机电一体化系统设计综合训练项目1(共10页)

1、PAGE 机电(jdin)一体化系统(xtng)设计课程(kchng)综合训练项目报告综合训练项目 机电系统智能化发展研究 一、综合(zngh)训练项目任务书综合训练项目 机电系统智能化发展研究目的和要求：学生在了解机电一体化系统结构和组成功能要素的基础上，理解机电一体化各组成结构的特点，发展现状及发展趋势，特别是其智能化的发展方向，对各结构功能要素的要求及表现。能够结合实例（机器人、数控机床等）研究其智能化发展趋势及系统构建。成果形式：机电系统智能化发展研究报告(不少于5000字)。相关参数：参看工程机械智能化技术，吕广明等著，中国电力出版社。详细设计要求：（1）机电一体化系统国内外发展现状

2、；（2）机电一体化性存在的问题及解决技术、方法；（3）机电一体化系统智能化发展趋势；（4）机电系统智能化系统构建。二、指导(zhdo)教师评阅(pngyu)意见 指导教师签字：三、综合训练项目设计内容机电系统智能化发展研究报告机电一体化系统国内外发展现状1 国内发展现状目前,国内一些研究单位,如浙江大学、华中科技大学等单位,在机械产品概念设计及计算机辅助创新设计方面进行了研究,但对机电一体化产品概念设计方面的问题基本没有进行研究。上海交通大学从1996年开始,对机电一体化产品概念设计的理论与方法进行了较为深入的研究,并取得了初步的研究成果。在机电一体化技术方面我国已经取得了一定的成就，特别是在

3、数控技术方面、机器人方面和计算机集成制造系统方面尤为显著，在数控技术方面。从 1985 年我国开始研究数控技术。在坚持自我开发与借鉴国外先进技术和经验的基础上，目前我国已经基本具备了自我研发能力，并在国内建立了多处数控研发和生产基地。可以说，我国的数控产业已经基本成形。到目前，我国数控技术行业已经具有年生产数控系统3000 多套、主轴与进给装置 5000 多套的能力，成为促进国民经济发展的重要产品。掌握关键数控技术并形成自我研发和生产能力，对于发展民用工业和国防工业都有着不可替代的作用，同时也增强了我国的综合国力。在机器人方面。1986年，我国将机器人的研发列入了国家科技计划。经过 20 多年

4、的发展，我国已经掌握了机器人操作的设计制造技术、控制技术和软件编程等关键技术。目前，机器人已经被广泛应用于工业上，并逐步涉及到医疗和水下探测等方面，在国防上也占有一席之地。特别值得一提的是，目前我国很多高校的自动化专业都在研究各种各样的机器人。比如说，国防科技大学研发出了类人机器人，北京航空航天大学与海军总医院联合研发了医用机器人，哈尔滨工业大学研发出了足球机器人，哈尔滨工程大学研发出了水下机器人并在抚仙湖水下遗址探测上得到了成功应用等等。在计算机集成制造系统方面。目前，我国已经在清华大学建成了国家 CIMS 工程研究中心，在国内其他高校和科研单位建立了 7 个 CIMS 单元技术实验室和 8

5、 个CI 培训中心。特别是近年来，我国在计算机集成制造系统方面取得了巨大的进步，已经掌握了一些关键技术。同时，计算机集成制造系统在国内多家企业中得到了广泛应用，取得了良好的经济效益。但是，我们看到上述成就的同时还应该看到关于计算机集成制造系统的核心技术我们还没有取得突破，部分产品还主要依靠国外技术的支持才能得以研发和生产，与日本等先进国家相比仍有相当差距。由于机电一体化系统是一个复杂的动态系统,只有在了解了其动态性能的基础上才能进行恰当的评价,因此机电一体化产品的建模与仿真问题显得更为重要.概念设计阶段仿真的目的是检验系统是否能够完成给定的功能,以及实现功能所附带的约束条件.通过分析比较目前通

