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機電一體化技術研究:淺析煤炭機電一體化技術在我國的應用
摘要：機電一體化技術是微電子技術向傳統機械工程滲透而形成的融合機械工程、電氣工程、計算機技術、信息技術等為一體的新興綜合技術。它是企業信息化的重要支撐技術,是礦山綜合自動化的基礎。機電一體化技術在煤礦采、掘、運裝備的應用和推廣,極大地提升了我國煤礦生產的綜合實力,為實現高效、安全、潔凈、結構優化的煤炭工業生產打下了扎實的基礎。本文對煤礦機電一體化技術在我國的應用進行闡述。
關鍵詞：煤礦 機電一體化技術
0 引言
我國自造的煤礦機電一體化設備都具有智能化、程序化、信息化的特點,以及設備體積小、操作、維護方便、保護齊全、性能等優點。從1970年我國自行設計制造和裝備的及時套綜合機械化采煤工作面在大同礦務局試驗起，我國的機電一體化技術開始萌芽。到上世紀80年代后期，我國綜合機械化采煤取得了空前的發展，大大推動了我國的煤礦機電一體化技術的進程，采煤機已由液壓牽引向電牽引發展。到了上個世紀90年代中期，在原有的研究成果上，又開展了采運支機械微機監控、故障診斷的研究和支架電液微機技術應用的研究，并研發了大功率電牽引采煤機。而進入21世紀后，我國煤礦機電一體化技術的研究和應用領域均有重大突破，在煤礦安全生產監控、大型固定設備的后備保護等方面已取得了喜人的成績。然而，與國外的先進采煤國家相比，我國的煤礦機電一體化技術發展尚有一定差距，并且煤炭工業相對機械、電子、航天、輕紡、化工、鐵道、冶金等行業起步晚基礎薄弱，在開發水平、應用范圍、投資規模、技術人才和管理水平方面均有較大差距。
1 機電一體化技術的應用實踐
1.1 礦井安全生產監測監控系統中的應用 礦井安全生產監控系統是最能體現煤礦機電一體化的技術之一。我國監測監控技術應用較晚，20世紀80年代初，原國家煤炭部組織了對國外煤礦監控技術進行大規模的考察和引進工作，此舉大大促進了國內監控技術的發展。先后從波蘭、法國、德國、英國和美國等引進了一批安全監控系統(如dan6400、tf200、minos和senturion-200)，在部分煤礦中應用；在引進的同時，通過消化、吸收并結合我國煤礦的實際情況，研制出kj2，kj4等系統并通過了鑒定。20世紀90年代以來，緊跟世界監測監控系統的發展潮流，我國自行研制開發出了一批具有世界先進水平的監控系統，如煤炭科學研究總院重慶分院的kj90系統、煤炭科學研究總院常州自動化研究所的kj95系統等，它們的主要特點是:測控分站的智能化水平進一步提高；具有網絡連接功能；系統軟件采用了windows操作系統。同時，在“以風定產，先抽后采，監測監控”12字方針和煤礦安全規程有關條款指導下，規定了我國各大、中、小煤礦的高瓦斯或瓦斯突出礦井必須裝備礦井監測監控系統。自此，大大小小的系統生產廠家如雨后春筍般的不斷出現，不僅為各煤礦提供了更多的選擇機會，且促進了各廠家在市場競爭條件下不斷提高產品質量和服務意識。經過多年的實踐表明，安全監測監控系統為煤礦安全生產和管理起到了十分重要的作用。
對我國現有煤礦監測監控系統及配套傳感器等設備的現場應用效果進行綜合評價，煤炭科學研究總院重慶分院的kj90、天地科技股份公司常州自動化分公司的kj95、煤炭科學研究總院撫順分院的kjf2000和北京瑞賽公司的kj4，kj2000等系統無論在軟硬件功能、穩定性和性、專業技術服務能力、企業性質和生產規模等方面基本代表了我國煤礦監測監控系統的技術水平。
1.2 礦井提升機中的應用 礦井提升機是一種實現機電一體化較好的礦山大型設備，全數字化，交、直流提升機。特別是內裝式提升機，從結構上將滾筒和驅動合為一個整體，大大簡化了機械結構，是典型的機電一體化設備，充分體現了機械-電力電子-計算機-自動控制的綜合體。全數字提升機高度，具有可重復性故障尋址、完整的診斷設施和自診斷功能，以及簡單而快速的通信功能；它采用總線方式，大大簡化電氣安裝；硬件配置簡單，互相兼容，零備件少；可以方便地實現軟啟動、軟件控制和改變瞬間加速度。
