机电一体化系统

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机电一体化系统(mechatronics system)

　　机电一体化系统是指充分运用电子计算机的信息处理和控制功能及可控驱动元件特性的现代化机械系统，它实现了机械系统的自动化和智能化。

　　这些部分可以归纳为：结构组成要素、动力组成要素、运动组成要素、感知组成要素、智能组成要素；这些组成要素内部及其相互之间，通过接口耦合、运动传递、物质流动、信息控制、能量转换有机融合集成一个完整系统。

　　1．机械本体

　　系统所有功能元素的机械支持结构，包括机身、框架、联接等。由于机电一体化产品技术性能、水平和功能的提高，机械本体要在机械结构、材料、加工工艺性以及几何尺寸等方面适应产品高效、多功能、可靠和节能、小型、轻量、美观等要求。

　　2．动力与驱动部分

　　按照系统功能要求，为系统提供能量和动力使系统正常运行。用尽可能小的动力输入获得尽可能大的功能输出，是机电一体化产品的显著特征之一。

　　驱动部分在控制信息作用下，提供动力，驱动各执行机构完成各种动作和功能。有气动、电动和液压等不同的驱动方式。机电一体化系统一方面要求驱动的高效率和快速响应特性，同时要求对水、油、温度、尘埃等外部环境的适应性和可靠性。由于几何尺寸上的限制，动作范围狭窄，还需考虑维修和实行标准化。由于电力电子技术的高度发展，高性能步进驱动、直流和交流伺服驱动大量应用于机电一体化系统。

　　3．测试传感部分

　　对系统运行中所需要的内部和外界环境的各种参数及状态进行检测，变成可识别信号，传输到信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的控制信息。其功能一般由专门的传感器和仪器仪表完成。

　　4．执行机构

　　根据控制信息和指令，驱动对象完成要求的动作。执行机构是运动部件，一般采用机械、电磁、电液等机构。根据机电一体化系统的匹配性要求，需要考虑改善性能，如提高刚性，减轻重量，实现组件化、标准化和系列化，提高系统整体可靠性等。

　　5．控制及信息单元

　　控制及信息单元是进行信息处理与控制的核心，犹如人的大脑。它将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、储存、分析、加工，根据信息处理结果，按照一定的程序和节奏发出相应的指令控制整个系统有目的地运行。一般由计算机、可编程控制器(PLC)、数控装置以及逻辑电路、A／D与D／A转换、I／O(输入／输出)接口和计算机外部设备等组成。机电一体化系统对控制和信息处理单元的基本要求是：提高信息处理速度，提高可靠性，增强抗干扰能力以及完善系统自诊断功能，实现信息处理智能化和小型、轻量、标准化等。

　　以上的基本要素通常称为机电一体化的五大组成要素。在系统中的这些单元和它们各自内部各环节之问都遵循接口耦合、能量转换、信息控制、运动传递的原则，我们称它们为四大原则。

　　1．接口耦合、能量转换

　　(1)变换

　　两个需要进行信息交换和传输的环节之问，由于信息的模式不同(数字量与模拟量、串行码与并行码、电压与电流、交流与直流等)，无法直接实现信息或能量的交流，通过接口完成信息或能量的统一。

　　(2)放大

　　在两个信号强度相差悬殊的环节间，经接口放大，达到能量的匹配。

　　(3)耦合

　　变换和放大后的信号在环节问能可靠、快速、准确地交换，必须遵循一致的时序、信号格式和逻辑规范。接口应保证信息的逻辑控制功能，使信息按规定模式进行传递。

　　(4)能量转换还包含了执行器、驱动器的不同类型能量的最优转换方法与原理。

　　2．信息控制

　　在系统中，所谓智能组成要素的系统控制单元，在软、硬件的保证下，完成数据采集、分析、判断、决策，以达到信息控制的目的。对于智能化程度高的系统，还包含了知识获取、推理机制及知识自学习等以知识驱动为主的信息控制。

