机电控制系统自动控制技术与一体化设计分析

机电系统控制技术

高家伟

（西南交通大学 机械工程学院 四川 成都 611756）

摘 要： 机械电子与自动控制相结合是制造业发展的趋势，简要阐述现代机电控制系统的主要组成部分，并与当前的最新科技发展相结

合进行分析。

关键词： 机械电子；自动控制；最新科技中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）1110020－01

0 引言

在现代机械工程控制中，机电一体化控制已成为当前的主

流。机械技术、电力电子技术、信息技术和自动控制技术的结

合进一步提高了生产效率，促进了制造业发展。机电一体化产

品小到玩具，大到机器人，机电一体化产品几乎已经设计社会

的各个方面，给人们的生产生活带来了极大便利。

1 机电系统的感知器件

任何机电系统都需要从外界获取信息，类似于人的五官，

传感器是获取信息的源头。传感器种类繁多，性能各异，针对

不同的控制系统，需要对传感器作出不同的选择。

传感器简介：

传感器是机电控制的基础，是系统对外感知的基本器件，

没有传感器就没有外界信号的准确输入。传感器将感知量转换

成另一种便于测量和输出的物理量，其中主要以电学量为主，

从而大大降低信号分析的难度。

传感器一般由敏感元件和转换元件两大部分组成。传感器

作为一个完整的器件，绝大部分都是把转换电路及必要的辅助

电源单元与敏感元件、转换元件一起做成一体化的器件。传感

器通过敏感元件进行控制信息的收集，通过转换元件进行信号

数据的转换。可以说没有传感器就没有检测和控制系统。以现

在的智能手机为例，重力感应器，加速传感器，光线传感器，

距离传感器，三轴陀螺仪都是传感器技术的实际应用，在传感

器技术和接口技术，信息技术的支持下，智能手机才能实现真

正的智能。从广义上来讲，智能手机就是一个没有机械输出的

小型而复杂的机电一体化系统。

2 机电系统驱动器及执行器

机电系统在对外的感知下，经过中央处理单元之后需要通

过驱动执行机构进行输出，从而真正意义上实现机电系统的各

项功能。

1. 机电一体化技术（或产品）的定义

定义：在机械的主功能，动力功能，信息功能，控制功能基础上引入微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机的结合所构成的系统的总称。

2. 机电一体化系统或产品设计的目的是什么？

主要目的：增加机械系统或产品的附加值和自动化程度

3. 机电一体化系统（产品）的主要构成单元或组成部分有哪些？

机械系统 ，电子信息处理系统，动力系统，传感系统，执行控制系统

4、简述机电一体化系统或产品的机电结合（融合）设计方法。

机电结合设计方法是将个组成要素有机的结合为一体而构成专用或通用的功能部件，其要素之间机电参数的有机匹配比较充分

5、简述机电一体化系统（产品）的机电组合设计方法，特点是什么？。

机电一体化系统的机电组合设计方法是将用结合法制成的功能部件，功能模块，像积木那样组合成各种机电一体化系统，特点是可以缩短设计与研制周期，节约工装设备费用，且有利于生产管理，使用和维修。

