机电一体化技术及其应用研究


 摘要:该文介绍了机电一体化技术的基本概念、组成要素、原则以及采用机电一体化技术改造传统机械产品和进行企业技术改造的巨大意义等基本问题。


  关键词:机电一体化技术;机电一体化技术的应用


  一、机电一体化技术简介


  (一)机电一体化技术的概念及其由来


  七十年代初,美国首先研制出第一台工业机器人(Robot),这是一种集精密机械与计算机控制系统于一身的新产品。后来,日本消化、吸收了美国机器人技术,并把机器人大面积推到工业应用中去。人们认识到这是一门既非传统机械学或通常电子学所能完整描述的学科和技术,于是给它起名为“Mechatronics”,是取自机械学“Mechanics”和电子学“Electronics”两个词的各半而成,日本汉字叫“机电一体化”,正好适合中国汉字使用,于是便衍生出“机电一体化技术”、“机电一体化产品”等名词。


  由此可见,机电一体化技术是将电子器件的信息处理和控制功能附加或融合在机械装置中的一种复合化技术,即将机械技术、电工电子技术、微电子技术、信息技术、传感器技术、接口技术、信号变换技术等多种技术进行有机地结合,并综合应用到实际中去的综合技术。


  (二)机电一体化五大要素


  一个机电一体化系统一般由结构、动力、运动、感知、职能等五大组成要素有机结合而成。


  结构组成要素,即机械本体,是系统的所有功能要素的机械支持结构。


  动力组成要素,即动力驱动部分,是依据系统控制要求,为系统提供能量和动力以使系统正常运行。


  感知组成要素,即测试传感部分,对系统的运行所需要的本身和外部环境的各种参数和状态进行检测,并变成可识别的信号,传输给信息处理单元,经过分析、处理后产生相应的控制信息。


  职能组成要素,即控制及信息处理部分,将来之测试传感部分的信息及外部直接输入的指令进行集中、存储、分析、加工处理后,按照信息处理结果和规定的程序与节奏发出相应的指令,控制整个系统有目的的运行。


  运动组成要素,即执行机构,根据控制及信息处理部分发出的指令,完成规定的动作和功能。


  (三)机电一体化四大原则


  构成机电一体化系统的五大组成要素其内部及相互之间都必须遵循结构耦合、运动传递、信息控制与能量转换四大原则。


  接口耦合:两个需要进行信息交换和传递的环节之间,由于信息模式不同,如数字量与模拟量不同,串行码与并行码不同,连续脉冲与序列脉冲不同等,而无法直接传递和交换,必须通过接口耦合来实现。而两个信号强弱相差悬殊的环节之间,也必须通过接口耦合后,才能匹配。变换放大后的信号要在两个环节之间可靠、快速、准确的交换、传递,必须遵循一致的时序、信号格式和逻辑规范才行,因此接口耦合时就必须具有保证信息的逻辑控制功能,使信息按规定的模式进行交换与传递。


  运动传递:是构成机电一体化系统各组成要素之间不同类型运动的变换与传输以及以运动控制为目的的优化。


  信息控制:在系统中,所谓智能组成要素的系统控制单元,在软、硬件的保证下,完成信息的采集、传输、储存、分析、运算、判断、决策,以达到信息控制的目的。对于智能化程度高的信息控制系统还包含了知识获得、推理机制以及自学功能等知识驱动功能。


  能量转换:两个需要进行传输和交换的环节之间,由于模式不同而无法直接进行能量的转换和交流,必须进行能量的转换,能量的转换包括执行器,驱动器和他们的不同类型能量的最优转换方法及原理。


  二、机电一体化技术的应用


  随着机电一体化技术的不断发展,其应用渗透的领域越来越多。在这里我们主要从以下几个方面来谈一谈它的应用情况。


  (一)机电一体化技术在现代机械制造业中的应用


  传统机械制造业是建立在规模经济的基础上,靠企业规模、生产批量、产品结构和重复性来获得竞争优势的,而先进的机械制造业则是以信息为主导,采用先进生产模式、先进制造系统、先进制造技术和先进组织管理形式的全新的机械制造业,其特征是全球化、网络化、虚拟化、智能化以及环保协调的绿色制造。现代制造业集成了现代科学技术的发展,充分利用电子计算机技术,使制造技术提高到新的高度。


  (二)机电一体化技术在饮料行业中的应用


  机电一体化技术的广泛应用使复杂的包装工艺检测过程、在线检测和控制、包装材料和成品的自动检测、工况参数的检测显示和控制、对多样化成品的包装、输送等自动控制和监测管理等都变得简单可靠。实现机电一体化操作的设备可以根据预先设定的工艺参数自动运作。检测装置可以检测分级机构是否按照预设的参数对水果分级;状态检测诊断系统自动检测生产线是否在设定温度下完成榨汁、杀菌和包装以及监测过滤器被果渣堵塞的状况,判断清洗和更换过滤器的时间等等。不仅保证了合理的出汁率,还保证了果汁的良好品质。


  (三)机电一体化技术在煤矿行业中的应用


  1.在线监控、自动报警及故障自诊,即对煤矿机械的电动机、传动系统、工作装置、制动系统和液压系统等的在线运行状态监控,出现故障能动报警并准确地指出故障的部位,从而改善操作员的工作条件,提高机器的工作效率,简化设备维护检查工作,降低使用维修费用,缩短停机维修时间,延长设备的使用寿命。


  2.节能降耗,提高生产效率。例如井下使用的胶带输送机、通风机、提升机等,使用变频起动、PLC控制系统,节电量就为30%左右,同时生产效率也大大提高。


  3.自动化或半自动化程度的提高?。煤矿机械实现自动化或半自动化控制,可以减轻操作者的劳动强度,提高生产效率,并减少因操作者的经验不足对作业精度的影响。


  三、结束语


  机电一体化技术的应用是社会生产力发展到一定阶段的必然要求,它是许多科学技术发展的结晶。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,机电一体化技术的发展前景也将越来越广阔。