機(jī)電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案研究

摘 要：近年來(lái)，國(guó)家經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展使得機(jī)電控制系統(tǒng)自動(dòng)控制技術(shù)得到了更大的推廣和普及，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。本文基于機(jī)電控制系統(tǒng)自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，從機(jī)電控制系統(tǒng)的含義與控制方法理念著手，重點(diǎn)介紹了現(xiàn)代機(jī)電一體化產(chǎn)品的理念和設(shè)計(jì)思路，討論了機(jī)電控制系統(tǒng)與機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法和方案，并提出了一些觀點(diǎn)和建議供以參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)電控制系統(tǒng) 機(jī)電一體化 設(shè)計(jì)方案

隨著現(xiàn)代技術(shù)水平越來(lái)越高、生產(chǎn)力也日益提高，機(jī)電控制系統(tǒng)的用途已經(jīng)越來(lái)越廣泛，成為現(xiàn)代科技水平發(fā)展的一個(gè)標(biāo)志性技術(shù)。控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制技術(shù)在各行業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著不可替代作用。根據(jù)我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的國(guó)情和大眾需求，在發(fā)展機(jī)電一體化技術(shù)的同時(shí)，更重要的應(yīng)體現(xiàn)出人性化、綠色化、智能化，既滿足生產(chǎn)要求又達(dá)到了保護(hù)環(huán)境的目的。

一、一體化設(shè)計(jì)理念

機(jī)電一體化是由日本率先研發(fā)提出的，我國(guó)從初步探索到現(xiàn)在已經(jīng)蓬勃發(fā)展。作為一個(gè)學(xué)科、一個(gè)專業(yè)，它要求設(shè)計(jì)者們對(duì)機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃時(shí)，就把產(chǎn)品當(dāng)做一個(gè)完整的自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，把機(jī)械、電子、自動(dòng)控制加入進(jìn)去以后完成的產(chǎn)品就是一個(gè)機(jī)電一體化的機(jī)電控制系統(tǒng)。為了響應(yīng)我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的國(guó)情，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行不斷完善和補(bǔ)充修改，最終形成一個(gè)能夠高效運(yùn)行并完成任務(wù)的系統(tǒng)，同時(shí)讓該產(chǎn)品具有智能化、模塊化網(wǎng)絡(luò)化、微型化、綠色化和系統(tǒng)人格化等特點(diǎn)，這是我國(guó)目前機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

二、機(jī)電控制系統(tǒng)自動(dòng)控制技術(shù)

在現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)里，所謂機(jī)電控制系統(tǒng)是指在無(wú)人控制的情況之下，利用自動(dòng)控制設(shè)備，讓生產(chǎn)設(shè)備或者機(jī)器按照預(yù)先編輯好的程序進(jìn)行動(dòng)作，還可以利用通訊設(shè)備組成一個(gè)完整的工作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)特定的任務(wù)要求?？刂剖窃撓到y(tǒng)的最重要組成部分，它運(yùn)用了計(jì)算機(jī)信息技術(shù)，電力電子、通信等相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)，各技術(shù)之間相互兼容，它的系統(tǒng)是伴隨著計(jì)算機(jī)與軟件技術(shù)的發(fā)展開(kāi)發(fā)而來(lái)的，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到航空航天等高端技術(shù)領(lǐng)域。機(jī)電控制系統(tǒng)不需要工作人員太多的參與，它是按照已經(jīng)設(shè)計(jì)完成的方式運(yùn)行，把控制系統(tǒng)的特定裝置連接起來(lái)，完成生產(chǎn)任務(wù)。

機(jī)電控制系統(tǒng)里最主要的組成是控制方面。而從技術(shù)層面看，機(jī)電控制系統(tǒng)是單片機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)、電機(jī)拖動(dòng)技術(shù)、通信與信息技術(shù)等技術(shù)的結(jié)合體，而且這些技術(shù)并非是孤立的，而是這些技術(shù)互相結(jié)合、互相利用的綜合性技術(shù)，并將這些技術(shù)整合而成，包括自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信與信息技術(shù)、伺服變頻技術(shù)。機(jī)電控制系統(tǒng)的發(fā)展其實(shí)是依靠微機(jī)系統(tǒng)的飛速發(fā)展，以及相應(yīng)的軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)配套使用而慢慢發(fā)展的。

此外，機(jī)電控制系統(tǒng)可以用來(lái)生產(chǎn)制造的遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)異地生產(chǎn)環(huán)節(jié)的監(jiān)督控制。技術(shù)管理工作人員利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在異地進(jìn)行撥號(hào)，控制與被控制的雙方經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接來(lái)控制計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上進(jìn)行遠(yuǎn)程控制業(yè)務(wù)。遠(yuǎn)程控制分為保持型與完成型控制系統(tǒng)：保持型與遠(yuǎn)程控制是指工作人員對(duì)控制的每個(gè)環(huán)節(jié)都給予高度的關(guān)注，在必要的時(shí)候?qū)ζ鋵?shí)施干預(yù);完成型是指在系統(tǒng)運(yùn)行中，人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)互動(dòng)，因此又被叫做人機(jī)互動(dòng)型控制系統(tǒng)。