6. 机械传动系统在机电一体化系统（产品）中的基本功能和作用是什么？

机械传动系统在机电一体化系统中的基本功能是传递力/转矩和速度/转速。实质上是一种转矩，转速变换器。作用是使执行原件与负载之间在转矩和转速方面达到合理的匹配。

7. 简答机电一体化机械传动的主要功能，目的，基本要求。

功能：传递力/转矩和速度/转速

目的：使执行元件与负载之间在转矩和转速方面达到合理的匹配。

基固本要求：转动间隙小，精度高，体积小，重量轻，运动平稳，传动转矩大。

8. 机电一体化系统（产品）的机械部分与一般机械系统相比，应具备哪些特殊要求？

1.较高的定位精度。2.良好的动态响应特性－响应快，稳定性好，收敛时间合理。3。无间隙，低摩擦，低惯量，大刚度。4。高的消振频率，合理的阻尼比。

9. 简述滚珠丝杠传动装置的组成，结构和应用特点。

滚珠丝杠传动装置的组成由带螺旋槽的丝杆，螺母，滚动元件，回珠装置组成。

结构：丝杆轻动时，带动滚珠螺纹滚道滚动，为阻止滚珠从滚道端面掉出，在螺母的螺旋槽两端没有滚珠回程引导装置构成滚珠的循环返回通道，从而形成滚珠滚动的闭合通路。

ＯＣＣＵＰＡＴＩＯＮ121 2010 7机电一体化，是在微型计算机为代表的微电子技术、信息技术迅速发展并向机械工业领域迅猛渗透，以及与机械电子技术深度结合的现代工业的基础上，综合应用机械技术、微电子技术、信息技术、自动控制技术、传感测试技术、电力电子技术、接口技术和软件编程技术等群体技术，即实现多种技术功能复合的最佳功能价值系统工程技术。一、现代机械的机电一体化目标1.提高精度机电一体化技术使机械传动部件减少，因而使由机械磨损、配合间隙及变形而引起的误差大为减小。同时，由于机电一体化技术采用电子技术实现自动检测和自动控制，校正和补偿由各种干扰因素造成的动态误差，从而达到单纯机械装备所不能实现的工作精度。2.增强功能现代高新技术的引入，使机械产品具有多种复合功能，成为机电一体化产品和系统的一个显著特点。3.提高生产效率机电一体化系统可以有效地减少生产准备时间和辅助时间，缩短新产品的开发周期，提高产品的合格率，减少操作人员，从而提高生产效率，降低生产成本。4.节约能源，降低能耗通过采用低能耗的驱动机构、最佳调节控制和提高能源利用率等措施，机电一体化产品和系统可以取得良好的节能效果。5.提高安全性、可靠性机电一体化系统通常具有自动检测、监控子系统，因而可以对各种故障和危险自动采取保护措施并及时修正参数，提高系统的安全可靠性。6.改善操作性和实用性机电一体化系统的各相关子系统的动作顺序和功能协调关系由控制系统决定。随着计算机技术和自动控制技术的发展，可以通过简便的人机界面操作，实现复杂的功能控制和良好的使用效果。7.减轻劳动强度，改善劳动条件减轻劳动强度包括繁重的体力劳动和复杂的脑力劳动。机电一体化系统能够由计算机完成设计制造和生产过程中极为复杂的人的智力活动和资料记忆查找工作，同时又能通过过程控制自动运行，从而替代人的紧张和单调重复操作以及在危险环境下的工作。8.简化结构，减轻重量机电一体化系统采用先进的电力电子器件和传动技术，替代老式笨重的电气控制和机械变速结构，由微处理器和集成电路等微电子元件和程序逻辑软件，完成过去靠机械传动链来实现的关联运动，从而使机电一体化产品和系统的体积小，结构简化，重量减轻。9.降低价格由于机械结构简化，材料消耗减少，制造成本降低，而且电子器件的价格下降迅速，因此机电一体化产品和系统的价格日趋低廉，而使用性能、维修性能日趋完善，使用寿命不断延长。10.增强柔性应用功能为了满足市场多样性的要求，机电一体化系统可以通过编制用户程序来实现机电产品工作方式的改变，适应各种用户对象及现场参数变化的需要。二、机电一体化系统开发的设计思想机电一体化的优势，在于它吸收了各相关学科之长并加以综合运用而取得整体优化效果。因此，在机电一体化系统开发的过程中，要特别强调技术融合、学科交叉的作用。机电一体化系统开发是一项多级别、多单元组成的系统工程。把系统的各单元有机地结合成系统后，各单元的功能不仅相互叠加，而且相互辅助、相互促进、相互提高，使整体的功能大于各单元功能的简单的和，即“整体大于部分的和”。三、机电一体化系统设计方法1.取代法这种方法是用电气控制取代原传统中机械控制机构。这种方法是改造传统机械产品和开发新型产品常用的方法。例如，用电气调速控制系统取代机械式变速机构，用可编程序控制器或微型计算机来取代机械凸轮控制机构、插销板、步进开关、继电器等，以弥补机械技术的不足。这种方法不但能大大简化机械结构，而且可以提高系统的性能和质量。2.整体设计法这种方法主要用于全新产品和系统的开发。在设计时，完全从系统的整体目标考虑各子系统的设计，所以接口简单，甚至可能互融一体。在大规模集成电路和微机不断普及的今天，随着精密机械技术的发展，完全能够设计出将执行元件、运动机构、检测传感器、控制与机体等要素有机地融为一体的机电一体化新产品。3.组合法这种方法就是选用各种标准模块，像积木那样组合成各种机电一体化系统。例如，设计数控机床时，可以从系统整体的角度选择工业系列产品，诸如数控单元、伺服驱动单元、位置传感检测单元、主轴调速单元以及各种机械标准件或单元等，然后进行接口设计，将各单元有机的结合起来融为一体。在开发机电一体化系统时，利用此方法可以缩短设计与研制周期、节约工装设备费用，有利于生产管理、使用和维修。（作者单位：河南省开封技师学院）浅谈机电一体化系统设计的目标和方法

