机电一体化系统概念设计的基本原理

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机电一体化系统概念设计的基本原理

发表时间:2018-04-18T16:49:51.517Z 来源:《电力设备》2017年第33期作者:张磊

[导读] 摘要:机电一体化是微电子技术向机械工业渗透过程逐渐形成的一个较新概念,是各相关技术有机结合的一种新形式。

(神华准能集团选煤厂内蒙古鄂尔多斯市 010300)

摘要:机电一体化是微电子技术向机械工业渗透过程逐渐形成的一个较新概念,是各相关技术有机结合的一种新形式。充分运用电子计算机的信息处理和控制功能可控驱动元件特性的现代化机械系统实现了机械系统的智能化、自动化。本文分析机电一体化系统概念设计原理,研究机电一体化系统概念设计的关键技术,并建立机电一体化系统概念设计的过程模型。以望促进机电一体化系统的研究与发展。

关键词:机电一体化;系统概念设计;基本原理

机电一体化系统广泛地综合了机械、微电子、自动控制、信息、传感测试、电力电子、接口、信号变换和软件编程等技术,并将这些技术有机的结合成一体,它是当今世界机械工业技术和产品发展的潮流。机电一体化技术并非现代尖端技术,它是微电子技术和精密机械技术相互融合,是实现系统整体最优化的产物,属于技术综合应用范畴。是充分挖掘多学科合作共生的体现。

一、机电一体化的发展背景

总的来说,机电一体化技术的发展可以分成三个阶段。1960年以前可以视为第一阶段。作为机电一体化发展的初级阶段,由于种种原因,比如当时的电子技术水平和机械技术水平都没有得到完善,使得运用机电一体化技术开发出来的产品不能够被广泛的推广。但是,人们在有意无意的情况下已经开始运用简单的电子技术来完善产品的机械性能了。尤其是在战争时期,电子技术和机械产品的完美结合,使得这项军用技术发挥出了重要的作用。战争结束后,这项技术由以前的军用转变为民用,促进了战后经济的快速发展。第二阶段的发展是在1970年至1980年之间,在这一发展时期,机电一体化技术不仅得到了来自通信技术、计算机技术和控制技术等提供的技术基础,而且由于微型计算机和大规模集成电路的飞速发展,机电一体化还得到了充分的物质基础。1990年以来,机电一体化技术已经开始向智能化的新阶段迈进。在这个深入发展的阶段里,一些人工智能技术、光纤技术以及神经网络技术如雨后春笋般的迅速发展,给机电一体化技术打开了一片新的发展天地。

二、机电一体化系统概念设计原理

2.1机电一体化系统的概念设计内涵

产品的概念设计是实现产品创新的关键。因此,对产品的概念设计理论与方法的研究,得到了各个地方人士的关注,目前已成为学术研究的热点。人们也慢慢认识到产品设计最重要、最复杂、最富有创造性的阶段是概念设计,产品的概念设计也是一个从无到有、从上到下、从模糊到清晰、从抽象到具体的过程。特别是近几年来,随着计算机图形学、虚拟现实、敏捷设计、多媒体等技术的发展和CAD/CAM 应用的深入,产品概念设计的研究也有了新的进展。概念设计比较全面的定义:概念设计是根据产品生命周期各个阶段的要求,进行产品功能创造、功能分解以及功能和子功能的结构设计;进行满足功能和结构要求的工作原理求解和实现功能结构的工作原理载体方案的构思和系统化设计。0概念设计可划分为功能设计、原理设计、方案设计及初步结构设计四个阶段。

2.2机电一体化系统的功能构成

目前,对机电一体化系统仍然没有一个普遍认同的定义。由于机电一体化系统的跨学科性及其自身的复杂性,不同学科领域的学者分别从不同的研究角度对机电一体化系统进mechatronics/definitions,html可以得到几十种关于机电一体化系统的定义。从功能上讲,是用于完成包括机械力、运动和能量流等多动力学任务的机械和(或)机电部件相互联系的系统。机电一体化系统是一个完整的系统,强调各种技术的协调和集成,各部分之间是有机结合而不是简单拼凑和堆积。关于机电一体化系统的设计理论研究方面,认为机电一体化产品是由控制功能、动力功能、构造功能、传感检测功能和操作功能五大功能模块组成丹麦理工大学的Jacob Burr等人提出的三环论,认为机电一体化产品分为机械、电子、软件三大功能模块,挪威科技大学的Bassam A.Hussein提出的两个子系统论,将机电一体化系统划分为物理系统与控制系统两大子系统。以上三种结构组成的划分,更多地立足于电或控制的角度,没有突出机械主体部分,也没有很好地解决机电一体化系统概念设计的模糊性、复杂性和多面性,因此不利于产品的系统设计,尤其是概念设计。从概念设计的需要出发,从完成工艺动作过程这一总功能要求出发,将机电一体化系统划分为广义执行机构子系统、传感检测子系统、信息处理及控制子系统三个子系统,称为/三子系统论。三个子系统分别完成机械运动和动作、信息检测、信息处理及控制。这种划分有利于对机电一体化系统按功能进行分解,分别寻求各自的功能载体,通过集成优化来得到机电一体化系统的概念设计的若干方案。

三、机电一体化的关键技术

3.1传感器技术

任何机电一体化产品,都要求传感器能快速、准确地采集信息。随着测控技术的发展,对传感器的检测速度、灵敏度和精度的要求越来越高,并推动传感器技术的发展。集成化和智能化是传感器的发展方向,传感器技术是现代科技的起点。

3.2信息处理技术

信息处理技术包括信息输入、变换、运算。信息处理技术的硬件包括有输入/输出设备编程控制器和数控装置等。信息处理是否及时,直接影响产品的质量和效率。存储、判断、决策和输出等技、显示器、磁盘、计算机、可处理结果是否正确和精确,将直接影响产品的质量和效率。

3.3系统技术即以整体概念组织应用各种相关技术,从全局角度和系统目标出发,将总体分解成相互关联的若干功能单元,接口技术是系统技术中一个重要方面,是实现系统各部分有机连接的保证。

3.4自动控制技术

自动控制技术包括高精度定位控制、速度控制、力控制、自适应控制,以及自诊断、仿真、校正、补偿、再现、检索等等。经典控制理论和现代控制理论是自动控制的理论基础,微机的发展为控制理论的应用和实施提供了条件。自动控制技术的发展,得以使机电一体化产品实现多功能和全功能控制、多微机分级控制、复杂控制系统的仿真、自适应控制、自诊断监控和容错等。

3.5伺服驱动技术

伺服驱动技术包括电动、气动、液压等直接执行操作技术,对产品的质量产生直接的影响。在机电一体化产品中,对电动机、液压马达、气马达等执行元件的精度、可靠性要求更高,响应速度要求更快。伺服驱动技术的发展,得以使机电转换件具有高精度、高可靠性和

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