机电一体化系统设计

机电一体化系统设计

王伟梁

王伟梁（江苏省扬州技师学院，扬州225003）

摘要：本文简述了机电一体化技术的基本概要和发展背景，讲述了机电一体化设计方法和关键要素。

关键词：机电一体化；传感器；发展趋势

中图分类号：TH122文献标识码：A文章编号：1006-4311（2010）11-0084-03

0引言

现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。

1机电一体化认识

日本在1971年提出一个新的英文集成名词“Mechatronics”词首Mecha取自Mechanics（机械学），词尾tronics取自Electronics（电子学）。我国经常译为机电一体化或机械电子学。在1981年德国工程师协会，德国电气工程技术人员协会共同组成的精密工程技术专家组提出的“关于大学精密工程技术专业的建议书”中，把精密工程技术定义为光-机-电一体化的综合技术。它包括机械（含液压，气动及微机械），电工与电子，光学等技术及其组合，其核心为精密工程技术。在当前“信息爆炸”的形式下，相对于专门型人才来说，市场对复合型人才的需求更加迫切。在中国，我们认为机械发展新阶段是机电一体化阶段。机电一体化是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术，将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。机电一体化发展至今也已成为一门有着自身体系的新型学科，随着科学技术的不但发展，还将被赋予新的内容，基本特征可概括为：机电一体化是从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标和优化组织目标，合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值，并使整个系统最优化的系统工程技术。因此，“机电一体化”涵盖“技术”和“产品”两个方面。只是，机电一体化技术是基于上述群体技术有机融合的一种综合技术，而不是机械技术、微电子技术以及其它新技术的简单组合、拼凑。这是机电一体化与机械加电气所形成的机械电气化在概念上的根本区别。机械工程技术有纯技术发展到机械电气化，仍属传统机械，其主要功能依然是代替和放大的体力。但是发展到机电一体化后，其中的微电子装置除可取代某些机械部件的原有功能外，还能赋予许多新的功能，如自动检测、自动处理信息、自动显示记录、自动调节与控制自动诊断与保护等。即机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸，还是人的感官与头脑的眼神，具有智能化的特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质区别。

2机电一体化的设计过程

机电一体化的机械动力部分由一般电动机演变为控制电动机，里程碑式地引入了电子和计算机等先进技术，代替人完成机器的检测与控制等工作。在知识经济中体现了制造业高科技化，促进了高科技产业和知识经济的发展。它是一种用于机电产品最优设计的方法学。它包括4个基本学科：电气、机械、计算机科学和信息技术。

机电一体化系统和多学科系统之间的区别不在于它们的组成要素，而在于这些组成要素设计的次序。一直以来，多学科系统设计使用一种按学科顺序设计的方法。比如，机电系统的设计一般通过以机械设计开始的三个步骤完成。当机械设计完成后，设计电源和微电子系统，接着是控制算法的设计及其实施。按学科顺序设计的方法的最大缺点是对整个过程中各个点的固定设计导致新的限制，这种限制源于对这些点的设计，而且会传递到下一个学科点的设计。使用并行方法进行预先设计可以使产品更具协同性。它补充了信息系统以指导设计，这种指导贯穿于设计的各个阶段，而不只是预先设计阶段，从而使之更加综合。在将机械，电气及计算机系统和信息系统进行集成以设计制造产品和过程时，需要进行协同。最终产品的功能应大于其各部分功能之和。如果没有协同组合的话，机电一体化产品具有的性能特征是很难实现的，机电一体化的关键要素。

机电一体化系统是在物理系统中使用信息系统的结果。物理系统包括机械系统，计算机系统，执行器，传感器和实时接口。机电一体化系统不只是机电系统，而且还是一个控制系统。传感器和执行器用来把能量从动力大的一边（通常是机械的一边），转换到动力小的一边（通常是电气和计算机的一边）。上图中的机械系统不仅包括机械零部件，还可能包括流体，气动，热，声，化学及其它学科。传感技术已经出现了新的发展以适应对特殊监测应用解决方案不断增长的需要。

