機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和方法

裴剛 朱喜文

摘 要：機(jī)電一體化起源于上世紀(jì)八十年代的日本，它融合了機(jī)械、自動(dòng)控制、伺服傳動(dòng)、電子、信息處理、傳感檢測(cè)、系統(tǒng)總體等多種技術(shù)，并綜合應(yīng)用到實(shí)際中去的綜合技術(shù)。它不是上述技術(shù)的簡單疊加，而是在從系統(tǒng)理論出發(fā)根據(jù)系統(tǒng)功能目標(biāo)和優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)目標(biāo)，對(duì)各組成部分及其間的信息處理，接口耦合，運(yùn)動(dòng)傳遞，物質(zhì)運(yùn)動(dòng)，能量變換進(jìn)行研究，組成有機(jī)的系統(tǒng)，集成各種技術(shù)，并在系統(tǒng)軟件程序和微電子的有序控制信號(hào)的作用下，使物質(zhì)和能量形成有規(guī)律運(yùn)動(dòng)的軌跡，在多功能性、高精度、高安全性、高可靠性、低能耗等諸多方面實(shí)現(xiàn)多種技術(shù)功能融合成最優(yōu)效果的系統(tǒng)工程技術(shù)。

1 現(xiàn)代機(jī)械的機(jī)電一體化目標(biāo)

1.1節(jié)約能源，降低能耗

通過采用低能耗的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、最佳調(diào)節(jié)控制和提高能源利用率等措施，機(jī)電一體化產(chǎn)品和系統(tǒng)可以取得良好的節(jié)能效果。

1.2提高安全性、可靠性

機(jī)電一體化系統(tǒng)通常具有自動(dòng)檢測(cè)、監(jiān)控子系統(tǒng)，因而可以對(duì)各種故障和危險(xiǎn)自動(dòng)采取保護(hù)措施并及時(shí)修正參數(shù)，提高系統(tǒng)的安全可靠性。

1.3改善操作性和實(shí)用性

機(jī)電一體化系統(tǒng)的各相關(guān)子系統(tǒng)的動(dòng)作順序和功能協(xié)調(diào)關(guān)系由控制系統(tǒng)決定。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，可以通過簡便的人機(jī)界面操作，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能控制和良好的使用效果。

1.4提高精度

機(jī)電一體化技術(shù)使機(jī)械傳動(dòng)部件減少，因而使由機(jī)械磨損、配合間隙及變形而引起的誤差大為減小。同時(shí)，由于機(jī)電一體化技術(shù)采用電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制，校正和補(bǔ)償由各種干擾因素造成的動(dòng)態(tài)誤差，從而達(dá)到單純機(jī)械裝備所不能實(shí)現(xiàn)的工作精度。

1.5增強(qiáng)功能

現(xiàn)代高新技術(shù)的引入，使機(jī)械產(chǎn)品具有多種復(fù)合功能，成為機(jī)電一體化產(chǎn)品和系統(tǒng)的一個(gè)顯著特點(diǎn)。

1.6提高生產(chǎn)效率

機(jī)電一體化系統(tǒng)可以有效地減少生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間和輔助時(shí)間，縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高產(chǎn)品的合格率，減少操作人員，從而提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

1.7減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件

減輕勞動(dòng)強(qiáng)度包括繁重的體力勞動(dòng)和復(fù)雜的腦力勞動(dòng)。機(jī)電一體化系統(tǒng)能夠由計(jì)算機(jī)完成設(shè)計(jì)制造和生產(chǎn)過程中極為復(fù)雜的人的智力活動(dòng)和資料記憶查找工作，同時(shí)又能通過過程控制自動(dòng)運(yùn)行，從而替代人的緊張和單調(diào)重復(fù)操作以及在危險(xiǎn)環(huán)境下的工作。

1.8簡化結(jié)構(gòu)，減輕重量

機(jī)電一體化系統(tǒng)采用先進(jìn)的電力電子器件和傳動(dòng)技術(shù)，替代老式笨重的電氣控制和機(jī)械變速結(jié)構(gòu)，由微處理器和集成電路等微電子元件和程序邏輯軟件，完成過去靠機(jī)械傳動(dòng)鏈來實(shí)現(xiàn)的關(guān)聯(lián)運(yùn)動(dòng)，從而使機(jī)電一體化產(chǎn)品和系統(tǒng)的體積小，結(jié)構(gòu)簡化，重量減輕。

