機(jī)電一體化概論

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1、機(jī) 電 一 體 化 概 論 一 、 機(jī) 電 一 體 化 系 統(tǒng) 的 基 本 組 成 要 素 二 、 機(jī) 電 一 體 化 中 共 性 關(guān) 鍵 技 術(shù) 三 、 機(jī) 電 一 體 化 發(fā) 展 趨 勢(shì) 一 、 機(jī) 電 一 體 化 系 統(tǒng) 的 基 本 組 成 要 素 一 個(gè) 較 完 善 的 機(jī) 電 一 體 化 系 統(tǒng) ， 應(yīng) 包 含 以下 幾 個(gè) 基 本 要 素 ： 機(jī) 械 本 體 、 動(dòng) 力 與 驅(qū) 動(dòng) 部分 、 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 、 傳 感 測(cè) 試 部 分 、 控 制 及 信 息處 理 部 分 。 我 們 將 這 些 部 分 歸 納 為 ：結(jié) 構(gòu) 組 成 要 素 、 動(dòng) 力 組 成 要 素 、 運(yùn) 動(dòng)

2、組 成 要素 、 感 知 組 成 要 素 、 智 能 組 成 要 素 ； 這 些 組成 要 素 內(nèi) 部 及 其 之 間 ， 通 過 接 口 耦 合 、 運(yùn) 動(dòng)傳 遞 、 物 質(zhì) 流 動(dòng) 、 信 息 控 制 、 能 量 轉(zhuǎn) 換 有 機(jī)融 合 集 成 一 個(gè) 完 整 系 統(tǒng) 。 1 機(jī) 械 本 體 系 統(tǒng) 所 有 功 能 元 素 的 機(jī) 械 支 持 結(jié) 構(gòu) ，包 括 機(jī) 身 、 框 架 、 聯(lián) 接 等 。 由 于 機(jī) 電 一 體化 產(chǎn) 品 技 術(shù) 性 能 、 水 平 和 功 能 的 提 高 ， 機(jī)械 本 體 要 在 機(jī) 械 結(jié) 構(gòu) 、 材 料 、 加 工 工 藝 性以 及 幾 何 尺 寸 等 方

3、面 適 應(yīng) 產(chǎn) 品 高 效 、 多 功能 、 可 靠 和 節(jié) 能 、 小 型 、 輕 量 、 美 觀 等 要求 。 2 動(dòng) 力 部 分 按 照 系 統(tǒng) 控 制 要 求 ， 為 系 統(tǒng) 提 供 能 量 和 動(dòng) 力 使系 統(tǒng) 正 常 運(yùn) 行 。 用 盡 可 能 小 的 動(dòng) 力 輸 入 獲 得 盡 可 能大 的 功 能 輸 出 ， 是 機(jī) 電 一 體 化 產(chǎn) 品 的 顯 著 特 征 之 一 。 驅(qū) 動(dòng) 部 分 在 控 制 信 息 作 用 下 、 提 供 動(dòng) 力 、 驅(qū) 動(dòng)各 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 完 成 各 種 動(dòng) 作 和 功 能 。 機(jī) 電 一 體 化 系 統(tǒng)一 方 面 要 求 驅(qū) 動(dòng) 的 高 效 率

4、和 快 速 響 應(yīng) 特 性 ， 同 時(shí) 要求 對(duì) 水 、 油 、 溫 度 、 塵 埃 等 外 部 環(huán) 境 的 適 應(yīng) 性 和 可靠 性 。 由 于 幾 何 尺 寸 上 的 限 制 ， 動(dòng) 作 范 圍 狹 窄 ， 還需 考 慮 維 修 和 實(shí) 行 標(biāo) 準(zhǔn) 化 。 由 于 電 力 電 子 技 術(shù) 的 高度 發(fā) 展 ， 高 性 能 步 進(jìn) 驅(qū) 動(dòng) 、 直 流 和 交 流 伺 服 驅(qū) 動(dòng) 大應(yīng) 用 于 機(jī) 電 一 體 系 統(tǒng) 3 測(cè) 試 傳 感 部 分 對(duì) 系 統(tǒng) 運(yùn) 行 中 所 需 要 的 本 身 和 外界 環(huán) 境 的 各 種 參 數(shù) 及 狀 態(tài) 進(jìn) 行 檢 測(cè) ，變 成 可 識(shí) 別 信 號(hào) ， 傳

5、 輸 到 信 息 處 理單 元 ， 經(jīng) 過 分 析 、 處 理 后 產(chǎn) 生 相 應(yīng)的 控 制 信 息 。 其 功 能 一 般 由 專 門 的傳 感 器 和 儀 器 儀 表 完 成 。 4 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 根 據(jù) 控 制 信 息 和 指 令 ， 完 成 要 求 的動(dòng) 作 。 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 是 運(yùn) 動(dòng) 部 件 ， 一 般 采 用機(jī) 械 、 電 磁 、 電 液 等 機(jī) 構(gòu) 。 根 據(jù) 機(jī) 電 一體 化 系 統(tǒng) 的 匹 配 性 要 求 ， 需 要 考 慮 改 善性 能 ， 如 提 高 剛 性 ， 減 輕 重 量 ， 實(shí) 現(xiàn) 組件 化 、 標(biāo) 準(zhǔn) 化 和 系 列 化 ， 提 高 系 統(tǒng) 整 體可 靠

