發展，各種技術相互融合的趨勢將越來越明顯，機電一體化技術的發展前景將更為廣闊。

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