　　3．运动传递

　　运动传递是指各组成要素之间不同类型运动的变换与传输以及以运动控制为目的的优化。

　　由于采用四大原则使各组成要素联接成为一个有机整体，由于控制和信息处理单元的预期信息导引，使各功能环节有目的地协调一致运动，从而形成机电一体化系统工程。

　　一、机电一体化系统开发的设计思想^[3]

　　机电一体化的优势，在于它吸收了各相关学科之长并加以综合运用而取得整体优化效果，因此在机电一体化系统开发的过程中，要特别强调技术融合，学科交叉的作用。机电一体化系统开发是一项多级别、多单元组成的系统工程。把系统的各单元有机的结合成系统后，各单元的功能不仅相互叠加，而且相互辅助、相互促进、相互提高，使整体的功能大于各单元功能的简单的和，即“整体大于部分的和”。当然，如果设计不当，由于各单元的差异性，在组成系统后会导致单元间的矛盾和摩擦，出现内耗，内耗过大，则可能出现整体小于部分之和的情况，从而失去了一体化的优势。因此，在开发的过程中，一方面要求设计机械系统时，应选择与控制系统的电气参数相匹配的机械系统参数；同时也要求设计控制系统时，应根据机械系统的固有结构参数来选择和确定电气参数。综合应用机械技术和微电子技术，使二者密切结合、相互协调、相互补充，充分体现机电一体化的优越性。

　　二、机电一体化系统设计方法^[3]

　　拟定机电一体化系统设计方案的方法有取代法、整体设计法和组合法。

　　1．取代法

　　这种方法是用电气控制取代原传统中机械控制机构。这种方法是改造传统机械产品和开发新型产品常用的方法。如用电气调速控制系统取代机械式变速机构，用可编程序控制器或微型计算机来取代机械凸轮控制机构、插销板、步进开关、继电器等，以弥补机械技术的不足，这种方法不但能大大简化机械结构，而且还可以提高系统的性能和质量。这种方法的缺点是跳不出原系统的框架，不利于开拓思路，尤其在开发全新的产品时更具有局限性。

　　2．整体设计法

　　这种方法主要用于全新产品和系统的开发。在设计时完全从系统的整体目标考虑各子系统的设计，所以接口简单，甚至可能互融一体。例如，某些激光打印机的激光扫描镜，其转轴就是电动机的转子轴，这是执行元件与运动机构结合的一个例子。在大规模集成电路和微机不断普及的今天，随着精密机械技术的发展，完全能够设计出将执行元件、运动机构、检测传感器、控制与机体等要素有机地融为一体的机电一体化新产品。

　　3．组合法

　　这种方法就是选用各种标准模块，像积木那样组合成各种机电一体化系统。例如，设计数控机床时可以从系统整体的角度选择工业系列产品，诸如数控单元、伺服驱动单元、位置传感检测单元、主轴调速单元以及各种机械标准件或单元等，然后进行接口设计，将各单元有机的结合起来融为一体。在开发机电一体化系统时，利用此方法可以缩短设计与研制周期、节约工装设备费用，有利于生产管理、使用和维修。

　　三、机电一体化系统设计的内容^[4]

　　在机电一体化系统(产品)中控制系统设计的主要内容可归结为：确定系统整体控制方案、确定控制算法、选择微型计算机、进行系统的硬件和软件设计，以及系统统调。

　　1．确定系统整体控制方案

　　(1)确定控制任务

　　在设计系统以前，必须对控制对象的工作过程进行深入的调查、分析和熟悉，并明确实际应用中的具体要求，按机械与电子功能划分方案确定系统所要完成的任务，然后用控制流程图或其他适当形式描述控制过程和任务，写成设计任务说明书，作为整个控制系统设计的依据。

　　(2)构思控制系统的整体方案

　　1)确定系统的控制结构形式是开环还是闭环控制。

　　2)采用闭环控制时应考虑检测传感器的选择和所要求精度级别，并考虑机构安装、使用环境等问题。

　　3)选择执行元件是电动、气动还是液压或其他，根据控制对象具体要求，比较方案的优缺点，择优而用。

　　4)明确微机在系统中的作用：是设定值计算、直接控制还是数据处理和应具备的功能，需要哪些输入／输出通道和配置哪些外围设备等。最后，画出系统组成的原理框图和附加说明，作为进一步设计的基础，并初步估算成本。

