機電一體（tǐ）化

機電一體化介紹
　　機電一體化技術是將機械（xiè）技術、電工電子技術（shù）、微電子技術、信息技術、傳感器技術、接口技術、信號變換技術等多種技術（shù）進行有機地結合，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（jǐ）乎可以說（shuō）都是機電一體化的設備。　中國機電設計邁（mài）入PLM全新階段，正挑戰（zhàn）著了前所未（wèi）有的，不可預測的難題，一個個久（jiǔ）戰沙場經久不（bú）衰精兵良將正褪（tuì）去了昨日英雄的光環，唯有CAMEL VIEW 能夠勝任軍統三國（guó），光（guāng）複舊業的重任，此時數係科技與德（dé）國iXtronics GmbH公司攜手（shǒu）共同開拓機（jī）電設計（jì）領域的新篇章（zhāng），CAMEL VIEW 作為機電一體化設計係統（tǒng），從產品的（de）概念設計到（dào）產品性（xìng）能的測試、驗證、通過都是一體化的，流程化的、規範化（huà）的，在滿足用戶設計的前提下，數值（zhí）實驗的仿真與結果的驗證無不精（jīng）確化，支（zhī）持複雜環（huán）境下，多工況，多耦合場設計（jì）.

一、智能化
　　智能化是（shì）21世紀機電一體化（huà）技（jì）術（shù）發展（zhǎn）的一個重要發展方向。人工智能在機電一體化建設者的研究（jiū）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。這裏所說的（de）“智能化”是對機器行為的描述，是在（zài）控製理（lǐ）論的基礎上，吸收人（rén）工（gōng）智能、運籌學、計算機科學、模糊數學、心（xīn）理學、生理學和混沌動力學等新思想、新方法，模擬人類智能，使它具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力，以求得到更（gèng）高的控製目標。誠然，使（shǐ）機電一（yī）體（tǐ）化產品（pǐn）具有與人完全相同的智能，是不可能的，也是不必要的。但是，高性能、高速的微處理器使機電一體化產品賦有低級智能或人的部（bù）分智能，則是完全可能而又必要的。
二、模塊化
　　模塊化是一項重（chóng）要而艱巨的工程。由於機電（diàn）一體化產（chǎn）品種類和生產廠家繁多，研製和開發具有標準機（jī）械接（jiē）口、電氣接口、動力接口（kǒu）、環境接口的機電一體化（huà）產品單元是一項十分複雜但又是非常重要的事。如研製集減（jiǎn）速（sù）、智能調速、電機於一體的動力單元，具有視覺、圖像處理、識別和測距等功能的控製單元，以及各種能完成典型操作（zuò）的機械裝置。這樣，可利用（yòng）標準單元迅速開發出新產品（pǐn），同時也可以擴大生產規模。這需要製定（dìng）各（gè）項標準，以便（biàn）各（gè）部（bù）件、單（dān）元的匹配和接口。由於利益衝突，近期很難製定（dìng）國際或國內這方麵的標準，但可以通過組建（jiàn）一些大（dà）企業逐漸形成。顯然，從電氣產品的標準化、係列（liè）化帶來的好處可以肯定，無論是對生產標準機電（diàn）一體化單元的企業還（hái）是（shì）對生產機電一體化產品的企業，規（guī）模化將給（gěi）機電一體化企業帶來美好的前（qián）程。
三、綠色化
　　工業的發達給人們生活帶來了（le）巨大變化。一方麵，物質豐富（fù），生（shēng）活舒適；另一方麵，資源減少，生（shēng）態環（huán）境受到嚴重汙染。於是，人們呼籲保護環境資源，回歸自然。綠色（sè）產品概念在這種呼聲下應運而（ér）生，綠色化是時（shí）代的（de）趨勢。綠色產品在其設（shè）計、製造（zào）、使用和銷（xiāo）毀（huǐ）的生命過程（chéng）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（wēi）害（hài）極少，資源利用率極（jí）高。設計綠色（sè）的機電一體化產品（pǐn），具有遠大的發展前途。機電（diàn）一體化產品的綠色化主要是指，使用時不汙染生態（tài）環境（jìng），報廢後能回（huí）收利用。
