淺談機(jī)電一體化系統(tǒng)

岳云霞

（山東交通職業(yè)學(xué)院機(jī)械系，山東 濰坊 261206）

日本企業(yè)界在1970年左右最早提出“機(jī)電一體化技術(shù)”這一概念，當(dāng)時(shí)他們?nèi)∶麨椤癕echatronics”，即結(jié)合應(yīng)用機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)于一體。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，機(jī)電一體化技術(shù)獲得前所未有的發(fā)展，成為一門綜合計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感檢測(cè)技術(shù)、伺服傳動(dòng)技術(shù)和機(jī)械技術(shù)等交叉的系統(tǒng)技術(shù)，目前正向光機(jī)電一體化技術(shù)（Opto-mechatronics）（Opto-mechatronics）（Opto-mechatronics）方向發(fā)展，應(yīng)用范圍愈來(lái)愈廣。

1 機(jī)電一體化技術(shù)具體包括內(nèi)容

1.1 機(jī)械技術(shù)

機(jī)械技術(shù)是機(jī)電一體化的基礎(chǔ)，機(jī)械技術(shù)的著眼點(diǎn)在于如何與機(jī)電一體化技術(shù)相適應(yīng)，利用其它高、新技術(shù)來(lái)更新概念，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上、材料上、性能上的變更，滿足減小重量、縮小體積、提高精度、提高剛度及改善性能的要求。在機(jī)電一體化系統(tǒng)制造過(guò)程中，經(jīng)典的機(jī)械理論與工藝應(yīng)借助于計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，同時(shí)采用人工智能與專家系統(tǒng)等，形成新一代的機(jī)械制造技術(shù)。

1.2 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)

其中信息交換、存取、運(yùn)算、判斷與決策、人工智能技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)均屬于計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)。

1.3 系統(tǒng)技術(shù)

系統(tǒng)技術(shù)即以整體的概念組織應(yīng)用各種相關(guān)技術(shù)，從全局角度和系統(tǒng)目標(biāo)出發(fā)，將總體分解成相互關(guān)聯(lián)的若干功能單元，接口技術(shù)是系統(tǒng)技術(shù)中一個(gè)重要方面，它是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各部分有機(jī)連接的保證。

1.4 自動(dòng)控制技術(shù)

自動(dòng)控制技術(shù)范圍很廣，在控制理論指導(dǎo)下，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)仿真，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，控制技術(shù)包括如高精度定位控制、速度控制、自適應(yīng)控制、自診斷校正、補(bǔ)償、再現(xiàn)、檢索等。

1.5 傳感檢測(cè)技術(shù)

傳感檢測(cè)技術(shù)是系統(tǒng)的感受器官，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、自動(dòng)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其功能越強(qiáng)，系統(tǒng)的自動(dòng)化程序就越高。現(xiàn)代工程要求傳感器能快速、精確地獲取信息并能經(jīng)受嚴(yán)酷環(huán)境的考驗(yàn)，它是機(jī)電一體化系統(tǒng)達(dá)到高水平的保證。

1.6 伺服傳動(dòng)技術(shù)

伺服傳動(dòng)技術(shù)包括電動(dòng)、氣動(dòng)、液壓等各種類型的傳動(dòng)裝置，伺服系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)電信號(hào)到機(jī)械動(dòng)作的轉(zhuǎn)換裝置與部件、對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、控制質(zhì)量和功能有決定性的影響。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 機(jī)械子系統(tǒng)建模技術(shù)

機(jī)械子系統(tǒng)的數(shù)字化模型的建立是系統(tǒng)整機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。許多商用軟件如Solidworks,ProE擁有強(qiáng)大三維實(shí)體造型能力，為實(shí)體造型提供了極大的方便，但其往往不能進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，而直接導(dǎo)入到動(dòng)力學(xué)分析軟件中可能會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量或者轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等信息丟失現(xiàn)象，但通過(guò)專門開(kāi)發(fā)的接口軟件Mechanism/pro（專為ProE與Adams的開(kāi)發(fā)的接口程序）可以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，但這樣軟件通用性往往很差，一般只適用固定版本的兩個(gè)軟件。而隨著柔性零件和結(jié)構(gòu)的廣泛使用，對(duì)于柔性零件的仿真也是十分重要的問(wèn)題。對(duì)于柔性零件仿真現(xiàn)在主要兩種方法，對(duì)于結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，對(duì)其柔性變形要求不高零件，可以采用在動(dòng)力學(xué)分析軟件自身中，用相對(duì)較小零件的線性變形近似模擬其柔性變形。這種算法的優(yōu)點(diǎn)是基于相同的動(dòng)力學(xué)分析平臺(tái)，不存在信息轉(zhuǎn)換和調(diào)用的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)方便，缺點(diǎn)是對(duì)柔性變形模擬誤差精度不高。而另一種是采用基于有限元分析軟件（如Ansys、Nastran等）對(duì)零件進(jìn)行極為微小的劃分，求得其各階模態(tài)，再將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的接口文件導(dǎo)入到動(dòng)力學(xué)分析軟件中，替換相應(yīng)的剛體零件的方法。值得指出的是，在柔性零件替換剛性零件后，需要采用啞物體（有體積而無(wú)質(zhì)量）與其他剛性零件進(jìn)行連接，以能順利傳遞力或約束等信息。

