機電一體化技術和應用研究

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　　機電一體化技術和應用研究【1】

　　【摘要】討論了機電一體化技術對于改變整個機械制造業面貌所起的重要作用，并說明其在鋼鐵工業中的應用以及發展趨勢。

　　【關鍵詞】機電一體化;技術;應用

　　1.機電一體化技術發展

　　機電一體化是機械、微電子、控制、計算機、信息處理等多學科的交叉融合，其發展和進步有賴于相關技術的進步與發展，其主要發展方向有數字化、智能化、模塊化、網絡化、人性化、微型化、集成化、帶源化和綠色化。

　　1.1 數字化

　　微控制器及其發展奠定了機電產品數字化的基礎，如不斷發展的數控機床和機器人;而計算機網絡的迅速崛起，為數字化設計與制造鋪平了道路，如虛擬設計、計算機集成制造等。

　　數字化要求機電一體化產品的軟件具有高可靠性、易操作性、可維護性、自診斷能力以及友好人機界面。

　　數字化的實現將便于遠程操作、診斷和修復。

　　1.2 智能化

　　即要求機電產品有一定的智能，使它具有類似人的邏輯思考、判斷推理、自主決策等能力。

　　例如在CNC數控機床上增加人機對話功能，設置智能I/O接口和智能工藝數據庫，會給使用、操作和維護帶來極大的方便。

　　隨著模糊控制、神經網絡、灰色理論、小波理論、混沌與分岔等人工智能技術的進步與發展，為機電一體化技術發展開辟了廣闊天地。

　　1.3 模塊化

　　由于機電一體化產品種類和生產廠家繁多，研制和開發具有標準機械接口、動力接口、環境接口的機電一體化產品單元模塊是一項復雜而有前途的工作。

　　如研制具有集減速、變頻調速電機一體的動力驅動單元;具有視覺、圖像處理、識別和測距等功能的電機一體控制單元等。

　　這樣，在產品開發設計時，可以利用這些標準模塊化單元迅速開發出新的產品。

　　1.4 網絡化

　　由于網絡的普及，基于網絡的各種遠程控制和監視技術方興未艾。

　　而遠程控制的終端設備本身就是機電一體化產品，現場總線和局域網技術使家用電器網絡化成為可能，利用家庭網絡把各種家用電器連接成以計算機為中心的計算機集成家用電器系統，使人們在家里可充分享受各種高技術帶來的好處，因此，機電一體化產品無疑應朝網絡化方向發展。

　　1.5 人性化

　　機電一體化產品的最終使用對象是人，如何給機電一體化產品賦予人的智能、情感和人性顯得愈來愈重要，機電一體化產品除了完善的性能外，還要求在色彩、造型等方面與環境相協調，使用這些產品，對人來說還是一種藝術享受，如家用機器人的最高境界就是人機一體化。

　　1.6 微型化

　　微型化是精細加工技術發展的必然，也是提高效率的需要。

　　微機電系統(Micro Electronic Mechanical Systems，簡稱MEMS)是指可批量制作的，集微型機構、微型傳感器、微型執行器以及信號處理和控制電路，直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統。

　　自1986年美國斯坦福大學研制出第一個醫用微探針，1988年美國加州大學Berkeley分校研制出第一個微電機以來，國內外在MEMS工藝、材料以及微觀機理研究方面取得了很大進展，開發出各種MEMS器件和系統，如各種微型傳感器(壓力傳感器、微加速度計、微觸覺傳感器)，各種微構件(微膜、微粱、微探針、微連桿、微齒輪、微軸承、微泵、微彈簧以及微機器人等)。

