机电一体化装配系统

机电一体化装配系统（精选十篇）

机电一体化装配系统 篇1

关键词：机电一体化,电气控制系统,装置

随着现代制造技术的不断发展, 零件的制造加工、金属的成型等日益实现自动化, 机械制造业已逐步进入了全盘自动化时代, 实现装配自动化是生产过程自动化或生产自动化的重要标志。由于加工技术超前于装配技术许多年, 装配工艺已成为现代化生产的薄弱环节。装配自动化能提高生产效率、降低成本、保证产品质量, 减轻或取代特殊条件下的工人装配劳动, 并对适应自动装配的新产品设计途径, 对未来工业发展有着特殊的重要意义。

一、机电一体化集成装配装置可靠性及安全性

随着人们对现代工业产品质量的要求越来越高, 产品的可靠性已经广泛地被人们所重视, 尤其在军用装备中, 可靠性被作为一项衡量产品质量的必不可少的重要技术指标。我国对可靠性的定义是指“系统在规定条件下和规定时间内, 完成规定功能的能力”。

从应用的角度, 把可靠性分为固有可靠性和使用可靠性。固有可靠性用于描述产品的设计和制造的可靠性水平;使用可靠性用于描述产品在计划的环境中使用的可靠性水平。

从设计的角度, 把可靠性分为基本可靠性和任务可靠性。基本可靠性是指产品在规定的条件下, 无故障的持续时间或概率。任务可靠性则是产品在规定的任务剖面内完成规定功能的能力。在进行设计时, 任务可靠性将是最重要的。

在电气控制系统中, 可靠性分析的目的主要是为了提高系统的可靠性, 因此, 必须对系统及其组成单元的故障进行详细的分析。由于被装配产品的重要性, 因此, 设计中主要考虑任务的可靠性。在进行故障模式影响分析时, 也主要围绕着对被装配产品可能产生影响的情况进行。故障模式影响分析的目的是系统地分析零件、元器件、设备等每一个产品层次所有可能发生的故障模式、故障原因及后果, 以便发现设计、生产中的薄弱环节, 加以改进以提高产品的可靠性。在产品装配的任务中, 只有在各个分任务都保证完成的前提下, 产品装配总任务才能顺利完成, 任何一个环节失效或出现故障, 都会导致产品装配任务的失败。

在自动装配装置中, 安全性问题主要从两方面考虑:一是操作者的安全;二是被装配工件或产品的安全。对于人的安全主要靠警示语和严格按操作规程执行来保证。对于工件或产品的安全通常是由于电气控制系统的误动作造成的。

现在我们针对工件或产品的安全性进行分析。对于电气控制系统的误动作, 一方面靠装置电气控制系统设计的完善, 另一方面在设计电气控制系统时, 应采取预防误动作的防护措施。通常当系统的任务可靠性提高了, 其安全性也必然提高。在装配装置中, 可能存在的工件或产品的在本装配装置中, 可能存在的工件或产品的安全性问题有:工件或产品跌落和碰撞挤压。在吸起阶段, 导致工件或产品跌落的原因有:意外断电, 真空泵停机;吸盘或真空气路泄漏。

针对意外断电所采取的措施是增大真空腔, 针对吸盘或真空气路泄漏所采取的措施是, 在真空吸盘吸起工件到装配前的运动过程中, 由保护气动手爪来保护工件;在工件吸起过程中, 系统进行双路检测靠近吸盘端的真空度, 只有两个信号都检测到后, 系统才能启动后续程序, 控制相应的轴运动;工件在运动过程中, 一旦真空度低于预设值, 控制系统便以声音和信息提示报警;对保护气动手爪的张开和闭合控制是通过气缸来执行的, 只有系统检测到两个检测元件都指示手爪已闭合的状态, 方可启动后续程序。

二、电气控制系统的优化

优化和改进的基本指导思想是, 在不削减原有装置的功能的基础上, 通过优化和改进设计, 提高装置的安全性和任务可靠性, 适当简化控制系统结构, 控制过程更简便。

改进思路是, 在电气控制系统的电路结构上, 根据可靠性设计方法, 适当采用降额设计或冗余设计等技术来提高任务可靠性, 同时增加一些安全检测部件来提高其安全性, 并在软件设计中相应增加一些故障诊断和报警信息;通过优化简化为一套数控系统来控制, 降低应用软件的开发难度, 使控制更易于实现, 提高工艺程序的灵活性, 消除错误的隐患。

在机电一体化系统中, 既包含有高电压、大电流的电力电气设备, 即强电设备, 又包含有低电压、小电流的控制与信息处理设备和传感器, 即弱电设备。强电设备产生的电磁噪声会对弱电设备造成极大的干扰, 弱电设备之间也可能互相进行信号干扰。同时, 供电系统以及环境电磁噪声也会对弱电设备产生严重的干扰。因此, 电磁噪声的干扰是机电一体化设备中产生元器件失效或数据传输、处理失误、进而影响其可靠性的最常见和最主要的因素, 因此抗干扰设计在机电一体化系统的可靠性设计中非常重要。

制造电子元器件时所使用的材料有一定的温度极限, 当超过这一个极限时, 物理性能就会发生变化, 元器件就不能发挥它预期的作用。由于整个装置是模块化结构。每个模块内都有大量的电子元器件。在工作时, 这些模块内的电路会产生大量的热量, 从而影响部分元器件的正常工作。因此, 对电气控制柜和操作台进行热设计时, 对控制柜采用了用强制制冷设备进行冷却的方式, 使柜内温度维持在元器件能正常工作的一个较佳温度范围内, 对操作台采用了安装带空气过滤器的冷却风扇进行强制风冷的方式。

三、优化和改进后的装置主要优点

结构更简化、更紧凑。改进后的控制系统在硬件结构上得到了较大的简化, 更紧凑。

控制过程得到简化。通过优化和改进后, 在装配产品的姿态调整控制过程中, 简化了控制过程。

降低了软件开发的难度。优化和改进后, 在软件开发上, 省去了自动应答信号处理和数据传输处理软件的开发, 省去了设计专用的人机界面的过程。从而既减少了软件开发的工作量, 也降低了软件开发的难度。

产品装配任务的可靠性、安全性得到提高。优化和改进后, 消除了因系统间的通讯而可能产生的故障现象, 同时增加了一些信号检测和状态监控环节, 以及通过故障模式分析后的可靠性和安全性设计, 大大提高了产品装配任务的可靠性和安全性。

参考文献

[1]秦孝英主编:《可靠性维修性保障性概论》, 国防工业出版社, 2002, 10。

机电一体化系统设计 篇2

1、动力系统（动力源）、传感检测系统（传感器）、执行元件系统（如电动机）等五个子系统组成。

2、系统必须具有以下三大“目的功能”：①变换（加工、处理）功能；②传递（移动、输送）功能；③储存（保持、积蓄、记录）功能。

3的变换、调整功能，可将接口分成四种：1）零接口；2）无源接口；3）有源接口；4）智能接口。

4、机电一体化系统设计的考虑方法通常有：机电互补法、结合（融合）法和结合法。

5擦、低惯量、高强度、高谐振频率、适当的阻尼比等要求。

6、为达到上述要求，主要从以下几个方面采取措施：

1）采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件，如采用滚珠丝杠副、滚动导向支承、动（静）压导向支承等。

2如用加预紧的方法提高滚珠丝杠副和滚动导轨副的传动和支承刚度；采用大扭矩、宽调速的直流或交流伺服电机直接与丝杠螺母副连接以减少中间传动机构；丝杠的支承设计中采用两端轴向预紧或预拉伸支承结构等。

3的等效动惯量，尽可能提高加速能力。

机电一体化系统设计教学改革研究 篇3

关键词：机电一体化系统设计；教学改革；实践

一、国内外相关研究现状分析

随着机械工业的蓬勃发展，世界各国对机械类专业的高等教育越来越注重实践性、应用性及前沿性。德国机电一体化专业课程体系建设是通过校企合作和工学结合的形式，以学习者专业能力、方法应用能力和适应社会能力等综合职业能力培养为本位，以市场需求为目标，以就业为导向，将学习和工作要素相结合，并通过分析与综合，把工作过程的各个部分按一定的顺序，导入课程体系中以构成一个有机的整体。美国宾夕法尼亚大学机械工程与应用力学系提出“机电一体化”课程改革思路，在学期项目中预定实验方案，根据实验方案决定课程内容。南京航空航天大学在机电一体化课程教学改革中，将科研成果引入课程的理论和实验教学中，自主研发教学实验系统平台，简化项目研究内容，研究一体化的系统教学法，培养学生的创新意识，提高学生综合素质。国内高校关于机电一体化专业人才的教育改革各有特色，但与国外教学水平相比，仍处于初级阶段，还没有形成系统的改革方案。建立适应机电一体化系统设计课程本身特点的教学模式任重而道远。

