機電一體化

機電（diàn）一體化介紹
　　機電一體化技術是將機械技術、電工（gōng）電子技（jì）術、微（wēi）電子技術（shù）、信息技術、傳感器技（jì）術、接口技術、信號變換技術等多種技術進行有機地結（jié）合，並綜合（hé）應（yīng）用到實際中去的綜合技術。是現代（dài）化的（de）自動生產設備幾乎可以（yǐ）說都是機電一體化的設備。　中國機電設計邁入（rù）PLM全新階段，正挑戰著了前所未有的，不可預測（cè）的難題，一個個久戰（zhàn）沙場經久不衰精兵良將正褪去了昨日（rì）英雄的光環，唯有CAMEL VIEW 能夠勝任軍統三國，光複舊業的重任，此時數係（xì）科技與德國iXtronics GmbH公司攜手共同開拓（tuò）機電設計領域的新篇章，CAMEL VIEW 作為機電一體化設計係統，從產品的（de）概念設計到產品性能的測試、驗證、通過都是一體化的，流程化的、規範化的，在滿足用戶設（shè）計的前提下，數值實驗的仿真與結果的驗證無不精確化，支持複雜環境下，多工況，多耦合場設計.

一、智能化
　　智能（néng）化（huà）是21世紀機電一體化技術發展的一個重要發展方向。人工智能在機電一體化（huà）建設者的研究日益得到重視，機（jī）器人與數控機床的智能化就是重要應用。這裏所（suǒ）說的“智能化”是對機器（qì）行（háng）為的描述，是（shì）在控製理論的基礎上，吸收人工智能、運籌學、計算機科學、模糊數學、心理學、生理學和混沌動力學（xué）等（děng）新思想、新方法，模擬人類智能，使（shǐ）它具有判斷推（tuī）理、邏（luó）輯思維、自主決策等能力，以求得到更高的控製目標。誠然，使機電一（yī）體化產品具有與人完全相同的智能，是不可能的，也是不必要的。但（dàn）是，高性能、高速的微處理器（qì）使機電一體化產品賦有低級智（zhì）能或人的部分智能，則是完全可能而又（yòu）必要的。
二、模塊化
　　模塊化（huà）是一項（xiàng）重要而（ér）艱巨的工（gōng）程。由於機電一體化產品種類和生產廠家繁多，研製和開（kāi）發具有標準機械接口、電氣接口、動力接口、環境接口的機電一（yī）體化產品單元是一項十分複雜但又是非常重要的事。如研製（zhì）集（jí）減速、智能調速、電機於一體的動力單（dān）元，具有視覺、圖像處（chù）理、識別和測距等功能的（de）控製單元，以及各種能完成（chéng）典（diǎn）型操作的機（jī）械裝置。這樣，可利用標準單元（yuán）迅速開（kāi）發出新產品，同時也可以擴大生產規模。這需要製定各項標準，以（yǐ）便各部件、單元的匹配和接口。由（yóu）於利益衝突，近期（qī）很難製定國際或（huò）國內這方麵的標準，但可以通（tōng）過組建一些大企業逐漸形成。顯然，從電氣產品的標準化、係列化帶來的好處可以肯定，無論是對生產標準機電一（yī）體化（huà）單元的（de）企業還是對（duì）生產機電一體化產品的企業，規模化將給機（jī）電一體化企業帶來美好的前程。
三、綠色化
　　工業的發達給人們生活帶來了巨大變（biàn）化。一（yī）方麵（miàn），物（wù）質豐（fēng）富，生活舒適；另一方麵，資源減少，生態環境受到（dào）嚴重汙染。於是，人們呼籲（yù）保護環境資源，回（huí）歸自然。綠色產品（pǐn）概念在（zài）這種（zhǒng）呼聲下應運而生，綠色（sè）化是時代的趨（qū）勢。綠色產品在其設計、製造（zào）、使用和銷毀的生命過程中，符合特定的（de）環境保護和人類健康的要求，對生態環境無害或危（wēi）害極少，資源（yuán）利用率極高（gāo）。設計綠色的機電一體化產品，具有遠大的發展前途。機電一體化產品（pǐn）的綠色化主要是指，使用時不汙染生態環境，報廢後能回收利用。
四、網絡化