2.1机电一体化中的集成设计问题由于机电一体化方法内在的并行性，或同时性工程，所以样机试制阶段的建模与仿真很重要。因为模型来自于各学科的综合应用。所以应用一种可视化的编程软件是很重要的。这样就涉及到了框图，流程图，状态转换图和波特图。机电一体化是一种设计哲学，其产品或设备有一个重要的特点就是它们内部的智能，这是将执行器，传感器，控制系统和计算机组合设计实现的。系统的集成是通过硬件（部件）和软件（信息处理）的联合实现的。硬件集成是将机电一体化系统看成一个整体系统来设计的，将传感器，执行器和微处理器融入到机械系统中，软件集成主要基于高级控制功能在设计时应首先分析客户要求以及系统集成的技术环境。在制作时应考虑了解客户，市场分析，优化性能，生命周期性能，质量，可靠性和销售。

2.2机电一体化关键要素①信息系统:信息系统包括信息传输的所有方面，从信号处理到控制系统到分析技术。信息系统结合了以下四种学科：通讯系统，信号处理，控制系统和数值计算方法。在机电一体化应用中，我们最关心的是建模，仿真，自动控制和用于优化的数字方法。②自动控制:控制系统工程学是在19世纪晚期产生的学科，认为在低阶系统（三阶或三阶以下）系统的稳定性依赖于特征方程的根和劳思（Routh）判据，这是一个很好的判断系统稳定性的分析工具。③最优化:就是先确认最优轨迹，最优轨迹是根据系统的要求即约束条件确定的，然后设计控制系统，在设计控制系统的时候应使系统的各参数最终满足控制要求，使误差最小化，或者说使目标函数的扰动最小化，可用最优化过程反复迭代公式（Pk+1=Pk+τ·Sk）这里k是迭代次数，Sk是P空间内的探索方向，τ是该方向上的探索步长空间内的探索步长，当P值不能再改进时这个过程结束，此时为最优化。④机械系统:机械系统考虑力作用下物体的特性。这样的系统按其性质可分为刚性的，可变形的和可流动的。大多数机电一体化系统应用的刚体系统，都依赖于物理学中的基本定律。⑤电气系统:电气系统由两个分支组成：电源系统和通讯系统。通讯系统以低能量的电信号形式在各点之间传输信息。诸如信息存储，处理和交换是通信系统的常见组成部分。电气工程的这个领域也称电子学。另一方面，电源系统用来在各点之间有效的传递大量的电能，而不是信息，例如：发电机是把机械能转化为电能，而电动机是把电能转化为机械能。

3传感器和变换器

仪器仪表在现代科技领域中起着关键的作用。传感器是与仪器仪表紧密相关的机电一体化系统中一个非常重要的组件，其作用是为特定工业过程提供收集不同信息的机制。传感器广泛应用于过程检测以及工况评价方面，为用计算机系统对制造作业作较高级的监控提供便利，可应用于过程前，过程中及过程后。有时，传感器可以将一种物理现象转化为决策分析的可用信号。智能系统用传感器来监测由环境变化影响的特定场合，然后通过校正动作对其控制。

实际上在所有的应用中，传感器是将各种现实世界的数据转化为电信号，因此可定义为：传感器是一种把被测物理量转换成输出信号的装置。因此传感器也可以称为变换器，应用范围广泛，甚至可以用于分辨那些人类感官无法觉察到的环境变化。它们作为一次元件，连续的将变化着的信息转变成另一种形式，也就是说，传感装置检测被测量，并将其转换成系统可接受形式的信号，通常为电信号。整个系统的最大准确度由传感器的灵敏度和其内部噪声干扰所决定。在测控系统中，任何参数的变化，不论是在被测量中还是在信号修整中，都会直接影响系统的准确度。传感器和变换器是现代控制系统（电，光，机械或流体系统）的两个重要组成部分，传感器和变换器选用的程度取决于控制系统的自动化水平和复杂程度。要构成一个复杂控制系统，测量装置必须能够满足快速，灵敏和精确的要求。随着使用要求的不断提高，传感器的体积也不断的小型化，并通常将多个传感器和数据处理系统组合固定在一起。传感器的分类：根据传感器的输出信号形式，电源，工作模式以及被测变量可将传感器分为以下两大类。模拟传感器：模拟是指连续的，不中断的一系列事件。典型的模拟传感器的输出与被测变量是成正比例的，输出信号以连续方式变化，根据其幅值取得信息，通常其输出要经过A/D转换后输到计算机。数字传感器：数字是指一系列离散的事件，各个事件前后分开，如果传感器的逻辑电平输出是数字的，则称其为数字传感器。数字传感器有着准确度和精密度高的特点，与计算机监控系统相连时不需要任何转换器。

