機電一體化系統

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機電一體化系統(mechatronics system)

　　機電一體化系統是指充分運用電子電腦的信息處理和控制功能及可控驅動元件特性的現代化機械繫統，它實現了機械繫統的自動化和智能化。

　　這些部分可以歸納為：結構組成要素、動力組成要素、運動組成要素、感知組成要素、智能組成要素；這些組成要素內部及其相互之間，通過介面耦合、運動傳遞、物質流動、信息控制、能量轉換有機融合集成一個完整系統。

　　1．機械本體

　　系統所有功能元素的機械支持結構，包括機身、框架、聯接等。由於機電一體化產品技術性能、水平和功能的提高，機械本體要在機械結構、材料、加工工藝性以及幾何尺寸等方面適應產品高效、多功能、可靠和節能、小型、輕量、美觀等要求。

　　2．動力與驅動部分

　　按照系統功能要求，為系統提供能量和動力使系統正常運行。用儘可能小的動力輸入獲得儘可能大的功能輸出，是機電一體化產品的顯著特征之一。

　　驅動部分在控制信息作用下，提供動力，驅動各執行機構完成各種動作和功能。有氣動、電動和液壓等不同的驅動方式。機電一體化系統一方面要求驅動的高效率和快速響應特性，同時要求對水、油、溫度、塵埃等外部環境的適應性和可靠性。由於幾何尺寸上的限制，動作範圍狹窄，還需考慮維修和實行標準化。由於電力電子技術的高度發展，高性能步進驅動、直流和交流伺服驅動大量應用於機電一體化系統。

　　3．測試感測部分

　　對系統運行中所需要的內部和外界環境的各種參數及狀態進行檢測，變成可識別信號，傳輸到信息處理單元，經過分析、處理後產生相應的控制信息。其功能一般由專門的感測器和儀器儀錶完成。

　　4．執行機構

　　根據控制信息和指令，驅動對象完成要求的動作。執行機構是運動部件，一般採用機械、電磁、電液等機構。根據機電一體化系統的匹配性要求，需要考慮改善性能，如提高剛性，減輕重量，實現組件化、標準化和系列化，提高系統整體可靠性等。

　　5．控制及信息單元

　　控制及信息單元是進行信息處理與控制的核心，猶如人的大腦。它將來自各感測器的檢測信息和外部輸入命令進行集中、儲存、分析、加工，根據信息處理結果，按照一定的程式和節奏發出相應的指令控制整個系統有目的地運行。一般由電腦、可編程式控制制器(PLC)、數控裝置以及邏輯電路、A／D與D／A轉換、I／O(輸入／輸出)介面和電腦外部設備等組成。機電一體化系統對控制和信息處理單元的基本要求是：提高信息處理速度，提高可靠性，增強抗干擾能力以及完善系統自診斷功能，實現信息處理智能化和小型、輕量、標準化等。

　　以上的基本要素通常稱為機電一體化的五大組成要素。在系統中的這些單元和它們各自內部各環節之問都遵循介面耦合、能量轉換、信息控制、運動傳遞的原則，我們稱它們為四大原則。

　　1．介面耦合、能量轉換

　　(1)變換

　　兩個需要進行信息交換和傳輸的環節之問，由於信息的模式不同(數字量與模擬量、串列碼與並行碼、電壓與電流、交流與直流等)，無法直接實現信息或能量的交流，通過介面完成信息或能量的統一。

　　(2)放大

　　在兩個信號強度相差懸殊的環節間，經介面放大，達到能量的匹配。

　　(3)耦合

　　變換和放大後的信號在環節問能可靠、快速、準確地交換，必須遵循一致的時序、信號格式和邏輯規範。介面應保證信息的邏輯控制功能，使信息按規定模式進行傳遞。

　　(4)能量轉換還包含了執行器、驅動器的不同類型能量的最優轉換方法與原理。

　　2．信息控制

　　在系統中，所謂智能組成要素的系統控制單元，在軟、硬體的保證下，完成數據採集、分析、判斷、決策，以達到信息控制的目的。對於智能化程度高的系統，還包含了知識獲取、推理機制及知識自學習等以知識驅動為主的信息控制。