　　1.7 集成化

　　集成化既包含各種技術的相互滲透、相互融合和各種產品不同結構的優化與復合，又包含在生產過程中同時處理加工、裝配、檢測、管理等多種工序。

　　為了實現多品種、小批量生產的自動化與高效率，應使系統具有更廣泛的柔性。

　　首先可將系統分解為若干層次，使系統功能分散，并使各部分協調而又安全地運轉，然后再通過軟、硬件將各個層次有機地聯系起來，使其性能最優、功能最強。

　　1.8 帶源化

　　是指機電一體化產品自身帶有能源，如太陽能電池、燃料電池和大容量電池。

　　由于在許多場合無法使用電能，因而對于運動的機電一體化產品，自帶動力源具有獨特的好處。

　　帶源化是機電一體化產品的發展方向之一。

　　1.9 綠色化

　　科學技術的發展給人們的生活帶來巨大變化，在物質豐富的同時也帶來資源減少、生態環境惡化的后果。

　　所以，人們呼喚保護環境，回歸自然，實現可持續發展，綠色產品概念在這種呼聲中應運而生。

　　綠色產品是指低能耗、低材耗、低污染、舒適、協調而可再生利用的產品。

　　在其設計、制造、使用和銷毀時應符合環保和人類健康的要求，機電一體化產品的綠色化主要是指在其使用時不污染生態環境，產品壽命結束時，產品可分解和再生利用。

　　2.機電一體化技術在鋼鐵企業中應用

　　在鋼鐵企業中，機電一體化系統是以微處理機為核心，把微機、工控機、數據通訊、顯示裝置、儀表等技術有機的結合起來，采用組裝合并方式，為實現工程大系統的綜合一體化創造有力條件，增強系統控制精度、質量和可靠性。

　　機電一體化技術在鋼鐵企業中主要應用于以下幾個方面：

　　2.1 智能化控制技術(IC)

　　由于鋼鐵工業具有大型化、高速化和連續化的特點，傳統的控制技術遇到了難以克服的困難，因此非常有必要采用智能控制技術。

　　智能控制技術主要包括專家系統、模糊控制和神經網絡等，智能控制技術廣泛應用于鋼鐵企業的產品設計、生產、控制、設備與產品質量診斷等各個方面，如高爐控制系統、電爐和連鑄車間、軋鋼系統、煉鋼——連鑄——軋鋼綜合調度系統、冷連軋等。

　　2.2 分布式控制系統(DCS)

　　分布式控制系統采用一臺中央計算機指揮若干臺面向控制的現場測控計算機和智能控制單元。

　　分布式控制系統可以是兩級的、三級的或更多級的。

　　利用計算機對生產過程進行集中監視、操作、管理和分散控制。

　　隨著測控技術的發展，分布式控制系統的功能越來越多。

　　不僅可以實現生產過程控制，而且還可以實現在線最優化、生產過程實時調度、生產計劃統計管理功能，成為一種測、控、管一體化的綜合系統。

　　DCS具有特點控制功能多樣化、操作簡便、系統可以擴展、維護方便、可靠性高等特點。

　　DCS是監視集中控制分散，故障影響面小，而且系統具有連鎖保護功能，采用了系統故障人工手動控制操作措施，使系統可靠性高。

　　分布式控制系統與集中型控制系統相比，其功能更強，具有更高的安全性。

　　是當前大型機電一體化系統的主要潮流。

　　2.3 開放式控制系統(OCS)

　　開放控制系統(Open Control System)是目前計算機技術發展所引出的新的結構體系概念。

　　“開放”意味著對一種標準的信息交換規程的共識和支持，按此標準設計的系統，可以實現不同廠家產品的兼容和互換，且資源共享。

　　開放控制系統通過工業通信網絡使各種控制設備、管理計算機互聯，實現控制與經營、管理、決策的集成，通過現場總線使現場儀表與控制室的控制設備互聯，實現測量與控制一體化。

　　2.4 計算機集成制造系統(CIMS)

　　鋼鐵企業的CIMS是將人與生產經營、生產管理以及過程控制連成一體，用以實現從原料進廠，生產加工到產品發貨的整個生產過程全局和過程一體化控制。

　　目前鋼鐵企業已基本實現了過程自動化，但這種“自動化孤島”式的單機自動化缺乏信息資源的共享和生產過程的統一管理，難以適應現代鋼鐵生產的要求。

　　未來鋼鐵企業競爭的焦點是多品種、小批量生產，質優價廉，及時交貨。

　　為了提高生產率、節能降耗、減少人員及現有庫存，加速資金周轉，實現生產、經營、管理整體優化，關鍵就是加強管理，獲取必須的經濟效益，提高了企業的競爭力。

　　美國、日本等一些大型鋼鐵企業在20世紀80年代已廣泛實現CIMS化。

　　2.5 現場總線技術(FBT)