6、性 等 5 控 制 及 信 息 單 元 將 來 自 各 傳 感 器 的 檢 測(cè) 信 息 和 外 部 輸 入 命 令 進(jìn) 行 集 中 、儲(chǔ) 存 、 分 析 、 加 工 ， 根 據(jù) 信 息 處 理 結(jié) 果 ， 按 照 一 定 的程 序 和 節(jié) 奏 發(fā) 出 相 應(yīng) 的 指 令 控 制 整 個(gè) 系 統(tǒng) 有 目 的 地 運(yùn)行 。 一 般 由 計(jì) 算 機(jī) 、 可 編 程 控 制 器 (PLC)、 數(shù) 控 裝 置 以及 邏 輯 電 路 、 A D與 D A轉(zhuǎn) 換 、 I O(輸 入 輸 出 )接口 和 計(jì) 算 機(jī) 外 部 設(shè) 備 等 組 成 。 機(jī) 電 一 體 化 系 統(tǒng) 對(duì) 控 制和 信 息 處 理 單

7、元 的 基 本 要 求 是 ： 提 高 信 息 處 理 速 度 ，提 高 可 靠 性 ， 增 強(qiáng) 抗 干 擾 能 力 以 及 完 善 系 統(tǒng) 自 診 斷 功能 ， 實(shí) 現(xiàn) 信 息 處 理 智 能 化 和 小 型 、 輕 量 、 標(biāo) 準(zhǔn) 化 等 。 這 些 我 們 通 常 稱 為 機(jī) 電 一 體 化 的 五 大 組 成 要 素 。 在 系統(tǒng) 中 的 這 些 單 元 和 它 們 各 自 內(nèi) 部 各 環(huán) 節(jié) 之 間 都 遵 循 接口 耦 合 、 運(yùn) 動(dòng) 傳 遞 、 信 息 控 制 、 能 量 轉(zhuǎn) 換 的 原 則 ， 我們 稱 它 們 為 四 大 原 則 。 6 接 口 耦 合 、 能 量 轉(zhuǎn) 換 (

8、1)變 換 兩 個(gè) 需 要 進(jìn) 行 信 息 交 換 和 傳 輸 的 環(huán) 節(jié) 之 間 ，由 于 信 息 的 模 式 不 同 (數(shù) 字 量 與 模 擬 量 、 串 行 碼 與 并行 碼 、 連 續(xù) 脈 沖 與 序 列 脈 沖 等 等 )， 無 法 直 接 實(shí) 現(xiàn) 信息 或 能 量 的 交 流 ， 通 過 接 口 完 成 信 息 或 能 量 的 統(tǒng) 一 。 (2)放 大 在 兩 個(gè) 信 號(hào) 強(qiáng) 度 相 差 懸 殊 的 環(huán) 節(jié) 間 ， 經(jīng) 接口 放 大 ， 達(dá) 到 能 量 的 匹 配 。 (3)耦 合 變 換 和 放 大 后 的 信 號(hào) 在 環(huán) 節(jié) 間 能 可 靠 、 快速 、 準(zhǔn) 確 地 交 換 ，

9、 必 須 遵 循 一 致 的 時(shí) 序 、 信 號(hào) 格 式和 邏 輯 規(guī) 范 。 接 口 具 有 保 證 信 息 的 邏 輯 控 制 功 能 ，使 信 息 按 規(guī) 定 模 式 進(jìn) 行 傳 遞 。 (4)能 量 轉(zhuǎn) 換 還 包 含 了 執(zhí) 行 器 、 驅(qū) 動(dòng) 器 它 們 的 不 同 類型 能 量 的 最 優(yōu) 轉(zhuǎn) 換 方 法 與 原 理 。 7 信 息 控 制 在 系 統(tǒng) 中 ， 所 謂 智 能 組 成 要 素 的 系 統(tǒng)控 制 單 元 ， 在 軟 、 硬 件 的 保 證 下 ， 完 成數(shù) 據(jù) 采 集 、 分 析 、 判 斷 、 決 策 ， 以 達(dá) 到信 息 控 制 的 目 的 。 對(duì) 于 智 能

10、化 程 度 高 的系 統(tǒng) ， 還 包 含 了 知 識(shí) 獲 取 、 推 理 機(jī) 制 及知 識(shí) 自 學(xué) 習(xí) 等 以 知 識(shí) 驅(qū) 動(dòng) 為 主 的 信 息 控制 8 運(yùn) 動(dòng) 傳 遞 運(yùn) 動(dòng) 傳 遞 是 指 各 組 成 要 素 之 間 不 同 類 型運(yùn) 動(dòng) 的 變 換 與 傳 輸 之 間 以 及 以 運(yùn) 動(dòng) 控 制為 目 的 優(yōu) 化 。 由 于 采 用 四 大 原 則 使 各 組成 要 素 聯(lián) 接 成 為 一 個(gè) 有 機(jī) 整 體 ， 由 于 控制 和 信 息 處 理 單 元 的 預(yù) 期 信 息 導(dǎo) 引 ， 使各 功 能 環(huán) 節(jié) 有 目 的 地 協(xié) 調(diào) 一 致 運(yùn) 動(dòng) ， 從而 形 成 機(jī) 電 一 體 化

11、 系 統(tǒng) 工 程 。 二 、 機(jī) 電 一 體 化 中 共 性 關(guān) 鍵 技 術(shù) 機(jī) 電 一 體 化 是 系 統(tǒng) 技 術(shù) 、 計(jì) 算 機(jī)與 信 息 處 理 技 術(shù) 、 自 動(dòng) 控 制 技 術(shù) 、檢 測(cè) 傳 感 技 術(shù) 、 伺 服 傳 動(dòng) 技 術(shù) 和機(jī) 械 技 術(shù) 等 多 學(xué) 科 技 術(shù) 領(lǐng) 域 綜 合交 叉 的 技 術(shù) 密 集 型 系 統(tǒng) 工 程 。 1 機(jī) 械 技 術(shù) 機(jī) 械 技 術(shù) 是 機(jī) 電 一 體 化 的 基 礎(chǔ) 。 隨 著 高 新 技 術(shù) 引 入 機(jī) 械 行 業(yè) ， 機(jī)械 技 術(shù) 面 臨 著 挑 戰(zhàn) 和 變 革 。 在 機(jī) 電 一 體 化 產(chǎn) 品 中 ， 它 不 再 是 單 一地 完 成