二、机电一体化系统设计教学改革研究

从机电一体化系统设计课程实践性、综合性特点出发，对其进行教学改革，是高校培养应用型机械类人才的关键。机电一体化技术课程教学改革主要包括教学内容改革、教学方法改革、实验内容改革及考核方式改革四个方面。

1.教学内容改革

以系统设计思想为主线，机电一体化的研究方法不能只是简单拼凑，应该从系统设计方案开始到各元部件选择到系统最终成形的全过程都要贯彻系统设计的思想。首先是从整体角度及可行性方面对系统进行多种整体方案设计；然后对其机械机构、执行元件、微机控制系统、检测传感装置等组成部分及相关接口进行细节设计；最后对系统性价比进行衡量，得出优化设计方案。选择原则是在保证目的功能要求与适当寿命的前提下不断降低成本。在讲授每一部分内容时都结合该案例，并将系统设计方法融于其中，既利于学生对知识的掌握，又能起到举一反三的作用，便于学生分析和设计其他的机电一体化产品。

2.教学方法改革

充分运用现代化教学手段，不断提高教学效果，由于机电一体化技术普遍应用于自动化设备（如数控机床、加工中心、机器人等）和自动化生产线（如柔性制造系统等），而学生基本未见过上述自动化设备和生产线，无法了解自动化设备和生产线是如何利用机电一体化技术进行工作的。另外，机电一体化技术是集控制技术、伺服传动技术、传感检测技术、计算机信息技术等于一体的新兴综合性学科，具有涉及面广、综合性强的特点。

3.实验内容改革

在实验教学环节开设的多为演示性、验证性实验，学生动手操作调试的机会少，学习积极性不高。机电一体化教学团队探索构建以学生为主体，以项目驱动为主线，通过项目任务引导理论教学和理论教学指导项目实践的互推互动的教学新模式。在剖析某几个典型机电一体化系统（项目）的结构组成、工作原理、设计过程中，串联讲解知识点并在实验环节进行知识点在项目中的具体应用实现，进而将项目实施和理论讲授有机融合，使学生所学知识得到利用，也提高学生对本课程的学习兴趣，将加强学生的工程实践能力、创新能力和工程意识培养与训练切实落实到每个教学环节中去。

4.考核方式改革

改变以理论考核为主、实践技能考核为辅的做法，加大实践技能考核的比例，探寻能够锻炼学生书面表达能力，提高学生独立动脑能力及实际动手能力，激发学生创新动力，提高学生针对实际工程问题的分析能力、解决工程问题的能力的考核方案。采用闭卷考试与平时作业相结合的形式，平时作业由教师根据课堂内容制定，形式为幻灯片汇报，针对一个题目，提倡小组成员合理分工，合作完成，目的在于鼓励学生阅读参考书，查找资料，拓宽和加深对理论知识的理解认识。同时注重考试内容的灵活性，增加了分析能力、创新能力的考题，重点考核学生的知识应用和知识迁移能力，适当地将实践环节成绩、论文写作成绩和平时成绩以适当的比例计算到总成绩中去，构建新的教学评价体系，科学分析评价教学效果。

众所周知，制造业是我国的支柱产业，也是自动化程度较高的行业。如今为提高产品质量与生产效率，制造企业越来越多地采用自动化生产设备和制造技术，而自动化生产制造的核心技术是机电一体化技术。通过多年的机电一体化专业教学实践及对走上工作岗位的机电一体化专业毕业生的访谈，了解到目前机电一体化专业毕业生的瓶颈所在，即学校学习的理论知识较多用不上，能用得上的理论知识又不知如何应用于实践，普遍动手能力较差。结合目前机电一体化人才市场对毕业生的具体需求情况，对机电一体化系统设计的教学改革进行研究与探索。对该课程的教学改革提出思路，目的在于提高学生的动手能力，以尽可能地减少理论与实践脱节的现象。

参考文献：

[1]张丽秀，张珂.高校机电一体化技术课程教学模式改革[J].中国教育技术装备，2014（4）：89-92.

[2]熊小琴，谢丹.关于机电一体化技术课程教学改革的思考[J].课程教材改革，2013（8）：33-34.

[3]孙松丽.机电一体化技术与系统课程教学改革与实践[J].大学教育，2015（10）：155-156.

[4]黄中华，谢雅.机电一体化技术课程教学方法探讨[J].长沙学铁道学院学报，2009（10）：86-87.

[5]徐浩宁，谢雅.机电专业实践教学新模式[J].职业技术，2009（2）：20-21.

基金项目：石河子大学一类课程“机电一体化系统设计”建设项目。

作者简介：胡蓉，1981年出生，女，新疆石河子人，石河子大学机电学院副教授，主要从事机械设计及其自动化专业的教学和科研工作。

机电一体化装配系统 篇4

关键词：机电一体化,电气控制系统,优化和改进设计

1机电一体化集成装配装置概述

原有机电一体化集成装配装置主要由机械本体、控制系统、工控机测量系统、力传感器系统、真空系统和气动系统及工装等组成。由于工控机测量系统与控制系统是相对独立的一套系统, 本论文将不论述。控制系统采用西门子840D和FM-NC数控系统来控制7个数字轴和2个模拟轴, 其中840D系统控制7个数字轴 (X、Y、Z、C1、C2、C3、W轴) 的运动和处理力传感器的快速响应及相关实时控制, 以及和工控机测量系统间的通讯和协调控制。FM-NC系统控制2个模拟轴 (W1、W2轴) 的运动, 实现调姿机构的运动控制, 从而达到对待装配工件的姿态调整。在上述的9个轴中, X、Y、Z、W、W1和W2轴是直线轴, C1、C2、C3轴是旋转轴, 其中C1轴的旋转角度范围为0o～380o。W1、W2轴组成调姿机构, 在调姿机构的下端装有拾取工件的真空吸盘和在移动过程中对工件起保护作用的气动手爪。W轴作为加载机构的加载轴在所有工件装配完成后对整个产品进行下压加载。C2轴作为装配工位, C3轴作为待装配工件放置工位装置的系统构成如图1所示, 其中控制系统为SINUMERIK 840D数控系统 (CNC) , 它包括:人机界面 (MMC103) 、机床控制面板 (MCP) 、数控装置模块 (NCU) 、SIMATICS7-300模块以及SIMODRIVE 611D数字伺服驱动系统, 调姿机构由松下伺服驱动系统构成。FM-NC数控系统通过CPU315-DP模块提供的一个MPI总线接口, 与840D采用MPI通信总线的方式对MMC103实现共享。

2优化基本指导思想和改进思路

原有装配装置研制出来后, 经过功能性试验, 证明其基本功能已达到当初的设计要求, 但由于所装配产品的特殊性, 以及试验中暴露出来的问题, 需要对装置作进一步的优化和改进设计。优化和改进的基本指导思想是, 在不削减原有装置的功能的基础上, 通过优化和改进设计, 提高装置的安全性和任务可靠性, 适当简化控制系统结构, 使其硬件结构更紧凑, 控制过程更简便。改进思路是, 根据安全性和任务可靠性分析, 在电气控制系统的电路结构上, 根据可靠性设计方法, 适当采用降额设计或冗余设计等技术来提高任务可靠性, 同时增加一些安全检测部件来提高其安全性, 并在软件设计中相应增加一些故障诊断和报警信息;通过优化, 将原来较为繁琐的两套数控系统控制简化为一套数控系统来控制, 从而既降低了应用软件的开发难度, 使控制更易于实现, 也减少了工作量, 提高了工艺程序的灵活性, 并且消除了两套系统间数据交换出现错误的隐患。

3电气系统的优化和改进设计

3.1冗余设计

针对气动手爪的张开和闭合以及真空吸具的吸合采用了工作冗余设计, 以提高气动手爪和真空吸具工作的可靠性和产品装配过程中的安全性。其电路设计如图2所示。为了防止气动手爪和真空吸具的误动作, 在气动手爪不应该闭合的时候闭合或在不应该张开的时候张开, 以及在真空吸具不应该吸合的时候吸合, 同时又要求它们在应该动作的时候可靠地动作, 在电路设计上采用了对同一个信号进行双模块输出控制, 甚至对安全性要求更高的气动手爪闭合信号采用了混合并联冗余设计, 针对每一个输出信号所控制的继电器也采用了并联冗余, 但在继电器触点控制电路上又采用了串-并联设计或并-串联设计。