6、用的各种建模技术(如键合图、方框图、信号流图、原理图等)及各种仿真软件的优缺点,采用Simulink仿真软件构造了一个面向功能模块建模方法的,表达机电一体化产品中广义执行机构的概念设计的系统仿真平台。这一平台的构建,为机电一体化产品概念设计的整体仿真平台的建立奠定了基础。2 国外发展现状机电一体化产品概念设计的研究主要集中在欧洲.主要研究机构有:德国Darmstadt大学,英国Lancaster大学工程设计中心,荷兰Twente大学,比利时Leuven大学,挪威科技大学,丹麦技术大学和芬兰VTT研究中心等。另外,在美国,与机电一体化系统有关的概念设计工作大多集中在M IT大学, Carnegi

7、e Mellon大学, M ichigan大学和Standford大学。在日本,东京大学的Yoshikawa和Tom iyama两位学者的研究工作涉及到了一般的机电一体化系统的概念设计。德国Darmstadt大学的R. Iserrmann, H. J.Herpel, M.Held,M. G lesner10等人,对机电一体化产品设计进行了较深入的研究.他们的研究领域主要集中在机电一体化的控制系统的设计方法学上。提出了机电一体化系统的能量流和信息流模型,并将控制系统按层次划分为管理层、监视层、控制层和处理层四个层次。从他们的观点来看,机电一体化的驱动器、传感器及机械部分都是作为控制系统设计的外界

8、环境而存在的。而控制系统设计是机电一体化的主体.因此在他们的设计中,较少考虑到机械部分的特性、传感器的特性及驱动器的特性,也没有考虑到几个部分之间的融合设计问题。该观点不能全面反映以实现运动执行功能为主的机电一体化产品概念设计的实质。德国HeinzN ixdorf大学的Jurgen Gausemeier, M artin Flath, StefanMohringer等人于2001年构建了机电一体化系统开发的V型模型,指出在概念设计的早期阶段,需要有一种共同的功能描述语言来描述所涉及的不同学科的知识,给出了一种适用于机电一体化产品概念设计的集成方法,即用半规则式说明语言进行功能原理建模。将该方法

9、已成功用于汽车导航驱动系统的概念设计过程中。在法国PSA所进行的ESPRIT/ OLMECO (Open Library for Models of Mechatronics Components机电一体化组成元件的模型的开放库)研究项目,取得了阶段性成功。该项目的核心是一个包含了机电一体化系统中各个学科的模型所组成的模型库。他们把机电一体化的基本功能元件,或者一些已在实践中得到应用的系统作为基本单元存入模型库。这个模型库能够为工程设计人员提供正确、有效的、可重用的模型单元。在机电一体化设计中可随时从库中调用这些基本元件或系统,从而提高了设计效率和准确性,并且在一定程度上降低了设计的难度。该项

10、目虽然取得了一定的进展,但就模型库而言,其存储的是以前得到的、被实践检验的机电一体化产品的组成元件模型,仅对机电一体化数据库的存储和查找进行产品的概念设计,与智能化概念设计还存在相当的距离,其设计方案缺乏创新性。并且由于缺少机电一体化概念设计理论的支持,该系统并不理想。虽然美国Analogy公司声称其开发的Saber软件是支持机电一体化系统设计的智能化概念设计软件,但其实质至多是一个机电一体化仿真软件。它只具有对机电一体化系统建模、性能仿真、灵敏度分析等功能,而不具备产生方案的功能.就其建模功能来讲,也基本上集中在信息系统或控制系统领域,目前还没有看到其能够用于机械装置的建模仿真的例子。机电一

11、体化性存在的问题及解决技术、方法1 存在的问题1)矿井供电。随着矿井延深开采,矿井的垂深平均都在400600之间,有的已达1000左右,多水平提升、接力式排水,造成了供电线路过长、负荷增加、供电网络复杂的现象。原来的供电系统大多是在20世纪4060年代设计施工的,供电设备大多为老式、属淘汰设备。同时,预留的馈出备用线位置已满、供电电源导线截面小、线路长、压降损耗较大、供电的不合理及可靠性能差、井下的双回路供电同时存在三专线带其它负荷及混接现象等;随着矿井延深开采瓦斯等级增加,安全监测系统等诸多问题已不能适应当前矿井深部开采的需要。如果不加强科学管理,不针对性的进行技术改造,不加大安全技术投入,