在我國“九五”計劃期間，國產全數字化直流提升機已成為各煤礦提升機的機型。我國研制成功的具有自主知識產權的全數字化直流提升機的核心部分ascs是由雙cpu構成的計算機系統。除此之外，我國還用simadynd和s7研制成功了及時臺交-交變頻器供電的交流提升機。2000年11月，該系統在焦作古漢山礦投入運行，情況良好。提升機由于采用了計算機技術，其安全保護系統更為完善。該系統的主要特點是:采用兩臺計算機裝置，每臺都有自己獨立的測量、傳感裝置和數據處理系統。這兩臺計算機同步工作，互相檢測，互為備用，對提升行程實現直接測量和間接測量容器位置相結合的方式，對兩者進行比較、校正，實現行程自動控制。由于采用了計算機對安全回路、制動回路、電源和驅動回路進行實時檢測，實現故障記憶，因此極大地提高了提升機安全性能。
1.3 井下帶式輸送機中的應用 在我國“八五”計劃期間，通過國家一條龍“日產萬噸綜采設備”項目的實施，極大地提高了帶式輸送機的技術水平，煤礦井下用大功率、長距離帶式輸送機的關鍵技術研究和新產品的研發也取得了很大的進步。如大傾角長距離帶式輸送機成套設備、高產高效工作面順槽可伸縮帶式輸送機等均填補了國內此項技術的空白，并對帶式輸送機的關鍵技術及其主要元部件進行了理論研究和產品開發，成功的研制了多種軟起動和制動裝置以及以plc為核心的可編程電控裝置、驅動系統采用調速型液力偶合器和行星齒輪減速器，目前我國已經自行生產制造了多個品種和多種類型的帶式輸送機。
2 結束語
隨著煤礦生產不斷向深部水平發展，對控制水平和規模的要求越來越高，從而又加速了機電一體化技術的發展和進步，目前各種高新技術的發展，如網絡、光纖、人工智能及生物工程等高新技術已滲入到機電一體化技術之中，使機電一體化產品功能更強大、性能更優越，使機電一體化產品功能越來越強，智能化程度也越來越高，因此采用新的機電一體化技術裝備的煤礦，能夠使企業獲得更加顯著的技術、經濟和社會效益，這也是一
個煤礦企業循環促進不斷發展的過程。
機電一體化技術研究:機電一體化數控技術在煤礦機械中的應用
【摘 要】煤礦機械正處在一個向機電一體化方向發展的時代,近來,隨著國家對煤礦安全生產的重視,煤礦設備投入的不斷增加,煤礦機械也處在一個更新換代的時期。數控技術是實現機械制造自動化的關鍵，以數控技術為核心的機械設備廣泛采用數控技術應用于制造業。
【關鍵詞】 煤炭機械 機械制造 機電一體化 數控技術
煤礦機電一體化技術在這一時期顯得尤為重要,它使機械、電子技術和液壓控制技術有機的結合,極大地提高了煤礦機械的各種性能,如安全性、經濟性、性、操作舒適性以及作業精度、作業效率、使用壽命、方便安裝拆除、便于維護等。中國論文聯盟
煤礦生產中,煤礦機械的性能自動化程度及其經濟性等可以說直接影響到生產;也直接影響到煤礦供電、排水、通風、提升等的安全運行。而煤礦機械電氣與電子控制系統部分質量的好壞與性能的優劣又直接影響到機械的動力性、經濟性、性,從而影響施工質量、生產效率及使用壽命等。電子(微電腦)控制系統已成為煤礦現代機械不可缺少的組成部分,同時也是評價煤礦現代機械技術水平的一個重要依據。隨著科學技術的不斷發展,以及對煤礦機電產品性能要求不斷提高,電子(微電腦)控制系統在煤礦機械中所占的比重越來越大,其功能將會越來越強,應用范圍也將越來越廣,而其復雜程度也隨之提高,這樣就對使用與維修維護這些設備的煤礦工作人員提出了更高的要求,對煤礦職工的培訓工作和對煤礦設備的管理工作也顯得尤為重要。