四、網絡（luò）化
　　20世紀90年代，計（jì）算（suàn）機技（jì）術等的突出成就是網絡技術。網（wǎng）絡技術的興起和飛速發展給科學技術、工業生產、政治、軍事、教育義舉（jǔ）人麽（me）日常生活都帶來了巨大的變革。各種網絡將全（quán）球經濟（jì）、生產連成一片，企業間的競爭也（yě）將全球化。機電一體化新（xīn）產品一旦研（yán）製出來，隻要其功能獨到，質量可（kě）靠，很快就會暢銷全球。由於網絡的（de）普及，基於網絡的各（gè）種遠（yuǎn）程（chéng）控製和監視技術方興未艾，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術是家用電器網絡化已成大勢，利（lì）用家庭網絡(home net)將各（gè）種家用（yòng）電器連接成以計算機為中心的計（jì）算機集成家電係統(computerintegrated appliance system, CIAS)，使人們在家裏分享各種高技（jì）術帶來的便利與快樂。因此，機（jī）電一體化產品無疑朝著網絡化方向發展。
五、微型（xíng）化
　　微型（xíng）化興起於20世紀80年代末，指的是機電一體（tǐ）化向微型機器和微觀領（lǐng）域發展的趨勢。國外稱其為微電子機械係（xì）統（MEMS），泛指幾何尺寸不（bú）超過1cm3的機電一體化產品，並向微米、納米級發展。微機電一體化（huà）產品體積小 、耗能少、運（yùn）動靈活，在生物醫療（liáo）、軍（jun1）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機械（xiè）技術，微機電一體化產品的加工采用精細加工技術，即超精密技（jì）術，它包括光刻技術和蝕刻技術兩類。
六、係統化
　　係統化的表現特征之一就是係統體係結構進一步采用（yòng）開放式和模式化的總線結構。係統可以靈活組態，進行任意剪裁和組合，同時尋求實現多子係統協調控製和綜合管（guǎn）理。表現（xiàn）之二（èr）是通信功（gōng）能的大大加強（qiáng），一般除RS232外，還有RS485、DCS人格化。未（wèi）來的機電一體化更加注重產品與（yǔ）人的關係，機電（diàn）一體化的人格化有兩層含義。一層（céng）是，機電一體化產品的（de）最終使用（yòng）對象是人，如何賦予機電一體化產品人的智能、情感、人性顯得越來越（yuè）重要，特別是對家用機器人，其高層境界（jiè）就是人機一體化。另一層是模仿生物機理，研（yán）製各種機電一體花產品。事實上，許多機電一體化產品都是受（shòu）動物的（de）啟發研製出來的。
 1.機械微電子（zǐ）技術術語機電一體化
機電一體化又（yòu）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（fèn）與電子學Electronics的（de）後半部（bù）分組合而成。機電一體化最早出現（xiàn）在1971年日本（běn）雜誌《機械設計》的副刊上，隨著機電（diàn）一體化技術的快速發展，機電一體化的概念被（bèi）我們廣泛接受和普（pǔ）遍應用。隨著計算（suàn）機技術的迅猛發展（zhǎn）和廣泛應用,機電一體化技術獲得前所未（wèi）有（yǒu）的發展。現在的機電一體化（huà）技術，是機械和（hé）微電子技術緊密集合的一門技術，他的發展使冷冰冰的（de）機器有了人性化，智能化。
　　機電一體化技術是將機（jī）械技術、電工電子技術、微電子技術、信息  機電一（yī）體化