在图2中Gn和Gn+1是两块完全一样的SIEMENS DO模块, 两个模块的对应输出点信号都是相同的, 且两个模块同时工作。每个信号输出点所控制的两个并联继电器中只要其中一个继电器小失效, 就能得到装配任务所需要的输出信号。尤其是对于气动手爪闭合信号, 只要两个模块中有一个模块小失效, 或者两个模块中非对应的两个输出点小同时失效, 就能得到该输出信号。

3.2抗干扰设计

在机电一体化系统中, 既包含有高电压、大电流的电力电气设备, 即强电设备, 又包含有低电压、小电流的控制与信息处理设备和传感器, 即弱电设备。强电设备产生的电磁噪声会对弱电设备造成极大的干扰, 弱电设备之间也可能互相进行信号干扰。同时, 供电系统以及环境电磁噪声也会对弱电设备产生严重的干扰。由此可见, 电磁噪声的干扰是机电一体化设备中产生元器件失效或数据传输、处理失误、进而影响其可靠性的最常见和最主要的因素, 因此抗干扰设计在机电一体化系统的可靠性设计中不容忽视。主要运用了以下几项技术来进行抗干扰设计。

3.2.1屏蔽技术

屏蔽技术可抑制电磁噪声沿着空间的传播, 及切断辐射电磁噪声的传输途径。在装置中, 除了380V和220V电源电缆之外, 其余电缆均使用了带屏蔽层的电缆, 从而既隔断了本身信号对别的信号的干扰, 也隔断了别的信号对自己信号的干扰。

3.2.2接地技术

接地在电气控制系统的电路设计中充当着一个重要的角色。“地”为电路、系统提供了一个参考电位, 电路、系统中的各部分电流都必须经“地线”或“地平面”构成电流回路。在本装置中, 分别设计了保护地线、工作地线和屏蔽接地。其中, 保护地线是将电气控制柜柜体、操作台机壳和装置本体都可靠接地;工作地线采用单点并联接地方式, 很好地消除了共阻抗干扰;屏蔽接地是将所有的屏蔽电缆的屏蔽层通过接地线可靠地接到同一个接地铜排上, 电源变压器和隔离变压器的屏蔽层接到保护地线。

3.2.3滤波技术

滤波器是由电感、电容、电阻或铁氧体器件构成的频率选择性二端口网络, 可以插入传输线中, 抑制不需要的频率进行传播, 能较小衰减地通过滤波器的频率段称为滤波器的通带。通过时受到很大衰减的频率段称为滤波器的阻带。为了抑制供电电网系统和装置周边环境用电设备所产生的电磁噪声对控制系统和驱动系统的影响, 在SIEMENS840D数控系统和SIMODRIVE611D数字伺服驱动系统的电源前端, 以及松下模拟伺服驱动系统的主电路上分别设计了电源滤波器。除此之外, 为了抑制电气系统中弱电器件的互相干扰, 还采用了浪涌吸收器等措施。

3.3热设计

制造电子元器件时所使用的材料有一定的温度极限, 当超过这一个极限时, 物理性能就会发生变化, 元器件就不能发挥它预期的作用。元器件还可能在额定温度上由于持续工作的时间过长而发生故障, 故障率的统计数据表明电子元器件的故障与其工作温度有密切关系。一般情况下, 在高温或负温条件下元器件或电路容易发生故障。半导体元器件故障率随着温度的增加而呈指数上升趋势, 其电性能参数, 如耐压值、漏电流、放大倍数、允许功率等都是温度的函数。在本装置中, SINUMERIK840D数控系统、SIMODRIVE611D数字伺服驱动系统、松下模拟伺服驱动系统、可编程逻辑控制器 (PLC) 以及它们的电源都是模块化结构。每个模块内都有大量的电子元器件。在工作时, 这些模块内的电路会产生大量的热量。虽然自身发热量较大的模块一般都安装有冷却风扇, 或者设计了空气对流散热孔, 但整个电气控制柜由于防护等级的需要是一个封闭的环境, 工作时元器件产生的热量将会使柜内温度升高很多, 从而影响部分元器件的正常工作。基于此原因, 对电气控制柜和操作台进行热设计时, 对控制柜采用了用强制制冷设备 (空调) 进行冷却的方式, 使柜内温度维持在元器件能正常工作的一个较佳温度范围内, 对操作台采用了安装带空气过滤器的冷却风扇进行强制风冷的方式。

参考文献

[1]方建军, 田建君, 郑青春编著.光机电一体化系统设计[M].北京:化学工业出版社, 2003.

[2]秦孝英主编.可靠性维修性保障性概论[M].北京:国防工业出版社, 2002.

机电一体化系统设计论文 篇5

班级：数控姓名：潘万顺学号：081841191

摘要：机电一体化是现代科学技术发展的必然结果,本文简述了机电一体化技术的基本概要和发展背景。综述了国内外机电一体化技术的现状，分析了机电一体化技术的发展趋势。作为机电系的一名学生，将来工作学习都会以机电为主，所以必须掌握好各种机电的专业知识。我会本着认真的态度对待专业课的学习，提高自己的专业素养.接下来我将介绍一下我对电动机的认识。

关键词：机电一体化；技术；应用

引言

机电一体化系统中传感器技术的应用 篇6

【关键词】传感器技术；机电一体化；应用

一、前言

传感器相当于人的感觉器官，是一种能把被测的非电量转换为各种易于测量的电信号的部件。国际电工委员会的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。随着现代技术的不断发展，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。

二、传感器技术在机电一体化系统中的应用

(一)机械加工过程的传感检测技术

在机械加工过程中，需要检测的地方很多。加工前，最好对坯件和所用的加工设备进行各种自动检查，以保证加工过程能够正常地开始，如自动判断和调整坯件的夹持方位，确定上床后装夹的变形情况和夹紧力的大小；加工完毕后对工件进行测量，以便确定产品合格与否，如对工件的尺寸、粗糙度、形状和位置公差(圆度、锥度、平面度、同轴度等)的测量。对诸如齿轮和螺纹等工件，还要检测其齿距、螺距、节距半径、导程等。这些检测最好能自动地进行，并将检测结果输入下道工序，作为选用的条件；在加工过程中为了保证精密产品的合格率，对加工条件也有严格的要求，因而加工过程中对诸如切削速度、切削力、切削扭距、进给速度、温度、压力和振动等参数进行自动检测和自动调整，以期达到加工条件处于最佳状态。又如切削过程的传感检测技术。切削过程传感检测的目的在于优化切削过程的生产率、制造成本或(金属)材料的切除率等。切削过程传感器检测的目标有切削过程的切削力及其变化、切削过程颤震、刀具与工件的接触和切削时切屑的状态及切削过程辨识等，而最重要的传感参数有切削力、切削过程振动、切削过程声发射、切削过程电机的功率等。在研究机床加工(切削)情况下的动态稳定性、自激现象和加工精度等问题时，需要用压电式加速度计、力传感器等仪器测量刀架、床身等有关部位的振动、机械阻抗等参数，检验机床的动态特性，找出提高精度的薄弱环节。通过对切削力的测量，可以研究金属的切削原理，为机床和夹具的设计和制定切削用量提供必要的切削力数据，也是评价刀架结构和材料的重要依据。目前我国多采用应变式和压电式三向切削力传感器进行测量。

(二)传感器技术在汽车行业的应用

近年来，随着汽车智能化、电子化、小型化和轻型化，汽车对传感器的需求已经成为众多行业中之最。现代汽车凡是采用电子控制的系统或装置，都离不开传感器，如自动变速器、汽车制动防抱死系统、驱动防滑系统等。尤其是近几年，车用电子装置越来越多，如安全报警装置、通信装置、娱乐装置以及为提高舒适、减轻疲劳采用的辅助驾驶装置等等。汽车的机电一体化要求用自动控制系统取代纯机械式控制部件，先进的检测和控制技术已扩大到汽车全身。如发动机控制系统的传感器、底盘控制用传感器、车身控制用传感器和导航系统用传感器。业内人士普遍认为，实现汽车系统最优化的关键是能否使用高可靠度、高性能的传感器。