　　20世紀90年（nián）代，計算機（jī）技（jì）術等的（de）突出成就是網絡技術。網絡技術的興起和飛速發展給科學技術、工業（yè）生產、政治、軍事、教育義舉人麽日常生活都帶來了巨大的（de）變革。各種網絡將全球經濟、生產連成一片，企業間的競爭也將全球化。機電一體化新產品一旦研製出來（lái），隻要其功（gōng）能獨到，質量可靠，很快就會暢銷全球。由於網絡的普及，基於網絡的（de）各種遠程控製和（hé）監視技術方興未艾，而遠程控製的終端設備本身就是機電一體化產品。現場總線和局域網技（jì）術是（shì）家用電器網絡化已成大勢（shì），利用家庭網絡(home net)將各種家用電器連接成以計算機為中心的計算（suàn）機集（jí）成家電係統(computerintegrated appliance system, CIAS)，使（shǐ）人（rén）們在家裏（lǐ）分享各種高技術帶來的（de）便利與快（kuài）樂。因此，機（jī）電（diàn）一體化產品無疑朝著網絡化方向（xiàng）發展。
五、微型化
　　微型化興起於20世紀80年代末，指的是機（jī）電一（yī）體化向微型機器和微觀領域發展的趨勢。國外（wài）稱其（qí）為微（wēi）電子機械係統（tǒng）（MEMS），泛指幾何尺寸不超過1cm3的機電一體（tǐ）化產品（pǐn），並向微米、納米級發展。微機電一體化產品體（tǐ）積（jī）小（xiǎo） 、耗（hào）能少、運動靈活，在（zài）生物醫療、軍事、信息等方麵具有不可比擬的優勢。微機電一體化發展的瓶頸在於微（wēi）機械（xiè）技術，微機電（diàn）一體化產品的加工采用精（jīng）細加工技（jì）術，即超精密技術，它包括光（guāng）刻技術（shù）和蝕刻（kè）技術（shù）兩類。
六、係統化
　　係統化的（de）表現特征之一就是係統體係結構進一（yī）步采（cǎi）用開（kāi）放式和模式化的總線結構。係統（tǒng）可以靈活組態，進行（háng）任意剪裁（cái）和組合，同時尋（xún）求實現多子係統（tǒng）協調控製和綜合管理。表現之二是通信（xìn）功能（néng）的大大加強，一般除RS232外，還有RS485、DCS人格化。未來的機電一體化更加注重產品與人的關係，機電一體化（huà）的人格化有兩層含義。一層是，機電一體化產品的最終使用對象是人，如何賦予機電（diàn）一體化產品人的智能、情（qíng）感、人性顯得越來越重要，特（tè）別是對家用（yòng）機器人，其高（gāo）層境（jìng）界（jiè）就是人機一體化。另一層是模仿生物機理，研製各（gè）種機電一體花產品。事實上，許多機電一體化（huà）產品都是受（shòu）動物的啟發研（yán）製出來（lái）的。
 1.機械微電子技術術語機（jī）電一體化
機電一（yī）體化又稱機械電子學，英語稱為Mechatronics，它是由英文機械學Mechanics的前半部分與電子學Electronics的後半（bàn）部分組合而（ér）成。機電一（yī）體化最早出現在1971年日本雜誌《機械（xiè）設計（jì）》的副（fù）刊上，隨（suí）著機電（diàn）一體（tǐ）化技術的快速發展，機（jī）電一體化的概念被我（wǒ）們廣泛接受和普遍應用。隨著計算機技術的迅猛發展和廣泛應用,機（jī）電一體化技術獲得前所未有（yǒu）的發展。現在的機（jī）電一體（tǐ）化技術，是機械和微電子技術緊密集合的一門技術，他（tā）的發展使冷冰冰的機器（qì）有了人性化（huà），智能化。
　　機電一體（tǐ）化技術是將機械技術、電工電子技術、微電子技術、信息  機電一體化
