机电一体发展趋势和实际应用

-.z机电一体化技术〞这一概念是日本人在20世纪70年代初提出来的，当时他们取名为“Mechatronics〞，即结合应用机械技术和电子技术于一体。随着计算机技术的迅猛开展和广泛应用，机电一体化技术获得前所未有的开展，成为一门综合计算机与信息技术、自动控制技术、传感检测技术、伺服传动技术和机械技术等穿插的系统技术，目前正向光机电一体化技术〔Opto-mechatronics〕〔Opto-mechatronics〕〔Opto-mechatronics〕方向开展，应用*围愈来愈广。机电一体化技术是在微型计算机为代表的微电子技术、信息技术迅速开展，向机械工业领域迅猛渗透，机械电子技术深度结合的现代工业的根底上，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、接口技术及软件编程技术等群体技术，从系统理论出发，根据系统功能目标和优化组织构造目标，以智力、动力、构造、运动和感知组成要素为根底，对各组成要素及其间的信息处理，接口耦合，运动传递，物质运动，能量变换进展研究，使得整个系统有机结合与综合集成，并在系统程序和微电子电路的有序信息流控制下，形成物质的和能量的有规则运动，在高功能、高质量、高精度、高可靠性、低能耗等诸方面实现多种技术功能复合的最正确功能价值系统工程技术。机电一体化技术具体包括以下内容：

1、机械技术机械技术是机电一体化的根底，机械技术的着眼点在于如何与机电一体化技术相适应，利用其它高、新技术来更新概念，实现构造上、材料上、性能上的变更，满足减小重量、缩小体积、提高精度、提高刚度及改善性能的要求。在机电一体化系统制造过程中，经典的机械理论与工艺应借助于计算机辅助技术，同时采用人工智能与专家系统等，形成新一代的机械制造技术。

2、计算机与信息技术

其**息交换、存取、运算、判断与决策、人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术均属于计算机信息处理技术。

3、系统技术

系统技术即以整体的概念组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目标出发，将总体分解成相互关联的假设干功能单元，接口技术是系统技术中一个重要方面，它是实现系统各局部有机连接的保证。

4、自动控制技术

其*围很广，在控制理论指导下，进展系统设计，设计后的系统仿真，现场调试，控制技术包括如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿、再现、检索等。

5、传感检测技术

传感检测技术是系统的感受器官，是实现自动控制、自动调节的关键环节。其功能越强，系统的自动化程序就越高。现代工程要求传感器能快速、准确地获取信息并能经受严酷环境的考验，它是机电一体化系统到达高水平的保证。

6、伺服传动技术包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部件、对系统的动态性能、控制质量和功能有决定性的影响。机电一体化技术开展，机电一体化是机械、微电子、控制、计算机、信息处理等多学科的穿插融合，其开展和进步有赖于相关技术的进步与开展，其主要开展方向有数字化、智能化、模块化、网络化、人性化、微型化、集成化、带源化和绿色化。

1、数字化

微控制器及其开展奠定了机电产品数字化的根底，如不断开展的数控机床和机器人；而计算机网络的迅速崛起，为数字化设计与制造铺平了道路，如虚拟设计、计算机集成制造等。数字化要求机电一体化产品的软件具有高可靠性、易操作性、可维护性、自诊断能力以及友好人机界面。数字化的实现将便于远程操作、诊断和修复。

2、智能化

即要求机电产品有一定的智能,使它具有类似人的逻辑思考、判断推理、自主决策等能力。例如在C数控机床上增加人机对话功能，设置智能I/O接口和智能工艺数据库，会给使用、操作和维护带来极大的方便。随着模糊控制、神经网络、灰色理论、小波理论、混沌与分岔等人工智能技术的进步与开展，为机电一体化技术开展开辟了广阔天地。

3、模块化

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、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元模块是一项复杂而有前途的工作。如研制具有集减速、变频调速电机一体的动力驱动单元；具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的电机一体控制单元等。这样，在产品开发设计时，可以利用这些标准模块化单元迅速开发出新的产品。

4、网络化

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使家用电器网络化成为可能，利用家庭网络把各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家用电器系统，使人们在家里可充分享受各种高技术带来的好处，因此，机电一体化产品无疑应朝网络化方向开展。

5、人性化

机电一体化产品的最终使用对象是人，如何给机电一体化产品赋予人的智能、情感和人性显得愈来愈重要，机电一体化产品除了完善的性能外，还要求在色彩、造型等方面与环境相协调，使用这些产品，对人来说还是一种艺术享受，如家用机器人的最高境界就是人机一体化。