2.2 伺服電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)分析

伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部分，目的在于執(zhí)行控制系統(tǒng)的指令，將電能轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。直流電機(jī)由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，購(gòu)置和維修成本過(guò)高等問(wèn)題，難以得到廣泛的應(yīng)用。而隨著電機(jī)制造工藝和電機(jī)控制理論發(fā)展，交流電機(jī)控制精度得到了大幅度地提高，再加上自身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便，能滿足在惡劣環(huán)境和大負(fù)載下運(yùn)行，受到越來(lái)越多關(guān)注。隨著矢量控制理論（VC）,直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展及空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)（SVPWM）的應(yīng)用,交流電機(jī)往往能達(dá)到極高的控制性能。SVPWM是當(dāng)今廣泛采用的脈寬調(diào)制技術(shù)，與傳統(tǒng)的SPWM相比，具有轉(zhuǎn)矩與電流畸變小，易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，且其對(duì)電壓利用率相對(duì)提高16.7%。VC通過(guò)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化，將定子電流分解勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流兩部分，從而模擬交流電機(jī)的控制策略控制交流電機(jī)。DTC控制技術(shù)則以電磁轉(zhuǎn)矩為直接控制目標(biāo)，達(dá)到高性能的調(diào)速能力。

2.3 伺服驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)

PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定方法主要有兩大種：一是理論計(jì)算整定法。依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)，但還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。隨著只能控制理論的發(fā)展，許多智能PID控制算法開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，如變結(jié)構(gòu)滑模PID控制、模糊PID、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制和神經(jīng)模糊控制等。值得指出，智能PID算法大多數(shù)見(jiàn)諸于理論研究，還不能廣泛應(yīng)用到實(shí)際中。

2.4 機(jī)、電信息交換技術(shù)以及虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)

現(xiàn)代化大生產(chǎn)的要求直接導(dǎo)致先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，而對(duì)制造方法而言，發(fā)展趨勢(shì)包括“數(shù)字化”、“自動(dòng)化”、“集成化”，“網(wǎng)絡(luò)化”和“智能化”的特點(diǎn)。

虛擬樣機(jī)的建立，可以方便對(duì)結(jié)構(gòu)，伺服系統(tǒng)和控制器等多方面進(jìn)行研究。對(duì)于機(jī)電信息交換，可以采用20-sim或自行開(kāi)發(fā)軟件等對(duì)機(jī)械和伺服系統(tǒng)進(jìn)行仿真，由于其采用統(tǒng)一仿真平臺(tái)，不存在接口信息問(wèn)題，但其運(yùn)行性能有待考證，而采用商用大型軟件，如三維造型軟件Pro/e,Solidworks和動(dòng)靜力學(xué)分析軟件Ansys和Adams的聯(lián)合仿真，如何選擇合適步長(zhǎng)，既能滿足系統(tǒng)仿真精度，又不至于系統(tǒng)運(yùn)算量過(guò)大，影響系統(tǒng)效率。

總之，機(jī)電一體化技術(shù)具體包括機(jī)械技術(shù)、計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感檢測(cè)技術(shù)、伺服傳動(dòng)技術(shù)等內(nèi)容，機(jī)電一體化系統(tǒng)的發(fā)展正在向著更快、更便捷操作的方向發(fā)展。

[1]李瑞秦，鄒慧軍.機(jī)電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)理論研究現(xiàn)狀與發(fā)展展望[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2003,40(11):10-22.

[2]http://www.solidworks.com.cn/,2007-06-10.

[3]http://www.mscsoftware.com.cn/product/productDetail.asp?id=73,2007-06-10.

[4]http://www.mscsoftware.com.cn/Forum/,2007-06-10.