煤礦生產施工要求煤礦機械具有以下性能:皮實耐用且維修簡單、生產效率高且節能降耗,自動化程度高且操作簡單,施工質量好,精度高;性能穩定,工作,安全性高,使用壽命長;具有較好的經濟性,即高的技術價格比和低的制造與使用成本;工人勞動強度低,操作員的工作條件好;具有在線運行狀態監視,故障自診及自動故障報警功能,能及時地指出故障部位,減少停機維修時間。
一、機電一體化是一項新興的技術,將其引入到煤礦機械中,必將會給煤礦機械帶來了新的技術變革,使其各種性能有了質的飛躍。
機電一體化又稱機械電子工程學,是一門跨學科的綜合性高技術,是由微電子技術、計算機技術、信息技術、自動控制技術、機械技術、液壓技術以及其他技術相互融合而成的一門獨立的交叉學科。目前機械的電子(微機)控制系統主要用以實現如下功能:
（1）在線監控、自動報警及故障自診,即對煤礦機械的電動機、傳動系統、工作裝置、制動系統和液壓系統等的在線運行狀態監控,出現故障能動報警并地指出故障的部位,從而改善操作員的工作條件,提高機器的工作效率,簡化設備維護檢查工作,降低使用維修費用,縮短停機維修時間,延長設備的使用壽命。如采煤機上變頻器就采用plc控制,可實現多種在線監控和故障自診,還有煤礦用各種電器設備也越來越智能化。
（2）節能降耗,提高生產效率。例如井下使用的膠帶輸送機、通風機、提升機等,使用變頻起動、plc控制系統,節電量就為30%左右,同時生產效率也大大提高。
（3）自動化或半自動化程度的提高
煤礦機械實現自動化或半自動化控制,可以減輕操作者的勞動強度,提高生產效率,并減少因操作者的經驗不足,對作業精度的影響。例如,冀中能源黃沙礦2009年投入使用的一整套薄煤綜采設備,由我國北京天地瑪坷電液控制系統有限公司與德國marco公司合作生產的pm31型液壓支架電液控制系統,就是微電腦控制,只要在支架操作控制器上輸入程序,支架使會自動連續動作,也可實現遠程控制和工作面無人操作。中國論文聯盟
二、機械制造中數控技術的應用
1、煤礦機械
現代采煤機開發速度快、品種多，都是小批量的生產，各種機殼的毛坯制造越來越多地采用焊件，傳統機械加工難以實現單件的下料問題，而使用數控氣割，代替了過去流行的仿型法，使用龍骨板程序對采煤機葉片、滾筒等下料，從而優化套料的選用方案。使其發揮了切割速度快、質量的優勢，一些零件的焊接坡口可直接割出，這樣大大提高了生產效率。同時，數控氣割機裝有自動可調的切縫補償裝置。它允許對構件的實際輪廓進行程序控制，好比數控機床上對銑刀的半徑補償一樣。這樣可以通過調節切縫的補償值來的控制毛坯件的加工余量。中國論文聯盟
2、機床設備
機械設備是機械制造中的重中之重，面對現代機械制造業的需求，具備了控制能力的機床設備是現代機電一體化產品的重要組成部分。計算機數控技術為機械制造業提供了良好的機床控制能力，即把計算機控制裝置運用到機床上，也就是用數控技術對機床的加工實施控制，這樣的機床就是數控機床。它是以代碼實現機床控制的機電一體化產品，它把刀具和工件之間的相對位置、主軸變速、刀具的選擇、冷卻泵的起停等各種操作和順序動作數字碼記錄在控制介質上，從而發出控制指令來控制機床的伺服系統或其他執行元件，使機床自動加工出所需零件。
在機械制造業中，數控加工技術已經越來越受到重視。隨著計算機技術為主流的現代科技技術發展和市場產品競爭的加劇，傳統的機械制造技術很難滿足現代產品多樣化的發展和日新月異的換代速度。面對多品種小批量生產比重的加大，產品交貨質量和成本要求的提高，要求現代的制造技術具有很高的柔性。如何能增強機械制造業對外界因素的適應能力以及產品適應市場的變化能力，就需要我們能利用現代數控技術的靈活性，較大限度的應用于機械制造行業。
機電一體化技術研究:論機電一體化技術的應用及其發展趨勢
摘要：機電一體化是一種復合技術，是機械技術與微電子技術、信息技術互相滲透的產物，是機電工業發展的必然趨勢。本文簡述了機電一體化技術的基本結構組成和主要應用領域，并指出其發展趨勢。
關鍵詞：機械工業 機電一體化 數控 模塊化
