机电一体化论文

我心目中的机电一体化未来发展趋势——人与机电一体化和谐相处近20年来，一系列先进技术陆续兴起并获得迅速发展，主要包括电子技术、计算机技术、现代通信技术、现代控制技术、激光技术、新能源技术、新材料技术、航天技术、海洋工程技术和生物工程技术等。这些新技术在自身发展的同时，他们彼此之间，他们与传统技术之间，又相互渗透，相互结合，形成了多种复合技术，进一步推动了科技发出现了新的高潮。从五十年代末期，机械技术和电子技术结合到九十年代通信技术开始进入机电一体化领域，通信和计算机网络的发展促使了分布式的系统的形成，不少机器可以实现遥控操作。机电一体化已建立了完整的基础理论和逐渐形成了完整的科学体系。在未来的发展进程中，机电一体化领域，必会向着一个新的历史高度——人与机电一体化和谐发展的新领域而迈进。1.机电一体化系统的组成总的来说机电一体化系统由机械部分、动力部分、传感部分、驱动部分、执行部分、控制及信息处理部分等几大基本部分组成。1.1机械本体部分机械本体就像人体的身躯骨架，它是系统所有功能元素的机械支持结构，包括机身、框架、机械连接等。1.2动力部分动力部分与人体内脏产生能量去维持生命运动一样，为系统提供能量和动力功能，驱动执行机构，使系统按照控制要求正常运行。1.3传感部分传感部分就像人的眼、鼻、耳、口等感觉器官，将系统运行中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，变成可识别的信号，传输到信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的控制信息。其功能一般由专门的传感器和仪器仪表完成。1.4驱动部分驱动部分就像人体的肌、肋、腱接受大脑指挥驱动四肢运动一样，在控制信息作用下，驱动执行机构完成各种动作和功能。1.5执行部分执行部分如同人的四肢由大脑支配完成各项工作任务一样，根据控制信息和指令，完成各种动作和功能。执行机构是运动部件，一般采用机械、电磁、电液等机构。1.6控制及信息处理部分控制及信息处理部分犹如人的大脑指挥和控制全身运动并能记忆、思考和判断问题一样，将来自各传感器的检测信息集中、存储、分析、加工，并根据信息处理的结果，按照一定的程序和节奏发出相应的指令控制整个系统有目的的运行。它一般由计算机、可编程序控制器、数控装置以及逻辑电路、A/D与D/A转换、I/O（输入输出）接口和计算机外部设备等组成。2.机电一体化系统的发展现如今，随着科技水平的进步、机电一体化技术的成熟和发展。机电一体化技术拥有强大的应用发展空间。数控机床、计算机集成制造系统(CIMS)、柔性制造系统(FMS)、工业机器人等领域已经模块化和成熟化。在未来的发展进程中，机电一体化必会向着高性能化、智能化、系统化、轻量化及微型化的大趋势发展，而这种趋势必会形成机电一体化同人类友好相处的新局面。3.机电一体化同人类友好相处3.1问题的提出与解决3.1.1人与机电一体化谁为核心工业革命导致大量传统机电设备的出现，形成了第二产业和现代文明，极大地改变了人类的生产和生活方式。人类利用机器一方面大大提高了劳动生产率和生活水平，另一方面由于人和机器共处出现了一系列问题。人要使用和操纵机器，首先要学习、了解和掌握机器，就是说人要去适应机器，要对机器友好，一句话，这时的设计是以机器为中心的。这种类型的机器有三个缺点：一是难于使用；二是人和机器要保持一定距离，人不能随便接触机器，否则容易发生危险，不是机毁，就是人伤；三是人和机器之间一般不能进行对话。为了改变这种状况，最根本的就是要以人为中心设计机器，因此提出了与人友好的机器，建立和谐的人机环境这一概念。为此，人们努力而且还在尽最大努力使机器能更好地为人类服务。而进入信息时代之后，这个问题就更加迫切了。3.1.2机电一体化技术的可能计算机的出现首先为进行人机对话提供了可能性，人工智能的进展又使机器能对人的各种要求和干预做出反应并加以适应。机电一体化系统的诞生则使机器与人友好从理想逐渐成为现实。众所周知，机电一体化系统追求机器与电子技术、计算机技术等的有机融合。由于有计算机，它能与人进行各种层次的对话。它具有不同程度的智能，有必要的传感器和灵活的执行机构，因此机电一体化系统有可能适应人的要求，做到与人友好。3.2建立和谐的人际环境人和机器总是共处于同一环境之中的，要求机器与人友好，就是建立一个和谐的人机共处的环境。