1機電一體化技術的概念
現代科學技術的飛速發展,推動了不同科學的相互交叉與滲透,並引發了幾乎所有工程領域的技術革命與改造。而以機械技術和電子技術爲主體,多學科技術交融滲透、相互結合的新興學科——機電一體化,正逐漸變成了當今學界研究的重點之一。
對於機電一體化的定義,各國是不一致的。其中有德國的“機械、電工與電子、光學及其它技術的組合”,美國的“由計算機資訊網絡協調與控制的,用於完成包括機械力、運動和能量流等多動力學任務的機械和(或)機電部件相互聯繫的系統”,日本則認爲是“將機械裝置與電子設備以及軟件等有機結合而成的系統”。但無論是各種技術的組合,還是部件有機的結合,裏面總是體現了一個思想,就是系統的、整體的、交融的和綜合性的。因此,我們可以這樣認爲:在機構的主要功能、動力功能、資訊處理功能和控制功能上引進電子技術,並且以系統的、整體的思想來考慮機電系統綜合性的技術問題,將機械裝置與電子化設計及軟件結合起來所構成的系統就是機電一體化系統,而其中所形成的技術就是機電一體化技術。
2機電一體化技術的意義
2.1功能增強
機電一體化產品具有多種複合功能,如加工中心可以將多臺普通機牀的多道工序在一次裝夾中完成,並自動檢測工件和刀具精度,顯示刀具運動軌跡。
2.2精度提高
機電一體化技術簡化了機構鏈,使機械磨損、配合間隙及受力變形等引起的誤差大大減少。由於採用計算機檢測與控制技術補償和校正因各種干擾造成的動態誤差,從而達到純機械技術手段所無法實現的工作精度。
2.3結構簡化
由於機電一體化技術採用微處理器、大規模集成電路、電力電子器件代替了原來的電器控制櫃和傳動裝置,使機電一體化產品零部件數量減少、體積變小,結構得到簡化。
2.4可靠性提高
隨着集成電路的集成度越來越高,材料性能越趨穩定,機電一體化產品可靠性不斷增強,同時由於具備了安全連鎖控制、過載及失控保護、斷電保護的功能,進一步提高了機電一體化產品的安全可靠性。
2.5改善操作
由於機電一體化產品採用了計算機技術,從而提升了產品的自動化程度,減少了操作按鈕及手柄,改善了設備的操作性能,構建了良好的人機介面。
2.6提高柔性
由於軟件技術的引入,從而實現了機器工作程序的可修改性,能夠透過軟件的修改來滿足工作情況改變的需要。
3機電一體化技術的構成
3.1機械技術
機電產品的功能和作用大部分都是由機械本體來體現的。本體材料的優良、結構的新穎、精密的加工技術,能夠使機械結構重量減輕、體積變小,改善其快速響應特性,提高零部件的精度、剛度和可靠性。
3.2傳感技術
傳感技術是機電一體化技術的關鍵技術,它將所測得的各種參數量如位移、速度、加速度、力等信號轉換爲統一格式的電信號輸入到資訊處理系統中,並由此產生出相應的控制信號以決定執行機構的運動形式。
3.3資訊處理技術
資訊處理技術包括資訊的輸入、識別、變換、運算、存儲及輸出技術。機電一體化產品的工作是受控於資訊處理裝置的,因此資訊處理是否正確及時,將直接影響到產品工作的質量和效率。
3.4自動控制技術
自動控制技術就是透過控制器使被控對象或過程自動地按照預定的規律執行。自動控制技術範圍很廣,包括自動控制理論、控制系統設計、系統仿真、現場調試、可靠執行等從理論到實踐的整個過程。而機電一體化系統中自動控制技術包括位置控制、速度控制、最優控制、模糊控制和自適應控制等。
3.5接口技術
機電一體化系統通常由許多要素和子系統構成,爲了確保各個要素與系統之間能夠順利地進行資訊、物質能量的傳輸和交換,必須在它們之間建立一定的聯繫條件,而這些條件統稱爲接口。這些接口既可能是硬件,也可能是軟件,或者是兩者的結合。
3.6驅動技術
驅動技術的主要研究對象是執行元件及其驅動裝置。執行元件分爲電動、氣動、液壓等,機電一體化產品中多采用電動式執行元件,驅動裝置主要指各種電動機的驅動電源電路,其主要以採用電力電子器件及集成化的功能電路構成。
3.7系統總體技術