現代科學技術的發展極大地推動了不同學科的交叉與滲透，引起了工程領域的技術改造與革命。在機械工程領域，由于微電子技術和計算機技術的迅速發展及其向機械工業的滲透所形成的機電一體化，使機械工業的技術結構、產品機構、功能與構成、生產方式及管理體系發生了巨大變化，使工業生產由“機械電氣化”邁入了“機電一體化”為特征的發展階段。
一、機電一體化的核心技術
機電一體化包括軟件和硬件兩方面技術。硬件是由機械本體、傳感器、信息處理單元和驅動單元等部分組成。因此，為加速推進機電一體化的發展，必須從以下幾方面著手：
（一） 機械本體技術
機械本體必須從改善性能、減輕質量和提高精度等幾方面考慮。現代機械產品一般都是以鋼鐵材料為主，為了減輕質量除了在結構上加以改進，還應考慮利用非金屬復合材料。只有機械本體減輕了重量，才有可能實現驅動系統的小型化，進而在控制方面改善快速響應特性，減少能量消耗，提高效率。
（二） 傳感技術
傳感器的問題集中在提高性、靈敏度和度方面，提高性與防干擾有著直接的關系。為了避免電干擾，目前有采用光纖電纜傳感器的趨勢。對外部信息傳感器來說，目前主要發展非接觸型檢測技術。
（三） 信息處理技術
機電一體化與微電子學的顯著進步、信息處理設備（特別是微型計算機）的普及應用緊密相連。為進一步發展機電一體化，必須提高信息處理設備的性，包括模/數轉換設備的性和分時處理的輸入輸出的性，進而提高處理速度，并解決抗干擾及標準化問題。
（四） 驅動技術
電機作為驅動機構已被廣泛采用，但在快速響應和效率等方面還存在一些問題。目前，正在積極發展內部裝有編碼器的電機以及控制專用組件-傳感器-電機三位一體的伺服驅動單元。
（五） 接口技術
為了與計算機進行通信，必須使數據傳遞的格式標準化、規格化。接口采用同一標準規格不僅有利于信息傳遞和維修，而且可以簡化設計。目前，技術人員正致力于開發低成本、高速串行的接口，來解決信號電纜非接觸化、光導纖維以及光藕器的大容量化、小型化、標準化等問題。
（六） 軟件技術
軟件與硬件必須協調一致地發展。為了減少軟件的研制成本，提高生產維修的效率，要逐步推行軟件標準化，包括程序標準化、程序模塊化、軟件程序的固化、推行軟件工程等。
二、機電一體化技術的主要應用領域
（一） 數控機床
數控機床及相應的數控技術經過40年的發展，在結構、功能、操作和控制精度上都有迅速提高，具體表現在：
1、 總線式、模塊化、緊湊型的結構，即采用多cpu、多主總線的體系結構。
2、 開放性設計，即硬件體系結構和功能模塊具有層次性、兼容性、符合接口標準，能較大限度地提高用戶的使用效益。
3、 wop技術和智能化。系統能提供面向車間的編程技術和實現二、三維加工過程的動態仿真，并引入在線診斷、模糊控制等智能機制。
4、 大容量存儲器的應用和軟件的模塊化設計，不僅豐富了數控功能，同時也加強了cnc系統的控制功能。
5、 能實現多過程、多通道控制，即具有一臺機床同時完成多個獨立加工任務或控制多臺和多種機床的能力，并將刀具破損檢測、物料搬運、機械手等控制都集成到系統中去。
6、 系統的多級網絡功能，加強了系統組合及構成復雜加工系統的能力。
7、 以單板、單片機作為控制機，加上專用芯片及模板組成結構緊湊的數控裝置。
（二） 計算機集成制造系統（cims）
cims的實現不是現有各分散系統的簡單組合，而是全局動態綜合。它打破原有部門之間的界線，以制造為基干來控制“物流”和“信息流”，實現從經營決策、產品開發、生產準備、生產實驗到生產經營管理的有機結合。企業集成度的提高可以使各種生產要素之間的配置得到更好的優化，各種生產要素的潛力可以得到更大的發揮。
（三） 柔性制造系統（fms）
柔性制造系統是計算機化的制造系統，主要由計算機、數控機床、機器人、料盤、自動搬運小車和自動化倉庫等組成。它可以隨機地、實時地、按量地按照裝配部門的要求，生產其能力范圍內的任何工件，特別適于多品種、中小批量、設計更改頻繁的離散零件的批量生產。
