【摘 要】一體化機(jī)電機(jī)械系統(tǒng)是由通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制和協(xié)調(diào)，包括機(jī)械系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、電子系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、光學(xué)技術(shù)等伺服系統(tǒng)，通過(guò)由電動(dòng)機(jī)控制、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等電子系統(tǒng)完成的一系列的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，從而完成系統(tǒng)功能的任務(wù)的要求。接下來(lái)，本文將根據(jù)筆者多年的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)論述機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。

【關(guān)鍵詞】機(jī)電 一體化 機(jī)械系統(tǒng) 研究設(shè)計(jì)

一體化機(jī)電機(jī)械系統(tǒng)是由通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制和協(xié)調(diào)，用于完成能量流、運(yùn)動(dòng)以及機(jī)械力等多項(xiàng)動(dòng)力學(xué)任務(wù)，并由多種機(jī)電部件相互配合、相互聯(lián)系、相互協(xié)調(diào)所組成的系統(tǒng)。因?yàn)檫@是一個(gè)系統(tǒng)性的程序和任務(wù)，因此，對(duì)機(jī)電一體化的機(jī)械系統(tǒng)研究一定要站在“系統(tǒng)”的角度進(jìn)行科學(xué)、合理的設(shè)計(jì)。

一、一體化機(jī)電機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求

首先，精度性高。機(jī)電產(chǎn)品的精度直接決定和影響產(chǎn)品的整體質(zhì)量，機(jī)電一體化產(chǎn)品的工藝水平、技術(shù)性能、功能都要優(yōu)于其他普通產(chǎn)品，因此，高進(jìn)度是其首要條件和標(biāo)準(zhǔn)。也就是說(shuō)如果機(jī)械系統(tǒng)不夠精確，即使其他系統(tǒng)在精確，都不可能順利完成預(yù)期機(jī)械操作。

其次，快速反應(yīng)性。機(jī)電系統(tǒng)的快速反應(yīng)性指的就是系統(tǒng)從接受指令一直到執(zhí)行指令任務(wù)中間的時(shí)間差必須要短，只有這樣才能更好地控制系統(tǒng)精確的完成任務(wù)，同時(shí)，控制系統(tǒng)及時(shí)、準(zhǔn)確的根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀況得到相應(yīng)的信息指令，從而準(zhǔn)確的進(jìn)行任務(wù)執(zhí)行和完成。

再次，穩(wěn)定性良好。為更好的保證機(jī)械系統(tǒng)的精確度和反應(yīng)性，在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)中通常會(huì)有高剛度、低摩擦、無(wú)間隙、高諧振頻率等要求。與此同時(shí)，機(jī)械系統(tǒng)還應(yīng)該具備可靠性高、壽命長(zhǎng)、重量輕、體積小等優(yōu)點(diǎn)。

二、一體化機(jī)電機(jī)械系統(tǒng)構(gòu)成

首先，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。機(jī)械一體化中的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，一方面是轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的變換器，一方面這已經(jīng)成為伺服系統(tǒng)中非常重要的組成部分，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)需要結(jié)合伺服控制的標(biāo)準(zhǔn)和要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而更好地滿足系統(tǒng)機(jī)械體系的伺服性能。所以說(shuō)，傳動(dòng)機(jī)不僅需要具備比較高的精確度，還需要具備體積小、重量輕、運(yùn)轉(zhuǎn)高速、噪音低、可靠性高的特點(diǎn)和要求。

其次，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。起到支撐作用和導(dǎo)向作用的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，能夠?yàn)闄C(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中各個(gè)裝置和組成部分準(zhǔn)確、安全的完成特定運(yùn)動(dòng)提供良好保證，一般值得的軸承和導(dǎo)軌。

再次，執(zhí)行機(jī)構(gòu)。所謂的執(zhí)行結(jié)構(gòu)，指的就是能夠直接完成任務(wù)的操作裝置，其能夠結(jié)合不同的操作指令的具體要求+動(dòng)力源帶動(dòng)，完成各項(xiàng)預(yù)定操作任務(wù)。通常情況下，執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要較高的精確度和靈敏度，具有較高的可靠性和重復(fù)性。計(jì)算機(jī)的功能強(qiáng)大，有效的使傳統(tǒng)的動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化了執(zhí)行、變速和動(dòng)力等多種功能的發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了執(zhí)行和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

三、一體化機(jī)電機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想分析

首先，靜態(tài)設(shè)計(jì)思想。靜態(tài)設(shè)計(jì)指的是根據(jù)各個(gè)系統(tǒng)功能的要求，經(jīng)過(guò)相關(guān)研究制定出設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)的方案和步驟。這只是一個(gè)初步、大體輪廓系統(tǒng)，主要包括系統(tǒng)的部件種類以及各個(gè)部件之間連接、控制以及能源需求等。設(shè)計(jì)出基本方案之后，就需要從技術(shù)手段出發(fā)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)各個(gè)部件運(yùn)動(dòng)參數(shù)、關(guān)系和結(jié)構(gòu)，確定零件的精確度、材料和結(jié)構(gòu)。驗(yàn)算執(zhí)行元件的過(guò)載能力、功率和參數(shù)。選擇其他香斷的部件、原件，配置系統(tǒng)阻尼等等。