12、 系 統(tǒng) 間 的 連 接 ， 在 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 、 重 量 、 體 積 、 剛 性 與 耐 用 性方 面 對(duì) 機(jī) 電 一 體 化 有 著 重 要 的 影 響 。 機(jī) 械 技 術(shù) 的 著 眼 點(diǎn) 在 于 如 何與 機(jī) 電 一 體 化 的 技 術(shù) 相 適 應(yīng) ， 利 用 其 他 高 、 新 技 術(shù) 來 更 新 概 念 ，實(shí) 現(xiàn) 結(jié) 構(gòu) 上 、 材 料 上 、 性 能 上 以 及 功 能 上 的 變 更 ， 滿 足 減 少 重 量 、縮 小 體 積 、 提 高 精 度 、 提 高 剛 度 、 改 善 性 能 增 加 功 能 的 要 求 。 在 制 造 過 程 的 機(jī) 電 一 體 化 系 統(tǒng) 中 ，

13、 經(jīng) 典 的 機(jī) 械 理 論 與 工 藝 應(yīng) 借助 于 計(jì) 算 機(jī) 輔 助 技 術(shù) ， 同 時(shí) 采 用 人 工 智 能 與 專 家 系 統(tǒng) 等 ， 形 成 新一 代 的 機(jī) 械 制 造 技 術(shù) 。 這 里 原 有 的 機(jī) 械 技 術(shù) 以 知 識(shí) 和 技 能 的 形 式存 在 。 如 計(jì) 算 機(jī) 輔 助 工 藝 規(guī) 格 編 制 (CAPP)是 目 前 CAD CAM系統(tǒng) 研 究 的 瓶 頸 ， 其 關(guān) 鍵 問 題 在 于 如 何 將 各 行 業(yè) 、 企 業(yè) 、 技 術(shù) 人 員中 的 標(biāo) 準(zhǔn) 、 習(xí) 慣 和 經(jīng) 驗(yàn) 進(jìn) 行 表 達(dá) 和 陳 述 ， 從 而 實(shí) 現(xiàn) 計(jì) 算 機(jī) 的 自 動(dòng)工 藝 設(shè)

14、計(jì) 與 管 理 。 2 計(jì) 算 機(jī) 與 信 息 處 理 技 術(shù) 信 息 處 理 技 術(shù) 包 括 信 息 的 交 換 、 存 取 、 運(yùn) 算 、判 斷 和 決 策 ， 實(shí) 現(xiàn) 信 息 處 理 的 工 具 是 計(jì) 算 機(jī) ，因 此 計(jì) 算 機(jī) 技 術(shù) 與 信 息 處 理 技 術(shù) 是 密 切 相 關(guān)的 。 計(jì) 算 機(jī) 技 術(shù) 包 括 計(jì) 算 機(jī) 的 軟 件 技 術(shù) 和 硬件 技 術(shù) ， 網(wǎng) 絡(luò) 與 通 信 技 術(shù) ， 數(shù) 據(jù) 技 術(shù) 等 。 在 機(jī) 電 一 體 化 系 統(tǒng) 中 ， 計(jì) 算 機(jī) 信 息 處 理 部分 指 揮 整 個(gè) 系 統(tǒng) 的 運(yùn) 行 。 信 息 處 理 是 否 正 確 、及 時(shí) ，

15、直 接 影 響 到 系 統(tǒng) 工 作 的 質(zhì) 量 和 效 率 。因 此 計(jì) 算 機(jī) 應(yīng) 用 及 信 息 處 理 技 術(shù) 已 成 為 促 進(jìn)機(jī) 電 一 體 化 技 術(shù) 發(fā) 展 和 變 革 的 最 活 躍 的 因 素 。 人 工 智 能 技 術(shù) 、 專 家 系 統(tǒng) 技 術(shù) 、 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò)技 術(shù) 等 都 屬 于 計(jì) 算 機(jī) 信 息 處 理 技 術(shù) 。 3 系 統(tǒng) 技 術(shù) 系 統(tǒng) 技 術(shù) 就 是 以 整 體 的 概 念 組 織 應(yīng) 用 各 種 相 關(guān) 技 術(shù) ，從 全 局 角 度 和 系 統(tǒng) 目 標(biāo) 出 發(fā) ， 將 總 體 分 解 成 相 互 有 機(jī)聯(lián) 系 的 若 干 功 能 單 元 ， 以 功 能

16、 單 元 為 子 系 統(tǒng) 進(jìn) 行 二 次分 解 ， 生 成 功 能 更 為 單 一 和 具 體 的 子 功 能 單 元 。 這 些子 功 能 單 元 同 樣 可 繼 續(xù) 逐 層 分 解 ， 直 到 能 夠 找 出 一 個(gè)可 實(shí) 現(xiàn) 的 技 術(shù) 方 案 。 深 入 了 解 系 統(tǒng) 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu) 和 相 互 關(guān)系 ， 把 握 系 統(tǒng) 外 部 聯(lián) 系 ， 對(duì) 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 和 產(chǎn) 品 開 發(fā) 十 分重 要 。 接 口 技 術(shù) 是 系 統(tǒng) 技 術(shù) 中 一 個(gè) 重 要 方 面 ， 它 是 實(shí) 現(xiàn) 系統(tǒng) 各 部 分 有 機(jī) 連 接 的 保 證 。 接 口 包 括 電 氣 接 口 、 機(jī) 械接 口 、