（四） 工業機器人
第1代機器人亦稱示教再現機器人，它們只能根據示教進行重復運動，對工作環境和作業對象的變化缺乏適應性和靈活性；第2代機器人帶有各種先進的傳感元件，能獲取作業環境和操作對象的簡單信息，通過計算機處理、分析，做出一定的判斷，對動作進行反饋控制，表現出低級智能，已開始走向實用化；第3代機器人即智能機器人，具有多種感知功能，可進行復雜的邏輯思維、判斷和決策，在作業環境中獨立行動，與第5代計算機關系密切。
三、機電一體化技術的發展前景
縱觀國內外機電一體化的發展現狀和高新技術的發展動向，機電一體化將朝著以下幾個方向發展：
（一） 智能化
智能化是機電一體化與傳統機械自動化的主要區別之一，也是21世紀機電一體化的發展方向。近幾年，處理器速度的提高和微機的高性能化、傳感器系統的集成化與智能化為嵌入智能控制算法創造了條件，有力地推動著機電一體化產品向智能化方向發展。智能機電一體化產品可以模擬人類智能，具有某種程度的判斷推理、邏輯思維和自主決策能力，從而取代制造工程中人的部分腦力勞動。
（二） 系統化
系統化的表現特征之一就是系統體系結構進一步采用開放式和模式化的總線結構。系統可以靈活組態，進行任意的剪裁和組合，同時尋求實現多子系統協調控制和綜合管理。表現特征之二是通信功能大大加強，一般除rs232等常用通信方
式外，實現遠程及多系統通信聯網需要的局部網絡正逐漸被采用。未來的機電一體化更加注重產品與人的關系，如何賦予機電一體化產品以人的智能、情感、人性顯得越來越重要。機電一體化產品還可根據一些生物體優良的構造研究某種新型機體，使其向著生物系統化方向發展。
（三） 微型化
微型機電一體化系統高度融合了微機械技術、微電子技術和軟件技術，是機電一體化的一個新的發展方向。國外稱微電子機械系統的幾何尺寸一般不超過1cm3，并正向微米、納米級方向發展。由于微機電一體化系統具有體積小、耗能小、運動靈活等特點，可進入一般機械無法進入的空間并易于進行精細操作，故在生物醫學、航空航天、信息技術、工農業乃至國防等領域，都有廣闊的應用前景。目前，利用半導體器件制造過程中的蝕刻技術，在實驗室中已制造出亞微米級的機械元件。
（四） 模塊化
模塊化也是機電一體化產品的一個發展趨勢，是一項重要而艱巨的工程。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、電氣接口、動力接口、信息接口的機電一體化產品單元是一項復雜而重要的事，它需要制訂一系列標準，以便各部件、單元的匹配和接口。機電一體化產品生產企業可利用標準單元迅速開發新產品，同時也可以不斷擴大生產規模。
（五） 網絡化
網絡技術的飛速發展對機電一體化有重大影響，使其朝著網絡化方向發展。機電一體化產品的種類很多，面向網絡的方式也不同。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。
（六
） 綠色化
工業的發達使人們物質豐富、生活舒適的同時也使資源減少，生態環境受到嚴重污染，于是綠色產品應運而生。綠色化是時代的趨勢，其目標是使產品從設計、制造、包裝、運輸、使用到報廢處理的整個生命周期中，對生態環境無危害或危害極小，資源利用率極高。機電一體化產品的綠色化主要是指使用時不污染生態環境，報廢時能回收利用。綠色制造業是現代制造業的可持續發展模式。
綜上所述，機電一體化技術是眾多科學技術發展的結晶，是社會生產力發展到一定階段的必然要求。它促使機械工業發生戰略性的變革，使傳統的機械設計方法和設計概念發生著革命性的變化。大力發展新一代機電一體化產品，不僅是改造傳統機械設備的要求，而且是推動機械產品更新換代和開辟新領域、發展與振興機械工業的必由之路。
機電一體化技術研究:淺析傳感器技術在機電一體化中的應用
摘要:文章概述傳感器研究現狀與發展,探討傳感器在機電一體化系統中的應用,并分析我國傳感器技術發展的若干問題及發展方向。
