浅谈机电一体化系统

岳云霞

（山东交通职业学院机械系，山东 潍坊 261206）

日本企业界在1970年左右最早提出“机电一体化技术”这一概念，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发展和广泛应用，机电一体化技术获得前所未有的发展，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交叉的系统技术，目前正向光机电一体化技术（Opto-mechatronics）（Opto-mechatronics）（Opto-mechatronics）方向发展，应用范围愈来愈广。

1 机电一体化技术具体包括内容

1.1 机械技术

机械技术是机电一体化的基础，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，实现结构上、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。

1.2 计算机与信息技术

其中信息交换、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。

1.3 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若干功能单元，接口技术是系统技术中一个重要方面，它是实现系统各部分有机连接的保证。

1.4 自动控制技术

自动控制技术范围很广，在控制理论指导下，进行系统设计，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。

1.5 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、精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达到高水平的保证。

1.6 伺服传动技术

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。

2 国内外研究现状

2.1 机械子系统建模技术

机械子系统的数字化模型的建立是系统整机设计的基础。许多商用软件如Solidworks,ProE拥有强大三维实体造型能力，为实体造型提供了极大的方便，但其往往不能进行动力学分析，而直接导入到动力学分析软件中可能会出现质量或者转动惯量等信息丢失现象，但通过专门开发的接口软件Mechanism/pro（专为ProE与Adams的开发的接口程序）可以实现无缝连接，但这样软件通用性往往很差，一般只适用固定版本的两个软件。而随着柔性零件和结构的广泛使用，对于柔性零件的仿真也是十分重要的问题。对于柔性零件仿真现在主要两种方法，对于结构较为简单，对其柔性变形要求不高零件，可以采用在动力学分析软件自身中，用相对较小零件的线性变形近似模拟其柔性变形。这种算法的优点是基于相同的动力学分析平台，不存在信息转换和调用的问题，实现方便，缺点是对柔性变形模拟误差精度不高。而另一种是采用基于有限元分析软件（如Ansys、Nastran等）对零件进行极为微小的划分，求得其各阶模态，再将其转化为相应的接口文件导入到动力学分析软件中，替换相应的刚体零件的方法。值得指出的是，在柔性零件替换刚性零件后，需要采用哑物体（有体积而无质量）与其他刚性零件进行连接，以能顺利传递力或约束等信息。

2.2 伺服电机变频调速系统分析

伺服电机作为驱动部分，目的在于执行控制系统的指令，将电能转化为相应的机械运动。直流电机由于其结构复杂，购置和维修成本过高等问题，难以得到广泛的应用。而随着电机制造工艺和电机控制理论发展，交流电机控制精度得到了大幅度地提高，再加上自身结构简单，维修方便，能满足在恶劣环境和大负载下运行，受到越来越多关注。随着矢量控制理论（VC）,直接转矩控制（DTC）变频调速技术的发展及空间矢量脉宽调制技术（SVPWM）的应用,交流电机往往能达到极高的控制性能。SVPWM是当今广泛采用的脉宽调制技术，与传统的SPWM相比，具有转矩与电流畸变小，易于数字化实现等优点，且其对电压利用率相对提高16.7%。VC通过坐标系转化，将定子电流分解励磁电流和转矩电流两部分，从而模拟交流电机的控制策略控制交流电机。DTC控制技术则以电磁转矩为直接控制目标，达到高性能的调速能力。

2.3 伺服驱动子系统控制器设计

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定方法主要有两大种：一是理论计算整定法。依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数，但还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。随着只能控制理论的发展，许多智能PID控制算法开发和应用，如变结构滑模PID控制、模糊PID、神经网络PID控制和神经模糊控制等。值得指出，智能PID算法大多数见诸于理论研究，还不能广泛应用到实际中。

2.4 机、电信息交换技术以及虚拟样机设计

现代化大生产的要求直接导致先进制造技术的发展，而对制造方法而言，发展趋势包括“数字化”、“自动化”、“集成化”，“网络化”和“智能化”的特点。

虚拟样机的建立，可以方便对结构，伺服系统和控制器等多方面进行研究。对于机电信息交换，可以采用20-sim或自行开发软件等对机械和伺服系统进行仿真，由于其采用统一仿真平台，不存在接口信息问题，但其运行性能有待考证，而采用商用大型软件，如三维造型软件Pro/e,Solidworks和动静力学分析软件Ansys和Adams的联合仿真，如何选择合适步长，既能满足系统仿真精度，又不至于系统运算量过大，影响系统效率。

总之，机电一体化技术具体包括机械技术、计算机与信息技术、系统技术、自动控制技术、传感检测技术、伺服传动技术等内容，机电一体化系统的发展正在向着更快、更便捷操作的方向发展。

[1]李瑞秦，邹慧军.机电一体化产品概念设计理论研究现状与发展展望[J].机械设计与研究,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.