17、人 機(jī) 接 口 。 電 氣 接 口 實(shí) 現(xiàn) 系 統(tǒng) 間 電 信 號(hào) 連 接 ；機(jī) 械 接 口 則 完 成 機(jī) 械 與 機(jī) 械 部 分 、 機(jī) 械 與 電 氣 裝 置 部分 的 連 接 ； 人 機(jī) 接 口 提 供 了 人 與 系 統(tǒng) 間 的 交 互 界 面 。 4 自 動(dòng) 控 制 技 術(shù) 自 動(dòng) 控 制 技 術(shù) 范 圍 很 廣 ， 主 要 包 括 ： 基 本控 制 理 論 ， 在 此 理 論 指 導(dǎo) 下 ， 對(duì) 具 體 控 制 裝 置或 控 制 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) ； 設(shè) 計(jì) 后 的 系 統(tǒng) 仿 真 ， 現(xiàn) 場(chǎng)調(diào) 試 ； 最 后 使 研 制 的 系 統(tǒng) 可 靠 地 投 入 運(yùn) 行 。 由于 控

18、制 對(duì) 象 種 類 繁 多 ， 所 以 控 制 技 術(shù) 的 內(nèi) 容 極其 豐 富 ， 例 如 高 精 度 定 位 控 制 、 速 度 控 制 、 自適 應(yīng) 控 制 、 自 診 斷 、 校 正 、 補(bǔ) 償 、 再 現(xiàn) 、 檢 索等 。 隨 著 微 型 機(jī) 的 廣 泛 應(yīng) 用 ， 自 動(dòng) 控 制 技 術(shù) 越來 越 多 地 與 計(jì) 算 機(jī) 控 制 技 術(shù) 聯(lián) 系 在 一 起 ， 成 為機(jī) 電 一 體 化 中 十 分 重 要 的 關(guān) 鍵 技 術(shù) 。 5 傳 感 與 檢 測(cè) 技 術(shù) 傳 感 與 檢 測(cè) 裝 置 是 系 統(tǒng) 的 感 受 器 官 ， 它 與 信 息 系 統(tǒng) 的 輸入 端 相 聯(lián) 并 將 檢

19、測(cè) 到 的 信 息 輸 送 到 信 息 處 理 部 分 。 傳 感與 檢 測(cè) 是 實(shí) 現(xiàn) 自 動(dòng) 控 制 、 自 動(dòng) 調(diào) 節(jié) 的 關(guān) 鍵 環(huán) 節(jié) ， 它 的 功能 越 強(qiáng) ， 系 統(tǒng) 的 自 動(dòng) 化 程 度 就 越 高 。 傳 感 與 檢 測(cè) 的 關(guān) 鍵元 件 是 傳 感 器 。 傳 感 器 是 將 被 測(cè) 量 (包 括 各 種 物 理 量 、化 學(xué) 量 和 生 物 量 等 )變 換 成 系 統(tǒng) 可 識(shí) 別 的 ， 與 被 測(cè) 量 有確 定 對(duì) 應(yīng) 關(guān) 系 的 有 用 電 信 號(hào) 的 一 種 裝 置 。 現(xiàn) 代 工 程 技 術(shù) 要 求 傳 感 器 能 快 速 、 精 確 地 獲 取 信 息 ，

20、并 能 經(jīng) 受 各 種 嚴(yán) 酷 環(huán) 境 的 考 驗(yàn) 。 與 計(jì) 算 機(jī) 技 術(shù) 相 比 ， 傳感 器 的 發(fā) 展 顯 得 緩 慢 ， 難 以 滿 足 技 術(shù) 發(fā) 展 的 要 求 。 不 少機(jī) 電 一 體 化 裝 置 不 能 達(dá) 到 滿 意 的 效 果 或 無 法 實(shí) 現(xiàn) 設(shè) 計(jì) 的關(guān) 鍵 原 因 在 于 沒 有 合 適 的 傳 感 器 。 因 此 大 力 開 展 傳 感 器的 研 究 對(duì) 于 機(jī) 電 一 體 化 技 術(shù) 的 發(fā) 展 具 有 十 分 重 要 的 意 義 。 6 伺 服 傳 動(dòng) 技 術(shù) 伺 服 傳 動(dòng) 包 括 電 動(dòng) 、 氣 動(dòng) 、 液 壓 等 各 種 類 型 的 傳 動(dòng) 裝置 ，

21、 由 微 型 計(jì) 算 機(jī) 通 過 接 口 與 這 些 傳 動(dòng) 裝 置 相 連 接 ，控 制 它 們 的 運(yùn) 動(dòng) ， 帶 動(dòng) 工 作 機(jī) 械 作 回 轉(zhuǎn) 、 直 線 以 及 其他 各 種 復(fù) 雜 的 運(yùn) 動(dòng) 。 伺 服 傳 動(dòng) 技 術(shù) 是 直 接 執(zhí) 行 操 作 的技 術(shù) ， 伺 服 系 統(tǒng) 是 實(shí) 現(xiàn) 電 信 號(hào) 到 機(jī) 械 動(dòng) 作 的 轉(zhuǎn) 換 裝 置或 部 件 ， 對(duì) 系 統(tǒng) 的 動(dòng) 態(tài) 性 能 、 控 制 質(zhì) 量 和 功 能 具 有 決定 性 的 影 響 。 常 見 的 伺 服 驅(qū) 動(dòng) 有 電 液 馬 達(dá) 、 脈 沖 油 缸 、步 進(jìn) 電 機(jī) 、 直 流 伺 服 電 機(jī) 和 交 流 伺 服