機(jī)電控制系統(tǒng)的發(fā)展趨向于無(wú)線遠(yuǎn)程異地控制，可以使系統(tǒng)操作人員利用以太網(wǎng)絡(luò)或者其他通信網(wǎng)絡(luò)連接控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)本地上位機(jī)的計(jì)算處理去控制異地的智能機(jī)電控制系統(tǒng)。在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，其中的一種系統(tǒng)是需要操作技術(shù)人員不斷進(jìn)行監(jiān)控運(yùn)行，且如果系統(tǒng)發(fā)生情況，則需要人員及時(shí)處置以恢復(fù)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，這樣的系統(tǒng)我們稱為保持型遠(yuǎn)程控制。還有一種系統(tǒng)是不需要技術(shù)人員實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)控操作的，只需要等到該系統(tǒng)運(yùn)行完成以后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向技術(shù)人員通告，這樣的系統(tǒng)我們稱為完成型控制系統(tǒng)。如果系統(tǒng)在進(jìn)行的過(guò)程中，技術(shù)人員與系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)進(jìn)行通訊，則技術(shù)人員可以監(jiān)控操作，也可以讓系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行，這樣的系統(tǒng)我們稱為人機(jī)交互型控制系統(tǒng)。

三、機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)方法

機(jī)電一體化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要非常高的準(zhǔn)確度，機(jī)電控制系統(tǒng)的任務(wù)實(shí)現(xiàn)必須依靠機(jī)械和電子的相互協(xié)調(diào)才可以實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的過(guò)程要兼顧該產(chǎn)品的成本、準(zhǔn)確度、市場(chǎng)的需求等多個(gè)因素。

機(jī)電一體化的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般需要經(jīng)過(guò)兩個(gè)過(guò)程，開(kāi)發(fā)階段和產(chǎn)品試運(yùn)行階段：開(kāi)發(fā)階段的任務(wù)是達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，而產(chǎn)品試運(yùn)行階段的任務(wù)是對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行修改，讓該產(chǎn)品更加適應(yīng)和滿足客戶的需求。對(duì)機(jī)電一體化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，我們認(rèn)為可以采取以下幾種方法：

1、利用電子控制代替機(jī)械結(jié)構(gòu)控制。如果采用單獨(dú)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，則采用的控制方式一般是簡(jiǎn)單的機(jī)械控制結(jié)構(gòu)，如果采用機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，則可以使用電子電氣控制對(duì)簡(jiǎn)單機(jī)械控制進(jìn)行改進(jìn)，這樣可以改變機(jī)械運(yùn)行過(guò)程，還可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。首先可以使用可編程控制器件或者單片機(jī)控制器件，將電子控制與機(jī)械控制相結(jié)合，其次可以使用變速器件替代機(jī)械控制中的接觸器等老式控制方式，這種設(shè)計(jì)理念，不但可以整體提高設(shè)計(jì)產(chǎn)品的性能，而且可以提高該產(chǎn)品的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)理念。

2、讓電子控制部分與機(jī)械控制部分結(jié)合。機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中，非常重要的一步就是改變?cè)扰f的產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念，打造一種全新的設(shè)計(jì)思路。而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的原理性東西沒(méi)有動(dòng)，只是采用一個(gè)新的方法創(chuàng)造該產(chǎn)品，也就是讓電子控制部分與機(jī)械控制部分完美結(jié)合，兩者成為一個(gè)不可分割的有機(jī)整體。

3、功能模塊的整合。如果在設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)機(jī)械控制與電子控制的結(jié)合沒(méi)有實(shí)現(xiàn)需要達(dá)到的功能，就需要采取別的方法，就是對(duì)產(chǎn)品中的各個(gè)功能性的模塊進(jìn)行功能性整合，讓它們成為一個(gè)有機(jī)整體，構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)是一個(gè)由多種模塊構(gòu)成的大綜合系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)客戶或者設(shè)計(jì)者的預(yù)期目標(biāo)?，F(xiàn)在所使用的數(shù)控機(jī)床就是這種設(shè)計(jì)方法的一個(gè)很好例子，在設(shè)計(jì)時(shí)，購(gòu)買(mǎi)好供機(jī)床裝備的電子電器模塊，包括伺服模塊、電機(jī)模塊、CNC模塊等和各種機(jī)械模塊裝置，再對(duì)這些模塊進(jìn)行有機(jī)整合，使之成為一個(gè)可靠的數(shù)控機(jī)床機(jī)電一體化產(chǎn)品。這樣的設(shè)計(jì)方式不僅節(jié)約了設(shè)計(jì)時(shí)間和設(shè)計(jì)成本，而且方便維修和管理。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，機(jī)電控制自動(dòng)化控制技術(shù)通過(guò)將大量的前沿技術(shù)進(jìn)行了整合實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制，在滿足大眾需求的同時(shí)對(duì)于工業(yè)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)良性發(fā)展也起著至關(guān)重要的作用。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的基本要求滿足的同時(shí)將技術(shù)的運(yùn)用轉(zhuǎn)化成著顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，將成為未來(lái)機(jī)電一體化的普遍發(fā)展趨勢(shì)。

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作者簡(jiǎn)介：李鑫洋（1991—），性別男，民族漢，籍貫遼寧遼陽(yáng)，職稱無(wú)，學(xué)位無(wú)，研究方向機(jī)電一體化技術(shù)，畢業(yè)院校：北京信息科技大學(xué)。