技術、傳感器技術、接口技術、信號變（biàn）換技術等多種技術進行有機地（dì）結合，並綜合應用到實（shí）際中去的綜合技術。是現代化的自動生產設備幾乎可以說都是機電一（yī）體化的設備。 　　中（zhōng）國機電設計邁入PLM全新（xīn）階段，正挑戰著（zhe）了（le）前所未有的，不可預測的難題，一個個久戰沙場經（jīng）久不衰精兵（bīng）良將正褪去了昨日英雄的光（guāng）環，唯有CAMEL VIEW 能夠勝任（rèn）軍統三（sān）國，光複舊業的重任，此時數（shù）係科技與德國iXtronics GmbH公（gōng）司攜手共同開拓機電設計領域的新篇章，CAMEL VIEW 作為機電一體化設計係統，從產（chǎn）品的概念（niàn）設計到產品性能的測試、驗證、通過都是一體化的，流程化的、規範化的，在滿足用戶設計的前提下，數值（zhí）實（shí）驗的仿真與結果的驗證無不精確化，支持複雜環境下，多工況，多耦合場設計。
介紹
　　研究將（jiāng）電子器（qì）件的信息處理（lǐ）和控製功能附加（jiā）或融（róng）合在機械（xiè） 裝置中的一種（zhǒng）複合化（huà）技術（shù）。俗稱機電一體化。機械電子學 (mechatronics)是由機械學(mechanics)和電子學 (electronics)兩個詞結（jié）合而成的新詞。其全稱為機械電子工程學，英語為mechanical and electronical engineering。機  機電一（yī）體化
械電子學主要研究目的是把機械技術與微電子技術和信息技術有機地（dì）結合為一體，實現整個係（xì）統（tǒng）的（de）最優化。機械電子學可以充分發揮機械技術、微電子技術和信息技術的各自的長處和特點，促進機械產品的更（gèng）新換代。機械電子學係統主要由機械（xiè）主體、傳感器、信息處理（lǐ）和執行機構等部分組成。較高級的係統不但有硬（yìng）件，而且還有相應的軟件,利用軟件技術可以實現硬件難以實現的功（gōng）能,使機（jī）械係（xì）統增加柔性。典型的機械電子係統有數控機床、加工中心、工業機器人等。機械電子學技（jì）術除用於單個機（jī）器、設備或一般的生產係統的技術改（gǎi）造之（zhī）外，還用（yòng）於柔性製造係統、計算機集成製造係（xì）統、工廠自動化、辦公自動化、家庭自動化（huà）等方麵。
編輯本段內容
具體內容
（1） 機械技術
　　機械技術是機電一體（tǐ）化的基礎，機械技術的著眼點在於如何與機電（diàn）一體化技  機電一體化
術相適應，利用其它高、新技術來更新概（gài）念，實現結構上、材料上、性能上的變更，滿足減小重（chóng）量、縮小（xiǎo）體積、提高（gāo）精度、提高剛度（dù）及改善性能的要（yào）求（qiú）。在機電一（yī）體化係統製造過程中（zhōng），經典的機（jī）械理論與工藝應借助於計算機輔助技術，同時采用（yòng）人工智能與專家係統等，形成新（xīn）一代的機械製造技術。
（2） 計算機（jī）與信息技術
　　其中信息交換、存取、運算、判斷與決策、人工智能技術、專家係統技術、神經網絡技術均屬於計算機（jī）信息處理技術。
（3） 係統技術（shù）
　　係統技術即以整體的概念組織應用（yòng）各種相關技術，從全（quán）局角度和係統（tǒng）目標出發（fā），將（jiāng）總體分解成相互關聯（lián）的若幹功（gōng）能（néng）單元，接口技術是係統技術中一個重要方麵，它是實現係統各部分有機（jī）連接的保證（zhèng）。
（4） 自動控（kòng）製技術
　　其範圍很廣，在控製理論指導下（xià），進行係統設計，設計後的係（xì）統仿真，現場調試，控製技術包括如高精度定（dìng）位控製、速度控製（zhì）、自（zì）適應控製、自診斷校正、補償、再現（xiàn）、檢索等。  機電一體化
（5） 傳感（gǎn）檢測技術
　　傳感檢測技（jì）術（shù）是係統的感受（shòu）器官（guān），是實現自（zì）動控製、自動（dòng）調節的（de）關鍵環節。其功能越強，係統的自動化程（chéng）序就越高。現代工程要求傳感器能快速、精（jīng）確（què）地獲取（qǔ）信息並能經受嚴酷環境的（de）考驗（yàn），它是（shì）機電一體化係（xì）統達到高水平的保證。