汽车传感器的特点：一是适应性强、耐恶劣环境。因汽车可能工作在极度恶劣的气候条件下，有时尘土弥漫，有时风雨交加，所以传感器应具有很好的密封性，耐潮湿、抗腐蚀能力强。二是抗干扰能力强。传感器都安装在汽车发动机舱中，除了要能够承受发动机工作时的高温、高压、燃烧废气腐蚀之外，还要求有良好的抗震性能，抵抗发动机工作时的强烈震动，另外，发动机工作时会产生电磁波，因此要求传感器具有抗干扰能力。三是稳定性和可靠性高。汽车的各种零部件一般要求能运行10×104km以上，并且勿须更换和调整仍能满足规定的技术指标。因此，传感器必须具有高稳定性和高可靠性。四是价格低廉，适应大批量生产。这要求传感器的一致性好，不需要复杂调整，适合自动化生产。

传感器在汽车所有重点控制系统中，必不可少地使用曲轴位置传感器、吸气及冷却水温度传感器、压力传感器、气敏传感器等各种传感器。以发动机控制系统的传感器为例。汽车发动机控制系统用传感器是整个汽车传感器的核心，种类很多，包括温度传感器、压力传感器、位置和转速传感器、流量传感器、气体浓度传感器和爆震传感器等。通过这些传感器的检测，向发动机的电子控制单元(ECU)提供发动机的工作状况信息，供ECU对发动机工作状况进行精确控制，以提高发动机的动力性、降低油耗、减少废气排放，并进行故障检测。由于发动机工作在高温、振动、冲击、潮湿以及蒸汽、盐雾、腐蚀和油泥污染的恶劣环境中，因此发动机控制系统用传感器耐恶劣环境的技术指标要比一般工业用传感器高，而最关键的是测量精度和可靠性。否则，由传感器带来的测量误差将最终导致发动机控制系统难以正常工作或产生故障。

而汽车安全管理系统也是广泛使用传感器的领域。汽车侧边气囊的控制有加速度传感器和压力传感器两种方案。权威数据表明，与加速度传感器相比，压力传感器在检测侧边撞击的速度方面，比加速度传感器快了将近3倍，而误动作的概率则更小。因此，压力传感器未来在汽车安全管理系统将得到更广泛的应用。

(三)传感器在数控机床上的应用

数控机床是采用了数控技术的机床，它是用数字信号控制机床运动及其加工过程。具体地说，是将刀具移动轨迹等加工信息用数字化的代码记录在程序介质上，然后输入数控系统，经过译码、运算、发出指令，自动控制机床上的刀具与工件之间的相对运动，从而加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件，这种机床即为数控机床。在数控机床上应用的传感器主要有光电编码器、直線光栅、接近开关、温度传感器、霍尔传感器、电流传感器、电压传感器、压力传感器、液位传感器、旋转变压器、感应同步器、速度传感器和红外传感器等，主要用来检测位置、直线位移和角位移、速度、压力、温度等。嘲如在数控机床的实际操作当中，经常会出现传动轴传动过位的情况，如果这种情况不能及时发现和解决，机床就会出现故障从而影响实际工作。为了及时发现和消除故障，必须对数控机床的轴动过位情况进行实时检测。可采用光的、超声波的、机械的、红外的传感器等，对数控机床轴动过位情况进行检测，实现轴动过位的准确检测。又如在数控机床中，可用压力传感器对工件夹紧力进行检测，当夹紧力小于设定值时，会导致工件松动，系统发出报警，停止走刀。另外，还可用压力传感器检测车刀切削力的变化。再者，它还在润滑系统、液压系统、气压系统中被用来检测油路或气路中的压力，当油路或气路中的压力低于设定值时，其触点会动作，将故障信号送给数控系统。总之，传感器应用于数控机床，解决了人工检测中的耗时且不能及时发现故障的难题，提高了工作效率，大大降低了数控机床的故障率，为故障的及时发现和排除提供了保障。由此可见，传感器的使用在数控系统中起着重要的作用，在很大程度上决定了数控系统的加工精度、加工质量等性能指标。随着数控技术的发展，数控系统中的传感器也将扮演更重要的角色，得到进一步的发展。

三、传感器技术的发展趋势

传感器技术所涉及的知识非常广泛，渗透到各个学科领域，但它们的共性是利用物理定律和物质的物理特性，将非电量转换成电量。所以探索新理论，采用新技术和新工艺及新材料，以期达到高质量的转换功能是传感器总的发展方向。

在机电一体化系统中，无论是机械电子化产品(如数控机床)，还是机电相互融合的高级产品(如机器人)，都离不开检测与传感器这个重要环节。

四、结束语

随着机械工业自动化程度越来越高，对自动检测系统的要求越来越高，就要研究能用于连续和瞬时检测工件的传感器，促使自动检测系统的研究向着研制生产线上加工过程中的“在线”检测和控制、研究自动检测系统智能化、研究故障检测系统的方向发展。这就不断地向传感器技术提出新的要求，除了要求不断地开发出新型传感器外，还要求已经使用的传感器向提高性能和扩大使用范围、小型化和集成化、多功能化、智能化、微功耗及无源化、无接触化方向发展。

参考文献

[1]李小玲．传感器与检测技术在机电一体化系统中的应用[J]．现代电子技术，2006，(1)．

[2]张正伟．传感器原理与应用【M】.北京：中央广播电视大学出版社.1997．

机电一体化系统设计 篇7

关键词：机电一体化,传感器,发展趋势

0 引言

现代科学技术的不断发展,极大地推动了不同学科的交叉与渗透,导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域,由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化,使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化,使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。

1 机电一体化认识

日本在1971年提出一个新的英文集成名词“Mechatronics”词首Mecha取自Mechanics(机械学),词尾tronics取自Electronics(电子学)。我国经常译为机电一体化或机械电子学。在1981年德国工程师协会,德国电气工程技术人员协会共同组成的精密工程技术专家组提出的“关于大学精密工程技术专业的建议书”中,把精密工程技术定义为光-机-电一体化的综合技术。它包括机械(含液压,气动及微机械),电工与电子,光学等技术及其组合,其核心为精密工程技术。在当前“信息爆炸”的形式下,相对于专门型人才来说,市场对复合型人才的需求更加迫切。在中国,我们认为机械发展新阶段是机电一体化阶段。机电一体化是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术,将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。机电一体化发展至今也已成为一门有着自身体系的新型学科,随着科学技术的不但发展,还将被赋予新的内容,基本特征可概括为:机电一体化是从系统的观点出发,综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术,根据系统功能目标和优化组织目标,合理配置与布局各功能单元,在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值,并使整个系统最优化的系统工程技术。因此,“机电一体化”涵盖“技术”和“产品”两个方面。只是,机电一体化技术是基于上述群体技术有机融合的一种综合技术,而不是机械技术、微电子技术以及其它新技术的简单组合、拼凑。这是机电一体化与机械加电气所形成的机械电气化在概念上的根本区别。机械工程技术有纯技术发展到机械电气化,仍属传统机械,其主要功能依然是代替和放大的体力。但是发展到机电一体化后,其中的微电子装置除可取代某些机械部件的原有功能外,还能赋予许多新的功能,如自动检测、自动处理信息、自动显示记录、自动调节与控制自动诊断与保护等。即机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸,还是人的感官与头脑的眼神,具有智能化的特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质区别。

2 机电一体化的设计过程

机电一体化的机械动力部分由一般电动机演变为控制电动机,里程碑式地引入了电子和计算机等先进技术,代替人完成机器的检测与控制等工作。在知识经济中体现了制造业高科技化,促进了高科技产业和知识经济的发展。它是一种用于机电产品最优设计的方法学。它包括4个基本学科:电气、机械、计算机科学和信息技术。如图1所示。

机电一体化系统和多学科系统之间的区别不在于它们的组成要素,而在于这些组成要素设计的次序。一直以来,多学科系统设计使用一种按学科顺序设计的方法。比如,机电系统的设计一般通过以机械设计开始的三个步骤完成。当机械设计完成后,设计电源和微电子系统,接着是控制算法的设计及其实施。按学科顺序设计的方法的最大缺点是对整个过程中各个点的固定设计导致新的限制,这种限制源于对这些点的设计,而且会传递到下一个学科点的设计。使用并行方法进行预先设计可以使产品更具协同性。它补充了信息系统以指导设计,这种指导贯穿于设计的各个阶段,而不只是预先设计阶段,从而使之更加综合。在将机械,电气及计算机系统和信息系统进行集成以设计制造产品和过程时,需要进行协同。最终产品的功能应大于其各部分功能之和。如果没有协同组合的话,机电一体化产品具有的性能特征是很难实现的,机电一体化的关键要素如图2。