技術、傳感器技術、接口技術、信號變換技（jì）術（shù）等多種技術進行（háng）有機地結（jié）合，並綜合（hé）應用到實際中去的綜合技術。是（shì）現代化的自動生產設（shè）備幾乎可以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，不可預測的難題，一個個久戰沙場經久不衰精（jīng）兵良將正褪去了昨（zuó）日英雄的光（guāng）環，唯有CAMEL VIEW 能夠勝任軍統三國，光複舊業的（de）重（chóng）任，此時數係科技與德（dé）國iXtronics GmbH公（gōng）司攜手共同（tóng）開拓機電設計領域的新篇章（zhāng），CAMEL VIEW 作為機電一體化設計係統（tǒng），從產品的概念設計到產品性能的測試、驗證、通過（guò）都是一體化的，流程化的、規範（fàn）化的，在滿足用戶設計的前提下，數值實驗的仿真與結果的驗證無不精確（què）化，支持複雜環境下（xià），多工況，多耦合場設計。
介紹
　　研究將電子（zǐ）器件（jiàn）的信息處理和控製功能附加或融（róng）合在機械 裝（zhuāng）置中的一種（zhǒng）複合化技術。俗稱機（jī）電一體化。機械電子學 (mechatronics)是由機械學(mechanics)和電子學 (electronics)兩個詞（cí）結合而成的新詞。其全稱為機械電子工程學，英語為mechanical and electronical engineering。機  機電一體化
械電（diàn）子學（xué）主要研究目的是（shì）把機械（xiè）技術與微電（diàn）子技術和信息技術有機地結（jié）合為一體（tǐ），實現整個（gè）係統的最優化。機械電子學可以充分發（fā）揮機械技術、微電子技術和信息技術的各自的（de）長處和特點，促進機械產品（pǐn）的更新換代。機械電子學係統主要由機械（xiè）主體（tǐ）、傳感器、信息處理和執行機（jī）構等部分組成。較高級的係統不但有硬件，而且還有相應的軟件,利用軟件技術可（kě）以實現硬件難以實現的功能,使機械係統增加柔性。典型的機械電（diàn）子係統（tǒng）有數控機床、加工中心、工業機器人等。機械（xiè）電子學技術除用（yòng）於（yú）單個機器、設備或（huò）一（yī）般的生產係統的技術改造之外（wài），還用於柔性製（zhì）造係統、計算機集成製造係統、工廠自（zì）動化、辦公自動化、家庭自動化等方麵。
編輯本段內容
具（jù）體（tǐ）內容
（1） 機械技術
　　機械技術（shù）是機電一體化的基礎，機械技術的著（zhe）眼點在於如何與機電一體化技  機電一體化
術相適應，利用其它高、新技術來更新（xīn）概（gài）念，實（shí）現結構上、材料上、性能上（shàng）的變更，滿足減小重量、縮小體積、提高精度、提高（gāo）剛度及改善性能的要求。在（zài）機電一體化係統製造過（guò）程中，經典（diǎn）的（de）機械理論與工藝應借助於計算機輔助技術，同時采用人工（gōng）智能（néng）與專家係統等，形成新（xīn）一代的機械製造技術。
（2） 計算機與信息技（jì）術
　　其（qí）中（zhōng）信（xìn）息交換、存取、運算、判斷（duàn）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信息（xī）處理技術。
（3） 係統技術
　　係統技術即（jí）以整體的概念組（zǔ）織應用各種相關技術，從全局角度和係統目標出發，將總體分解（jiě）成相互關聯的若幹功能單元，接口技術（shù）是係統技（jì）術中一個重要方麵，它是實現係統（tǒng）各部分有機連接的保（bǎo）證。
（4） 自動控製技術
