机电一体化技术和应用研究

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机电一体化技术和应用研究【1】

【摘要】讨论了机电一体化技术对于改变整个机械制造业面貌所起的重要作用，并说明其在钢铁工业中的应用以及发展趋势。

【关键词】机电一体化;技术;应用

1.机电一体化技术发展

机电一体化是机械、微电子、控制、计算机、信息处理等多学科的交叉融合，其发展和进步有赖于相关技术的进步与发展，其主要发展方向有数字化、智能化、模块化、网络化、人性化、微型化、集成化、带源化和绿色化。

1.1 数字化

微控制器及其发展奠定了机电产品数字化的基础，如不断发展的数控机床和机器人;而计算机网络的迅速崛起，为数字化设计与制造铺平了道路，如虚拟设计、计算机集成制造等。

数字化要求机电一体化产品的软件具有高可靠性、易操作性、可维护性、自诊断能力以及友好人机界面。

数字化的实现将便于远程操作、诊断和修复。

1.2 智能化

即要求机电产品有一定的智能，使它具有类似人的逻辑思考、判断推理、自主决策等能力。

例如在CNC数控机床上增加人机对话功能，设置智能I/O接口和智能工艺数据库，会给使用、操作和维护带来极大的方便。

随着模糊控制、神经网络、灰色理论、小波理论、混沌与分岔等人工智能技术的进步与发展，为机电一体化技术发展开辟了广阔天地。

1.3 模块化

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、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元模块是一项复杂而有前途的工作。

如研制具有集减速、变频调速电机一体的动力驱动单元;具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的电机一体控制单元等。

这样，在产品开发设计时，可以利用这些标准模块化单元迅速开发出新的产品。

1.4 网络化

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使家用电器网络化成为可能，利用家庭网络把各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家用电器系统，使人们在家里可充分享受各种高技术带来的好处，因此，机电一体化产品无疑应朝网络化方向发展。

1.5 人性化

机电一体化产品的最终使用对象是人，如何给机电一体化产品赋予人的智能、情感和人性显得愈来愈重要，机电一体化产品除了完善的性能外，还要求在色彩、造型等方面与环境相协调，使用这些产品，对人来说还是一种艺术享受，如家用机器人的最高境界就是人机一体化。

1.6 微型化

微型化是精细加工技术发展的必然，也是提高效率的需要。

微机电系统(Micro Electronic Mechanical Systems，简称MEMS)是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。

自1986年美国斯坦福大学研制出第一个医用微探针，1988年美国加州大学Berkeley分校研制出第一个微电机以来，国内外在MEMS工艺、材料以及微观机理研究方面取得了很大进展，开发出各种MEMS器件和系统，如各种微型传感器(压力传感器、微加速度计、微触觉传感器)，各种微构件(微膜、微粱、微探针、微连杆、微齿轮、微轴承、微泵、微弹簧以及微机器人等)。