　　2．建立数学模型确定控制方法

　　建立系统的数学模型是个复杂过程，也是一个试探的过程，需要反复权衡。

　　1)根据已初步确定的控制系统的物理结构，采用合适的控制理论方法建立和组成各环节以及整个系统的数学模型表达形式。通过静、动特性计算，为计算机进行运算处理提供依据。

　　2)根据不同的控制对象和不同的控制性能指标要求，选择不同的控制算法。对过程控制设备的直接数字控制系统常用PID调节的控制算法；在位置数字随动系统中常用实现最少拍控制的控制算法；机床数字控制中常使用逐点比较法、数字积分法和数据采样法的控制算法。另外，还有多种最优控制的控制算法、随机控制和自适应控制的控制算法等供选择。

　　3)当控制系统较复杂时，控制算法也比较复杂，为设计、调试方便，可忽略小的非线性、小延时等因素的影响，将控制算法作某些合理的简化。利用计算机系统仿真技术，逐步将控制算法完善，直到获得最好的控制效果。

　　总之，控制算法的确定是一个反复修正与试验的渐进过程。

　　3．选择微型计算机

　　对于微机所承担的任务给定以后，完成同一任务的微机方案有多种。一般以既能完成给定任务(应包括处理确定的控制算法)、又能充分发挥选用微机的功能、再留有一定功能余量为原则来选择。

　　从控制生产机械或生产过程要求出发，微型机应满足以下要求：

　　(1)有较完善的中断系统

　　对于控制用计算机，实时控制功能是一大特点。它包含系统正常运行时的实时控制能力和发生故障时紧急处理的能力。这种处理和控制一般都采用中断控制方式，即CPU及时接收终端请求、暂停原来执行程序，转而执行相应的中断服务程序，待中断处理完毕，再返回继续执行原程序。

　　在选用与CPU相应的接口芯片时也应有中断工作方式，以保证控制系统能满足生产中提出的各种要求。对于比较复杂的控制，要考虑采用实时操作系统。

　　(2)足够的存储容量

　　由于微型机内存容量有限，当内存容量不足以存放程序和数据时，应扩充内存，或配备适当的外存储器(如硬磁盘等)。

　　(3)完备的输入／输出通道

　　输入输出通道是系统外部过程和微机交换信息的通道。根据实际需要有开关量输入／输出通道、模拟量输入／输出通道、数字量输入／输出通道和实现快速、批量交换信息的直接数据通道。通道的操作方式有串行、并行以及随机选择与按某种预订顺序进行工作等。

　　(4)微处理器芯片的选择

　　这一选择的实质就是确定能满足控制功能要求的微处理器的字长、速度和指令系统。这三者是相互依存的。一般选择：

　　1)对通常的顺序控制、程序控制可选用1位微处理器；

　　2)对计算量小、计算精度和速度要求不高的系统可选用4位微处理器，如计算器、家用电器控制及简易控制等；

　　3)对计算精度要求较高、处理速度较快的系统可选用8位微处理器，如经济型的线切割机床、普通机床的控制和温度控制等；

　　4)对要求计算精度高、处理速度快的系统统可选用16位或32位微处理器，甚至采用精简指令集运算的芯片RIRC或多CPU，如控制算法复杂的生产过程控制，要求高速运行的机床控制，特别是大量的数据处理等。

　　(5)系统总线的选择

　　微型计算机主要由若干块印制电路板(按功能模块设计、制造)构成。各块板之间的连接，当然是通过印制板的插座之间的连线来实现的。通常，为了给使用和维护带来方便，希望插座之间的连线具有通用性——一个系统中的各块印制板可插在任一插座上。同时，也是为了各厂家生产的电路板具有通用性、互换性，就要对插座及连线订个标准。这就是系统总线选择的由来。