6、微型化

微型化是精细加工技术开展的必然，也是提高效率的需要。微机电系统(MicroElectronicMechanicalSystems，简称MEMS)是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。自1986年美国斯坦福大学研制出第一个医用微探针，1988年美国加州大学Berkeley分校研制出第一个微电机以来，国内外在MEMS工艺、材料以及微观机理研究方面取得了很大进展，开发出各种MEMS器件和系统，如各种微型传感器〔压力传感器、微加速度计、微触觉传感器〕，各种微构件〔微膜、微粱、微探针、微连杆、微齿轮、微轴承、微泵、微弹簧以及微机器人等〕。

7、集成化

集成化既包含各种技术的相互渗透、相互融合和各种产品不同构造的优化与复合，又包含在生产过程中同时处理加工、装配、检测、管理等多种工序。为了实现多品种、小批量生产的自动化与高效率，应使系统具有更广泛的柔性。首先可将系统分解为假设干层次，使系统功能分散，并使各局部协调而又平安地运转，然后再通过软、硬件将各个层次有机地联系起来，使其性能最优、功能最强。

8、带源化

是指机电一体化产品自身带有能源，如太阳能电池、燃料电池和大容量电池。由于在许多场合无法使用电能，因而对于运动的机电一体化产品，自带动力源具有独特的好处。带源化是机电一体化产品的开展方向之一。

9、绿色化

科学技术的开展给人们的生活带来巨大变化，在物质丰富的同时也带来资源减少、生态环境恶化的后果。所以，人们呼唤保护环境，回归自然，实现可持续开展，绿色产品概念在这种呼声中应运而生。绿色产品是指低能耗、低材耗、低污染、舒适、协调而可再生利用的产品。在其设计、制造、使用和销毁时应符合环保和人类**的要求，机电一体化产品的绿色化主要是指在其使用时不污染生态环境，产品寿命完毕时，产品可分解和再生利用。

机电一体化技术在钢铁企业中应用：

在钢铁企业中，机电一体化系统是以微处理机为核心，把微机、工控机、数据通讯、显示装置、仪表等技术有机的结合起来，采用组装合并方式，为实现工程大系统的综合一体化创造有力条件，增强系统控制精度、质量和可靠性。机电一体化技术在钢铁企业中主要应用于以下几个方面：1、智能化控制技术(IC)

由于钢铁工业具有大型化、高速化和连续化的特点，传统的控制技术遇到了难以抑制的困难，因此非常有必要采用智能控制技术。智能控制技术主要包括专家系统、模糊控制和神经网络等，智能控制技术广泛应用于钢铁企业的产品设计、生产、控制、设备与产品质量诊断等各个方面，如高炉控制系统、电炉和连铸车间、轧钢系统、炼钢———连铸———轧钢综合调度系统、冷连轧等。

2、分布式控制系统(DCS)

分布式控制系统采用一台中央计算机指挥假设干台面向控制的现场测控计算机和智能控制单元。分布式控制系统可以是两级的、三级的或更多级的。利用计算机对生产过程进展集中监视、操作、管理和分散控制。随着测控技术的开展，分布式控制系统的功能越来越多。不仅可以实现生产过程控制，而且还可以实现在线最优化、生产过程实时调度、生产方案统计管理功能，成为一种测、控、管一体化的综合系统。DCS具有特点控制功能多样化、操作简便、系统可以扩展、维护方便、可靠性高等特点。DCS是监视集中控制分散，故障影响面小，而且系统具有连锁保护功能，采用了系统故障人工手动控制操作措施，使系统可靠性高。分布式控制系统与集中型控制系统相比，其功能更强，具有更高的平安性。是当前大型机电一体化系统的主要潮流。

3、开放式控制系统(OCS)

开放控制系统(OpenControlSystem)是目前计算机技术开展所引出的新的构造体系概念。“开放〞意味着对一种标准的信息交换规程的共识和支持，按此标准设计的系统，可以实现不同厂家产品的兼容和互换，且资源共享。开放控制系统通过工业通信网络使各种控制设备、管理计算机互联，实现控制与经营、管理、决策的集成，通过现场总线使现场仪表与控制室的控制设备互联，实现测量与控制一体化。

4、计算机集成制造系统(CIMS)

钢铁企业的CIMS是将人与生产经营、生产管理以及过程控制连成一体，用以实现从原料进厂，生产加工到产品发货的整个生产过程全局和过程一体化控制。目前钢铁企业已根本实现了过程自动化，但这种“自动化孤岛〞式的单机自动化缺乏信息资源的共享和生产过程的统一管理，难以适应现代钢铁生产的要求。未来钢铁企业竞争的焦点是多品种、小批量生产，质优价廉，及时交货。为了提高生产率、节能降耗、减少人员及现有库存，加速资金周转，实现生产、经营、管理整体优化，关键就是加强管理，获取必须的经济效益，提高了企业的竞争力。美国、日本等一些大型钢铁企业在20世纪80年代已广泛实现CIMS化。