这里有人机关系、和谐含义、用户分类以及如何建立和谐的人机环境四个问题需要讨论。3.2.1人机关系人和机器可以处于三种不同的关系之中。（1）机器是人的操作对象在大多数时候，机器都是作为人的操作对象而存在的。各种进行生产活动的机器、从事科学实验的仪器、各种办公设备、交通工具、家用电器等都是需要人去操作的。作为机器操作者的人这时统称之为用户。（2）人和机器互为操作对象医疗设备是用来为病人诊断和治疗疾病用的，这时病人就成了机器的操作对象；与此同时，医生则是医疗设备的操做着，所以医疗设备具有双重属性，即对人操作有被医生操作。（3）人机共处协同工作在很多情况下，都是人机共处协同工作的。例如人们驾驶飞机或汽车赴某一目的地，就是人机协同完成任务。工人用机床制作机器零件，开动收割机收割农产品，人们利用计算机打印文件等，既是人操作机器，又体现了人和机器之间的配合和协同。3．2.2和谐的含义满足什么条件，就可以说人机环境是和谐的呢?一般而言，机器要满足以下四个要求。(1)易用性机器要容易使用，最好是“傻瓜”型机器．例如“傻瓜”照相机，一按即可，既容易学，又人人能用。许多机器最好能做到这一点，最少也要达到好学易用。(2)安全性要使操作机器的人绝对安全，即使用户误操作，机器也能做出反应，一方面不执行误操作命令，一方面通知用户错在何处。当用户接触到机器不允许接触的部位时，机器应能采取适当保护措施，既保护人身安全，也保证设备正常运行。这都属于安全性的范畴。(3)可靠性机器运行要可靠，尽可能延长机器的平均无故障时间，机器万一出了故障，要尽量缩短维修时间。很难设想，人们使用经常出故障的机器时会出现人机和谐的气氛。(4)微创性医疗设备对于医生除了具备上述三个条件外，对于病人还要满足微创性的要求。即当使用医疗设备为病人诊断或治疗时，要使病人的肉体刨伤或精神折磨达到最小的程度。3.2.3用户分类所有机器(包括全自动设备)都要人来操作，我们统称机器的操作者为用户。对于用户可根据它对机器设备熟悉的程度分为四种。(1)陌生用户这类用户对要用的机器从未使用过，缺乏对机器的了解，更没有有关机器的基本知识，他们对机器是完全陌生的。(2)一般用户这类用户对要用的机器不熟悉，但了解同类型的机器，也有操作类似机器的经验。他们能较快地掌握使用新机器的方法，但在使用过程中容易出错。(3)熟练用户这类用户能熟练地使用机器，对所用机器的性能和特点有相当深入的了解。但他们对系统结构缺乏了解，缺乏处理机器出现意外错误的能力。(4)专家用户专家用户对所用机器的性能、特点、内部结构等有深入了解，他们不仅能熟练地操作机器，而且能够维护机器，必要时还能改进机器。3.2.4如何建立和谐的人机环境为要建立和谐的人机环境，机电一体化系统的设计人员要本着下面的一些原则。(1)以人为中心设计机电一体化系统时必须把人和系统资源结合到一起来考虑，以人在使用机器时机器所表现出来的行为和效果来考察和评价机器的性能，而不单纯追求机器本身所能达到的性能指标。(2)区别不同用途机器装备有各种不同用途，一般可分为专业性机器和通用型机器。对这两类机器在设计时应有不同要求。首先介绍对专业性机器的要求。所谓专业性机器指生产用机器、科学试验用设备、武器装备、大型交通工具(如汽车、火车、飞机、轮船之类)和医疗设备等。这些机器都由专业人员(即熟练用户)来使用和操作，机器本身结构比较复杂，价格也比较昂贵。要求对使用者在具体使用之前必须进行必要的培训，但培训时间应尽量压缩到最低限度之内。对这类机器的设计，要有针对性地达到人机谐和。其次介绍对通用性机器的要求。所谓通用性机器主要指各种家用设备、一般办公设备、常用通信设备以及个人计算机等。这些机器大都是非专业人员使用，不要求对使用者进行系统培训。这类机器必须能适应用户的不同需要、不同经验甚至不同爱好，使任何人操作起来都能得心应手。(3)建立良好的人机接口接口又称界面，它是人机联系的纽带，是人机对话的窗口，在建立对人友好的机电一体化系统中起着关键作用。因此，必须重视人机接口技术。为机器配置一个良好的人机接口，是机器设计和最终形成商品时一个重要的组成部分，既不是副产品，更不是装饰品。(4)建造与人友好的整机接口是达到人机和谐的桥梁，主机才是人机和谐的基础。在设计机器时，必须综合解决好前面提到的和谐四要素，即易用性、安全性、可靠性和微创性。