机电一体化系统是在物理系统中使用信息系统的结果。物理系统包括机械系统,计算机系统,执行器,传感器和实时接口。机电一体化系统不只是机电系统,而且还是一个控制系统。传感器和执行器用来把能量从动力大的一边(通常是机械的一边),转换到动力小的一边(通常是电气和计算机的一边)。上图中的机械系统不仅包括机械零部件,还可能包括流体,气动,热,声,化学及其它学科。传感技术已经出现了新的发展以适应对特殊监测应用解决方案不断增长的需要。

2.1 机电一体化中的集成设计问题

由于机电一体化方法内在的并行性,或同时性工程,所以样机试制阶段的建模与仿真很重要。因为模型来自于各学科的综合应用。所以应用一种可视化的编程软件是很重要的。这样就涉及到了框图,流程图,状态转换图和波特图。机电一体化是一种设计哲学,其产品或设备有一个重要的特点就是它们内部的智能,这是将执行器,传感器,控制系统和计算机组合设计实现的。系统的集成是通过硬件(部件)和软件(信息处理)的联合实现的。硬件集成是将机电一体化系统看成一个整体系统来设计的,将传感器,执行器和微处理器融入到机械系统中,软件集成主要基于高级控制功能在设计时应首先分析客户要求以及系统集成的技术环境。在制作时应考虑了解客户,市场分析,优化性能,生命周期性能,质量,可靠性和销售。

2.2 机电一体化关键要素

(1)信息系统:信息系统包括信息传输的所有方面,从信号处理到控制系统到分析技术。信息系统结合了以下四种学科:通讯系统,信号处理,控制系统和数值计算方法。在机电一体化应用中,我们最关心的是建模,仿真,自动控制和用于优化的数字方法。(2)自动控制:控制系统工程学是在19世纪晚期产生的学科,认为在低阶系统(三阶或三阶以下)系统的稳定性依赖于特征方程的根和劳思(Routh)判据,这是一个很好的判断系统稳定性的分析工具。(3)最优化:就是先确认最优轨迹,最优轨迹是根据系统的要求即约束条件确定的,然后设计控制系统,在设计控制系统的时候应使系统的各参数最终满足控制要求,使误差最小化,或者说使目标函数的扰动最小化,可用最优化过程反复迭代公式(Pk+1=Pk+τ·S k)这里k是迭代次数,S k是P空间内的探索方向,τ是该方向上的探索步长空间内的探索步长,当P值不能再改进时这个过程结束,此时为最优化。(4)机械系统:机械系统考虑力作用下物体的特性。这样的系统按其性质可分为刚性的,可变形的和可流动的。大多数机电一体化系统应用的刚体系统,都依赖于物理学中的基本定律。(5)电气系统:电气系统由两个分支组成:电源系统和通讯系统。通讯系统以低能量的电信号形式在各点之间传输信息。诸如信息存储,处理和交换是通信系统的常见组成部分。电气工程的这个领域也称电子学。另一方面,电源系统用来在各点之间有效的传递大量的电能,而不是信息,例如:发电机是把机械能转化为电能,而电动机是把电能转化为机械能。

3 传感器和变换器

仪器仪表在现代科技领域中起着关键的作用。传感器是与仪器仪表紧密相关的机电一体化系统中一个非常重要的组件,其作用是为特定工业过程提供收集不同信息的机制。传感器广泛应用于过程检测以及工况评价方面,为用计算机系统对制造作业作较高级的监控提供便利,可应用于过程前,过程中及过程后。有时,传感器可以将一种物理现象转化为决策分析的可用信号。智能系统用传感器来监测由环境变化影响的特定场合,然后通过校正动作对其控制。

实际上在所有的应用中,传感器是将各种现实世界的数据转化为电信号,因此可定义为:传感器是一种把被测物理量转换成输出信号的装置。因此传感器也可以称为变换器,应用范围广泛,甚至可以用于分辨那些人类感官无法觉察到的环境变化。它们作为一次元件,连续的将变化着的信息转变成另一种形式,也就是说,传感装置检测被测量,并将其转换成系统可接受形式的信号,通常为电信号。整个系统的最大准确度由传感器的灵敏度和其内部噪声干扰所决定。在测控系统中,任何参数的变化,不论是在被测量中还是在信号修整中,都会直接影响系统的准确度。传感器和变换器是现代控制系统(电,光,机械或流体系统)的两个重要组成部分,传感器和变换器选用的程度取决于控制系统的自动化水平和复杂程度。要构成一个复杂控制系统,测量装置必须能够满足快速,灵敏和精确的要求。随着使用要求的不断提高,传感器的体积也不断的小型化,并通常将多个传感器和数据处理系统组合固定在一起。传感器的分类:根据传感器的输出信号形式,电源,工作模式以及被测变量可将传感器分为以下两大类。模拟传感器:模拟是指连续的,不中断的一系列事件。典型的模拟传感器的输出与被测变量是成正比例的,输出信号以连续方式变化,根据其幅值取得信息,通常其输出要经过A/D转换后输到计算机。数字传感器:数字是指一系列离散的事件,各个事件前后分开,如果传感器的逻辑电平输出是数字的,则称其为数字传感器。数字传感器有着准确度和精密度高的特点,与计算机监控系统相连时不需要任何转换器。

4 A/D,D/A转换

在计算机控制系统中,主机输入数据或向外部发布命令,都是通过接口及输入输出通道进行的,完成信息传递和交换的装置称为过程输入输出通道。这些通道是联系主机与被控对象的纽带和桥梁。生产对象的各种模拟信号,不能直接输入计算机,而要经过模/数转换,转换成数字信号,才能输入计算机进行加工处理。同样,经过计算机加工处理得到的数字信号,也不可能直接作用与被控对象。而要经过数/模转变成模拟信号,才能输出到被控对象。

数据采集系统的基本任务是将模拟量即连续量转换为数字量以便于计算机进行存储,计算和处理。由于绝大多数物理量都是模拟量。因而数据采集系统不但本身就是一种独立系统,而且是计算机控制系统的极重要的组成部分。

一个典型的计算机控制系统如图3所示。其工作原理是作为系统输入的物理量(压力,温度,湿度,位置等),首先由传感器变成点信号,然后送到放大器和滤波器。传感器的输出信号一般比较微弱,放大器的作用是将传感器输出的电信号放大到适当的大小。以利于进一步处理。滤波器的作用是消除干扰信号。然后,信号送到模拟多路开关,它在计算机的控制作用下对各个模拟通道进行分时处理,将各通道信号接到后面的采样保持电路和A/D转换器。采样保持电路在规定的时刻对送来的模拟信号进行采样并在A/D转换期间保持被采样的电压不发生变化。A/D转换器在保持时间内完成模/数转换后将数字量送到计算机。采样保持电路及A/D转换的定时和控制信号均由计算机产生。计算机对A/D转换器送来的各路数字量进行各种处理计算,然后用分时方法将处理结果送到各路D/A转换器变成模拟信号去完成各种模拟控制。有时为了提高速度和精度,数据采集系统不用模拟多路转换开关,而是每条通道用一个A/D转换器。

4.1 传感器的作用

传感器是工业控制计算机系统的重要环节。如没有传感器对生产过程的原始参数进行精确可靠的测量,那么无论是信号转换,信息处理,或数据的显示与控制,都将成为一句空话。可以说,没有精确可靠的传感器就没有精确可靠的测量系统。

4.2 A/D转换器的原理

经过多路转换开关和采样/保持的模拟量必须被变成数字量才能送入计算机。完成这一转换任务的器件叫做模拟/数字转换器,简称A/D转换器。如图4是逐次逼近型A/D转换器原理图。由图4可以看出,由N位寄存器,N位D/A转换器、比较器以及控制逻辑四部分组成。其工作原理:当启动信号作用后,时钟信号在控制逻辑作用下,首先使寄存器的DN-1=1,N位寄存器的数字量一方面作为输出用,另一方面,经D/A转换器转换成模拟量Vx后,送到比较器,在比较器中与被转换的模拟量Vx进行比较,控制逻辑根据比较器的输出进行判断。若Vx≥Vc,则保留这一位;若Vx<Vc,则DN-1=0。DN-1位比较完毕后,再对下一位DN-2进行比较,使DN-2=1,与上一位DN-1一道进入D/A转换器,转换后再进入比较器,与Vx进行比较,……,如此一位一位地继续下去,直到最后一位D0比较完毕为止。此时,N位寄存器中的数字量即为Vx所对应的数字量。一个N位的A/D转换器只需比较N次,即可得到结果,而计数式A/D转换器,则需要比较2N-1次。因此逐次逼近型A/D转换器速度比较快,因而得到广泛应用。