　　其範圍很廣，在控製理論（lùn）指（zhǐ）導下，進行（háng）係統設計，設計後的（de）係統仿真，現場調試，控製（zhì）技術包括如高精（jīng）度定位控製、速度控製、自適應（yīng）控製、自診斷校正、補償、再現、檢索等。  機電一體化
（5） 傳感檢測技術
　　傳感檢測技術是係統的感受器官（guān），是實現自動控製（zhì）、自（zì）動調節的關鍵環節。其功能越強，係統的自動化程序就越（yuè）高（gāo）。現代工程要求傳感器能快速、精確地獲取信息並能經受嚴酷環境（jìng）的考驗，它是機電一體化係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（xì）統（tǒng）是（shì）實（shí）現電信號到機械動作的轉換裝置與部（bù）件、對係統的動態（tài）性能、控製質（zhì）量和功能有決定性的影響。
編輯本段階段
模型階段
　　模型階段（duàn），所有的係統組件都能夠被最（zuì）優化； 　　在仿（fǎng）真（zhēn）計算（suàn）的（de）幫助下，可以測試和（hé）分析這些組件的適用性；監測響應（yīng）頻率； 　　對模型（xíng）進行分析。此外，還能夠生成一個物理/拓撲係統模型，包括機械（xiè）、液壓和控製導向組件。有必要有一個模型工具，這個工具支（zhī）持機電一體化係統的物理模型，即當有（yǒu）實物和節點（diǎn）時（shí），這些模（mó）型能夠以1：1來測試，並（bìng）且原型（xíng）設計（jì）研究階段可以在（zài）嚴酷的實（shí）時條件下進行（háng）。
測試階段
　　在係統運行完（wán）模型（xíng）階段之後，所產生的具體的性能數據可以通過試驗（yàn）台驗證。這  機電一體化
樣就可以測（cè）試和檢驗該係統有關（guān）參數波動的（de）魯（lǔ）棒性（xìng），功率儲備及連續運行的特征（zhēng）。這樣做（zuò）的話，用戶可（kě）以進行測試（shì）或者使用CAMeL-View TestRig進行硬件在回路（lù）（的測試）。要進行硬（yìng）件在回路測試，相關裝置的物理（lǐ）特性需要（yào）詳細確認（rèn），這些裝置必須是建立在測試平台的基礎之上。識別經過測（cè）試（shì）平台上測試過的組（zǔ）件，容許這（zhè）些組件在模型中被識別，並確保整個以係統為基礎的仿（fǎng）真分析布局。
原型階段
　　成（chéng）功的測試之後，就會（huì）建立一個（gè）原型。這裏要特別關注的是模型特（tè）性，這些特性特指通過特別費力的仿真所決定的（de）特（tè）性，比如組件損耗（性能）。這（zhè）些數據結果，為（wéi）模型基礎性分析提供服務，同（tóng）時為進（jìn）一步研發提供知識基礎。
組成（chéng）要（yào）素與四大原則（zé）
1.五大（dà）組成要素（sù）
　　一個機電一體化係統中一般由結構組成要素、動力組成要素、運動組成要素、感知組成要素、職能組成要素五大組成要素有（yǒu）機結合而成。機械（xiè）本體（結構組成要素）是係統的所有功能要素（sù）的機械支持結構，一般包（bāo）括有機身、框架、支（zhī）撐、聯接等。動力驅動（dòng）部分（動（dòng）力組成要素）依據係統控製要（yào）求，為係統提供能量和動力以使（shǐ）係統正常運行。測試傳感（gǎn）部分（感知組成要素）對係統的運行  機電一體化
所需要的本身和（hé）外部環境的各種參數和狀態進行檢測，並變成可識別的（de）信號，傳輸給信息處理單元，經過分析、處理後產生相應的控製信息。控製及信息處理部分（fèn）（職（zhí）能組成要素）將來之測試傳感部（bù）分的信息及外部直接輸入的指令進行集中、存儲、分析、加工處理後，按（àn）照信息處理（lǐ）結果和（hé）規定的程序與節奏發（fā）出相應的指令，控製整個係統有目的的運行。執行機構（運（yùn）動（dòng）組成要素）<BR>根據控製及信息處理部分發（fā）出的指令，完成規定的動作和功能。
2.四大（dà）原則
