岳云霞

（山東交通職業(yè)學院機械系，山東 濰坊 261206）

日本企業(yè)界在1970年左右最早提出“機電一體化技術”這一概念，當時他們?nèi)∶麨椤癕echatronics”，即結(jié)合應用機械技術和電子技術于一體。隨著計算機技術的迅猛發(fā)展和廣泛應用，機電一體化技術獲得前所未有的發(fā)展，成為一門綜合計算機與信息技術、自動控制技術、傳感檢測技術、伺服傳動技術和機械技術等交叉的系統(tǒng)技術，目前正向光機電一體化技術（Opto-mechatronics）（Opto-mechatronics）（Opto-mechatronics）方向發(fā)展，應用范圍愈來愈廣。

1 機電一體化技術具體包括內(nèi)容

1.1 機械技術

機械技術是機電一體化的基礎，機械技術的著眼點在于如何與機電一體化技術相適應，利用其它高、新技術來更新概念，實現(xiàn)結(jié)構上、材料上、性能上的變更，滿足減小重量、縮小體積、提高精度、提高剛度及改善性能的要求。在機電一體化系統(tǒng)制造過程中，經(jīng)典的機械理論與工藝應借助于計算機輔助技術，同時采用人工智能與專家系統(tǒng)等，形成新一代的機械制造技術。

1.2 計算機與信息技術

其中信息交換、存取、運算、判斷與決策、人工智能技術、專家系統(tǒng)技術、神經(jīng)網(wǎng)絡技術均屬于計算機信息處理技術。

1.3 系統(tǒng)技術

系統(tǒng)技術即以整體的概念組織應用各種相關技術，從全局角度和系統(tǒng)目標出發(fā)，將總體分解成相互關聯(lián)的若干功能單元，接口技術是系統(tǒng)技術中一個重要方面，它是實現(xiàn)系統(tǒng)各部分有機連接的保證。

1.4 自動控制技術

自動控制技術范圍很廣，在控制理論指導下，進行系統(tǒng)設計，設計后的系統(tǒng)仿真，現(xiàn)場調(diào)試，控制技術包括如高精度定位控制、速度控制、自適應控制、自診斷校正、補償、再現(xiàn)、檢索等。

1.5 傳感檢測技術

傳感檢測技術是系統(tǒng)的感受器官，是實現(xiàn)自動控制、自動調(diào)節(jié)的關鍵環(huán)節(jié)。其功能越強，系統(tǒng)的自動化程序就越高?，F(xiàn)代工程要求傳感器能快速、精確地獲取信息并能經(jīng)受嚴酷環(huán)境的考驗，它是機電一體化系統(tǒng)達到高水平的保證。

1.6 伺服傳動技術

伺服傳動技術包括電動、氣動、液壓等各種類型的傳動裝置，伺服系統(tǒng)是實現(xiàn)電信號到機械動作的轉(zhuǎn)換裝置與部件、對系統(tǒng)的動態(tài)性能、控制質(zhì)量和功能有決定性的影響。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 機械子系統(tǒng)建模技術

機械子系統(tǒng)的數(shù)字化模型的建立是系統(tǒng)整機設計的基礎。許多商用軟件如Solidworks,ProE擁有強大三維實體造型能力，為實體造型提供了極大的方便，但其往往不能進行動力學分析，而直接導入到動力學分析軟件中可能會出現(xiàn)質(zhì)量或者轉(zhuǎn)動慣量等信息丟失現(xiàn)象，但通過專門開發(fā)的接口軟件Mechanism/pro（專為ProE與Adams的開發(fā)的接口程序）可以實現(xiàn)無縫連接，但這樣軟件通用性往往很差，一般只適用固定版本的兩個軟件。而隨著柔性零件和結(jié)構的廣泛使用，對于柔性零件的仿真也是十分重要的問題。對于柔性零件仿真現(xiàn)在主要兩種方法，對于結(jié)構較為簡單，對其柔性變形要求不高零件，可以采用在動力學分析軟件自身中，用相對較小零件的線性變形近似模擬其柔性變形。這種算法的優(yōu)點是基于相同的動力學分析平臺，不存在信息轉(zhuǎn)換和調(diào)用的問題，實現(xiàn)方便，缺點是對柔性變形模擬誤差精度不高。而另一種是采用基于有限元分析軟件（如Ansys、Nastran等）對零件進行極為微小的劃分，求得其各階模態(tài)，再將其轉(zhuǎn)化為相應的接口文件導入到動力學分析軟件中，替換相應的剛體零件的方法。值得指出的是，在柔性零件替換剛性零件后，需要采用啞物體（有體積而無質(zhì)量）與其他剛性零件進行連接，以能順利傳遞力或約束等信息。