12、就有可能酿成重大的事故。2)排水系统。排水系统不合理,设施陈旧、效率低,减灾能力差,泵房因资金及技术等原因,安全保护检测装置不完善,可靠性能差,管网效率低。同时,每一水平都设有排水泵房,所以造成设备维修量增加,岗位工人多,资金投入增大,吨煤成本增加。3)矿井通风系统。矿井通风网络长、负压增大,总回风断面减小,导致通风设施运行不合理。4)提升系统。提升环节多,提升绞车原设置的保护不齐全,信号闭锁、防过卷保护、超速保护,过负荷保护、欠电压保护、限速保护、深度指示器失效保护、闸瓦磨损保护、松绳报警装置、后备保护等的部件老化,部分保护灵敏度差;绞车的常用闸和保险闸的制动有的也不能满足要求;提升钢丝绳定

13、期试验和日检查不符合规定要求、漏检超期使用,插接装置不符合规程规定。5)电瓶车和带式输送机。井下电瓶车甩保护,声光信号不全,快速充电插头内保险丝用8#线代替,多拉车现象严重,闸瓦和撒沙装置不全,刹车不采用制动装置。胶带不阻燃,其防滑保护、过载保护、烟雾报警、温度、堆煤保护、自动酒水装置、防跑偏、过流保护、过速保护、欠电压保护等可靠性差,保护设置也不全。6)机电备品、备件不足,安全技术措施费用投入严重不足。设备老化问题严重,缺少必要的备机、备件,机电设备不能够得到正常的维修及养护。2解决方法1)优化矿井供电网络。矿井至少应有可靠的两回路电源线路。当任意回路发生故障停止供电时,其它任一回路应能担负

14、矿井全部负荷。井下各水平中央变(配)电所、主排水泵和下山开采的采区排水泵房供电的线路不得少于两路。主通风机、提人立井提升机、抽放瓦斯泵等主要设备应设置双回路供电。煤炭管理部门要组织一支由技术水平高、业务能力强的专业人员组成的过硬队伍,针对性的对每个煤矿进行“专家会诊”,对供电网络进行认真核查,找出供电系统、网络存在的问题,提出科学合理的系统优化方案。如:鸡西矿业集团组织专家队伍对各矿系统网络进行测算,发现平岗煤矿使用的22-95供电电源导线不合理,经重新验算后,选用了22-120的导线,保证了供电网络的安全、可靠性。另外一定要不断提高科技含量(如:变电所高防开关应采用:-100(200);矸式

15、变压器采用:2-315/6;馈电采用:9-400;开关选用:-80等一些较先进的设备)。井下供电一定要采用“三专线供电”,三专线上不带其它动力负荷;对高瓦斯矿井一定要加大资金投入,上齐各种安全瓦斯监测、瓦斯抽放及瓦斯断电仪,决不留任何死角、死面。2)加强矿井技工人员培训、设备管理和维护保养。随着科技的不断提高,要求工人技工不断掌握新的技术要求(使用和维修),以适应科技的发展。由于煤矿井下作业环境恶劣,空气湿度大,导致机电设备容易老化,设备故障率高。如排水泵,因矿井水质差,对叶轮腐蚀、磨损较大,逆止阀门因锈蚀而不起作用。停泵时,高压冲击作用导致水泵叶轮损坏。因此应定期对矿井设备进行性能测试,定期

16、维修设备,坚持执行班检、日检、月查制度。3)对提升系统加强管理。提升是煤矿运输的重要环节之一,一旦出现问题将影响煤矿的生产,甚至造成人员伤亡。因此对提升绞车的限速保护、松绳保护、过流保护、信号闭锁、润滑油保护、闸瓦磨损保护、深度指示器保护、连接装置、钢丝绳等都要进行班班认真检查,并对钢丝绳定期进行试验,发现问题及时处理,消除隐患。上、下山运输,要采用“一坡、三档(档车栏要用气动挡车栏)”,上齐声光信号,电器设备要有闭锁装置。4)加大安全投入,提高装备水平。提高矿井的装备水平,就必须有可靠的资金投入,这就要求煤炭生产企业必须建立安全技术措施“专项费用制度”。矿山安全法要求企业必须从产品销售额中按