1.7 集成化

集成化既包含各种技术的相互渗透、相互融合和各种产品不同结构的优化与复合，又包含在生产过程中同时处理加工、装配、检测、管理等多种工序。

为了实现多品种、小批量生产的自动化与高效率，应使系统具有更广泛的柔性。

首先可将系统分解为若干层次，使系统功能分散，并使各部分协调而又安全地运转，然后再通过软、硬件将各个层次有机地联系起来，使其性能最优、功能最强。

1.8 带源化

是指机电一体化产品自身带有能源，如太阳能电池、燃料电池和大容量电池。

由于在许多场合无法使用电能，因而对于运动的机电一体化产品，自带动力源具有独特的好处。

带源化是机电一体化产品的发展方向之一。

1.9 绿色化

科学技术的发展给人们的生活带来巨大变化，在物质丰富的同时也带来资源减少、生态环境恶化的后果。

所以，人们呼唤保护环境，回归自然，实现可持续发展，绿色产品概念在这种呼声中应运而生。

绿色产品是指低能耗、低材耗、低污染、舒适、协调而可再生利用的产品。

在其设计、制造、使用和销毁时应符合环保和人类健康的要求，机电一体化产品的绿色化主要是指在其使用时不污染生态环境，产品寿命结束时，产品可分解和再生利用。

2.机电一体化技术在钢铁企业中应用

在钢铁企业中，机电一体化系统是以微处理机为核心，把微机、工控机、数据通讯、显示装置、仪表等技术有机的结合起来，采用组装合并方式，为实现工程大系统的综合一体化创造有力条件，增强系统控制精度、质量和可靠性。

机电一体化技术在钢铁企业中主要应用于以下几个方面：

2.1 智能化控制技术(IC)

由于钢铁工业具有大型化、高速化和连续化的特点，传统的控制技术遇到了难以克服的困难，因此非常有必要采用智能控制技术。

智能控制技术主要包括专家系统、模糊控制和神经网络等，智能控制技术广泛应用于钢铁企业的产品设计、生产、控制、设备与产品质量诊断等各个方面，如高炉控制系统、电炉和连铸车间、轧钢系统、炼钢连铸轧钢综合调度系统、冷连轧等。

2.2 分布式控制系统(DCS)

分布式控制系统采用一台中央计算机指挥若干台面向控制的现场测控计算机和智能控制单元。

分布式控制系统可以是两级的、三级的或更多级的。

利用计算机对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制。

随着测控技术的发展，分布式控制系统的功能越来越多。

不仅可以实现生产过程控制，而且还可以实现在线最优化、生产过程实时调度、生产计划统计管理功能，成为一种测、控、管一体化的综合系统。

DCS具有特点控制功能多样化、操作简便、系统可以扩展、维护方便、可靠性高等特点。

DCS是监视集中控制分散，故障影响面小，而且系统具有连锁保护功能，采用了系统故障人工手动控制操作措施，使系统可靠性高。

分布式控制系统与集中型控制系统相比，其功能更强，具有更高的安全性。

是当前大型机电一体化系统的主要潮流。

2.3 开放式控制系统(OCS)

开放控制系统(Open Control System)是目前计算机技术发展所引出的新的结构体系概念。

开放意味着对一种标准的信息交换规程的共识和支持，按此标准设计的系统，可以实现不同厂家产品的兼容和互换，且资源共享。

开放控制系统通过工业通信网络使各种控制设备、管理计算机互联，实现控制与经营、管理、决策的集成，通过现场总线使现场仪表与控制室的控制设备互联，实现测量与控制一体化。

2.4 计算机集成制造系统(CIMS)

钢铁企业的CIMS是将人与生产经营、生产管理以及过程控制连成一体，用以实现从原料进厂，生产加工到产品发货的整个生产过程全局和过程一体化控制。

目前钢铁企业已基本实现了过程自动化，但这种自动化孤岛式的单机自动化缺乏信息资源的共享和生产过程的统一管理，难以适应现代钢铁生产的要求。

未来钢铁企业竞争的焦点是多品种、小批量生产，质优价廉，及时交货。

为了提高生产率、节能降耗、减少人员及现有库存，加速资金周转，实现生产、经营、管理整体优化，关键就是加强管理，获取必须的经济效益，提高了企业的竞争力。

美国、日本等一些大型钢铁企业在20世纪80年代已广泛实现CIMS化。

2.5 现场总线技术(FBT)

现场总线技术(FieD Bus Technology)是连接设置在现场的仪表与设置在控制室内的控制设备之间的数字式、双向、多站通信链路。

采用现场总线技术取代现行的信号传输技术(如4～20mA，DC直流传输)就能使更多的信息在智能化现场仪表装置与更高一级的控制系统之间在共同的通信媒体上进行双向传送。