　　現場總線技術(FieD Bus Technology)是連接設置在現場的儀表與設置在控制室內的控制設備之間的數字式、雙向、多站通信鏈路。

　　采用現場總線技術取代現行的信號傳輸技術(如4～20mA，DC直流傳輸)就能使更多的信息在智能化現場儀表裝置與更高一級的控制系統之間在共同的通信媒體上進行雙向傳送。

　　通過現場總線連接可省去66%或更多的現場信號連接導線。

　　現場總線的引入導致DCS的變革和新一代圍繞開放自動化系統的現場總線化儀表，如智能變送器、智能執行器、現場總線化檢測儀表、現場總線化PLC(Programmable Logic Controller)和現場就地控制站等的發展。

　　2.6 交流傳動技術

　　傳動技術在鋼鐵工業中起作至關重要的作用。

　　隨著電力電子技術和微電子技術的發展，交流調速技術的發展非常迅速。

　　由于交流傳動的優越性，電氣傳動技術在不久的將來由交流傳動全面取代直流傳動，數字技術的發展，使復雜的矢量控制技術實用化得以實現，交流調速系統的調速性能已達到和超過直流調速水平。

　　現在無論大容量電機或中小容量電機都可以使用同步電機或異步電機實現可逆平滑調速。

　　交流傳動系統在軋鋼生產中一出現就受到用戶的歡迎，應用不斷擴大。

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　　電工新技術在機電一體化中的應用【2】

　　【摘 要】近年來電工新技術的技術產品在機電一體化中不斷應用，機電一體化新技術越來越感受到各方面的關注，各個國家先進的機電一體化產品層出不窮。本文主要介紹幾項具有代表性的電工新技術(如可編程控制器、運動控制器、變頻器調速技術等)在機電一體化技術中改善、提高工作效率、節約能源、降低材料消耗、增強競爭力等方面的應用，以期使得電工新技術為更多人認識和關注。

　　【關鍵詞】電工新技術;變頻;控制器

　　我國的電工技術隨著我國經濟的發展取得了較大的發展成就。

　　近年來電工新技術的技術產品在機電一體化中不斷應用，機電一體化新技術越來越感受到各方面的關注，各個國家先進的機電一體化產品層出不窮。

　　隨著計算機技術、電子電力新技術和傳感器技術的發展，電工新技術在機電一體化應用中也被提出了一定要求，特別是在國內外廠家推出的自動控制新技術。

　　本文主要介紹幾項具有代表性的電工新技術(如可編程控制器、運動控制器、變頻器調速技術等)在機電一體化技術中改善、提高工作效率、節約能源、降低材料消耗、增強競爭力等方面的應用，以期使得電工新技術為更多人認識和關注。

　　一、電工新技術發展簡介

　　電工新技術通常是指尚未實現規模化應用的技術，其內涵在與時俱進地發展與變化，是電氣工程中最為活躍和最具生命力的發展方向，在創新中起著帶頭作用。

　　電工新技術的發展基礎是知識眾多領域出現的新理論、新原理、新材料、新技術、新工藝，多學科的交叉、結合、滲透與綜合的路徑。

　　二十世紀下半葉，帶動電工新技術發展的新理論與新原理包括：等離子體物理、氣體放電物理、電磁流體力學、生物電磁學。

　　發展起一系列新技術包括：受控核聚變電工、放電應用、磁流體發電與應用、新型電磁診斷與醫療設備等。

　　二十世紀下半葉，電氣工程用新材料(超導材料、永磁材料和半導體材料)的出現，形成歸哦產業與應用有著重大意義。

　　它們帶動了一系列新技術發展，包括：強磁場技術與應用、超導電力應用、電力電子電源與控制、太陽能光伏發電等。

　　二十一世紀，應充分重視生物工程技術、納米技術與網絡技術的帶動作用。

　　國家經濟與社會發展的實際需求是推動電工新技術發展的主要動力，主要需求來自：能源與電力交通運輸、工業與民用、科學實驗等。

　　新技術發展要與這些需求緊密結合，才能有效地快速前進，形成產業，產出顯著效益。

　　二、電工新技術在機電一體化中的主要應用

　　(1)自動控制系統(運動控制新技術)的應用。

　　自動控制系統是一個帶有反饋裝置的動態系統，是實現自動化的主要手段。

　　它能自動連續地測量被控制量，并根據測量求出偏差的大小，并能進行控制正負極限以最大限度的減小存在的偏差。

　　在機電一體化自動控制中為了更好地體現穩定性、快速性和準確性三個方面，早期主要引用的是常用控制器(如積分(1)控制器、比例(P)控制器、比例微分(PD)控制器、開與閉環控制器)。