4A/D,D/A转换

在计算机控制系统中，主机输入数据或向外部发布命令，都是通过接口及输入输出通道进行的,完成信息传递和交换的装置称为过程输入输出通道。这些通道是联系主机与被控对象的纽带和桥梁。生产对象的各种模拟信号，不能直接输入计算机，而要经过模/数转换，转换成数字信号，才能输入计算机进行加工处理。同样，经过计算机加工处理得到的数字信号，也不可能直接作用与被控对象。而要经过数/模转变成模拟信号，才能输出到被控对象。

数据采集系统的基本任务是将模拟量即连续量转换为数字量以便于计算机进行存储，计算和处理。由于绝大多数物理量都是模拟量。因而数据采集系统不但本身就是一种独立系统，而且是计算机控制系统的极重要的组成部分。

一个典型的计算机控制系统如图3所示。其工作原理是作为系统输入的物理量（压力，温度，湿度，位置等），首先由传感器变成点信号，然后送到放大器和滤波器。传感器的输出信号一般比较微弱，放大器的作用是将传感器输出的电信号放大到适当的大小。以利于进一步处理。滤波器的作用是消除干扰信号。然后，信号送到模拟多路开关，它在计算机的控制作用下对各个模拟通道进行分时处理，将各通道信号接到后面的采样保持电路和A/D转换器。采样保持电路在规定的时刻对送来的模拟信号进行采样并在A/D转换期间保持被采样的电压不发生变化。A/D转换器在保持时间内完成模/数转换后将数字量送到计算机。采样保持电路及A/D转换的定时和控制信号均由计算机产生。计算机对A/D转换器送来的各路数字量进行各种处理计算，然后用分时方法将处理结果送到各路D/A转换器变成模拟信号去完成各种模拟控制。有时为了提高速度和精度，数据采集系统不用模拟多路转换开关，而是每条通道用一个A/D转换器。

4.1传感器的作用传感器是工业控制计算机系统的重要环节。如没有传感器对生产过程的原始参数进行精确可靠的测量，那么无论是信号转换，信息处理，或数据的显示与控制，都将成为一句空话。可以说，没有精确可靠的传感器就没有精确可靠的测量系统。

4.2A/D转换器的原理经过多路转换开关和采样/保持的模拟量必须被变成数字量才能送入计算机。完成这一转换任务的器件叫做模拟/数字转换器，简称A/D转换器。如图4是逐次逼近型A/D转换器原理图。由图4可以看出，由N位寄存器，N位D/A转换器、比较器以及控制逻辑四部分组成。其工作原理：当启动信号作用后，时钟信号在控制逻辑作用下，首先使寄存器的DN-1=1，N位寄存器的数字量一方面作为输出用，另一方面，经D/A转换器转换成模拟量Vx后，送到比较器，在比较器中与被转换的模拟量Vx进行比较，控制逻辑根据比较器的输出进行判断。若Vx≥Vc，则保留这一位；若Vx<Vc，则DN-1=0。DN-1位比较完毕后，再对下一位DN-2进行比较，使DN-2=1，与上一位DN-1一道进入D/A转换器，转换后再进入比较器，与Vx进行比较，……，如此一位一位地继续下去，直到最后一位D0比较完毕为止。此时，N位寄存器中的数字量即为Vx所对应的数字量。一个N位的A/D转换器只需比较N次，即可得到结果，而计数式A/D转换器，则需要比较2N-1次。因此逐次逼近型A/D转换器速度比较快，因而得到广泛应用。