關鍵詞:傳感器技術;機電一體化;應用
在機電一體化系統中,傳感器處系統之首,其作用相當于系統感受器官,能快速、地獲取信息并能經受嚴酷環境考驗,是機電一體化系統達到高水平的保障。如缺少這些傳感器對系統狀態和對信息而的自動檢測,系統的信息處理、控制決策等功能就無法談及和實現。
一、傳感器的研究現狀與發展
傳感器是能感受規定的被測量并按一定規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置,主要用于檢測機電一體化系統自身與操作對象、作業環境狀態,為有效控制機電一體化系統的運作提供必須的相關信息。隨著人類探知領域和空間的拓展,電子信息種類日益繁多,信息傳遞速度日益加快,信息處理能力日益增強,相應的信息采集——傳感技術也將日益發展,傳感器也將無所不在。
從20世紀80年代起,逐步在世界范圍內掀起一股“傳感器熱”,各先進工業國都極為重視傳感技術和傳感器研究、開發和生產。傳感技術已成為重要的現代科技領域,傳感器及其系統生產已成為重要的新興行業。
二、傳感器在機電一體化系統中的應用
傳感器是左右機電一體化系統(或產品)發展的重要技術之一,廣泛應用于各種自動化產品之中:
1.機器人用傳感器。工業機器人之所以能夠操作,是因為它能夠通過各種傳感器來感知自身、操作對象及作業環境的狀態,包括:其自身狀態信息的獲取通過內部傳感器(位置、位移、速度、加速度等)來完成,操作對象與外部環境的感知通過外部傳感器來實現,這個過程非常重要,足以為機器人控制提供反饋信息。
2.機械加工過程的傳感檢測技術。
(1)切削過程和機床運行過程的傳感技術。切削過程傳感檢測的目的在于優化切削過程的生產率、制造成本或(金屬)材料的切除率等。切削過程傳感檢測的目標有切削過程的切削力及其變化、切削過程顫震、刀具與工件的接觸和切削時切屑的狀態及切削過程辨識等,而最重要的傳感參數有切削力、切削過程振動、切削過程聲發射、切削過程電機的功率等。對于機床的運行來講,主要的傳感檢測目標有驅動系統、軸承與回轉系統、溫度的監測與控制及安全性等,其傳感參數有機床的故障停機時間、被加工件的表面粗糙度和加工精度、功率、機床狀態與冷卻潤滑液的流量等。
(2)工件的過程傳感。與刀具和機床的過程監視技術相比,工件的過程監視是研究和應用最早、最多的。它們多數以工件加工質量控制為目標。20世紀80年代以來,工件識別和工件安裝位姿監視要求也提到日程上來。粗略地講,工序識別是為辨識所執行的加工工序是否是工(零)件加工要求的工序;工件識別是辨識送入機床待加工的工件或者毛坯是否是要求加工的工件或毛坯,同時還要求辨識工件安裝的位姿是否是工藝規程要求的位姿。此外,還可以利用工件識別和工件安裝監視傳感待加工毛坯或工件的加工裕量和表面缺陷。完成這些識別與監視將采用或開發許多傳感器,如基于tv或ccd的機器視覺傳感器、激光表面粗糙度傳感系統等。
(3)刀具(砂輪的檢測傳感。切削與磨削過程是重要的材料切除過程。刀具與砂輪磨損到一定限度(按磨鈍標準判定)或出現破損(破損、崩刃、燒傷、塑變或卷刀的總稱),使它們失去切(磨削能力或無法保障加工精度和加工表面完整性時,稱為刀具/砂輪失效。工業統計證明,刀具失效是引起機床故障停機的首要因素,由其引起的停機時間占nc類機床的總停機時間的1/5-1/3.此外,它還可能引發設備或人身安全事故,甚至是重大事故。
3.汽車自動控制系統中的傳感技術。隨著傳感器技術和其它新技術的應用,現代化汽車工業進入了全新時期。汽車的機電一體化要求用自動控制系統取代純機械式控制部件,這不僅體現在發動機上,為更地改善汽車性能,增加人性化服務功能,降低油耗,減少排氣污染,提高行駛安全性、性、操作方便和舒適性,先進的檢測和控制技術已擴大到汽車全身。在其所有重點控制系統中,必不可少地使用曲軸位置傳感器、吸氣及冷卻水溫度傳感器、壓力傳感器、氣敏傳感器等各種傳感器。