22、 電 機(jī) 等 。 由 于 變頻 技 術(shù) 的 進(jìn) 步 ， 交 流 伺 服 驅(qū) 動(dòng) 技 術(shù) 取 得 突 破 性 進(jìn) 展 ，為 機(jī) 電 一 體 化 系 統(tǒng) 提 供 高 質(zhì) 量 的 伺 服 驅(qū) 動(dòng) 單 元 ， 極 大地 促 進(jìn) 了 機(jī) 電 一 體 化 技 術(shù) 的 發(fā) 展 。 三 、 機(jī) 電 一 體 化 發(fā) 展 趨 勢(shì) 隨 著 科 技 的 發(fā) 展 和 社 會(huì) 經(jīng) 濟(jì) 的 進(jìn) 步 ， 對(duì) 制造 工 程 中 的 機(jī) 電 一 體 化 技 術(shù) 提 出 了 許 多 新的 和 更 高 的 要 求 ， 制 造 工 程 中 出 現(xiàn) 了 新 的概 念 。 毫 無 疑 問 ， 機(jī) 械 制 造 自 動(dòng) 化 中 的 數(shù)控 技

23、術(shù) ， CNC、 FMS、 CIMS及 機(jī) 器 人 等都 會(huì) 一 致 被 認(rèn) 為 是 典 型 的 機(jī) 電 一 體 化 技 術(shù) 、產(chǎn) 品 及 系 統(tǒng) 。 為 了 提 高 機(jī) 電 產(chǎn) 品 的 性 能 質(zhì) 量 、 發(fā) 展 高 新 技 術(shù) ， 現(xiàn) 在 有越 來 越 多 的 零 件 要 求 制 造 精 度 越 來 越 高 ， 形 狀 也 越 來 越復(fù) 雜 ， 如 高 精 度 軸 承 的 滾 動(dòng) 體 圓 度 要 求 小 于 0.5m； 液浮 陀 螺 球 面 的 球 度 要 求 為 0 2 0 5m； 激 光 打 印 機(jī)的 平 面 反 射 鏡 和 錄 像 機(jī) 磁 頭 的 平 面 度 要 求 為 0 04m，

24、粗 糙 度 為 0.02m。 為 了 提 高 效 率 、 減 少 阻 力 和 降 低 噪 聲 ，或 既 要 精 密 傳 遞 運(yùn) 動(dòng) 又 要 密 封 壓 縮 做 功 ， 螺 桿 壓 縮 機(jī) 包絡(luò) 成 型 螺 旋 曲 面 、 管 平 膨 脹 機(jī) 的 葉 輪 葉 片 、 飛 機(jī) 螺 旋 槳 、潛 水 艇 的 推 進(jìn) 器 等 都 具 有 極 其 復(fù) 雜 的 空 間 曲 面 ； 現(xiàn) 代 汽車 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 的 活 塞 也 不 是 圓 柱 形 而 是 要 求 具 有 橢 圓 鼓 形 的 ；為 提 高 強(qiáng) 度 和 使 用 壽 命 ， 機(jī) 械 軸 也 不 再 是 圓 柱 形 而 是 由幾 段 圓 弧 組 成 菱

25、 柱 體 ； 衛(wèi) 星 天 線 中 饋 源 要 求 有 方 與 圓光 滑 地 過 渡 實(shí) 體 ； 而 各 類 特 殊 刀 具 與 模 具 ， 其 型 面 也 極其 復(fù) 雜 。 所 有 這 些 ， 要 求 CNC機(jī) 床 具 有 高 性 能 、 高 精 度和 穩(wěn) 定 加 工 復(fù) 雜 形 狀 零 件 表 面 的 能 力 。 因 而 新 一 代 的CNC系 統(tǒng) 這 類 典 型 機(jī) 電 一 體 化 產(chǎn) 品 正 朝 著 高 性 能 、 智 能化 、 系 統(tǒng) 化 以 及 輕 量 、 微 型 化 方 向 發(fā) 展 。 1 機(jī) 電 一 體 化 的 高 性 能 化 高 性 能 化 一 般 包 含 高 速 化 、 高

26、精 度 、 高 效 率 和高 可 靠 性 。 新 一 代 CNC系 統(tǒng) 就 是 以 此 ” 四 高 ”為 滿 足 生 產(chǎn) 急 需 而 誕 生 的 。 它 采 用 32位 多 CPU結(jié) 構(gòu) ， 以 多 總 線 連 接 ， 以 32位 幅 度 進(jìn) 行 高 速 數(shù)據(jù) 傳 遞 。 因 而 ， 在 相 當(dāng) 高 的 分 辨 率 (0.1m)情 況下 ， 系 統(tǒng) 仍 有 高 速 度 (100m min)， 可 控 及 聯(lián)動(dòng) 坐 標(biāo) 達(dá) 16軸 ， 并 且 有 豐 富 的 圖 形 功 能 和 自 動(dòng)程 序 設(shè) 計(jì) 功 能 。 為 獲 取 高 效 率 ， 減 少 各 輔 助 時(shí)間 這 是 一 方 面 ， 而 實(shí)

27、 現(xiàn) 高 速 化 的 關(guān) 鍵 是 CNC、主 軸 轉(zhuǎn) 速 進(jìn) 給 率 、 刀 具 交 換 ， 托 板 交 換 等 各 關(guān)鍵 部 分 實(shí) 現(xiàn) 高 速 化 。 首 先 ， CNC的 高 速 化 在 于 不 僅 采 用 了 高 性 能 32位 CPU，而 且 所 采 用 的 是 精 簡(jiǎn) 指 令 集 (RISC)機(jī) 。 在 RISC機(jī) 中 ，50 80MIPS(1MIPS=100萬 指 令 s)被 認(rèn) 為 是 普 遍 的 ，有 的 系 統(tǒng) 甚 至 采 用 了 180MIPS機(jī) ， 這 對(duì) 于 高 速 數(shù) 據(jù)處 理 起 著 重 要 作 用 。 為 了 提 高 速 度 ， 采 用 實(shí) 時(shí) 多 任務(wù) 操 作