　　構成（chéng）機電一體化係統的五大組成要素其內部及相互（hù）之（zhī）間都必須遵循（xún）結構（gòu）耦合、運動傳（chuán）遞、信息控製與能（néng）量轉換四大原則。　接口耦合：兩個需要進行信息交換和傳遞（dì）的環節之間，由於信息模式不（bú）同（數（shù）字量與（yǔ）模擬量，串行碼與並行碼，連續（xù）脈衝與序列脈（mò）衝等（děng））無法直接（jiē）傳遞和（hé）交換，必須通過接口耦合（hé）來實現。而兩個信號強弱相（xiàng）差懸殊的環節之間，也必須通過接（jiē）口耦合後，才能匹配。變換放大後的信號要在（zài）兩（liǎng）個環節之間可靠、快速、準確的交換、傳遞，必須遵循一致的（de）時序、信號格式和邏輯規範才行，因此接口耦合時就必須具有保證信息的邏輯控製功能，使信息按規定的（de）模式進行交換與傳遞。 　　能（néng）量轉換：　 　　兩個需要（yào）進行傳輸和交（jiāo）換的環節之間，由於模式不（bú）同而無法直接進行能量的（de）轉換和交流，必須進（jìn）行能量的轉換，能量的（de）轉換包括執（zhí）行器，驅動器和他們（men）的不同類型能量的最優轉換方法及原理。　 　　信息控（kòng）製：在係統中，所謂智能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（fèn）析、運算、判斷、決策，以達（dá）到信息控製的目的。對於智能化程度高  機電一體化
的信息控製（zhì）係統還包含了知識獲得、推理（lǐ）機製（zhì）以（yǐ）及自學習（xí）功能等知識驅動功能。　 　　運動傳（chuán）遞：運動傳（chuán）遞使構成（chéng）機電一體化係統各組成要素之間，不同類型運動的變換與傳輸以及以運動控製（zhì）為目的的優化。 　　三、自動化技術：　 　　所謂自動化技術，是指人類利（lì）用各（gè）種（zhǒng）技術手段（duàn）和方法（fǎ）來代替人去完成各種測試、分析（xī）、判斷和控製工作，以現（xiàn）實預期的（de）目標、功能。一個自動化係統通常由多個環節要素組（zǔ）成，以完成信息的獲取（qǔ）、信息的傳遞、信息的轉換、信息的處理及信息的執行等（děng）功能，最後實現自動運行目標。

　　控製係統各（gè）功能元件（jiàn）的選型與設計： 　　1、單片機 選用（yòng）INTEL公司生產的8031單片機 　　單片機 　　，它主要通過並行8255口擔負控製係統的信號（hào）處理：接收係（xì）統對轉矩、閥門開  機電一體化
啟、關閉及閥門開度等設定信號，並提供三相PWM波發生器所需要的控製信號；處理IPM發（fā）出的故障信號和報警信號（hào）；處理通過模擬輸入（rù）口接（jiē）收的電流、電壓、位置等檢測信號；提供顯示電動執行機（jī）構的工作（zuò）狀態信號；執行控製係統來的控製信（xìn）號，向控製係統反饋信（xìn）號； 　　2、三相PWM波發（fā）生器 PWM波的產生通常有模擬和數字兩種方法。模擬法電路複雜，有溫漂現象，精度低，限製了係統（tǒng）的性能；數字法是按照不同的數字模型用計算機（jī）算出各切換點，並存入內存，然後通過查表及必要的計（jì）算（suàn）產生PWM波，這種方法（fǎ）占用的（de）內存較大，不能（néng）保證係統的精（jīng）度。為了滿足智能功率（lǜ）模塊所需要的PWM波控製（zhì）信（xìn）號，保證微處理器有足（zú）夠的時間進行（háng）整個係統的檢測、保護、控製等功能，文中選（xuǎn）用MITEL公司生產（chǎn）的SA8282作為三相PWM發生器。SA8282是專用大規模集（jí）成電路，具有獨立的標準微處理器（qì）接口，芯片內部包含了（le）波形、頻率、幅值等控製信息。 　　3、智能（néng）逆變模塊IPM 為了滿足執行機構體積小（xiǎo），可靠性高的要（yào）求，電機電源采用（yòng）智能功率模塊IPM。