4.3 D/A转换器的原理

D/A转换器的作用是将数字量转换为模拟量。它实际上是一种由二进制译码控制的电流叠加电路。通常包括四个组成部分:精密的电压基准;模拟二进制数字电压(或电流)开关;产生二进制权电流或权电压的精密电阻网络;提供电压或电流输出相加的运算放大器。其原理如图5为倒T型电阻D/A转换器。其输出电压表达式很容易用基准电流和响应的倍数表示出来。与权电流型的D/A转换器相比,倒T型电阻D/A转换器具有电路简单、转换速度快的优点,但其转换误差较大。在实际的D/A转换器中,开关S是电子式的模拟开关。为了减小转换误差,开关必须具有导通电阻小,截止电阻大的特点。

5 机电一体化综述

机电一体化系统开发过程的第一步就是分析客房需求以及系统集成的技术环境。解决问题的复杂技术系统往往是一个具有数字或模拟形式并由复杂软件支持其硬件的机械、电子、液压和热动力部件的结合体。典型机电一体化系统使用传感器从技术环境中收集数据和信息。接下来的一步就是使用建模和描述方法的完善形式,以一种集成的方式来涵盖这个系统的所有子任务。这包括在初始阶段对子系统间必要接口的有效描述。数据经过处理和解释转化为执行器的动作。机电一体化系统能够缩短开发周期,降低成本,提高质量。在机电一体化产品的设计中,有必要在不同的专家组之间协调知识和需要的信息。并行工程是产品的设计和制造以特殊方式融合的一种设计方法。传统设计和制造间的障碍得以排除。

6 机电一体化的发展趋势

机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合,它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。因此,机电一体化的主要发展方向如下:

6.1 智能化

智能化是21世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向。人工智能在机电一体化建设者的研究日益得到重视,机器人与数控机床的智能化就是重要应用。诚然,使机电一体化产品具有与人完全相同的智能,是不可能的,也是不必要的。但是,高性能、高速的微处理器使机电一体化产品赋有低级智能或人的部分智能,则是完全可能而又必要的。

6.2 模块化

模块化是一项重要而艰巨的工程。由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多,研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元是一项十分复杂但又是非常重要的事。从电气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定,无论是对生产标准机电一体化单元的企业还是对生产机电一体化产品的企业,规模化将给机电一体化企业带来美好的前程。

6.3 网络化

20世纪90年代,计算机技术等的突出成就是网络技术。由于网络的普及,基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾,而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。现场总线和局域网技术是家用电器网络化已成大势,利用家庭网络(home net)将各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电系统(computer integrated appliance system,CIAS),使人们在家里分享各种高技术带来的便利与快乐。因此,机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。

6.4 微型化

微型化兴起于20世纪80年代末,指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。国外称其为微电子机械系统(MEMS),泛指几何尺寸不超过1cm3的机电一体化产品,并向微米、纳米级发展。微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活,在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。

6.5 绿色化

工业的发达给人们生活带来了巨大变化。一方面,物质丰富,生活舒适;另一方面,资源减少,生态环境受到严重污染。于是,人们呼吁保护环境资源,回归自然。绿色产品概念在这种呼声下应运而生,绿色化是时代的趋势。设计绿色的机电一体化产品,具有远大的发展前途。机电一体化产品的绿色化主要是指,使用时不污染生态环境,报废后能回收利用。

6.6 系统化

系统化的表现特征之一就是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构。系统可以灵活组态,进行任意剪裁和组合,同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。表现之二是通信功能的大大加强,一般除RS232外,还有RS485、DCS人格化。未来的机电一体化更加注重产品与人的关系,机电一体化的人格化有两层含义。一层是,机电一体化产品的最终使用对象是人,如何赋予机电一体化产品人的智能、情感、人性显得越来越重要,特别是对家用机器人,其高层境界就是人机一体化。另一层是模仿生物机理,研制各种机电一体花产品。事实上,许多机电一体化产品都是受动物的启发研制出来的。

7 结束语

机电一体化装配系统 篇8

关键词：检测技术与自动化装置,机电一体化,故障诊断,专家系统

0 引言

随着科学技术的发展, 机电一体化系统得到广泛应用, 而起故障诊断和维修是使用过程中的难题, 也是运行成本的重要组成部分。如何快速判断故障, 是对于机电一体化设备来说是一个需要重点解决的问题。本文提供了一种用于机电一体化设备的智能故障诊断的通用方案, 对于类似系统的设计开发具有借鉴意义。

1 故障诊断一般过程

设备故障诊断的过程有三个主要步骤:第一步是检测设备状态的特征信号;第二步是从所检测到的特征信号中提取征兆;第三步是根据征兆和其它诊断信息来识别设备的状态, 从而完成故障渗断。故障诊断的过程如图1所示。检测设备的特征信号, 一般来说, 它具有两种表现形式, 一种是以能量方式表现出来的特征信号, 如振动、噪声、温度、电压、电流、磁场、射线、弹性波等;另一种是以物态形式表现出来的特征信号, 如设备产生或排出的烟雾、油液等以及可直接观测到的锈蚀、裂纹等, 对于检测能量方式所表现出的特征信号, 如果不使用人的感官, 则必须使用传感装置, 因为检测这类信号是通过能量交换来完成的;而提取物态形式的特征信号一般不采用传感装置, 只采用特定的收集装置或直接观测。

从征兆提取装置输出的征兆即可输入状态识别装置来识别系统的状态, 这是整个诊断过程的核心。一般来说, 这一步是将实际上已存在的参考模式 (标准模式) 与现有的由征兆按不同方式组成的相应待检模式进行对比, 从而决定待检模式应划为哪一类参考模式, 即对系统的当前状态进行模式识别。在智能技术引入诊断领域之前, 状态识别实际上是由领域专家来完成的。随着人工智能技术特别是专家系统技术和人工神经网络技术在诊断领域的应用, 产生了基于知识的诊断推理这一发展方向, 它模拟领域专家来完成状态识别的任务, 这也是智能诊断技术同一般诊断技术之间最主要的差别。状态识别是一个由粗到细, 由高层到低层直至找到满意的诊断解为止的逐层诊断过程。当然, 对于整个诊断过程, 自然还应形成最后的干预决策, 并付诸实施。

综上所述, 此诊断过程包括三个主要步骤, 即信号测取、征兆提取和状态识别。

2 智能故障诊断基本原理

2.1 神经网络专家系统的形成

随着人工智能 (AI) 技术的迅速发展, 特别是知识工程、专家系统和人工神经网络在诊断领域中的进一步应用, 迫使人们对智能诊断问题进行更加深入与系统的研究。所谓诊断系统的智能就是它能有效地获取、传递、处理、再生和利用诊断信息, 从而具有对给定环境下的诊断对象进行成功状态识别和状态预测的能力。智能诊断系统与诊断对象的关系如图2所示。

智能诊断系统中的知识处理包括了三个主要步骤:知识获取、知识存储及知识推理。根据智能诊断系统在知识处理途径上的不同, 智能诊断方法可以分为两大类:一类是基于符号推理的智能诊断方法, 如传统人工智能;一类是基于数值计算的智能诊断方法, 如人工神经网络, 它是当今智能诊断的一个重要研究领域。

2.2专家系统

专家系统 (Expert System简称ES) 是一种智能的计算机程序, 这种计算机程序使用知识与推理过程, 求解那些需要杰出人物的专家知识才能求解的高难度问题。它本质上是一个 (或一组) 计算机程序, 它能借助人类的知识采取一定的搜索策略并通过推理的手段去解决某一特定领域的困难问题。一个成熟的专家系统的基本组成如图3所示, 图3给出了专家系统的六个基本组成部分:知识库、推理机、人机接口、知识获取子系统、解释子系统和全局数据库。在专家系统中, 知识库包含所要解决问题领域中的大量事实和规则。即知识库是领域知识及该专家系统工作时所需的一般常识性知识的集合。知识库是一个独立的实体, 它内存的知识通过程序来提取和管理。知识库中应易于存入新的知识而且不和已有的知识互相发生干扰。