5、现场总线技术(FBT)

现场总线技术(FiedBusTechnology)是连接设置在现场的仪表与设置在控制室内的控制设备之间的数字式、双向、多站通信链路。采用现场总线技术取代现行的信号传输技术(如4～20mA，DC直流传输)就能使更多的信息在智能化现场仪表装置与更高一级的控制系统之间在共同的通信媒体上进展双向传送。通过现场总线连接可省去66%或更多的现场信号连接导线。现场总线的引入导致ＤCS的变革和新一代围绕开放自动化系统的现场总线化仪表，如智能变送器、智能执行器、现场总线化检测仪表、现场总线化PLC(ProgrammableLogicController)和现场就地控制站等的开展。

6、交流传动技术

传动技术在钢铁工业中起作至关重要的作用。随着电力电子技术和微电子技术的开展，交流调速技术的开展非常迅速。由于交流传动的优越性，电气传动技术在不久的将来由交流传动全面取代直流传动，数字技术的开展，使复杂的矢量控制技术实用化得以实现，交流调速系统的调速性能已到达和超过直流调速水平。现在无论大容量电机或中小容量电机都可以使用同步电机或异步电机实现可逆平滑调速。交流传动系统在轧钢生产中一出现就受到用户的欢迎，应用不断扩大。机电一体化在数控机床的应用：

1、开放构造的开展

数控技术从创造到现在，已有近50年的历史。按照电子器件的开展可分为五个开展阶段：电子管数控，晶体管数控，中小规模IC数控，小型计算机数控，微处理器数控；从体系构造的开展，可分为以硬件及连线组成的硬数控系统、计算机硬件及软件组成的C数控系统，后者也称为软数控系统：从伺服及控制的方式可分为步进电机驱动的开环系统和伺服电机驱动的闭环系统。数控系统装备的机床大大提高了加工精度、速度和效率。人类创造了机器，延长和扩展人的手脚功能：当出现数控系统以后，制造厂家逐渐希望数控系统能局部代替机床设计师和操作者的大脑，具有一定的智能，能把特殊的加工工艺、管理经历和操作技能放进数控系统，同时也希望系统具有图形交互、诊断功能等。首先就要求数控系统具有友好的人机界面和开发平台，通过这个界面和平台开放而自由地执行和表达自己的思路。这就产生了开放构造的数控系统。机床制造商可以在该开放系统的平台上增加一定的硬件和软件构成自己的系统。目前，开放系统有两种根本构造：(1)C+PC主板：把一块PC主板插入传统的C机器中，PC板主要运彳¨F实时控制，C主要运行以坐标轴运动为主的实时控制。(2)PC+运动控制板：把运动控制板插入PC机的标准插槽中作实时控制用，而PC机主要作非实时控制。开放构造在90年代初形成；对于许多熟悉计算机应用的系统厂家，往往采用第(2)方案。但目前主流数控系统生产厂家认为数控系统最主要的性能是可靠性，象PC机存在的死机现象是不允许的。而系统功能首先追求的仍然是高精高速的加工。加上这些厂家长期已经生产大量的数控系统：体系构造的变化会对他们原系统的维修效劳和可靠性产生不良的影响。因此不把开放构造作为主要的产品，仍然大量生产原构造的数控系统。为了增加开放性，主流数控系统生产厂家往往采用(1)方案，即在不变化原系统根本构造的根底上增加一块PC板，提供键盘使用户能把PC和C联系在一起，大大提高了人机界面的功能比较典型的如FANUC的150/160／180／210系统。有些厂家也把这种装置称为融合系统(fusionsystem)。由于它工作可靠，界面开放，越来越受到机床制造商的欢迎。