4.3D/A转换器的原理D/A转换器的作用是将数字量转换为模拟量。它实际上是一种由二进制译码控制的电流叠加电路。通常包括四个组成部分：精密的电压基准；模拟二进制数字电压（或电流）开关；产生二进制权电流或权电压的精密电阻网络；提供电压或电流输出相加的运算放大器。其原理如图5为倒T型电阻D/A转换器。其输出电压表达式很容易用基准电流和响应的倍数表示出来。与权电流型的D/A转换器相比，倒T型电阻D/A转换器具有电路简单、转换速度快的优点，但其转换误差较大。在实际的D/A转换器中，开关S是电子式的模拟开关。为了减小转换误差，开关必须具有导通电阻小，截止电阻大的特点。

5机电一体化综述

机电一体化系统开发过程的第一步就是分析客房需求以及系统集成的技术环境。解决问题的复杂技术系统往往是一个具有数字或模拟形式并由复杂软件支持其硬件的机械、电子、液压和热动力部件的结合体。典型机电一体化系统使用传感器从技术环境中收集数据和信息。接下来的一步就是使用建模和描述方法的完善形式，以一种集成的方式来涵盖这个系统的所有子任务。这包括在初始阶段对子系统间必要接口的有效描述。数据经过处理和解释转化为执行器的动作。机电一体化系统能够缩短开发周期，降低成本，提高质量。在机电一体化产品的设计中，有必要在不同的专家组之间协调知识和需要的信息。并行工程是产品的设计和制造以特殊方式融合的一种设计方法。传统设计和制造间的障碍得以排除。

6机电一体化的发展趋势

机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合，它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。因此，机电一体化的主要发展方向如下：

6.1智能化智能化是21世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向。人工智能在机电一体化建设者的研究日益得到重视，机器人与数控机床的智能化就是重要应用。诚然，使机电一体化产品具有与人完全相同的智能，是不可能的，也是不必要的。但是，高性能、高速的微处理器使机电一体化产品赋有低级智能或人的部分智能，则是完全可能而又必要的。

6.2模块化模块化是一项重要而艰巨的工程。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、电气接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元是一项十分复杂但又是非常重要的事。从电气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定，无论是对生产标准机电一体化单元的企业还是对生产机电一体化产品的企业，规模化将给机电一体化企业带来美好的前程。

6.3网络化20世纪90年代，计算机技术等的突出成就是网络技术。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是家用电器网络化已成大势，利用家庭网络（homenet）将各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电系统（computerintegratedappliancesystem，CIAS），使人们在家里分享各种高技术带来的便利与快乐。因此，机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。

6.4微型化微型化兴起于20世纪80年代末，指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。国外称其为微电子机械系统（MEMS），泛指几何尺寸不超过1cm3的机电一体化产品，并向微米、纳米级发展。微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活，在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。

6.5绿色化工业的发达给人们生活带来了巨大变化。一方面，物质丰富，生活舒适；另一方面，资源减少，生态环境受到严重污染。于是，人们呼吁保护环境资源，回归自然。绿色产品概念在这种呼声下应运而生，绿色化是时代的趋势。设计绿色的机电一体化产品，具有远大的发展前途。机电一体化产品的绿色化主要是指，使用时不污染生态环境，报废后能回收利用。

6.6系统化系统化的表现特征之一就是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构。系统可以灵活组态，进行任意剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。表现之二是通信功能的大大加强，一般除RS232外，还有RS485、DCS人格化。未来的机电一体化更加注重产品与人的关系，机电一体化的人格化有两层含义。一层是，机电一体化产品的最终使用对象是人，如何赋予机电一体化产品人的智能、情感、人性显得越来越重要，特别是对家用机器人，其高层境界就是人机一体化。另一层是模仿生物机理，研制各种机电一体花产品。事实上，许多机电一体化产品都是受动物的启发研制出来的。

7结束语

综上所述，机电一体化的出现不是孤立的，它是许多科学技术发展的结晶，是社会生产力发展到一定阶段的必然要求。当然，与机电一体化相关的技术还有很多，并且随着科学技术的发展，各种技术相互融合的趋势将越来越明显，机电一体化技术的广阔发展前景也将越来越光明。