（6） 伺服傳動技術
　　包括電動、氣動、液壓等各種類型的傳（chuán）動裝置，伺服係統是實現電信號到機械動作的轉換裝置與部（bù）件、對係統的動態性能、控（kòng）製質量和功能（néng）有決定性的影響。
編輯本段階段（duàn）
模型階段（duàn）
　　模型階（jiē）段，所有的係統組件都能夠（gòu）被最優化； 　　在仿真計（jì）算的幫助（zhù）下，可（kě）以測試和分析（xī）這些組件的適用性；監測（cè）響應（yīng）頻率； 　　對模（mó）型進行（háng）分析。此外，還能夠生成一個物理（lǐ）/拓撲係統模型，包括機（jī）械、液壓和控製導向組件。有必（bì）要有一個模型工具，這個工具支持機電一體化係（xì）統的物理模型，即當有實物和節點時，這些（xiē）模型能夠以1：1來測試，並且（qiě）原（yuán）型設計研究階段（duàn）可以在（zài）嚴酷的實時條件下進行。
測試階段
　　在係統運行完模型階段之後，所產生的具體的性能數據可以通過試（shì）驗台驗證。這（zhè）  機（jī）電一體化
樣（yàng）就可以測試和檢驗該係統有（yǒu）關參數波動的魯棒性，功率儲備（bèi）及連續運（yùn）行的特征。這樣做的話，用戶可以進行測試或者使用CAMeL-View TestRig進行硬件在回路（lù）（的測（cè）試）。要進行硬件在回路測試（shì），相關（guān）裝置的物（wù）理特性需（xū）要詳細確認（rèn），這些裝置必須是建立在測試平台的（de）基礎之（zhī）上。識別經（jīng）過測試平台上測試過的組（zǔ）件，容許這些組件在模型中被識別，並（bìng）確保整個以係統為基礎的仿真分析（xī）布局。
原型階段
　　成（chéng）功（gōng）的測試之後，就會建立一個原型。這裏要特別關注的是模型（xíng）特性，這些（xiē）特性特指通過特別費力的仿（fǎng）真所決定的特性，比如（rú）組件損耗（性能）。這些數據結果，為模型基（jī）礎性分析提供服務（wù），同時為進一步（bù）研發提供知識基礎。
組成要素與（yǔ）四大原則
1.五大組成要素
　　一個機電一體化係統（tǒng）中一般由結（jié）構組成要素、動力組成要（yào）素、運動組成要素、感（gǎn）知組成要素、職能組成要素五大組成要素有機結（jié）合而成（chéng）。機械本（běn）體（結構組成要素）是（shì）係統的所有功能要素（sù）的機械支持結構，一般包括（kuò）有機身、框架、支（zhī）撐、聯接等。動力驅動（dòng）部（bù）分（動力（lì）組成要素）依（yī）據係統控製要求（qiú），為係統（tǒng）提供能量和（hé）動力以使係統（tǒng）正常運行。測試傳（chuán）感部（bù）分（感知組成要素）對係統的運行  機電一體（tǐ）化
所需要（yào）的本身和外部環境的各種參數和狀（zhuàng）態進行檢測，並變成可識別的（de）信號，傳輸給信（xìn）息處（chù）理單元，經（jīng）過（guò）分析（xī）、處理後產生相應的控製信息。控製（zhì）及（jí）信息處理部分（職能組成要素）將來之測試傳感部分的（de）信息及外部直接輸入（rù）的（de）指令進行集中、存儲、分析、加工處（chù）理後，按（àn）照信息處理（lǐ）結果和（hé）規定的程序與節奏發出（chū）相應的指令，控製整（zhěng）個係統（tǒng）有（yǒu）目的的運行。執（zhí）行機構（運動組成要素）<BR>根據控製及信（xìn）息處（chù）理部分發出的指令，完成規定的動作和（hé）功能。
2.四大原則