1.9降低價(jià)格

由于機(jī)械結(jié)構(gòu)簡化，材料消耗減少，制造成本降低，而且電子器件的價(jià)格下降迅速，因此機(jī)電一體化產(chǎn)品和系統(tǒng)的價(jià)格日趨低廉，而使用性能、維修性能日趨完善，使用壽命不斷延長。

1.10增強(qiáng)柔性應(yīng)用功能

為了滿足市場(chǎng)多樣性的要求，機(jī)電一體化系統(tǒng)可以通過編制用戶程序來實(shí)現(xiàn)機(jī)電產(chǎn)品工作方式的改變，適應(yīng)各種用戶對(duì)象及現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)變化的需要。

2機(jī)電一體化系統(tǒng)開發(fā)的設(shè)計(jì)思想

機(jī)電一體化的優(yōu)勢(shì)，在于它吸收了各相關(guān)學(xué)科之長并加以綜合運(yùn)用而取得整體優(yōu)化效果。因此，在機(jī)電一體化系統(tǒng)開發(fā)的過程中，要特別強(qiáng)調(diào)技術(shù)融合、學(xué)科交叉的作用。機(jī)電一體化系統(tǒng)開發(fā)是一項(xiàng)多級(jí)別、多單元組成的系統(tǒng)工程。把系統(tǒng)的各單元有機(jī)地結(jié)合成系統(tǒng)后，各單元的功能不僅相互疊加，而且相互輔助、相互促進(jìn)、相互提高，使整體的功能大于各單元功能的簡單的和，即“整體大于部分的和”。

3機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

3.1整體設(shè)計(jì)法

這種方法主要用于全新產(chǎn)品和系統(tǒng)的開發(fā)。在設(shè)計(jì)時(shí)，完全從系統(tǒng)的整體目標(biāo)考慮各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，所以接口簡單，甚至可能互融一體。在大規(guī)模集成電路和微機(jī)不斷普及的今天，隨著精密機(jī)械技術(shù)的發(fā)展，完全能夠設(shè)計(jì)出將執(zhí)行元件、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、檢測(cè)傳感器、控制與機(jī)體等要素有機(jī)地融為一體的機(jī)電一體化新產(chǎn)品。

3.2組合法

這種方法就是選用各種標(biāo)準(zhǔn)模塊，像積木那樣組合成各種機(jī)電一體化系統(tǒng)。例如，設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床時(shí)，可以從系統(tǒng)整體的角度選擇工業(yè)系列產(chǎn)品，諸如數(shù)控單元、伺服驅(qū)動(dòng)單元、位置傳感檢測(cè)單元、主軸調(diào)速單元以及各種機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)件或單元等，然后進(jìn)行接口設(shè)計(jì)，將各單元有機(jī)的結(jié)合起來融為一體。在開發(fā)機(jī)電一體化系統(tǒng)時(shí)，利用此方法可以縮短設(shè)計(jì)與研制周期、節(jié)約工裝設(shè)備費(fèi)用，有利于生產(chǎn)管理、使用和維修。

3.3取代法

這種方法是用電氣控制取代原傳統(tǒng)中機(jī)械控制機(jī)構(gòu)。這種方法是改造傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品和開發(fā)新型產(chǎn)品常用的方法。例如，用電氣調(diào)速控制系統(tǒng)取代機(jī)械式變速機(jī)構(gòu)，用可編程序控制器或微型計(jì)算機(jī)來取代機(jī)械凸輪控制機(jī)構(gòu)、插銷板、步進(jìn)開關(guān)、繼電器等，以彌補(bǔ)機(jī)械技術(shù)的不足。這種方法不但能大大簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)，而且可以提高系統(tǒng)的性能和質(zhì)量。

4結(jié)語

綜上所述，機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工程，不是單一部門能夠獨(dú)自完成的，它需要眾多行業(yè)合作才能實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來確定電氣參數(shù)，綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)，充分體現(xiàn)機(jī)電一體化的優(yōu)越性。

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