专家系统工作原理大致为:在知识库创建和维护阶段, 知识获取子系统在领域专家和知识工程师的指导下, 将专家知识、诊断对象的结构知识等存放于知识库中或对知识库进行维护 (增加、删除和修改) ;在诊断阶段, 用户通过人机接口将诊断对象的征兆信息传送给推理机, 推理机根据诊断过程的需要, 对知识库中的各条知识及全局数据库中的各项事实进行搜索或继续向用户索要征兆信息, 最后诊断结果也通过人机接口返回给用户;如需要, 解释子系统可调用知识库中的知识和全局数据库中的事实对诊断结果和诊断过程中用户提出的问题做出合理的解释。

3 机电一体化神经网络专家系统的具体实现

3.1 机电一体化系统知识的分类

机电一体化系统故障诊断专家系统进行诊断的依据是工作流程运行状态的各类诊断参数, 但诊断参数涉及的范围广而且层次复杂, 故障征兆表达混乱, 层次分类不清楚、关联度差、知识库难以扩充与维护, 这是目前机电一体化系统故障诊断专家系统普遍存在的问题。依据机电一体化系统的特点, 建立诊断参数的表示标准, 全面系统地对诊断参数进行分类, 合理的组织知识库, 是故障诊断专家系统需要解决的问题。系统的故障诊断主要是根据各种部件的监测值和现场检测人员观测到的不可测量信号, 按照专家积累的经验和系统的结构功能定位故障部件和原因, 所以我们可以把本系统所用到的知识划分为机电一体化系统的结构与功能知识 (如系统包含几类部件, 每类部件下又包含几种测量参数) 、专家启发式经验知识 (主要是由什么故障现象可以推出什么故障原因) 、工况状态知识 (如电机的额定电流、推弹链的运动速度等) 、信号特征知识。这样我们可以把反映机电一体化系统工作状态的基本诊断参数分为2大类分别反映系统运行的一个侧面特性, 每一类都包含有若干诊断参数如图4。通过这些诊断参数的变化所构成的故障现象与总结专家经验后形成的规则进行比对, 找出故障原因。

3.2 推理机的设计

整个故障诊断系统采用了专家系统和神经网络相结合的二级推理机制, 专家系统为一级推理, 而神经网络为二级推理, 分级推理能够最大限度地提高故障诊断效率。在故障诊断的过程中, 控制程序将单过程、单故障、确定型故障以及渐发性故障的诊断对象分配给专家系统进行诊断, 将多过程、多故障、不确定型故障以及突发性故障的诊断对象分配给神经网络进行诊断, 充分发挥专家系统和神经网络各自的优势, 又使二级推理相互协调工作, 既使故障诊断系统的诊断范围扩大, 又使其诊断推理快速。

3.3 解释机制的设计

在基于规则的专家系统中建立解释机制是比较简单的, 只需要将相关的规则找出并将其转换为自然语言的形式然后摆放在用户面前, 就能让用户对推理过程和诊断结果感到心服口服。一般来说, 专家系统主要使用三种解释方法:预置文本与路径跟踪法、策略解释方法和自动程序员方法。

4 结束语

本文主要针对机电一体化系统的特点, 提出了基于神经网络专家系统的智能故障诊断系统的一般方法, 对具体实现机电一体化设备智能故障诊断系统具有借鉴意义。

参考文献

[1]杨兴, 朱大奇, 桑庆兵.专家系统研究现状与展望[M].计算机应用研究, 2007:24 (5) .

[2]虞和济等.故障诊断的基本原理[M].北京:冶金工业出版社, 1989.

机电一体化的控制系统研究 篇9

1 机电控制系统的重要性

随着微电子技术、自动控制技术等逐渐被引入到传统的机械技术中, 当今由机电一体化集成系统构成的新型机械正在兴起, 其可以在一定程度上提高传统的机械电器产品的性能、功能等, 为企业带来巨大经济效益。

对于一个完整的机电一体化系统而言, 控制系统占据了很重要部分。其担负着信息处理的责任, 它可以根据运算结果, 对执行机构发出指令, 进而使其完成相应的动作。

同时控制系统一方面不仅可以提高产品的质量, 降低生产成本, 另一方面也可以提高劳动强度以及生产效率。可见, 自动控制技术在机电一体化系统中肩负着重要的作用。

2 控制系统设计思想以及其设计的框架

大多数的控制系统采用的是“模拟手工设计的方法和步骤”, 该系统大致是由以下几个部分组成的, 它们分别是: (1) 控制任务输入以及理解模块; (2) 硬件选型模块; (3) 软件生成模块; (4) 仿真模块。

2.1 控制任务输入方式

经过相关技术人员的不断研究, 得出用“自然语言表达”法来描述控制系统是最理想的, 因为其符合人们的思维习惯以及描述方法, 同时这种方式可以使不同层次的技术人员清楚明了地设计和规划自己需要的控制系统。但是, 这种系统的一个缺点在于可能会存在一定的模糊性问题, 毕竟该语言不仅有语义还有语法和语音问题。

研究人员为了保证对控制系统描述和理解的准确无误, 将自由格式文本输入方式作为本系统的重要方式, 同时提供了固定格式文本输入方式, 这是作为系统的修改方法, 由于这两种方式的存在便可以使使用者灵活使用该系统了。

2.2 控制任务输入描述的理解

其实质是用户的输入与机器表示的一个过程, 此过程需要对控制任务输入描述的数据进行挖掘和对知识进行发现。

固定格式文本的数据挖掘实质是通过聚类分析和特征组合, 将硬件配置信息表和工艺流程图给出。以下是固定格式文本处理的流程图:

流程中关联分析是至关重要的, 其主要任务是寻找不同数据之间相关性。就相关分析而言其常用的方法是: (1) 关联规则, 其可以用来寻找同一个事件中出现的不同项的相关性; (2) 序列模式, 是用来寻找事件之间在时间上的相关性。

所谓自由格式文本实质是来自用户对设计系统控制任务的一种客观表述。要想在一定程度上提高系统的适应性, 就需要做到:不能刻意去要求语句的结构完整和规范。

2.3 控制系统自动生成的方法

随着“开放式体系结构”设计思想的盛行, 当代工业和计算机工业中, 经常采用组合优化方法, 因为传统的设计方法只是针对某一对象单独设计的系统而言, 然而组合化设计方法却可以针对不同的应用系统进行设计。机电一体化的控制系统也是建立在组合优化方法上的。

控制系统的设计包括硬件和软件设计, 对硬件的设计实质是对现成硬件模块的选型。为了方便起见可以构建系统硬件库, 在操作时便可以按照控制的需要自动检索硬件库, 进而得到需要的硬件型号, 这便实现了硬件设计的自动化。

对于软件设计, 研究人员通过对控制软件的大量分析, 得到的结论是有许多基本控制任务模块和基本运算模块是经常被人们使用的。考虑到硬件的操作同样也是遵循固定的模式和步骤, 所以可以将其看为特定的组件, 通过调整参数制造出构造软件的模块, 最后按照控制流程自动集成应用系统软件。

3 系统的结构模型

硬件和软件是机电一体化控制系统的两大部分。

3.1 硬件结构模型

控制系统的硬件组成情况为:通用外部设备、主机及操作台、输出输入通道、检测及控制执行元件以及控制对象等。以下简单介绍每个内容:

(1) 主机和操作台。主机可以将发送来的对象, 按照一定的控制程序, 进行自动的信息处理, 进而作出一定的决策, 再发出控制指令进行控制;操作台是人们输入程序, 修改内存的数据等的一个平台。

(2) 输入输出通道, 其是计算机和受控对象之间信息传递和交换的一个通道。输入输出通道的分类可以根据受控物理参数的性质来进行。

(3) 检测元件, 其功能在于把非电量参数转换为电参数, 进而对生产过程进行控制。

(4) 控制执行元件, 其功能在于直接驱动工业对象, 工业对象一般包括电动、气动、液压传动等。

3.2 软件结构模型

软件好比控制系统的大脑, 其在控制系统设计中占有很重要的地位。机电控制系统中的软件具有一定的特点, 即:实时性、可靠性高、良好的人机界面。同时软件系统可以大致的分为两类:系统软件和应用软件。