28、 系 統(tǒng) ， 進(jìn) 行 并 行 處 理 ， 使 運(yùn) 算 能 力 進(jìn) 一 步 加強(qiáng) 。 設(shè) 置 多 重 緩 沖 器 ， 保 證 連 續(xù) 微 小 加 工 段 的 高 速加 工 。 快 速 插 補(bǔ) 運(yùn) 算 ， 對(duì) 于 復(fù) 雜 輪 廓 ， 將 加 工 形 狀用 微 小 線 段 來 逼 近 是 通 用 方 法 。 在 高 性 能 數(shù) 控 系 統(tǒng)中 ， 除 了 具 有 直 線 、 圓 弧 、 螺 旋 線 插 補(bǔ) 等 一 般 功 能外 ， 還 配 置 有 特 殊 函 數(shù) 插 補(bǔ) 運(yùn) 算 ， 如 樣 條 函 數(shù) 插 補(bǔ)等 。 微 位 置 段 命 令 用 樣 條 函 數(shù) 來 逼 近 ， 保 證 了 位 置 、速

29、度 、 加 速 度 都 具 有 良 好 的 性 能 ， 并 設(shè) 置 專 門 函 數(shù)發(fā) 生 器 、 坐 標(biāo) 運(yùn) 算 器 進(jìn) 行 并 行 插 補(bǔ) 運(yùn) 算 、 超 高 速 通信 技 術(shù) 、 全 數(shù) 字 伺 服 控 制 技 術(shù) 是 高 速 化 的 一 個(gè) 重 要方 面 。 在 數(shù) 字 伺 服 控 制 中 使 用 了 超 高 速 數(shù) 字 信 號(hào) 處 理 器(DSP)， 并 應(yīng) 用 了 現(xiàn) 代 控 制 理 論 的 各 種 算 法 ， 如魯 棒 控 制 、 前 饋 控 制 和 特 定 方 式 下 的 加 、 減 速 控制 等 控 制 策 略 以 及 非 線 性 補(bǔ) 償 技 術(shù) ， 可 在 系 統(tǒng) 中進(jìn) 行

30、在 線 控 制 。 它 可 以 進(jìn) 行 非 線 性 補(bǔ) 償 ， 靜 、 動(dòng)態(tài) 慣 性 補(bǔ) 償 值 的 自 動(dòng) 設(shè) 定 和 更 新 等 。 在 給 定 精 度要 求 下 ， 可 使 響 應(yīng) 速 度 大 幅 度 提 高 。 前 饋 控 制 可使 位 置 跟 蹤 誤 差 消 除 ， 同 時(shí) 使 系 統(tǒng) 位 置 控 制 達(dá) 到高 速 響 應(yīng) 。 加 、 減 控 制 能 使 高 速 下 準(zhǔn) 確 定 位 。 高分 辨 率 、 高 速 響 應(yīng) 的 絕 對(duì) 位 置 傳 感 器 是 實(shí) 現(xiàn) 高 精度 的 檢 測(cè) 部 件 。 采 用 這 種 傳 感 器 并 通 過 專 用 微 處理 器 的 細(xì) 分 處 理 ， 可

31、 達(dá) 極 高 的 分 辨 率 (163 840 point rov)。 采 用 交 流 數(shù) 字 伺 服 驅(qū) 動(dòng) 系 統(tǒng) ， 其 位置 、 速 度 及 電 流 環(huán) 都 實(shí) 現(xiàn) 了 數(shù) 字 化 ， 實(shí) 現(xiàn) 了 幾 乎不 受 機(jī) 械 載 荷 變 動(dòng) 影 響 的 高 速 響 應(yīng) 伺 服 系 統(tǒng) 和 主軸 控 制 裝 置 。 與 此 同 時(shí) ， 還 出 現(xiàn) 了 所 謂 高 速 響 應(yīng) 內(nèi) 裝 式 主 軸電 機(jī) ， 把 電 機(jī) 作 為 一 體 裝 入 主 軸 之 中 ， 實(shí) 現(xiàn) 了機(jī) 電 融 合 一 體 。 這 樣 就 使 得 系 統(tǒng) 的 高 速 性 、 高精 度 性 極 佳 。 如 法 國(guó) IBAG公

32、司 等 的 磁 浮 軸 承的 高 速 主 軸 最 高 轉(zhuǎn) 速 可 達(dá) 150000 r min， 一般 轉(zhuǎn) 速 為 7000 25000r min； 加 工 中 心 換 刀速 度 快 達(dá) 1 5s； 切 削 速 度 方 面 ， 目 前 硬 質(zhì) 合金 刀 具 和 超 硬 材 料 涂 層 刀 具 車 削 和 銑 削 低 碳 鋼的 速 度 達(dá) 500m min以 上 ， 而 陶 瓷 刀 具 可 達(dá)800 1 000m min， 比 高 速 鋼 刀 具 30 40mmin的 速 度 提 高 數(shù) 十 倍 。 精 車 速 度 甚 至 可 達(dá) 1 400m min。 高 分 辨 率 、 高 速 響 應(yīng) 、

