淺談機電一體化集成設計和研究

殷九洲

摘 要：集成技術是機電一體化技術發展的動力，直接影響著機電一體化系統作用的發揮。本文主要從機電一體化集成技術簡述、原理、方法和驗證等方面進行探討和總結。

關鍵詞：機電一體化;集成設計;技術

0 概述

機電一體化系統的集成技術是將機械技術、電子技術、計算機技術等融合、協調的有效途徑。依靠集成技術將各種技術的優點充分發揮出來，生產出滿足人們生活和生產所需的機電一體化產品，采用集成方法使產品成為現實，集成度越高，成本控制優勢越顯著，從而提升市場競爭力。

1 機電一體化集成技術簡述

（1）機電一體化技術和產品的出現，是精密機械技術和電子技術等融合的結果，因此它從已開始發展就特別強調集成技術。機電一體化的發展過程，是一個以機電集成為主，同時綜合集成其它學科技術的過程，特別是計算機等信息技術的發展，極大促進進了機電一體化的發展。集成是機電一體化發展的內在動力，它是一種創造性的過程，正是由于這種創造性，將機、電、信息、控制等各種相關技術相結合，實現了系統整體優化的效果，促使機電一體化領域的不斷拓展。

（2）機電一體化是以計算機與微電子技術和機械主體的協調配合為中心，由控制系統來實現的。它需要各種傳感器和許多執行機構，需要配備電源進行系統設計，其性能分析、產品試驗和系統評價都需要大量的技術支撐。至于生產裝備、制造工藝等，則因最終產品的類型不同而千差萬別。概括地說，支撐機電一體化系統集成的技術主要包括：精密機械技術、計算機技術、電子技術、控制技術和電工技術等。

2 機電一體化集成原理

機電一體化系統的集成的過程，必須要從系統整體的角度出發，利用理論知識和實踐經驗，有步驟、有規律地實現機電一體化集成。

（1）根據功能進行初步設計，然后在此基礎上針對實現特定的設計目的，再進行進一步分析研究。功能集成環節要將針各個系統的功能根據機電一體化系統功能結構劃分為基本功能子單元，然后再信息層面上有軟件來實現集成，這個過程可以用結構化方法、模塊化方法。

（2）要用設計、選購的物理模塊來實現功能集成中的功能單元要求，即要進行物理映射。利用理論基礎和技術基礎知識，根據物理映射結果，并且以系統整體優化為目標進行相應的分析和研究，最后實現最佳的集成效果。

3 機電一體化集成方法

機電一體化系統的集成方法大體上可以分為四種：部件級集成、系統級集成、硬件和軟件集成以及分層集成。

3.1 部件級集成

部件級集成主要強調在傳感器或執行器或兩者一起的集成技術，傳感器和執行器數量較多，而且可以完成一種局部任務，事實上就局部而言也是一個完整的系統。如：繁重的計算任務可分成兩部分，即高層計算和低層計算。高層計算由SUN工作站進行，主要功能是手的姿態監控，手操作的協調計劃和高層控制計算;低層計算由手中控制器完成，它根據傳感器信息和上位機命令，向與它相連的17個模擬控制回路發布空間控制命令。

3.2 系統級集成

系統級集成主要著眼于系統的整體性能和整體結構，一般包括系統的整體結構和控制策略，傳感器和執行器的數量和配置方案等。當要建造的系統能精確建模時，可以利用模型將系統的機械結構與控制策略的不同集成方案對比優選，或者按規定的約束條件進行優化，以得到最佳方案，這種方法稱為模型優化法。

3.3 硬、軟件綜合集成

硬件軟件綜合集成既可面向部件，也可以面向整個系統，其要領是將機電一體化系統所要完成的功能或任務，根據性質進行劃分，確定哪些任務應由硬設備完成，哪些任務要由軟件完成，哪些任務需要兩者配合完成;然后由不同的工作小組分頭承擔并完成;最后再進行整體調試運行。下面以計算機輔助設計與制造系統為例進行說明，可以將其分成計算機輔助設計與計算機輔助制造兩大任務，設計部分又可分成零件和整機設計以及整機性能分析兩個任務。制造部分又可分成加工和質量控制與測試兩大任務。設計部分應由計算機和相應的軟件承擔，制造部分的零件編程要由計算和自動編程軟件進行，加工裝配要由數控機床和機械手、機器人等協同完成，質量控制與測試則由相應的測試設備及軟件互相配合完成。這種方法可以稱為任務驅動集成技術。

3.4 分層集成

分層集成又可分為兩種，自頂向下集成和自底向上集成。這兩種方法首先要將系統按結構分成若干子系統，子系統又分成若干基本部件。電動汽車設計就是一個典型的自頂向下的系統集成案例，它可以分成車體、儲能系統、電力驅動系統、照明系統和駕駛與信息管理系統等5個子系統。車體是整車的基本骨架，它既裝載全車的所有子系統，又載人或載貨。為了提高性能就要設法減輕總質量，降低車輛的阻力系數，在材料選用、外觀造型和部件配置等方面進行優化設計;儲能系統要考慮電池類型，是選用化學電池、燃料電池還是飛輪電池、還要考慮充電方式和設備等等。

4 機電一體化集成設計驗證

4.1 系統仿真

系統仿真是機電一體化系統集成的重要步驟，但只有系統能夠建立精確或比較精確的模型時，仿真的結果才是有效的，也是可信的。當系統模型無法建立時，可采用原型逐次逼進法進行系統集成，靠實際樣機的測試來評估系統。

4.2 系統測試和評估

系統測試和評估是系統集成不可缺少的環節，它通過對樣機或實物的性能測試，驗證系統是否達到規定的或預期的要求，并根據測試結果和設計資料，對系統做出全面估價。

5 結束語

機電一體化集成設計和研究是一項系統的、復雜的工程，涵蓋計算機、軟件、機械、電子等多個學科的知識，需要不斷深入的研究和實踐，以便為人們的生活和生產提供更好的服務。

參考文獻：

[1]徐侃烈.機電一體化系統集成的研究與研制[D].上海大學，2004.

[2]盧志山.虛擬樣機技術在磁懸浮精密定位平臺中的機電一體化研究[J].中國科學院研究生院，2005.