通过现场总线连接可省去66%或更多的现场信号连接导线。

现场总线的引入导致DCS的变革和新一代围绕开放自动化系统的现场总线化仪表，如智能变送器、智能执行器、现场总线化检测仪表、现场总线化PLC(Programmable Logic Controller)和现场就地控制站等的发展。

2.6 交流传动技术

传动技术在钢铁工业中起作至关重要的作用。

随着电力电子技术和微电子技术的发展，交流调速技术的发展非常迅速。

由于交流传动的优越性，电气传动技术在不久的将来由交流传动全面取代直流传动，数字技术的发展，使复杂的矢量控制技术实用化得以实现，交流调速系统的调速性能已达到和超过直流调速水平。

现在无论大容量电机或中小容量电机都可以使用同步电机或异步电机实现可逆平滑调速。

交流传动系统在轧钢生产中一出现就受到用户的欢迎，应用不断扩大。

参考文献

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[6]殷际英.光机电一体化实用技术[M].北京：化学工业出版社，2003

电工新技术在机电一体化中的应用【2】

【摘要】近年来电工新技术的技术产品在机电一体化中不断应用，机电一体化新技术越来越感受到各方面的关注，各个国家先进的机电一体化产品层出不穷。本文主要介绍几项具有代表性的电工新技术(如可编程控制器、运动控制器、变频器调速技术等)在机电一体化技术中改善、提高工作效率、节约能源、降低材料消耗、增强竞争力等方面的应用，以期使得电工新技术为更多人认识和关注。

【关键词】电工新技术;变频;控制器

我国的电工技术随着我国经济的发展取得了较大的发展成就。

近年来电工新技术的技术产品在机电一体化中不断应用，机电一体化新技术越来越感受到各方面的关注，各个国家先进的机电一体化产品层出不穷。

随着计算机技术、电子电力新技术和传感器技术的发展，电工新技术在机电一体化应用中也被提出了一定要求，特别是在国内外厂家推出的自动控制新技术。

本文主要介绍几项具有代表性的电工新技术(如可编程控制器、运动控制器、变频器调速技术等)在机电一体化技术中改善、提高工作效率、节约能源、降低材料消耗、增强竞争力等方面的应用，以期使得电工新技术为更多人认识和关注。

一、电工新技术发展简介

电工新技术通常是指尚未实现规模化应用的技术，其内涵在与时俱进地发展与变化，是电气工程中最为活跃和最具生命力的发展方向，在创新中起着带头作用。

电工新技术的发展基础是知识众多领域出现的新理论、新原理、新材料、新技术、新工艺，多学科的交叉、结合、渗透与综合的路径。

二十世纪下半叶，带动电工新技术发展的新理论与新原理包括：等离子体物理、气体放电物理、电磁流体力学、生物电磁学。

发展起一系列新技术包括：受控核聚变电工、放电应用、磁流体发电与应用、新型电磁诊断与医疗设备等。

二十世纪下半叶，电气工程用新材料(超导材料、永磁材料和半导体材料)的出现，形成归哦产业与应用有着重大意义。

它们带动了一系列新技术发展，包括：强磁场技术与应用、超导电力应用、电力电子电源与控制、太阳能光伏发电等。

二十一世纪，应充分重视生物工程技术、纳米技术与网络技术的带动作用。

国家经济与社会发展的实际需求是推动电工新技术发展的主要动力，主要需求来自：能源与电力交通运输、工业与民用、科学实验等。

新技术发展要与这些需求紧密结合，才能有效地快速前进，形成产业，产出显著效益。

二、电工新技术在机电一体化中的主要应用

(1)自动控制系统(运动控制新技术)的应用。

自动控制系统是一个带有反馈装置的动态系统，是实现自动化的主要手段。

它能自动连续地测量被控制量，并根据测量求出偏差的大小，并能进行控制正负极限以最大限度的减小存在的偏差。

在机电一体化自动控制中为了更好地体现稳定性、快速性和准确性三个方面，早期主要引用的是常用控制器(如积分(1)控制器、比例(P)控制器、比例微分(PD)控制器、开与闭环控制器)。