　　隨著工業控制自動化技術正在向智能化、網絡化和集成化方向發展，現在對機電一體化產品定位精度和動態響應的要求越來越高。

　　在傳統的開環與閉環控制是伺服系統只接受速度指令，完成速度喚的控制，而由上位控制器來完成位置環的控制。

　　這樣上位控制器的難度大大增加了，伺服系統的推廣也受到了一定限制。

　　全閉環數字式伺服系統技術調試、使用十分簡單，而且能更體現自動控制的基本要求(穩定性、速度性、準確性)，充分發揮PID的控制能力，自動完成整個系統增益調節和實時調節，實現了更高精度要求。

　　另一方面，無需增加上位控制器的負擔，全閉環控制均由伺服驅動器來完成。

　　因此，機電一體化產品在其自動化設備的改造和研制中越來越傾向選這種伺服系統。

　　(2)可編程控制器與觸摸屏技術可編程控制器(簡稱PC或PLC)的應用。

　　20世紀60年代末一種新型工業控制裝置：可編程序控制器應運而生。

　　它將傳統的繼電器控制技術、計算機控制技術、通信技術融為一體。

　　它廣泛應用于各類生產機械和生產過程的自動控制中。

　　早期的可編程序控制器今具有邏輯控制、定時、記數等功能稱為可編程序邏輯控制器。

　　隨著電子技術和大規模集成電路的廣泛應用，PLC的功能日趨完善，性能不斷提高。

　　PLC已經發展為集計算機技術，自動控制技術、通信技術、過程控制技術于一身的電子裝置。

　　目前PLC正朝智能化、網絡化方向發展。

　　PLC作為一種新型的工業控制裝置。

　　用計算機編程軟件代替繼電控制的硬件接線，既發揮計算機優點，又考慮電器操作人員習慣，始終保持大眾化特點。

　　PLC具有：可靠性高、編程方便、對環境要求低、與其他裝置連接方便等優點。

　　PLC控制系統與繼電順序控制系統的比較：PLC控制系統大部分為軟件控制，系統結構緊湊、體積小;PLC控制器內部全部為“軟接點”，動作快，系統的控制功能改變一般需要修改程序;PLC控制系統的設計、施工、調試周期短PLC控制系統具有較強的自檢、監控功能，可靠性高，適用范圍廣。

　　尤其是隨著近代計算機技術和微機原理技術的發展，在機電一體化的自動控制中得到廣泛應用。

　　特別是可編程計算機控制器PCC與傳統的PLC相比較能更好的實現分時多任務操作系統和多樣化的應用軟件設計，不僅滿足了實時控制的要求還可以按照用戶的實際要求任意修改。

　　特別是近年來，觸摸屏的廣泛使用，與PLC來共同實現了多多任務操作系統的控制要求。

　　(3)運動控制卡的應用。

　　運動控制卡是一種基于PC機及工業PC機、 用于各種運動控制場合(包括位移、速度、加速度等)的上位控制單元。

　　它包括脈沖輸出、脈沖計數、數字輸入、數字輸出、D/A輸出等功能。

　　它變頻器的工作原理主要是：把工頻電源變換成各種頻率的交流電源，來實現電機的變速運行的設備。

　　以達到無極變速，從而縮短電機方向和轉速的時間，其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電逆變成交流電。

　　它可以發出連續的、高頻率的脈沖串，通過改變發出脈沖的頻率來控制電機的速度，改變發出脈沖的數量來控制電機的位置，用于控制步進(直線)電機或伺服電機。

　　所以變頻器因調速性能好、效率高、性能穩定、可靠性高等這些優點，使其在數控伺服、機械、同步傳動等多種場合都得到了廣泛的應用，因此，變速器調速技術已逐漸成為電氣傳動自動化的一項核心技術。

　　電工新技術的發展對國民經濟的發展和科學技術的進步都有著重大的意義。

　　人類各種技術也是持續協調發展的， 電工新技術的發展在未來機電一體化中能得到更廣泛的應用，對傳統工業引起革命性的變化。

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