　　3．運動傳遞

　　運動傳遞是指各組成要素之間不同類型運動的變換與傳輸以及以運動控製為目的的優化。

　　由於採用四大原則使各組成要素聯接成為一個有機整體，由於控制和信息處理單元的預期信息導引，使各功能環節有目的地協調一致運動，從而形成機電一體化系統工程。

　　一、機電一體化系統開發的設計思想^[3]

　　機電一體化的優勢，在於它吸收了各相關學科之長並加以綜合運用而取得整體優化效果，因此在機電一體化系統開發的過程中，要特別強調技術融合，學科交叉的作用。機電一體化系統開發是一項多級別、多單元組成的系統工程。把系統的各單元有機的結合成系統後，各單元的功能不僅相互疊加，而且相互輔助、相互促進、相互提高，使整體的功能大於各單元功能的簡單的和，即“整體大於部分的和”。當然，如果設計不當，由於各單元的差異性，在組成系統後會導致單元間的矛盾和摩擦，出現內耗，內耗過大，則可能出現整體小於部分之和的情況，從而失去了一體化的優勢。因此，在開發的過程中，一方面要求設計機械繫統時，應選擇與控制系統的電氣參數相匹配的機械繫統參數；同時也要求設計控制系統時，應根據機械繫統的固有結構參數來選擇和確定電氣參數。綜合應用機械技術和微電子技術，使二者密切結合、相互協調、相互補充，充分體現機電一體化的優越性。

　　二、機電一體化系統設計方法^[3]

　　擬定機電一體化系統設計方案的方法有取代法、整體設計法和組合法。

　　1．取代法

　　這種方法是用電氣控制取代原傳統中機械控制機構。這種方法是改造傳統機械產品和開發新型產品常用的方法。如用電氣調速控制系統取代機械式變速機構，用可編程式控制器或微型電腦來取代機械凸輪控制機構、插銷板、步進開關、繼電器等，以彌補機械技術的不足，這種方法不但能大大簡化機械結構，而且還可以提高系統的性能和質量。這種方法的缺點是跳不出原系統的框架，不利於開拓思路，尤其在開發全新的產品時更具有局限性。

　　2．整體設計法

　　這種方法主要用於全新產品和系統的開發。在設計時完全從系統的整體目標考慮各子系統的設計，所以介面簡單，甚至可能互融一體。例如，某些激光印表機的激光掃描鏡，其轉軸就是電動機的轉子軸，這是執行元件與運動機構結合的一個例子。在大規模集成電路和微機不斷普及的今天，隨著精密機械技術的發展，完全能夠設計出將執行元件、運動機構、檢測感測器、控制與機體等要素有機地融為一體的機電一體化新產品。

　　3．組合法

　　這種方法就是選用各種標準模塊，像積木那樣組合成各種機電一體化系統。例如，設計數控機床時可以從系統整體的角度選擇工業系列產品，諸如數控單元、伺服驅動單元、位置感測檢測單元、主軸調速單元以及各種機械標準件或單元等，然後進行介面設計，將各單元有機的結合起來融為一體。在開發機電一體化系統時，利用此方法可以縮短設計與研製周期、節約工裝設備費用，有利於生產管理、使用和維修。

　　三、機電一體化系統設計的內容^[4]

　　在機電一體化系統(產品)中控制系統設計的主要內容可歸結為：確定系統整體控制方案、確定控制演算法、選擇微型電腦、進行系統的硬體和軟體設計，以及系統統調。

　　1．確定系統整體控制方案

　　(1)確定控制任務

　　在設計系統以前，必須對控制對象的工作過程進行深入的調查、分析和熟悉，並明確實際應用中的具體要求，按機械與電子功能劃分方案確定系統所要完成的任務，然後用控制流程圖或其他適當形式描述控制過程和任務，寫成設計任務說明書，作為整個控制系統設計的依據。

　　(2)構思控制系統的整體方案

　　1)確定系統的控制結構形式是開環還是閉環控制。

　　2)採用閉環控制時應考慮檢測感測器的選擇和所要求精度級別，並考慮機構安裝、使用環境等問題。

　　3)選擇執行元件是電動、氣動還是液壓或其他，根據控制對象具體要求，比較方案的優缺點，擇優而用。

　　4)明確微機在系統中的作用：是設定值計算、直接控制還是數據處理和應具備的功能，需要哪些輸入／輸出通道和配置哪些外圍設備等。最後，畫出系統組成的原理框圖和附加說明，作為進一步設計的基礎，並初步估算成本。

