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為主體,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“由計算機資訊網路協調與控制的,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)機電部件相互聯絡的系統”,日本則認為是“將機械裝置與電子裝置以及軟體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,裡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,我們可以這樣認為: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體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床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、大規模積體電路、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
隨著積體電路的整合度越來越高,材料效能越趨穩定,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,改善了裝置的操作效能,構建了良好的人機介面。
2.6提高柔性
由於軟體技術的引入,從而實現了機器工作程式的可修改性,能夠通過軟體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感測技術
感測技術是機電一體化技術的關鍵技術,它將所測得的各種引數量如位移、速度、加速度、力等訊號轉換為統一格式的電訊號輸入到資訊處理系統中,並由此產生出相應的控制訊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、儲存及輸出技術。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
自動控制技術就是通過控制器使被控物件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、系統模擬、現場除錯、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介面技術
機電一體化系統通常由許多要素和子系統構成,為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絡條件,而這些條件統稱為介面。這些介面既可能是硬體,也可能是軟體,或者是兩者的結合。
3.6驅動技術
驅動技術的主要研究物件是執行元件及其驅動裝置。執行元件分為電動、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整合化的功能電路構成。
3.7系統總體技術
系統總體技術是一種從全域性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絡的功能單元,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、資訊處理裝置、辦公室裝置、車輛電子裝置、醫療器械、光學裝置、智慧家電、樓宇安全系統等機電一體化系統都離不開執行元件為其提供動力。而執行元件和電子控制裝置之間是無法直接連線的,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,同時將所測得的資料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絡。如果它們之間沒有聯絡,可以讓它們單獨來工作,也可以通過構建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體,將聯動輸出寫入軟體當中,讓其直接轉化為控制程式,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,僅論述瞭如何將感測技術、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,而模組間的訊號傳輸及所涉及到的介面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,以全域性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智慧化
智慧化是21世紀機電一體化技術的一個重要發展方向,而機器人與數控機床的智慧化就是其重要應用。這裡所說的“智慧化”是對機器行為的描述,是在控制理論的基礎上,吸收人工智慧、運籌學、電腦科學、心理學、生理學和混沌動力學等新方法,模擬人類智慧,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介面或電氣動力介面等的'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,都有著其巨大的作用。
5.3網路一體化
由於網路的普及,推進了全球化的程序。而基於網路的各種遠端監控技術,讓家用電器網路化成為可能。把各種家用電器連線成以計算機為中心的計算機整合家用電器系統(ComputerIntegratedApplianceSystem,CIAS),使人們無論在家裡還是在外面,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著網路化的方向發展。
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,是人們為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著極其深遠的意義。