該執行機構主要適用功率小於（yú）5．5kW的（de）三相異步電（diàn）機，其額定電（diàn）壓（yā）為380V，功率因（yīn）數為0．75。經計算可知，選用日（rì）本產的智能功（gōng）率模塊（kuài）PM50RSA120可（kě）以滿（mǎn）足係統要求。該功率模塊集功率開關和驅動（dòng）電路、製動電（diàn）路於一體，並內置過（guò）電流（liú）、短路、欠電（diàn）壓和過熱保護以（yǐ）及報警輸出，是（shì）一種（zhǒng）高性能的功率開關器件。 　　4、位置檢測（cè）電路 位置檢測電路是執行（háng）機構的重要組成部分，它的功能是提供準確的 　　  機（jī）電一體化
位（wèi）置信號。關鍵問題（tí）是位置傳感器的選型（xíng）。在傳統的電動執行機構中多采用繞（rào）線電位器、差動變（biàn）壓器、導電塑料電位器等。繞線電位器壽命短被淘汰。差動變（biàn）壓器由於線性區太短和溫度特性不理想而受到限製。導（dǎo）電塑料電位器（qì）目前（qián）較為流行，但它（tā）是有（yǒu）觸點的，壽命也不（bú）可能很長，精度也不高。筆者采用的位置傳感器為脈衝數字式傳感器，這種傳（chuán）感器是（shì）無觸點的，且具有精度高、無線性區限製、穩定性高、無溫度限製等特點。 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（lì）矩，以及變頻器輸出回路短路、斷相保護和（hé）逆變模塊故障診斷。由於變頻器輸出（chū）的電流和電壓的頻率範圍（wéi）為0～50Hz，采用常規的電流、電（diàn）壓互感器無法滿足要求。為了快速反映出電流的大小，采用霍爾型電（diàn）流互感器檢測IPM輸出的三相電流（liú），對於IPM輸出電壓的檢測采用分壓電路。 　　6)、通訊接口 為了實現計算機（jī）聯網和遠程控製，選用MAX232作（zuò）為係統的串行通（tōng）訊接口，MAX232內部有兩（liǎng）個完全（quán）相同的（de）電平轉換電路，可以把（bǎ）8031串行口輸出的TTL電平轉換為（wéi）RS－232標準電平，把（bǎ）其它微機送來的RS－232標準電平轉換成TTL電平給8031，實現單片機（jī）與其（qí）它微機間的通訊。 　　7、時鍾（zhōng）電路（lù） 時（shí）鍾電路主要用來提供采樣與控 　　製周期、速度（dù）計算時所需要的（de）時間以及日曆。文中選用時（shí）鍾電路DS128  機（jī）電一體化
87。DS12887內部有（yǒu）114字節的用戶（hù）非易（yì）失性RAM，可用來存入需長期保存的數據。 　　8、液（yè）晶顯示單（dān）元 為了實現人機對話功能，選（xuǎn）用MGLS12832液晶顯示（shì）模塊組成顯示電（diàn）路。采用組態顯示（shì）方式。通過菜單選擇，可分別對閥門、力矩、限位、電機、通（tōng）訊（xùn）和參（cān）數等信號進（jìn）行設置或調試。並采用文字和圖形相結合的方（fāng）式，顯示直觀、清晰。 　　9、程序出格自恢複電路 為了保證（zhèng）在強幹擾下程序出格時係統能夠自動（dòng）地恢複正常，選用MAX705組成程序出格自恢複電路，監視程序運行。如圖（tú）2-3所示，該電路由MAX705、與非門及微分（fèn）電路組成。工（gōng）作原理為：一（yī）旦（dàn）程序出格，WDO由高變（biàn）低，由於微分電路的作用（yòng），由（yóu）“與非”門輸入引腳2變為高電平，引腳2電平的這種變化使“與非”門輸出一個正脈衝，使（shǐ）單片機產生一次複位，複位結束（shù）後，又由程（chéng）序通過（guò）P1．0口向MAX705的WDI引腳發正脈（mò）衝，使WDO引腳回到（dào）高電平，程序出格自恢複電路繼續監視程序運行。