系統總體技術是一種從全局角度和系統目標出發,用系統的觀點和方法,將系統分解成若干相互聯繫的功能單元,找到能完成各個功能的技術方案,並將其進行分析、評價和優化的綜合應用技術。
4機電一體化技術的應用
在人們的日常生活當中,自動機械、資訊處理設備、辦公室設備、車輛電子設備、醫療器械、光學裝置、智能家電、樓宇安全系統等機電一體化系統都離不開執行元件爲其提供動力。而執行元件和電子控制裝置之間是無法直接連接的,因此需要一個驅動部件。該驅動部件在電子控制裝置的控制下,接收指令,進行能量轉換,從而得到目標輸出。
對於精密傳動來說,需要在執行元件輸出終端進行傳動測量,如測量其位置、速度、加速度,同時將所測得的數據反饋給電子控制裝置,讓其進行比較,進行誤差修正控制,最終實現精密傳動。
當有多個執行元件,其輸出動作規律各不相同時,一方面要根據各執行元件工作情況來考慮其控制的形式,另一方面需要確定它們之間是否存在輸出的聯繫。如果它們之間沒有聯繫,可以讓它們單獨來工作,也可以透過構建PC機上位控制來統一管理。若工作聯動內容經常變化,就應該構建一個可以直接識別聯動輸出的軟件,將聯動輸出寫入軟件當中,讓其直接轉化爲控制程序,這樣就能靈活地應對動作輸出的需求。
上述機電一體化技術的應用,僅論述瞭如何將傳感技術、資訊處理技術和驅動技術等技術簡單的融合,各部件都是以模組形式搭建的,而模組間的信號傳輸及所涉及到的接口技術和資訊處理技術是其中的重點。所以,在機電一體化技術應用中,以全局最優的觀念去設計機電一體化產品,並且解決好每個功能模組資訊處理和傳輸的問題,是能夠迅速地利用好機電一體化技術的方法。
5機電一體化技術的發展方向
由於機電一體化技術是多學科技術交融的技術,因此其發展的程度必然受制於其相應支撐技術的發展,同時其相關技術的發展也必然促進機電一體化技術的發展。
5.1智能化
智能化是21世紀機電一體化技術的一個重要發展方向,而機器人與數控機牀的智能化就是其重要應用。這裏所說的“智能化”是對機器行爲的描述,是在控制理論的基礎上,吸收人工智能、運籌學、計算機科學、心理學、生理學和混沌動力學等新方法,模擬人類智能,使它具有自學習、自組織、自適應、思維和決策等能力,以求得到更高的控制目標。
5.2模組化
機電一體化產品種類繁多,讓它們自由地交換資訊是一項十分複雜的事,因此有必要研製具有標準機械接口或電氣動力接口等的'機電一體化產品。如果機電產品能夠象“搭積木”那樣讓需求者根據要求自由組合,那麼無論是對資源的節約,還是服務於各行各界,都有着其巨大的作用。
5.3網絡一體化
由於網絡的普及,推進了全球化的進程。而基於網絡的各種遠程監控技術,讓家用電器網絡化成爲可能。把各種家用電器連接成以計算機爲中心的計算機集成家用電器系統(ComputerIntegratedApplianceSystem,CIAS),使人們無論在家裏還是在外面,都能隨時享受各種機電產品帶來的好處。因此,機電一體化產品無疑會朝着網絡化的方向發展。
5.4微機電化
微機電化指的是機電系統主要裝置的特徵尺寸在亞微米至亞毫米範圍。微機電系統產品由於體積小、耗能少、運動靈活,在軍事、生物醫療、航空、資訊等方面具有不可比擬的優勢。
5.5綠色化
綠色化主要是指產品在其設計、製造、使用和銷燬的生命過程中,符合特定的環境保護和人類健康的要求,對生態環境無害或危害極少,而且是低能耗、低材耗、協調而可再生的產品。
6結束語
綜上所述,機電一體化技術是現代科學技術發展的必然結果,是人們爲了滿足社會日益豐富的需求而不斷地對已有的技術進行變革創新並且使它們有機結合的一門綜合性技術。它們之間相互發展,相互促進,從而不斷地形成新的技術,並引發了幾乎所有工程領域的技術革命與改造。在廣泛的應用於醫療、製造、交通運輸、航空航天和能源設施領域期間,不斷地促進國民經濟的發展,同時給人們帶來了安全舒適的工作生活環境。因此,機電一體化技術對我們人類的發展有着極其深遠的意義。