33、高 可 靠 的零 部 件 ， 使 產(chǎn) 品 性 能 不 斷 提 高 。 至 于 系 統(tǒng) 可 靠 性 方 面 采 用 了 冗 余 ， 故 障 診 斷 ，自 動(dòng) 檢 錯(cuò) ， 糾 錯(cuò) ， 系 統(tǒng) 自 動(dòng) 恢 復(fù) ， 軟 、 硬 件 可靠 性 等 技 術(shù) 予 以 保 證 ， 使 得 這 種 典 型 的 機(jī) 電 一體 化 產(chǎn) 品 具 有 高 性 能 ， 即 高 速 、 高 效 、 高 精 度和 高 可 靠 性 。 它 代 表 了 機(jī) 電 一 體 化 高 性 能 的 發(fā)展 趨 勢(shì) 。 而 對(duì) 于 普 及 經(jīng) 濟(jì) 型 以 及 升 級(jí) 換 代 提 高型 的 機(jī) 電 一 體 化 產(chǎn) 品 ， 組 成 它 們 的 命

34、 令 發(fā) 生 器 、控 制 器 、 驅(qū) 動(dòng) 器 、 執(zhí) 行 器 以 及 檢 測(cè) 傳 感 器 等 各個(gè) 部 分 都 在 不 斷 采 用 高 速 、 高 精 度 、 2 機(jī) 電 一 體 化 的 智 能 化 趨 勢(shì) 人 工 智 能 在 機(jī) 電 一 體 化 技 術(shù) 中 的 研 究 日 益 得 到重 視 ， 機(jī) 器 人 與 數(shù) 控 機(jī) 床 的 智 能 化 就 是 重 要 應(yīng)用 。 智 能 機(jī) 器 人 通 過 視 覺 、 觸 覺 和 聽 覺 等 各 類傳 感 器 檢 測(cè) 工 作 狀 態(tài) ， 根 據(jù) 實(shí) 際 變 化 過 程 反 饋信 息 并 做 出 判 斷 與 決 定 。 數(shù) 控 機(jī) 床 的 智 能 化 現(xiàn)

35、在 各 類 傳 感 器 對(duì) 切 削 加 工 前 后 和 加 工 過 程 中 的各 種 參 數(shù) 進(jìn) 行 監(jiān) 測(cè) ， 并 通 過 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 作 出 判斷 ， 自 動(dòng) 對(duì) 異 常 現(xiàn) 象 進(jìn) 行 調(diào) 整 與 補(bǔ) 償 ， 以 保 證加 工 過 程 的 順 利 進(jìn) 行 ， 并 保 證 加 工 出 合 格 產(chǎn) 品 。 目 前 ， 國(guó) 外 數(shù) 控 加 工 中 心 多 具 有 以 下 智 能 化 功能 ： 對(duì) 刀 具 長(zhǎng) 度 、 直 徑 補(bǔ) 償 和 刀 具 破 損 監(jiān) 測(cè) ；切 削 過 程 的 監(jiān) 測(cè) ； 工 件 自 動(dòng) 檢 測(cè) 與 補(bǔ) 償 。 隨 著制 造 自 動(dòng) 化 程 度 的 提 高 ， 信

36、息 量 與 柔 性 也 同 樣提 高 ， 出 現(xiàn) 智 能 制 造 系 統(tǒng) (IMS)控 制 器 來 模 擬人 類 專 家 的 智 能 制 造 活 動(dòng) ， 對(duì) 制 造 中 的 問 題 進(jìn)行 分 析 、 判 斷 、 推 理 、 構(gòu) 思 和 決 策 ， 其 目 的 在于 取 代 或 延 伸 制 造 工 程 中 人 的 部 分 腦 力 勞 動(dòng) ，并 對(duì) 人 類 專 家 的 制 造 智 能 進(jìn) 行 收 集 、 存 儲(chǔ) 、 完善 、 共 享 、 繼 承 和 發(fā) 展 。 (1)診 斷 過 程 的 智 能 化 診 斷 功 能 的 強(qiáng) 弱 是 評(píng) 價(jià) 一 個(gè) 系 統(tǒng) 性 能 的重 要 智 能 指 標(biāo) 之 一 。

37、 INC引 入 了 人 工 智 能的 故 障 診 斷 系 統(tǒng) ， 采 用 了 各 種 推 理 機(jī) 制 ，能 準(zhǔn) 確 判 斷 故 障 所 在 ， 并 具 有 自 動(dòng) 檢 錯(cuò) 、糾 錯(cuò) 與 系 統(tǒng) 恢 復(fù) 功 能 ， 從 而 大 大 提 高 了系 統(tǒng) 的 有 效 度 。 (2)人 一 機(jī) 接 口 的 智 能 化 智 能 化 的 人 一 機(jī) 接 口 ， 可 以 大 大 簡(jiǎn) 化 操作 過 程 ， 這 里 包 含 多 媒 體 技 術(shù) 在 人 能 化中 的 有 效 應(yīng) 用 。 (3)自 動(dòng) 編 程 的 智 能 化 操 作 者 只 需 輸 入 加 工 工 件 素 材 的 形 狀 和需 加 工 形 狀 的 數(shù)

38、 據(jù) ， 加 工 程 序 就 可 全 部自 動(dòng) 生 成 ， 這 里 包 含 ： 素 材 形 狀 和 加工 形 狀 的 圖 形 顯 示 ； 自 動(dòng) 工 序 的 確 定 ； 使 用 刀 具 、 切 削 條 件 的 自 動(dòng) 確 定 ； 刀 具 使 用 順 序 的 變 更 ； 任 意 路 徑 的 編輯 ； 加 工 過 程 干 涉 校 驗(yàn) 等 。 (4)加 工 過 程 的 智 能 化 通 過 智 能 工 藝 數(shù) 據(jù) 庫 的 建 立 ， 系 統(tǒng) 根 據(jù)加 工 條 件 的 變 更 ， 自 動(dòng) 設(shè) 定 加 工 參 數(shù) 。同 時(shí) ， 將 機(jī) 床 制 造 時(shí) 的 各 種 誤 差 預(yù) 先 存入 系 統(tǒng) 中 ， 利