　　構成機（jī）電（diàn）一體化（huà）係（xì）統的五大組成要素其內（nèi）部及相互之間都（dōu）必須遵循結（jié）構耦合、運（yùn）動（dòng）傳遞（dì）、信息控製與能量轉換四大原則。　接口耦合：兩個需要進行（háng）信息交換和傳遞的環節之間，由於信（xìn）息模式不同（數字量與模擬量，串行碼與並行碼，連續脈衝與序列脈衝等）無法直接傳遞和交換（huàn），必須通過接口耦（ǒu）合來實現。而兩個信號（hào）強（qiáng）弱相差懸殊的（de）環（huán）節之間，也必須通過接口耦合後，才能匹配。變換放大後的信號要在兩個環（huán）節之間可靠、快速、準確的交（jiāo）換、傳遞，必須遵循一（yī）致的時序、信號格式和邏輯規（guī）範才行，因此接口（kǒu）耦合時（shí）就（jiù）必須具有保證信息的邏輯控製功能（néng），使信（xìn）息按規定的模式進行交換與傳遞。 　　能量轉換：　 　　兩（liǎng）個需要（yào）進行傳輸和交換的環節之間，由於模式不同而無法直接進行能量的轉換和交流，必須進行（háng）能量的轉換，能量（liàng）的（de）轉換包（bāo）括執行器，驅動器和他們的不同類型能量的最優轉換方法及原理。　 　　信息（xī）控製：在係統中，所謂智能（néng）組成要素的係統控製單元，在軟、硬件的保證下，完成信息的采集、傳輸、儲存、分析、運算、判斷、決策（cè），以達（dá）到信息控製的（de）目的。對於智能化（huà）程（chéng）度高  機電一體化
的信息控製係統還包含了知識獲得、推理機製以及自學習功能等知識驅（qū）動功能。　 　　運動傳遞：運動傳遞使構成機電一體化係統各組成要（yào）素之間，不同類型運動的變換與傳輸以及以運（yùn）動控（kòng）製為目的的（de）優（yōu）化。 　　三、自動（dòng）化（huà）技術：　 　　所謂自動化（huà）技術，是指人類利用各種技術手段和方法來代替人去完成各種測試、分析、判斷和控（kòng）製工作（zuò），以（yǐ）現實預期的目標、功能。一個自（zì）動化係統通常由多個環（huán）節要素組成，以完成（chéng）信息（xī）的（de）獲取、信息的傳遞、信息的（de）轉換、信息的處理及信息的執行等功能，最後實現自動運行（háng）目標。

　　控製係（xì）統各功能元件的選型與設計： 　　1、單片機 選用INTEL公司生產（chǎn）的8031單片機 　　單片機 　　，它主要通過並行8255口擔（dān）負控製係統（tǒng）的信號處理：接收係統（tǒng）對轉矩、閥門開  機電一（yī）體化
啟、關閉（bì）及閥（fá）門開度等設定信號，並提供三相（xiàng）PWM波發生器所（suǒ）需要的控製信號；處理IPM發出的故障信（xìn）號和（hé）報警信號；處理通過模擬輸入口（kǒu）接收的電流、電壓、位置等檢測信號（hào）；提供顯示電動（dòng）執行機構的工作狀（zhuàng）態信號（hào）；執行控製係（xì）統來的控製信號，向控製係統反饋信號； 　　2、三相PWM波（bō）發生器 PWM波的產生通常有模擬和數字兩種方法。模擬法電（diàn）路複（fù）雜，有溫漂現象，精度低，限（xiàn）製了係統的性能；數字法是按照不同（tóng）的數字模（mó）型用計算機（jī）算出各切換點，並（bìng）存入內存，然後通過查表及必要的計算產生PWM波，這種方法占（zhàn）用的內存較大，不能保證（zhèng）係統的精度。為了滿足智能功（gōng）率模塊所需要的PWM波控製信號，保證微（wēi）處理器有足夠（gòu）的時間進行整個係統的檢測、保護、控製等功能，文中選用（yòng）MITEL公司生產的SA8282作（zuò）為三相PWM發生器。SA8282是專用大規模集成電路，具有獨立（lì）的標準微處理器接口，芯片內部包含了波形、頻率、幅值等控（kòng）製信息。 　　3、智能（néng）逆變模塊IPM 為了滿足執行機構（gòu）體積小，可靠性高的（de）要求，電機電源采（cǎi）用智能功率模塊IPM。該執行機構主要適用功率小於5．