17、照国家规定提取安全技术措施专项资金,并全部用于改善矿山安全生产,不得挪作它用,在制度上保证用于改善安全生产条件的资金来源。每年年初对各生产系统运转状况进行分析,按照有关规定提取足额的专项资金费用;制定计划,列出项目、资金流向、项目负责人等保证措施;更换老化、陈旧的安全设施,逐步健全完善安全生产体系。同时,安全监察部门要加大对煤矿企业安措费用使用情况的监察,保证资金专款专用,项目按期完成。5)加强安全、技术培训,整体提高职工的素质。搞好安全生产是保证国家财产和人民群众生命安全的一件大事,一定要牢记先安全、后生产;不安全、不生产的原则。随着科学技术的不断发展和机械化程度的不断提高,企业装备的技术构

18、成也在不断发生变化,大量高新技术设备被广泛应用于煤矿各个工作场所。这些设备智能化程度高,要求有高素质的人员来操作、管理与维修。如果不懂设备性能、原理、特点,一旦出现问题就不知从何着手处理;而掌握了设备的使用与维修技术,在生产过程中就可以提高设备操作的安全性,避免事故的发生,创造出更大的经济效益,起到事半功倍的效果。6)建立健全各种规章制度。制度是一种约束机制,是指导职工如何开展工作的尺度,只有制度完善、管理到位、责任到位,才能保障机电设备的正常运转。而安全生产责任制是企业最基本的一项安全制度。是企业所有安全生产管理制度的核心。为此应提倡减人提效、建立竞争机制,对技术工种和管理人员应采取竞争上岗

19、,对岗位实行技能工资制,以划分工资等级同时采取动态岗位核实制,实行能者上、庸者下的原则。因此,为贯彻落实安全生产方针,必须严格落实生产责任制、业务保安制、工种岗位责任制、事故责任追究制等;实行安全工作人人管理,让每个人、每个部门都要负起职责范围内的安全工作,使安全工作做到层层有人抓,事事有人管,责任与利益共享,牢固树立“安全为天”的职责。机电一体化系统智能化发展趋势机电一体化产品概念设计理论与方法的研究无疑必将对产品设计师起到重要的指导作用。以欧洲国家为代表的机电一体化产品概念设计理论的研究,多以电子及控制理论为研究出发点,典型的软件成果为英国学者推出了Schemebuilder虚拟开发平台。

20、国内学者从现代机构学的角度出发,针对以运动功能为主功能的一大类机电一体化产品的特点,研究机电一体化产品概念设计理论与方法,取得了初步的研究成果。本文认为机电一体化系统的多学科性及复杂性决定了在概念设计理论研究的初期,不同学科背景的学者会从不同的角度进行研究,但研究的目标是一致的.随着研究的逐渐深入,不同研究成果的集成必将使机电一体化产品概念设计理论的可操作性和实用性更强,对机电一体化新产品的开发和创新起重要指导作用。关于机电一体化产品概念设计理论与方法,还有不少问题有待深入研究,但总的研究趋势是:建立机电一体化产品概念设计的推理方法库;按实现运动和动作进行广义执行机构的分类,建立驱动元件库、广

21、义执行机构库,以有利于进行驱动元件、传动及执行机构以及两者集成的选择；按被测物理量建立传感器类型、特点知识库,以便于选择传感器;建立信息处理方法库和控制方法库,以便选择硬件、编制软件对可控机构子系统进行有效的控制；建立机电一体化产品概念设计不同阶段的评价体系,特别是概念设计早期功能原理阶段的评价体系。机电系统智能化系统构建用机电系统智能化系统构建煤矿机电设备诊断专家系统，此方法是利用各种类型的诊断知识通过对监测到的信息进行分析、处理，对设备运动状态进行判断和推理的软件系统，一旦设备发生异常，它可以通过推理判断找出故障的原因和发生故障的位置，最后给出诊断推理过程的解释和故障处理对策，在设备性能下降到一定程度或故障将要发生之前主动实施维修，它为设备安全、稳定、长周期、全性能、优质运行提供了可靠的技术和管理保障，司马煤业公司机电设备诊断专家系统以设备运行状况及计算机网络构成为依据，以数据库技术和NET技术为手段开发，采用 C/S模式，应用范围可涵盖所有在役设备，主要由设备综合管理模块、故障诊断模块、维修助手模块、预警提醒模块等功能模块或子系统等组成。2.1设备综合管理模块设备故障诊