　　2．建立數學模型確定控制方法

　　建立系統的數學模型是個複雜過程，也是一個試探的過程，需要反覆權衡。

　　1)根據已初步確定的控制系統的物理結構，採用合適的控制理論方法建立和組成各環節以及整個系統的數學模型表達形式。通過靜、動特性計算，為電腦進行運算處理提供依據。

　　2)根據不同的控制對象和不同的控制性能指標要求，選擇不同的控制演算法。對過程式控制制設備的直接數字控制系統常用PID調節的控制演算法；在位置數字隨動系統中常用實現最少拍控制的控制演算法；機床數字控制中常使用逐點比較法、數字積分法和數據採樣法的控制演算法。另外，還有多種最優控制的控制演算法、隨機控制和自適應控制的控制演算法等供選擇。

　　3)當控制系統較複雜時，控制演算法也比較複雜，為設計、調試方便，可忽略小的非線性、小延時等因素的影響，將控制演算法作某些合理的簡化。利用電腦系統模擬技術，逐步將控制演算法完善，直到獲得最好的控制效果。

　　總之，控制演算法的確定是一個反覆修正與試驗的漸進過程。

　　3．選擇微型電腦

　　對於微機所承擔的任務給定以後，完成同一任務的微機方案有多種。一般以既能完成給定任務(應包括處理確定的控制演算法)、又能充分發揮選用微機的功能、再留有一定功能餘量為原則來選擇。

　　從控制生產機械或生產過程要求出發，微型機應滿足以下要求：

　　(1)有較完善的中斷系統

　　對於控制用電腦，實時控制功能是一大特點。它包含系統正常運行時的實時控制能力和發生故障時緊急處理的能力。這種處理和控制一般都採用中斷控制方式，即CPU及時接收終端請求、暫停原來執行程式，轉而執行相應的中斷服務程式，待中斷處理完畢，再返回繼續執行原程式。

　　在選用與CPU相應的介面晶元時也應有中斷工作方式，以保證控制系統能滿足生產中提出的各種要求。對於比較複雜的控制，要考慮採用實時操作系統。

　　(2)足夠的存儲容量

　　由於微型機記憶體容量有限，當記憶體容量不足以存放程式和數據時，應擴充記憶體，或配備適當的外存儲器(如硬磁碟等)。

　　(3)完備的輸入／輸出通道

　　輸入輸出通道是系統外部過程和微機交換信息的通道。根據實際需要有開關量輸入／輸出通道、模擬量輸入／輸出通道、數字量輸入／輸出通道和實現快速、批量交換信息的直接數據通道。通道的操作方式有串列、並行以及隨機選擇與按某種預訂順序進行工作等。

　　(4)微處理器晶元的選擇

　　這一選擇的實質就是確定能滿足控制功能要求的微處理器的字長、速度和指令系統。這三者是相互依存的。一般選擇：

　　1)對通常的順序控制、程式控制可選用1位微處理器；

　　2)對計算量小、計算精度和速度要求不高的系統可選用4位微處理器，如計算器、家用電器控制及簡易控制等；

　　3)對計算精度要求較高、處理速度較快的系統可選用8位微處理器，如經濟型的線切割機床、普通機床的控制和溫度控制等；

　　4)對要求計算精度高、處理速度快的系統統可選用16位或32位微處理器，甚至採用精簡指令集運算的晶元RIRC或多CPU，如控制演算法複雜的生產過程式控制制，要求高速運行的機床控制，特別是大量的數據處理等。

　　(5)系統匯流排的選擇

　　微型電腦主要由若幹塊印製電路板(按功能模塊設計、製造)構成。各塊板之間的連接，當然是通過印製板的插座之間的連線來實現的。通常，為了給使用和維護帶來方便，希望插座之間的連線具有通用性——一個系統中的各塊印製板可插在任一插座上。同時，也是為了各廠家生產的電路板具有通用性、互換性，就要對插座及連線訂個標準。這就是系統匯流排選擇的由來。