其次，動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，是為了研究機(jī)械系統(tǒng)在整個(gè)頻率域的性質(zhì)、特點(diǎn)，通過(guò)靜態(tài)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)幫助，建立系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)之間的數(shù)字模型，進(jìn)一步推導(dǎo)整體系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，然后充分利用自控控制方法計(jì)算頻率特性。頻率特性，一方面體現(xiàn)出了整個(gè)系統(tǒng)對(duì)不同信號(hào)頻率的不同反應(yīng)，一方面還決定了整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力、工作最大頻率和穩(wěn)定性。

四、一體化機(jī)電機(jī)械系統(tǒng)的性能分析

為了更好的保證機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)的伺服性能，一方面需要更好地滿足機(jī)械系統(tǒng)的靜態(tài)特征，一方面還需要充分的利用控制自動(dòng)化的方法和理論進(jìn)行系統(tǒng)體系的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與分析。要進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)必須建立在靜態(tài)系統(tǒng)的數(shù)字模型上，通過(guò)控制方法分析整個(gè)系統(tǒng)的特性頻率，通過(guò)相應(yīng)參數(shù)的調(diào)整，改變整體伺服性能。

首先，建立相關(guān)數(shù)字模型。建立機(jī)械系統(tǒng)數(shù)字模型一般與建立電氣系統(tǒng)數(shù)字模型基本相同，也就是通過(guò)折算的方法，把復(fù)雜的裝置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的、等效的函數(shù)關(guān)系，一般通過(guò)線性微分方程的數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行表達(dá)。一般機(jī)械系統(tǒng)的模型數(shù)字分析是輸入和輸出之間的關(guān)系。將復(fù)雜結(jié)構(gòu)的機(jī)械系統(tǒng)的機(jī)械參數(shù)，比如說(shuō)，阻尼、彈性模量、系統(tǒng)慣量的進(jìn)行歸一處理，進(jìn)而通過(guò)數(shù)學(xué)方式準(zhǔn)確、全面的反應(yīng)各個(gè)機(jī)械參數(shù)對(duì)于整體機(jī)械系統(tǒng)性能的影響。要想建立這種數(shù)學(xué)模型，需要先把機(jī)電系統(tǒng)中的各個(gè)物理量直接折算到某個(gè)元件上，將復(fù)雜、多變額多軸傳動(dòng)轉(zhuǎn)化為單軸傳動(dòng)，一定要遵循轉(zhuǎn)化前后總機(jī)械系統(tǒng)性能相等。在單軸基礎(chǔ)上結(jié)合輸入量與輸出量之間的關(guān)系，建立自身的數(shù)學(xué)表達(dá)式（輸入/輸出），通過(guò)此表達(dá)式反應(yīng)的機(jī)械特性，就能真實(shí)的反應(yīng)出原系統(tǒng)性能。在建立數(shù)學(xué)模型過(guò)程中，需要結(jié)合不同量的要求，折算出等效值。

其次，性能參數(shù)對(duì)整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)性能價(jià)值的影響。機(jī)電系統(tǒng)一體化要求必須精度高、工作可靠、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，這一方面是靜態(tài)設(shè)計(jì)的問(wèn)題，另一方面也是進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)伺服設(shè)計(jì)的要求，通過(guò)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)的調(diào)整，從而達(dá)到系統(tǒng)的整體性能優(yōu)化。系統(tǒng)自身的固定頻率、阻尼直接決定了傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)、性能，所以說(shuō)，機(jī)械系統(tǒng)的參數(shù)結(jié)構(gòu)又取決于固有頻率與阻尼的比率。所以說(shuō)，機(jī)械系統(tǒng)的參數(shù)直接影響到其伺服系統(tǒng)的性能。通常情況下，機(jī)械系統(tǒng)能夠簡(jiǎn)化成二階系統(tǒng)，可以通過(guò)單位階躍曲線全面反映系統(tǒng)阻尼的影響。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，需要對(duì)多種性能指標(biāo)進(jìn)行綜合考慮，通常取欠阻尼系統(tǒng)，不僅可以保證一定范圍的震蕩，比較平穩(wěn)、快速的震蕩，同時(shí)，靈敏度還非常高。

五、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文圍繞著一體化機(jī)電機(jī)械系統(tǒng)的概念、性質(zhì)等各個(gè)方面開(kāi)始入手分析，從四個(gè)方面：機(jī)械系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)的基本要求，基本構(gòu)成，設(shè)計(jì)思想以及一體化機(jī)電機(jī)械系統(tǒng)的性能分析，詳細(xì)論述了機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。

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作者簡(jiǎn)介：

蘇運(yùn)元（1990 09）男·漢族；天津市人；現(xiàn)就讀于：天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；機(jī)電一體化專業(yè)。