5kW的三相異步電機，其額定電壓為380V，功率（lǜ）因數為0．75。經計算可知，選用日本產的智能（néng）功率模塊PM50RSA120可以滿足係（xì）統要求。該功率模（mó）塊集功（gōng）率開關和驅（qū）動電路、製動電路於一（yī）體，並（bìng）內置過電流（liú）、短路、欠電壓和過（guò）熱保護以及報（bào）警（jǐng）輸出（chū），是一種高性能的功率開關（guān）器件（jiàn）。 　　4、位置檢測電路 位置檢測（cè）電路是執行機構的重要組成部分，它的功能是提供準確的 　　  機電一體（tǐ）化（huà）
位置信號。關鍵問題是位置傳感器的選型。在傳統的電（diàn）動執行機構中多（duō）采用繞線電位器、差動（dòng）變壓器、導電塑料電位（wèi）器等。繞（rào）線電位器壽命短被淘汰。差（chà）動變（biàn）壓器由於線性區太短和溫度特性不理想而受到限製。導電塑料電位器目前較為流行，但它是有（yǒu）觸（chù）點的，壽命也不可能很長，精度也（yě）不高。筆者采用的位置（zhì）傳感器（qì）為脈衝數字（zì）式傳感器，這種傳（chuán）感器是無觸（chù）點的，且具有精度高、無線性區限製、穩（wěn）定性高、無溫（wēn）度限製等特點。 5、電壓、電流及檢測 檢測電壓、電流主要是為了計算電機的力矩，以及變頻（pín）器（qì）輸出（chū）回路短路、斷相保護（hù）和逆變模塊（kuài）故障診斷。由於變頻器輸出的（de）電流（liú）和（hé）電壓的頻率範圍為0～50Hz，采用常規的電（diàn）流、電壓互感器無法（fǎ）滿足要求。為了快速反映出電（diàn）流（liú）的大小，采用霍爾型（xíng）電流互感器檢測IPM輸出的三相電流，對於（yú）IPM輸出電壓的檢測（cè）采用分壓電（diàn）路。 　　6)、通訊接口 為了實現計（jì）算機聯網和遠程（chéng）控（kòng）製，選用MAX232作為係統的串行（háng）通訊接口，MAX232內部有兩個完全（quán）相同的電（diàn）平轉換電路，可以把8031串行口輸出的（de）TTL電平轉換為RS－232標準電平，把其它（tā）微機（jī）送來的RS－232標準電平轉換成TTL電平（píng）給8031，實現單片機與其它微機（jī）間的通訊。 　　7、時鍾電路（lù） 時鍾電路主要用來提供（gòng）采樣與控 　　製周期、速度計算時所需要（yào）的時間（jiān）以及日（rì）曆（lì）。文（wén）中選用時鍾電路（lù）DS128  機電一（yī）體化
87。DS12887內部有114字節的用戶（hù）非易失性RAM，可用來存入（rù）需長期保存的（de）數（shù）據。 　　8、液晶顯（xiǎn）示（shì）單（dān）元 為了實現人（rén）機對話功能，選用MGLS12832液晶顯（xiǎn）示模塊組成顯示電路。采用組態顯示方式。通過菜單選擇，可分別對閥門、力矩、限位、電機、通訊和參數等信號（hào）進行設（shè）置（zhì）或調（diào）試。並采用文字和圖形相結合的方式，顯示直觀、清晰。 　　9、程序出格（gé）自恢複電路 為了（le）保證在強幹（gàn）擾下程序出格時（shí）係統能（néng）夠自動地恢（huī）複正（zhèng）常（cháng），選用MAX705組成程（chéng）序（xù）出格自恢複電路，監視程序運行。如圖2-3所示，該電路由（yóu）MAX705、與非門及微分電路組成。工作原理為：一（yī）旦程序出格，WDO由（yóu）高變低，由於微分電路的作用，由“與非”門輸入引腳2變為（wéi）高（gāo）電平，引腳2電平的這種變化使“與非”門輸出一個正脈衝，使單片機產生一次複位，複位結束（shù）後，又由程序通過P1．0口向MAX705的（de）WDI引腳發正脈（mò）衝，使WDO引腳回到高電平（píng），程序出格自恢複電路繼（jì）續監視程序運行。