　　目前支持微型计算机系统机构的总线有：STD Bus支持8位和16位字长；Multi Bus工型可支持16位字长，Ⅱ型可支持32位字长；S-100 Bus可支持16位字长；VERSA Bus可支持32位字长，以及VME bus可支持32位字长等。生产厂家为这类总线提供各种型号规格的OEM(初始设备制造)产品，包括主模块和从模块，由用户任意选配。

　　4．系统总体设计

　　系统设计主要是依据上述控制方案、设计所要求和选用的微机类型，对系统进行具体的设计。其设计可分为硬件的接口设计和软件设计两大类型。

　　在对系统总体设计时，一个最重要的问题是如何解决微机、被控对象和操作者这三者之间可靠地适时进行信息交换的通道和分时控制的时序安排。也就是综合考虑用硬件配置和软件措施解决系统运行的次序安排，以保证系统有条不紊地运行。

　　(1)接口设计

　　对于一种产品(或系统)，其各部件之间，各子系统之间往往需要传递动力、运动、命令或信息，这都是通过各种接口来实现的。机械本体各部件之间、执行元件与执行机构之间、检测传感元件与执行机构之间通常是机械接口；电子电路模块相互之间的信号传送接口、控制器与检测传感元件之问的转换接口、控制器与执行元件之间的转换接口通常是电气接口。

　　机电一体化产品的内外接口实际上就是一种进行物质、能量和信息交换的界面，它具有存储、转换和服务功能。按功能可以将接口划分为以下3种：

　　1)零接口。不需进行任何转换，把具有结合关系的两部分直接连接起来称为零接口，如连接管、电缆、接线柱和刚性联轴节等。

　　2)普通转换接口。在具有结合关系的两部分之间存在能量或信息的转换，但不含微处理器的接口为普通转换接口。如减速器、变压器、电磁离合器、放大器、光电耦合器、A／D转换器、D／A转换器等。

　　3)智能转换接口。它是一种含有微处理器的转换接口，具有可编程的特点，因而能够自动改变接口条件，如由微处理器编程的8255A，8279，PIO等。

　　目前，大部分硬件接口和软件接口都已标准化或正在逐步标准化。对于硬件接口，在设计时可以根据需要选择适当的接口，再配合接口编写相应的程序。

　　(2)操作控制台设计

　　微机控制系统必须便于人机联系，通常都要设计一个现场操作人员使用的控制台。这个控制台一般不能用微机所带的键盘代替。原因是现场操作人员需要的是简单、明了、安全的操作面板，以实现对机器的操作。所以，要求操作控制台应有以下功能：

　　1)有一组或几组数据输入键(数字键或拨码开关等)，用于输入或更新给定值、修改控制器参数或其他必要的数据。

　　2)有一组或几组功能键或转换开关，用于转换工作方式，启动、停止系统或完成某种指定功能。

　　3)有一个显示装置或显示屏，用于显示各种运行状态、参数及故障指示等。控制台上应该有一个“紧急停止”按钮，用于有紧急事故时停止系统运行，转入故障处理。

　　应当明确指出，控制台上每一种信号都与系统的运行状态密切相关。设计时，必须明确这些转换开关、按钮、键盘、显示器和故障指示灯的作用和意义，仔细设计控制台的硬件及其相应的管理程序，使设计的操作控制台既能方便操作又保证安全可靠，即使操作失误也不会引起严重后果。

　　(3)微型计算机控制系统的电源设计

　　微机控制系统中的电源，根据需要可以有不同的类型(直流和交流)和规格(电压和功率)。按照使用情况，对性能的要求也不尽相同，在设计过程中应按实际要求合理选用调试，并控制电压变动。电源本身要具有过压、短路、过载保护和热保护，否则将会造成不可弥补的损失。

　　(4)整机的安装、联接设计

　　这是一种整体结构设计。微机控制系统安装既包括了与被控对象的联接安排，也考虑了主机本身的安装联接问题。其设计原则应该是安装、联接的可靠性和使用、装配、维护的方便性。