2.2 伺服電機變頻調(diào)速系統(tǒng)分析

伺服電機作為驅(qū)動部分，目的在于執(zhí)行控制系統(tǒng)的指令，將電能轉(zhuǎn)化為相應的機械運動。直流電機由于其結(jié)構復雜，購置和維修成本過高等問題，難以得到廣泛的應用。而隨著電機制造工藝和電機控制理論發(fā)展，交流電機控制精度得到了大幅度地提高，再加上自身結(jié)構簡單，維修方便，能滿足在惡劣環(huán)境和大負載下運行，受到越來越多關注。隨著矢量控制理論（VC）,直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）變頻調(diào)速技術的發(fā)展及空間矢量脈寬調(diào)制技術（SVPWM）的應用,交流電機往往能達到極高的控制性能。SVPWM是當今廣泛采用的脈寬調(diào)制技術，與傳統(tǒng)的SPWM相比，具有轉(zhuǎn)矩與電流畸變小，易于數(shù)字化實現(xiàn)等優(yōu)點，且其對電壓利用率相對提高16.7%。VC通過坐標系轉(zhuǎn)化，將定子電流分解勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流兩部分，從而模擬交流電機的控制策略控制交流電機。DTC控制技術則以電磁轉(zhuǎn)矩為直接控制目標，達到高性能的調(diào)速能力。

2.3 伺服驅(qū)動子系統(tǒng)控制器設計

PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定方法主要有兩大種：一是理論計算整定法。依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)，但還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。隨著只能控制理論的發(fā)展，許多智能PID控制算法開發(fā)和應用，如變結(jié)構滑模PID控制、模糊PID、神經(jīng)網(wǎng)絡PID控制和神經(jīng)模糊控制等。值得指出，智能PID算法大多數(shù)見諸于理論研究，還不能廣泛應用到實際中。

2.4 機、電信息交換技術以及虛擬樣機設計

現(xiàn)代化大生產(chǎn)的要求直接導致先進制造技術的發(fā)展，而對制造方法而言，發(fā)展趨勢包括“數(shù)字化”、“自動化”、“集成化”，“網(wǎng)絡化”和“智能化”的特點。

虛擬樣機的建立，可以方便對結(jié)構，伺服系統(tǒng)和控制器等多方面進行研究。對于機電信息交換，可以采用20-sim或自行開發(fā)軟件等對機械和伺服系統(tǒng)進行仿真，由于其采用統(tǒng)一仿真平臺，不存在接口信息問題，但其運行性能有待考證，而采用商用大型軟件，如三維造型軟件Pro/e,Solidworks和動靜力學分析軟件Ansys和Adams的聯(lián)合仿真，如何選擇合適步長，既能滿足系統(tǒng)仿真精度，又不至于系統(tǒng)運算量過大，影響系統(tǒng)效率。

總之，機電一體化技術具體包括機械技術、計算機與信息技術、系統(tǒng)技術、自動控制技術、傳感檢測技術、伺服傳動技術等內(nèi)容，機電一體化系統(tǒng)的發(fā)展正在向著更快、更便捷操作的方向發(fā)展。

[1]李瑞秦，鄒慧軍.機電一體化產(chǎn)品概念設計理論研究現(xiàn)狀與發(fā)展展望[J].機械設計與研究,2003,40(11):10-22.

[2]http://www.solidworks.com.cn/,2007-06-10.

[3]http://www.mscsoftware.com.cn/product/productDetail.asp?id=73,2007-06-10.

[4]http://www.mscsoftware.com.cn/Forum/,2007-06-10.