随着工业控制自动化技术正在向智能化、网络化和集成化方向发展，现在对机电一体化产品定位精度和动态响应的要求越来越高。

在传统的开环与闭环控制是伺服系统只接受速度指令，完成速度唤的控制，而由上位控制器来完成位置环的控制。

这样上位控制器的难度大大增加了，伺服系统的推广也受到了一定限制。

全闭环数字式伺服系统技术调试、使用十分简单，而且能更体现自动控制的基本要求(稳定性、速度性、准确性)，充分发挥PID的控制能力，自动完成整个系统增益调节和实时调节，实现了更高精度要求。

另一方面，无需增加上位控制器的负担，全闭环控制均由伺服驱动器来完成。

因此，机电一体化产品在其自动化设备的改造和研制中越来越倾向选这种伺服系统。

(2)可编程控制器与触摸屏技术可编程控制器(简称PC或PLC)的应用。

20世纪60年代末一种新型工业控制装置：可编程序控制器应运而生。

它将传统的继电器控制技术、计算机控制技术、通信技术融为一体。

它广泛应用于各类生产机械和生产过程的自动控制中。

早期的可编程序控制器今具有逻辑控制、定时、记数等功能称为可编程序逻辑控制器。

随着电子技术和大规模集成电路的广泛应用，PLC的功能日趋完善，性能不断提高。

PLC已经发展为集计算机技术，自动控制技术、通信技术、过程控制技术于一身的电子装置。

目前PLC正朝智能化、网络化方向发展。

PLC作为一种新型的工业控制装置。

用计算机编程软件代替继电控制的硬件接线，既发挥计算机优点，又考虑电器操作人员习惯，始终保持大众化特点。

PLC具有：可靠性高、编程方便、对环境要求低、与其他装置连接方便等优点。

PLC控制系统与继电顺序控制系统的比较：PLC控制系统大部分为软件控制，系统结构紧凑、体积小;PLC控制器内部全部为软接点，动作快，系统的控制功能改变一般需要修改程序;PLC控制系统的设计、施工、调试周期短PLC控制系统具有较强的自检、监控功能，可靠性高，适用范围广。

尤其是随着近代计算机技术和微机原理技术的发展，在机电一体化的自动控制中得到广泛应用。

特别是可编程计算机控制器PCC与传统的PLC相比较能更好的实现分时多任务操作系统和多样化的应用软件设计，不仅满足了实时控制的要求还可以按照用户的实际要求任意修改。

特别是近年来，触摸屏的广泛使用，与PLC来共同实现了多多任务操作系统的控制要求。

(3)运动控制卡的应用。

运动控制卡是一种基于PC机及工业PC机、用于各种运动控制场合(包括位移、速度、加速度等)的上位控制单元。

它包括脉冲输出、脉冲计数、数字输入、数字输出、D/A输出等功能。

它变频器的工作原理主要是：把工频电源变换成各种频率的交流电源，来实现电机的变速运行的设备。

以达到无极变速，从而缩短电机方向和转速的时间，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电逆变成交流电。

它可以发出连续的、高频率的脉冲串，通过改变发出脉冲的频率来控制电机的速度，改变发出脉冲的数量来控制电机的位置，用于控制步进(直线)电机或伺服电机。

所以变频器因调速性能好、效率高、性能稳定、可靠性高等这些优点，使其在数控伺服、机械、同步传动等多种场合都得到了广泛的应用，因此，变速器调速技术已逐渐成为电气传动自动化的一项核心技术。

电工新技术的发展对国民经济的发展和科学技术的进步都有着重大的意义。

人类各种技术也是持续协调发展的，电工新技术的发展在未来机电一体化中能得到更广泛的应用，对传统工业引起革命性的变化。

参考文献：

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机电一体化技术和应用研究