　　1)安装、联接结构具有防震性，即印制电路板、接插件和元器件包括电缆等应牢固地安装在同一个机壳上，不因振动而松动。

　　2)采用标准或专用、制造质量好的防松接插件，以保证接触可靠而又使用、维护方便。

　　3)布线结构要合理，能防止相互间的电磁耦合干扰。一定要使信号线和功率线进行隔离，分别走线。对模拟信号更要注意走线的长短和屏蔽，如走线太长，需要考虑进行信号增强等措施。

　　4)正确安装安全地线、信号地线、屏蔽地线以及功率地线和强电地线，最终要进行地线连接。地线要采用一点接地型，即把信号地线、功率地线、被控对象地线(安全地)等连接到公共接地点。而总的公共接地点必须与大地接触良好，一般接地电阻要小于(4～7)Ω。

　　(5)软件设计

　　对于选定的微机控制系统，其微机本身已有一定的软件支持，一般这些软件要求用户了解其使用方法和基本原理。如果把微型计算机专门为某一控制领域而设计成专用的控制计算机，用户就需要利用计算机的指令系统和相应的开发系统来设计系统软件，即控制软件、管理软件、诊断软件等。这些系统软件的设计要求更有专用性和针对性。

　　在微机控制中，其软件任务大体可以分为数据处理和过程控制两大基本类型。数据处理主要包括数据的采集、数字滤波、标度变换，以及数值计算等等。过程控制主要是使微机按照一定控制算法进行计算，然后进行输出去控制生产。

　　5．系统联调

　　微机控制系统设计完成后，硬件电路要进行制作、安装及试验，并进行连续烤机运行。软件各模块要在微机上分别进行调试，使其正确无误，然后存盘。上述工作完成后，就可将硬件与软件组合起来进行系统联调的模拟试验，正确无误后，进行现场实验，直到正式运行。在这个阶段，最重要的是仔细设计模拟调试的方法与步骤，以及所用的测试手段。

　　此外，在现场试验前，要仔细检查接线，无误后才能进行现场调试。现场调试的步骤根据不同对象要仔细考虑。首先要把涉及的自动保护项目进行实验，确认有效后才可进入功能、参数等项目的试验。

　　机电一体化系统在机械产品中应用已十分广泛。机电一体化技术的应用使机械产品的结构、功用、性能等方面产生重大的变化。具体来说表现在下述几个方面。

　　1．机电一体化技术可以实现机械产品的高性能和多功能

　　在原有机械产品中引进了机电一体化技术后，使其自动化程度提高，工艺动作易于复杂多变，工艺质量提高和能耗降低等。例如，对于工艺动作复杂、产品更新换代快的轻工机械、纺织机械、印刷机械、包装机械和制药机械等行业都十分重视产品的机电一体化。机械产品的机电一体化使产品的技术含量和附加值大为提高，有利于适应日益激烈的市场竞争需要。

　　2．用电子控制器件取代机械中部分的机械控制机构

　　用电子控制器件替代机械控制机构可以扩大原有机械产品的功能，提高工作性能。如普通机床加上数控系统，普通缝纫机上增加电子控制的绷架系统都可以使机械产品水平大为提高。

　　3．以电子器件为主的机电共存的产品

　　这类产品一般来说机械结构比较简单，但要考虑机电两者的融合以提高产品的性能。复印机、录音机、录像机等均属于这类产品。

　　从以上情况来看，机电一体化系统是有不同层次和应用场合的。其机电融合的程度也是因具体产品而异。

　　机电一体化系统的主要评价内容通常如表1所示。机电一体化系统由三个子系统组成，比较复杂，其性能指标涉及的方面较多。评价的目的是为了得到性能优良、可靠性高和价格低的综合最优的系统。对于一个具体的机电一体化系统，应根据相关专家的咨询意见，确定评价指标值的大小来求得综合最优值，以确定机电一体化的方案。

　　表1表示的是机电一体化系统的功能和评价指标、评价指标值，可以作为系统评价时的参考。

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