機電一體化系統設計的目標和方法

裴剛 朱喜文

摘 要：機電一體化起源于上世紀八十年代的日本，它融合了機械、自動控制、伺服傳動、電子、信息處理、傳感檢測、系統總體等多種技術，并綜合應用到實際中去的綜合技術。它不是上述技術的簡單疊加，而是在從系統理論出發根據系統功能目標和優化組織結構目標，對各組成部分及其間的信息處理，接口耦合，運動傳遞，物質運動，能量變換進行研究，組成有機的系統，集成各種技術，并在系統軟件程序和微電子的有序控制信號的作用下，使物質和能量形成有規律運動的軌跡，在多功能性、高精度、高安全性、高可靠性、低能耗等諸多方面實現多種技術功能融合成最優效果的系統工程技術。

1 現代機械的機電一體化目標

1.1節約能源，降低能耗

通過采用低能耗的驅動機構、最佳調節控制和提高能源利用率等措施，機電一體化產品和系統可以取得良好的節能效果。

1.2提高安全性、可靠性

機電一體化系統通常具有自動檢測、監控子系統，因而可以對各種故障和危險自動采取保護措施并及時修正參數，提高系統的安全可靠性。

1.3改善操作性和實用性

機電一體化系統的各相關子系統的動作順序和功能協調關系由控制系統決定。隨著計算機技術和自動控制技術的發展，可以通過簡便的人機界面操作，實現復雜的功能控制和良好的使用效果。

1.4提高精度

機電一體化技術使機械傳動部件減少，因而使由機械磨損、配合間隙及變形而引起的誤差大為減小。同時，由于機電一體化技術采用電子技術實現自動檢測和自動控制，校正和補償由各種干擾因素造成的動態誤差，從而達到單純機械裝備所不能實現的工作精度。

1.5增強功能

現代高新技術的引入，使機械產品具有多種復合功能，成為機電一體化產品和系統的一個顯著特點。

1.6提高生產效率

機電一體化系統可以有效地減少生產準備時間和輔助時間，縮短新產品的開發周期，提高產品的合格率，減少操作人員，從而提高生產效率，降低生產成本。

1.7減輕勞動強度，改善勞動條件

減輕勞動強度包括繁重的體力勞動和復雜的腦力勞動。機電一體化系統能夠由計算機完成設計制造和生產過程中極為復雜的人的智力活動和資料記憶查找工作，同時又能通過過程控制自動運行，從而替代人的緊張和單調重復操作以及在危險環境下的工作。

1.8簡化結構，減輕重量

機電一體化系統采用先進的電力電子器件和傳動技術，替代老式笨重的電氣控制和機械變速結構，由微處理器和集成電路等微電子元件和程序邏輯軟件，完成過去靠機械傳動鏈來實現的關聯運動，從而使機電一體化產品和系統的體積小，結構簡化，重量減輕。

1.9降低價格

由于機械結構簡化，材料消耗減少，制造成本降低，而且電子器件的價格下降迅速，因此機電一體化產品和系統的價格日趨低廉，而使用性能、維修性能日趨完善，使用壽命不斷延長。

1.10增強柔性應用功能

為了滿足市場多樣性的要求，機電一體化系統可以通過編制用戶程序來實現機電產品工作方式的改變，適應各種用戶對象及現場參數變化的需要。

2機電一體化系統開發的設計思想

機電一體化的優勢，在于它吸收了各相關學科之長并加以綜合運用而取得整體優化效果。因此，在機電一體化系統開發的過程中，要特別強調技術融合、學科交叉的作用。機電一體化系統開發是一項多級別、多單元組成的系統工程。把系統的各單元有機地結合成系統后，各單元的功能不僅相互疊加，而且相互輔助、相互促進、相互提高，使整體的功能大于各單元功能的簡單的和，即“整體大于部分的和”。

3機電一體化系統設計方法

3.1整體設計法

這種方法主要用于全新產品和系統的開發。在設計時，完全從系統的整體目標考慮各子系統的設計，所以接口簡單，甚至可能互融一體。在大規模集成電路和微機不斷普及的今天，隨著精密機械技術的發展，完全能夠設計出將執行元件、運動機構、檢測傳感器、控制與機體等要素有機地融為一體的機電一體化新產品。

3.2組合法

這種方法就是選用各種標準模塊，像積木那樣組合成各種機電一體化系統。例如，設計數控機床時，可以從系統整體的角度選擇工業系列產品，諸如數控單元、伺服驅動單元、位置傳感檢測單元、主軸調速單元以及各種機械標準件或單元等，然后進行接口設計，將各單元有機的結合起來融為一體。在開發機電一體化系統時，利用此方法可以縮短設計與研制周期、節約工裝設備費用，有利于生產管理、使用和維修。

3.3取代法

這種方法是用電氣控制取代原傳統中機械控制機構。這種方法是改造傳統機械產品和開發新型產品常用的方法。例如，用電氣調速控制系統取代機械式變速機構，用可編程序控制器或微型計算機來取代機械凸輪控制機構、插銷板、步進開關、繼電器等，以彌補機械技術的不足。這種方法不但能大大簡化機械結構，而且可以提高系統的性能和質量。

4結語

綜上所述，機電一體化系統設計是一項非常復雜的工程，不是單一部門能夠獨自完成的，它需要眾多行業合作才能實現。在設計系統時，應根據機械系統的結構特點來確定電氣參數，綜合運用多學科知識，充分體現機電一體化的優越性。

參考文獻：

[1] 武藤一夫.機電一體化[M].北京：科學出版社，2007.

[2] 呂強，孫銳，李學生.基機電一體化原理及應用[M].北京：國防工業出版社，2010.