系统软件实质上指的是操作系统等与计算机密切相关的一系列程序。

应用软件却指的是用户为了更好地解决实际问题而编写的各种程序。对于控制系统而言, 结构化程序设计方法是比较有效的程序设计方法, 它要求程序中只有三种结构, 即 (1) 顺序结构; (2) 选择结构; (3) 循环结构。但是鉴于控制系统软件具有的特点, 又将该软件的结构分为了五种, 即增加了并联结构、跳转结构和调用子程序结构。

4 控制仿真的实现

控制系统的生成是否正确是需要由控制系统仿真来判定的, 所以控制系统仿真具有十分重要的意义。随着科技的不断发展, 现今的仿真软件很多, 为了很好的利用现有的仿真软件, 采取的验证方法是在通过分析仿真软件对控制软件存储格式的基础上, 研发出一定的接口, 通过接口使需要验证的应用软件转化为其容易识别的格式, 在仿真软件中打开后, 便可以实现监控、调试、仿真。

5 控制系统设计中存在的问题

鉴于现今的机电一体化产品中控制系统常采用的是计算机控制系统, 由于此系统需要的知识包括机械运动、微机控制技术、自动控制技术等, 所以现在的机电控制系统设计中常会存在以下几个问题:

(1) 控制系统的智能自动化水平存在欠缺。

目前, 机电控制系统的设计主要是由手工设计的, 虽然设计中加入了一些软件:比如CAD, 但是就“智能”自动化还有一定的距离。

(2) 控制软件可复用性并不理想。

由控制软件对硬件的依赖性较强, 同时不同的软件其编程语言也不进相同, 这两点使得每一个工控软件的编制都要从头开始。同时一旦控制硬件发生了一定的变化, 与其相应的软件便需要从头开始编写。这便使得控制软件的可复性比较的差。

6 结语

由相关资料可知传统的机电控制系统设计不仅智能自动化水平不高, 同时其控制软件的可复用性也比较的差, 因此, 可以试着尝试研究机电控制系统拟的仿真系统, 使机电控制系统的设计可以在硬件的选型上、应用系统生成方面等实现自动化。对于组合化设计方法也是值得相关人员进行深层次的研究, 因为其可以比较好的可保证生成的控制系统的可靠性和稳定性。

摘要：对于一个完整的机电一体化系统而言, 控制系统占据了很重要部分, 其担负着信息处理的责任, 就控制系统设计思想以及框架、控制系统的结构模型以及控制仿真的实现进行了一定的阐述。

关键词：控制系统,控制仿真,结构模型

参考文献

[1]胡涨, 姚佰藏.机电一体化原理及应用[M].北京:国防工业出版社, 1999, (6) .

[2]涂序彦.智能自动化的基本概念与开发策略[J].自动化博览, 1998.

机电一体化系统与概念设计 篇10

1971年日本学者首次提出机电一体化 (Mechatronics) , 由机械学“mechanics”与电子学“electronics”拼缀而成, 译为机械电子学, 在我国称之为机电一体化。至今, 这一概念已经历38年的发展历程, 其内涵随科技的发展不断更新和进步。21世纪, 机电一体化系统设计在产品开发和设计过程中显得日趋重要, 俨然成为系统设计中的主流概念, 其发展水平直接体现在产品设计上。

机电一体化产品设计过程中, 最具有创新性、最复杂的阶段是概念设计阶段, 是具体化、创造的过程, 60%~70%部分的产品设计质量都是由这一阶段决定的, 是实现产品创新的关键。唯有优良的概念设计方案才能够得到性能优异的机电一体化产品, 因而, 关于机电一体化产品概念设计, 建立一套完整的理论、方法是很有必要的。据悉, 目前现有的关于产品概念设计原理, 如网络化原理、最优化原理、可靠性原理、最优化原理、柔性化理论等, 都是从运筹学的角度, 对产品的局部设计提出的一些方法和理论, 并不适用与机电一体化系统, 在原始创新时可单独运用这些理论, 却很容易到达设计极限。因此, 考虑到机电一体化技术的创新性、复杂性、集成性、学科交叉性, 必须提出符合其自身特点的、系统的、完善的概念设计原理, 从而对机电一体化产品的创新设计起到指导作用。

2、机电一体化系统的组成

机电一体化系统概念设计框架模型的建立, 源于机电一体化系统组成结构的划分。归纳文献, 目前关于对机电一体化系统的组成结构划分有三种较为典型的看法: (1) 五块论:德国Drmstadt大学的Rolf Isermann提出机电一体化系统是由控制功能、动力功能、传感检测功能、操作功能、结构功能等五大功能模块组成。 (2) 三环论:丹麦理工大学的Jacob Baur等人提出机械、电子、软件三大功能模块, 以此表示机电一体化系统的组成和相互关联。 (3) 两个系统:挪威科技大学的Bassam A Hussein提出将机电一体化系统划分为物理系统与控制系统两大子系统。物理系统包括各种驱动装置、执行机构、传感器等;控制系统包括软、硬件。以上三种只是从电或控制的角度对机电一体化系统组成结构进行划分, 未能突出机械设计的主体地位, 同时反映出机电一体化概念设计的模糊性、复杂性和多面性, 因此, 造成产品概念设计上的困难。

3、机电一体化系统概念设计的基本特征

1984年Pahl和Beitz在《Engineering Design》一书中, 从设计方法学的角度研究产品设计, 这一思想引起了各国学者的重视。至今, 人们对概念设计进行了二十多年的研究, 形成了多种用于概念设计阶段的设计方法。近些年来, 随着多媒体、仿真技术、图形学及CAD技术的不断发展, 在对产品概念设计方面的研究取得了新的进展。产品的概念设计是在满足各种经济和技术指标前提下, 找到可行性方案并最终确定最优方案, 是一个求解实现功能的, 体现发散思维和创新设计的过程。

作为概念设计的组成部分, 机电一体化系统的概念设计也服从概念设计的总体思想。但是机电一体化系统概念设计不同于传统机械的概念设计, 它集机电一体化技术、检测技术及控制理论于一身, 主要具有下述特点:

(1) 独创性:概念设计的核心是创新。市场竞争日趋激烈, 只有创新才能赢得核心竞争力。概念设计过程中的创新体现在多层次、多角度、多方面, 如低层次的创新如修改和替换结构, 高层次的创新如替换或更换功能、修改工作理论, 这些创新活动都属于概念设计的范畴。由不同路径实现的设计成果, 总有一组新的方案是可行的, 是具有独创性的。

(2) 多方案性:产品设计过程受各种因素的制约和要求, 比如科技、经济、社会发展水平, 及客户的指定条件和要求, 使得设计过程受到这些条件和限制的约束, 只有满足这组边界条件, 才能得到可行性方案。

(3) 多解性:概念设计之所以具有多样性, 是由于不同的设计路径和设计结果的多样化导致的。不同的设计思路和方法体现于对功能的不同定义和分解过程中, 由此, 会产生完全不同的可行性方案, 不同的路径导致不同的方案。

4、机电一体化系统概念设计理论与方法的发展方向

纵观我国机电一体化技术的发展历史, 我国的机电一体化技术将朝着智能化、精密化、微型化、网络化发展, 更高的可靠性, 更快的执行速度, 更少的人工投入, 更多的产出。针对机电一体化系统实际需要的复杂性和多学科性, 概念设计的初期是由不同学科背景的学者共同组建起来的, 他们追求同一个目标, 但从不同的角度进行研究, 殊途同归, 将不同知识领域的研究成果汇集起来构建成机电一体化系统概念设计理论, 使其可操作性和实用性更强, 为机电一体化产品的创新搭建更加完善的平台。

5、结论

概念设计阶段是机电一体化产品设计过程中决定其创新性最关键的一环, 它体现着企业核心竞争力, 影响着产品市场占有率, 并且代表着一个时代的技术水平和创新能力。机电一体化技术水平以及实际的市场需要为概念设计提出了更高的要求, 这就需要概念设计的理论体系是一个不同学科、不同领域的研究成果的集合, 将这样的一个理论体系完美的建立起来, 才是概念设计的发展方向。

摘要：随着产品概念设计的研究不断成熟, 机电一体化系统的概念设计逐渐成为众学者研究的重点。本文旨在阐述机电一体化系统的概念设计理念的基础上, 分析机电一体化系统概念设计的基本特征, 从概念设计的实际需要出发, 指出了机电一体化系统概念设计理论与方法的发展方向。