这几个要求要全面考虑不可偏废，但对于具体机器可能要有所侧重，这是需要设计者权衡的一个重要问题。4.与人友好的机电一体化系统实例——数控加工中心数控加工中心是制造部门常用的机床，联动轴数超过5轴时，机床本身构造比较复杂，加工零件形状也很复杂，机床价格和所加工零件价格都很责，加工要求高，零件编程相当困难。下图是一个铣创加工中心的示意图，其控制核心是高性能的计算机数控装置。运动控制运动控制包括零件加工和刀具切换两部分。零件加工由主铀电机和运动轴伺服电机完成。它们的控制由两级控制实现：计算机数控装置发出的指令和各电机本身的控制计算机，后者根据前者的命令自动完成规定的切削。除此以外，它还负责本系统所有设备运行状态的监测，并在发生故障时向CNC发出诊断报警信息。它还能检测电机参数随温度变化的情况，并据以进行最佳控制。换刀操作由CNC发出指令，由刀库电机及机械手配合完成。整个零件的加工过程可以由操作者根据需要提出要求在显示屏幕上显求出来，也可以自动显示全部加工过程。这样，在正常情况下，加工是全自动进行的，操作人员无须过多于项。(2)手动数据输入及相关操作当对零件进行试切，或检验零件加工程序的某一程序段，或者操作人员需要对加工进行干预时，操作者可通过操作面板上的扳铤、开关或软键输入有关数据和命令，同时可通过CRT屏幕观看加工进行的情况。(3)答件程序编制加工零件一般形状复杂，编制零件程序一般需要训练有素的人员承担。为了减轻编程入员的负担，加快编程速度，保证编程质量，多采用自动编程。自动编程有两种办法；一种是利用功能很强的CNC，CNC采用前后台工作方式，前台进行零件自动加工，后台由用户进行零件编程；另一种办法是配置专用的自动编程机，程序编好后或者由通信接口送入CNC，或者通过软盘转给CNC。编程方式也有两种：一种是用户用高级编程语言，一种是智能化自动编程。两种办法都是以人机对话方式进行。①用零件编程语言自动编程有多种专用的零件编程语言，这是一些专门用于数控加工用的符号语言。它对被加工的工件形状、刀具种类和刀具运动形式进行描述。用户利用计算机根据菜单提示，将加工零件的程序逐段编好，计算机就可以将加工程序自动生成。这种方法要求用户熟悉编程语言和编程技巧，具体编程时用户要逐句用键盘输入计算机，非常繁琐。虽然比人工编程效率要高的多，但对用户而言，仍然是主要难点，使用户感到诸多不便。②智能化自动编程它用人工智能技术进行自动编程，可以大大减轻用户的繁琐劳动。这种编程方法的流程图如下图所示。(4)人机接口所讨论的人机接口是在一台计算机上实现的。这个系统包括了如下的三个在系统基本内核支持下的软件系统。①监控系统。这个软件的任务是监控系统的运行状况．在出现异常时予以处理和报警。例如电源故障、系统奇偶较验锗、某些定时操作超时等。②后台系统。它主要是用来编制零件程序及其他一些应用程序的。③前台程序。是用来控制机床进行零件加工的。人机接口就是为这三个软件所完成的功能服务的。进行服务的硬件共有四类：①软键。用于菜单操作，只从用户到系统。②操作面板(包括按钮和扳键)G也是从用户到系统操作员输入信息用。③CRT屏幕显示。供系统向用户显示各种信息。则使用键盘、软镑和CRT和用户交流，即进行对话。前台系统则四种设备都用，以进行人机对话。为了完成各种人机对话和必要的显示，要有大量软件，其中很重要的一部分是菜单和提示信息。在菜单和提示信息的帮助和引导下‘用户就可以顺利地进行零件编程，或者在加工零件过程中，有必要时进行人机对话。很显然，进行不同任务时要有不向的菜单和提尔持。这部分软件64目大分量，它们的好坏将在很大程度上决定系统是否台用和容易使用。(5)系统运行情况诊断有两种系统诊断：一种是系统开机时，由诊断程序对系统番部分进行诊断、各部件全都正常时，才进入正式运行；第二种是在系统运行过段4r，对系统的关键部位进行实时监控，—旦出现故陈，立即显尔和报警，并显示故障部位和类型。这就需要在机床系统中设置‘个专家诊断系统。专家诊断系统包括—系列传感器，用来感知故障源，还有一个专家系统软件，它根据传感器信息，经过推理判断，给出故障处理意见，最后由用户采取措施。(6)可靠性保证要提高整个数控机床的可靠性，首先要提高元部件的可靠性。—般计算机数控装置的平均无故障时间可以达到2万小时到5订小时以上。容易出故障的部分主要是进结驱动、主轴驱动和刀库系统等可动部分，因此在设计时要努力提高这些部件的可靠性。系统要有意外停