39、用 反 饋 補(bǔ) 償 技 術(shù) 對(duì) 靜 態(tài) 誤差 進(jìn) 行 補(bǔ) 償 。 還 能 對(duì) 加 工 過 程 中 的 各 種動(dòng) 態(tài) 數(shù) 據(jù) 進(jìn) 行 采 集 ， 并 通 過 專 家 系 統(tǒng) 分析 進(jìn) 行 實(shí) 時(shí) 補(bǔ) 償 或 在 線 控 制 。 此 外 ， 現(xiàn)代 CNC系 統(tǒng) 大 都 具 有 學(xué) 習(xí) 與 示 教 功 能 。 3 機(jī) 電 一 體 化 的 系 統(tǒng) 化 發(fā) 展 趨 勢(shì) 系 統(tǒng) 化 的 表 現(xiàn) 特 征 之 一 是 系 統(tǒng) 體 系 結(jié) 構(gòu) 進(jìn) 一 步采 用 開 放 式 和 模 式 化 的 總 線 結(jié) 構(gòu) 。 系 統(tǒng) 可 以 靈活 組 態(tài) ， 進(jìn) 行 任 意 剪 裁 和 組 合 ， 同 時(shí) 尋 求 實(shí) 現(xiàn)多

40、坐 標(biāo) 多 系 列 控 制 功 能 的 NC系 統(tǒng) 。 表 現(xiàn) 特 征之 二 是 通 信 功 能 的 大 大 加 強(qiáng) ， 一 般 除 RS232外 ， 還 有 RS422以 及 DNC等 多 種 功 能 。 同 時(shí) ，考 慮 通 信 聯(lián) 網(wǎng) 需 要 ， 建 立 通 信 局 部 網(wǎng) 絡(luò) (LAN)，正 在 成 為 標(biāo) 準(zhǔn) 化 LAN的 制 造 自 動(dòng) 化 協(xié) 議 (MAP)已 開 始 進(jìn) 入 NC系 統(tǒng) ， 從 而 可 實(shí) 現(xiàn) 異 型 機(jī) 異 網(wǎng)互 聯(lián) 及 資 源 共 享 。 4 機(jī) 電 一 體 化 的 輕 量 化及 微 型 化 發(fā) 展 趨 勢(shì) 一 般 機(jī) 電 一 體 化 產(chǎn) 品 ， 除 了 機(jī)

41、 械 主 體 部 分 ， 其他 部 分 均 涉 及 電 子 技 術(shù) ， 隨 著 片 式 元 器 件(SMD)的 發(fā) 展 ， 表 面 組 裝 技 術(shù) (SMT)正 在 逐 漸取 代 傳 統(tǒng) 的 通 孔 插 裝 技 術(shù) (THT)成 為 電 子 組 裝的 重 要 手 段 ， 電 子 設(shè) 備 正 朝 著 小 型 化 、 輕 量 化 、多 功 能 、 高 可 靠 方 向 發(fā) 展 。 80年 代 以 來 ， 國(guó) 外SMT發(fā) 展 異 常 迅 速 ， 1993年 電 子 設(shè) 備 平 均 60以 上 采 用 SMT， 同 年 世 界 電 子 元 件 片 式 化 率 達(dá)到 45 以 上 。 因 此 ， 機(jī) 電

42、一 體 化 中 具 有 智 能 、動(dòng) 力 、 運(yùn) 動(dòng) 、 感 知 特 征 的 組 成 部 分 將 逐 漸 向 輕量 化 、 小 型 化 方 向 發(fā) 展 。 此 外 ， 80年 代 末 期 ， 微 型 機(jī) 械 電 子 學(xué) 及 其 相 應(yīng)的 結(jié) 構(gòu) 、 裝 置 和 系 統(tǒng) 的 開 發(fā) 研 究 取 得 了 綜 合 成果 ， 科 學(xué) 家 利 用 集 成 電 路 的 微 細(xì) 加 工 技 術(shù) ， 實(shí)現(xiàn) 了 將 機(jī) 構(gòu) 及 其 驅(qū) 動(dòng) 器 、 傳 感 器 、 控 制 器 及 電源 集 成 在 一 個(gè) 很 小 的 多 晶 硅 上 ， 因 而 獲 得 了 完備 的 微 型 電 子 機(jī) 械 系 統(tǒng) (Micro Electro Mechanical System， MEMS)。 整 個(gè) 尺 寸 縮 小 到幾 個(gè) 毫 米 甚 至 幾 百 微 米 。 這 是 機(jī) 電 一 體 化 一 個(gè)微 型 化 的 研 究 領(lǐng) 域 。 科 學(xué) 家 預(yù) 言 ， 到 21世 紀(jì) 初期 ， 這 種 微 型 機(jī) 電 一 體 化 系 統(tǒng) 將 在 工 業(yè) 、 農(nóng) 業(yè) 、航 天 、 軍 事 、 生 物 醫(yī) 學(xué) 、 航 海 及 家 庭 服 務(wù) 等 各個(gè) 領(lǐng) 域 廣 泛 應(yīng) 用 ， 它 的 發(fā) 展 將 使 現(xiàn) 行 的 某 些 產(chǎn)業(yè) 或 領(lǐng) 域 發(fā) 生 深 刻 的 技 術(shù) 革 命 。