2、软件伺服驱动技术

伺服技术是数控系统的重要组成局部。广义上说，采用计算机控制，控制算法采用软件的伺服装置称为“软件伺服〞。它有以下优点：(1)无温漂，稳定性好。(2)基于数值计算，精度高。(3)通过参数对设定，调整减少。(4)容易做成ASIC电路。70年代，美国GATTYS公司创造了直流力矩伺服电机，从此开场大量采用直流电机驱动。开环的系统逐渐由闭环的系统取代。但直流电机存在以下缺点：(1)电动机容量、最高转速、环境条件受到限制；(2)换向器、电刷维护不方便。交流异步电机虽然价格廉价、构造简单，但早期由於控制性能差，所以很长时间没有在数控系统上得到应用。随着电力电子技术的开展，1971年，德国西门子的Blaschke创造了交流异步机的矢量控制法；1980年，德国人Leonhard为首的研究小组在应用微理器的矢量控制的研究中取得进展，使矢量控制实用化。从70年代末，"数控机床逐渐采用异步电机为主轴的驱动电机。如果把直流电机进展“里翻外〞的处理，即把电驱绕组装在定子，转子为永磁局部，由转子轴上的编码器测出磁极位置，这就构成了永磁无刷电机。这种电机具有良好的伺服性能。从80年代开场，逐渐应用在数控系统的进给驱动装置上。为了实现更高的加工精度和速度，90年代，许多公司又研制了直线电机。它由两个非接触元件组成，即磁板和线卷滑座：电磁力直接作用于移动的元件而无需机械连接，没有机械滞后或螺距周期误差，精度完全依赖于直线反响系统和分级的支承，由全数字伺服驱动，刚性高，频响好，因而可获得高速度。但由于它的推力还不够大，发热，漏磁及造价也影响了它的广—泛应用。对现代数控系统，伺服技术取得的最大突破可以归结为：交流驱动取代直流驱动、数字控制取代模拟控制、或者把它称为软件控制取代硬件控制。这两种突破的结果产生了交流数字驱动系统，应用在数控机床的伺服进给和主轴装置。由于电力电子技术及控制理论、微处理器等微电子技术的快速开展，软件运算及处理能力的提高，特别是DSP的应用，使系统的计算速度大大提高，采样时间大大减少。这些技术的突破，使伺服系统性能改善、可靠性提高、调试方便、柔性增强。大大推动了高精高速加工技术的开展。3、C系统的连网

数控系统从控制单台机床到控制多台机床的分级式控制需要网络进展通信；网络的主要任务是进展通信，共享信息。这种通信通常分三级：(1)工厂管理级。一般由以太网组成。(2)车间单元控制级。一般由DNC功能进展控制。通过DNC功能形成网络可以实现对零件程序的上传或"F传：读、写C的数据：PLC数据的传送；存贮器操作控制；系统状态采集和远程控制等。更高档次的DNC还可以对CAD／CAM/CAPP以及C的程序进展传送和分级管理。C与通信网络连系在一起还可以传递维修数据，使用户与NC生产厂直接通信：进而，把制造厂家连系一起，构成虚拟制造网络。(3)现场设备级。现场级与车间单元控制级及信息集成系统主要完成底层设备单机及工／0控制、连线控制、通信连网、在线设备状态监测及现场设备生产、运行数据的采集、存储、统计等功能，保证现场设备高质量完成生产任务，并将现场设备生产运行数据信息传送到工厂管理层，向工厂级提供数据。同时也可承受工厂管理层下达的生产管理及调度命令并执行之。因此，现场级与车间级是实现工厂自动化及CIMS系统的根底。传统的现场级大多是基于PLC的分布式系统。其主要特点是现场层设备与控制器之间的连接是一对一，即一个I/0点对设备的一个测控点。所谓工／0接线方式为传递4—20ma(模拟量信息)或24VDC(开关量信息)。这种系统的缺点是：信息集成能力不强、系统不开放、可集成性差、专业性不强、可靠性不易保证、可维护性不高。现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。因此，现场总线是面向：f厂底层自动化及信息集成的数字网络技术。现场总线技术的主要特点为：它是数控系统通信向现场级的延伸、数字化通信取代4—20ma模拟信号、应用现场总线技术，要求现场设备智能化(可编程或可参数化)：它集现场设备的远程控制、参数化及故障诊断为一体：由于现场总线具有开放性、互操作性、互换性、可集成性，因此是实现数控系统设备层信息集成的关键技术。它对提高生产效率、降低生产本钱非常重要。目前在工业上采用的现场总线有Profibus-DP，SERCOS，JP-1，Deviconet，CAN，hterbus—S，Marco等。有的公司还有自己的总线，比方FANUC的FSSB，工／OLINK(相当于JP—1)，YASKAW^的MOTIONLINK等。目前比较活泼的是Prof主bus-DP，为了允许更快的数据传送速度，它由0S工的七层构造省去3-7层构成。西门子最新推出802D的伺服控制就是由Profibus-DP控制的。

4、功能不断开展和扩大

NC技术经过50年的开展，已经成为制造技术开展的根底。这里以FANUC最先进的C控制系统15i／150i为例说明系统功能的开展。这是一台具有开放性，4通道、最多控制轴数为24轴、最多联动轴数为24轴、最多可控制4个主轴的C系统。其快移速度与分辨率关系如下表。

快速移动速度m／min分辨率L1m

2401

1000．1

100．01

l0．001

5、强力的联网通信功能。适应工厂自动化需要，支持标准FA网络及DNC的连接。