机电一休化技木浅新　口张勇惠　一、机电一体化的基本概念　机电一体化是在以机械、电子技术和计算机科学为主的多　门学科相互渗透、相互结合过程中逐渐形成和发展起来的一门　新兴边缘技术学科，而机电一体化产品是在机械产品的基础上，　采用微电子技术和计算机技术生产出来的新一代产品。机电　一体化技术同时也是工程领域不同种类技术的综合及集合，它　是建立在机械技术、微电子技术、计算机和信息处理技术、自动　控制技术、电力电子技术、伺服驱动技术以及系统总体技术基　础之上的一种高新技术。与传统的机电产品相比，机电一体化　产品具有下述优越性　（一）使用安全性和可靠性提高。　机电一体化产品一股都具有自动监视、报警、自动诊断、自　动保护等功能。在工作过程中，遇到过载、过压、过流、短路等　电力故障时，能自动采取保护措施，避免和减少人身和设备事　故，显著提高设备的使用安全性。　（二）生产能力和工作质量提高。　机电一体化产品大都具有信息自动处理和自动控制功能，　其控制和检测的灵敏度、精度以及范围都有很大程度的提高，　通过自动控制系统可精确地保证机械的执行机构按照设计的　要求完成预定的动作，使之不受机械操作者主观因素的影响，　从而实现最佳操作，保证最佳的工作质量和产品的合格率。同　时，由于机电一体化产品实现了工作的自动化，使得生产能力　大大提高。例如，数控机床对工件的加工稳定性大大提高，生　产效率比普通机床提高５～６倍。　（三）使用性能改善。　机电一体化产品普遍采用程序控制和数字显示，操作按钮　和手柄数量显著减少，使得操作大大简化并且方便、简单。机　电一体化产品的工作过程根据预设的程序逐步由电子控制系　统指挥实现，系统可重复实现全部动作。高级的机电一体化产　品可通过被控对象的数学模型以及外界参数的变化随机自寻　最佳工作程序，实现自动最优化操作。　（四）具有复合功能并且适用面广。　机电一体化产品跳出了机电产品的单技术和单功能限制，　１４６　Ｉ决策　馈息Ｉ　翻列）　Ｉ　２０１０年第９期总第６９期　具有复合技术和复合功能，使产品的功能水平和自动化程度大　大提高。机电一体化产品一般具有自动化控制、自动补偿、自　动校验、自动调节、自动保护和智能化等多种功能，能应用于不　周的场合和不同领域，满足用户需求的应变能力较强。例如，　电子式空气断路器具有保护特性可调、选择性脱扣、正常通过　电流与脱扣时电流的测量、显示和故障自动诊断等功能，使其　应用范围大为扩大。　（五）调整和维护方便。　机电一体化产品在安装调试时，可通过改变控制程序来实　现工作方式的改变，以适应不同用户对象的需要以及现场参数　变化的需要。这些控制程序可通过多种手段输入到机电一体　化产品的控制系统中．而不需要改变产品中的任何部件或零件。　对于具有存储功能的机电一体化产品，可以事先存入若干套不　同的执行程序，然后根据不同的工作对象，只需给定一个代码　信号输入，即可按指定的预定程序进行自动工作。机电一体化　产品的自动化检验和自动监视功能可对工作过程中出现的故　障自动采取措施，使工作恢复正常。　机电一体化技术和产品的应用范围非常广泛，涉及到工业　生产过程的所有领域，因此，机电一体化产品的种类很多，而且　还在不断地增加。按照机电一体化产品的功能，可以将其分成　下述几类。　ｌ、数控机械类。主要产品包括数控机床、机器人、发动机　控制系统以及全自动洗衣机等。这类产品的特点是执行机构　为机械装置。　２、电子设备类。主要产品包括电火花加工机床、线切割机、　超声波加工机以及激光测量仪等。这类产品的特点是执行机　构为电子装置。　３、机电结合类。主要产品包括自动探伤机、形状自动识别　装置、ＣＴ扫描诊断机以及自动售货机等。这类产品的特点是　执行机构为电子装置和机械装置的有机结合。　４、电液伺服类。主要产品为机电液一体化的伺服装置，如　电子伺服万能材料试验机。这类产品的特点是执行机构为液　压驱动的机械装置，控制机构是接受电信号的液压伺服阀。　５、信息控制类。主要产品包括传真机、磁盘存储器、磁带　录像机、录音机、复印机等。这类产品的主要特点是执行机构　的动作由所接收的信息类信号来控制。除此之外．机电一体化　产品还可根据机电技术的结合程度分为功能附加型、功能替代　型和机电融合型三类。　二、机电一体化产品的构成及特点