　　目前支持微型電腦系統機構的匯流排有：STD Bus支持8位和16位字長；Multi Bus工型可支持16位字長，Ⅱ型可支持32位字長；S-100 Bus可支持16位字長；VERSA Bus可支持32位字長，以及VME bus可支持32位字長等。生產廠家為這類匯流排提供各種型號規格的OEM(初始設備製造)產品，包括主模塊和從模塊，由用戶任意選配。

　　4．系統總體設計

　　系統設計主要是依據上述控制方案、設計所要求和選用的微機類型，對系統進行具體的設計。其設計可分為硬體的介面設計和軟體設計兩大類型。

　　在對系統總體設計時，一個最重要的問題是如何解決微機、被控對象和操作者這三者之間可靠地適時進行信息交換的通道和分時控制的時序安排。也就是綜合考慮用硬體配置和軟體措施解決系統運行的次序安排，以保證系統有條不紊地運行。

　　(1)介面設計

　　對於一種產品(或系統)，其各部件之間，各子系統之間往往需要傳遞動力、運動、命令或信息，這都是通過各種介面來實現的。機械本體各部件之間、執行元件與執行機構之間、檢測感測元件與執行機構之間通常是機械介面；電子電路模塊相互之間的信號傳送介面、控制器與檢測感測元件之問的轉換介面、控制器與執行元件之間的轉換介面通常是電氣介面。

　　機電一體化產品的內外介面實際上就是一種進行物質、能量和信息交換的界面，它具有存儲、轉換和服務功能。按功能可以將介面劃分為以下3種：

　　1)零介面。不需進行任何轉換，把具有結合關係的兩部分直接連接起來稱為零介面，如連接管、電纜、接線柱和剛性聯軸節等。

　　2)普通轉換介面。在具有結合關係的兩部分之間存在能量或信息的轉換，但不含微處理器的介面為普通轉換介面。如減速器、變壓器、電磁離合器、放大器、光電耦合器、A／D轉換器、D／A轉換器等。

　　3)智能轉換介面。它是一種含有微處理器的轉換介面，具有可編程的特點，因而能夠自動改變介面條件，如由微處理器編程的8255A，8279，PIO等。

　　目前，大部分硬體介面和軟體介面都已標準化或正在逐步標準化。對於硬體介面，在設計時可以根據需要選擇適當的介面，再配合介面編寫相應的程式。

　　(2)操作控制台設計

　　微機控制系統必須便於人機聯繫，通常都要設計一個現場操作人員使用的控制台。這個控制台一般不能用微機所帶的鍵盤代替。原因是現場操作人員需要的是簡單、明瞭、安全的操作面板，以實現對機器的操作。所以，要求操作控制台應有以下功能：

　　1)有一組或幾組數據輸入鍵(數字鍵或撥碼開關等)，用於輸入或更新給定值、修改控制器參數或其他必要的數據。

　　2)有一組或幾組功能鍵或轉換開關，用於轉換工作方式，啟動、停止系統或完成某種指定功能。

　　3)有一個顯示裝置或顯示屏，用於顯示各種運行狀態、參數及故障指示等。控制臺上應該有一個“緊急停止”按鈕，用於有緊急事故時停止系統運行，轉入故障處理。

　　應當明確指出，控制臺上每一種信號都與系統的運行狀態密切相關。設計時，必須明確這些轉換開關、按鈕、鍵盤、顯示器和故障指示燈的作用和意義，仔細設計控制台的硬體及其相應的管理程式，使設計的操作控制台既能方便操作又保證安全可靠，即使操作失誤也不會引起嚴重後果。

　　(3)微型電腦控制系統的電源設計

　　微機控制系統中的電源，根據需要可以有不同的類型(直流和交流)和規格(電壓和功率)。按照使用情況，對性能的要求也不盡相同，在設計過程中應按實際要求合理選用調試，並控制電壓變動。電源本身要具有過壓、短路、過載保護和熱保護，否則將會造成不可彌補的損失。

　　(4)整機的安裝、聯接設計

　　這是一種整體結構設計。微機控制系統安裝既包括了與被控對象的聯接安排，也考慮了主機本身的安裝聯接問題。其設計原則應該是安裝、聯接的可靠性和使用、裝配、維護的方便性。

　　1)安裝、聯接結構具有防震性，即印製電路板、接插件和元器件包括電纜等應牢固地安裝在同一個機殼上，不因振動而鬆動。

　　2)採用標準或專用、製造質量好的防松接插件，以保證接觸可靠而又使用、維護方便。

　　3)佈線結構要合理，能防止相互間的電磁耦合干擾。一定要使信號線和功率線進行隔離，分別走線。對模擬信號更要註意走線的長短和屏蔽，如走線太長，需要考慮進行信號增強等措施。

　　4)正確安裝安全地線、信號地線、屏蔽地線以及功率地線和強電地線，最終要進行地線連接。地線要採用一點接地型，即把信號地線、功率地線、被控對象地線(安全地)等連接到公共接地點。而總的公共接地點必須與大地接觸良好，一般接地電阻要小於(4～7)Ω。

　　(5)軟體設計

　　對於選定的微機控制系統，其微機本身已有一定的軟體支持，一般這些軟體要求用戶瞭解其使用方法和基本原理。如果把微型電腦專門為某一控制領域而設計成專用的控制電腦，用戶就需要利用電腦的指令系統和相應的開發系統來設計系統軟體，即控制軟體、管理軟體、診斷軟體等。這些系統軟體的設計要求更有專用性和針對性。

　　在微機控制中，其軟體任務大體可以分為數據處理和過程式控制制兩大基本類型。數據處理主要包括數據的採集、數字濾波、標度變換，以及數值計算等等。過程式控制制主要是使微機按照一定控制演算法進行計算，然後進行輸出去控制生產。

　　5．系統聯調

　　微機控制系統設計完成後，硬體電路要進行製作、安裝及試驗，併進行連續烤機運行。軟體各模塊要在微機上分別進行調試，使其正確無誤，然後存檔。上述工作完成後，就可將硬體與軟體組合起來進行系統聯調的模擬試驗，正確無誤後，進行現場實驗，直到正式運行。在這個階段，最重要的是仔細設計模擬調試的方法與步驟，以及所用的測試手段。

　　此外，在現場試驗前，要仔細檢查接線，無誤後才能進行現場調試。現場調試的步驟根據不同對象要仔細考慮。首先要把涉及的自動保護項目進行實驗，確認有效後才可進入功能、參數等項目的試驗。

　　機電一體化系統在機械產品中應用已十分廣泛。機電一體化技術的應用使機械產品的結構、功用、性能等方面產生重大的變化。具體來說表現在下述幾個方面。

　　1．機電一體化技術可以實現機械產品的高性能和多功能

　　在原有機械產品中引進了機電一體化技術後，使其自動化程度提高，工藝動作易於複雜多變，工藝質量提高和能耗降低等。例如，對於工藝動作複雜、產品更新換代快的輕工機械、紡織機械、印刷機械、包裝機械和製藥機械等行業都十分重視產品的機電一體化。機械產品的機電一體化使產品的技術含量和附加值大為提高，有利於適應日益激烈的市場競爭需要。

　　2．用電子控制器件取代機械中部分的機械控制機構

　　用電子控制器件替代機械控制機構可以擴大原有機械產品的功能，提高工作性能。如普通機床加上數控系統，普通縫紉機上增加電子控制的綳架系統都可以使機械產品水平大為提高。

　　3．以電子器件為主的機電共存的產品

　　這類產品一般來說機械結構比較簡單，但要考慮機電兩者的融合以提高產品的性能。複印機、錄音機、錄像機等均屬於這類產品。

　　從以上情況來看，機電一體化系統是有不同層次和應用場合的。其機電融合的程度也是因具體產品而異。

　　機電一體化系統的主要評價內容通常如表1所示。機電一體化系統由三個子系統組成，比較複雜，其性能指標涉及的方面較多。評價的目的是為了得到性能優良、可靠性高和價格低的綜合最優的系統。對於一個具體的機電一體化系統，應根據相關專家的咨詢意見，確定評價指標值的大小來求得綜合最優值，以確定機電一體化的方案。

　　表1表示的是機電一體化系統的功能和評價指標、評價指標值，可以作為系統評價時的參考。

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