三、我國傳感器技術發展的若干問題及發展方向
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nbsp; 傳感器技術是實現自動控制、自動調節的關鍵環節,也是機電一體化系統不可缺少的關鍵技術之一,其水平高低在很大程度上影響和決定著系統的功能;其水平越高,系統的自動化程度就越高。在一套完整的機電一體化系統中,如果不能利用傳感檢測技術對被控對象的各項參數進行及時地檢測出并轉換成易于傳送和處理的信號,我們所需要的用于系
統控制的信息就無法獲得,進而使整個系統就無法正常有效的工作。
我國傳感器的研究主要集中在專業研究所和大學,始于20世紀80年代,與國外先進技術相比,我們還有較大差距,主要表現在:
(1)先進的計算、模擬和設計方法;
(2)先進的微機械加工技術與設備;
(3)先進的封裝技術與設備;
(4)性技術研究等方面。因此,必須加強技術研究和引進先進設備,以提高整體水平。傳感器技術今后的發展方向可有幾方面:
1.加速開發新型敏感材料:通過微電子、光電子、生物化學、信息處理等各種學科,各種新技術的互相滲透和綜合利用,可望研制出一批基于新型敏感材料的先進傳感器。
2.向高精度發展:研制出靈敏度高、度高、響應速度快、互換性好的新型傳感器以確保生產自動化的性。
3.向微型化發展:通過發展新的材料及加工技術實現傳感器微型化將是近十年研究的熱點。
4.向微功耗及無源化發展:傳感器一般都是非電量向電量的轉化,工作時離不開電源,開發微功耗的傳感器及無源傳感器是必然的發展方向。
5.向智能化數字化發展:隨著現代化的發展,傳感器的功能已突破傳統的功能,其輸出不再是一個單一的模擬信號(如0-10mv),而是經過微電腦處理好后的數字信號,有點甚至帶有控制功能,即智能傳感器。
機電一體化技術研究:機電一體化技術現狀和發展趨勢
摘 要:機電一體化是現代科學技術發展的必然結果。此簡述機電一體化技術的基本情況和發展背景,綜述國內外機電一體化技術的現狀,分析機電一體化技術的發展趨勢。
關鍵詞:機電一體化 技術 現狀 發展趨
現代科學技術的不斷發展,極大地推動了不同學科的交叉與滲透,工程領域的技術改造與革命。在機械工程領域,由于微電子技術和計算機技術的迅速發展及其向機械工業的滲透所形成的機電一體化,使機械工業的技術結構、產品結構、功能與構成、生產方式及管理體系發生了巨大變化,使工業生產由“機械電氣化”邁入以“機電一體化”為特征的發展階段。
1 機電一體化概述
機電一體化是指在機構的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進電子技術,將機械裝置與電子化設計及軟件結合起來所構成的系統的總稱。
機電一體化發展至今已經成為一門有著自身體系的新型學科,隨著科學技術的不斷發展,還將被賦予新的內容。但其基本特征可概括為:機電一體化是從系統的觀點出發,綜合運用機械技術、微電子技術、自動控制技術、計算機技術、信息技術、傳感測控技術及電力電子技術,根據系統功能目標要求,合理配置與布局各功能單元,在多功能、高質量、高性、低能耗的意義上實現特定功能價值,并使整個系統化的系統工程技術。由此而產生的功能系統,則成為一個機電一體化系統或機電一體化產品。因此,“機電一體化”涵蓋“技術”和“產品”兩個方面。機電一體化技術是基于上述群體技術有機融合的一種綜合技術,而不是機械技術、微電子技術及其它新技術的簡單組合、拼湊。這是機電一體化與機械加電氣所形成的機械電氣化在概念上的根本區別。機械工程技術由純技術發展到機械電氣化,仍屬傳統機械,其主要功能依然是代替和放大的體系。但是,發展到機電一體化后,其中的微電子裝置除可取代某些機械部件的原有功能外,還被賦予許多新的功能,如自動檢測、自動處理信息、自動顯示記錄、自動調節與控制、自動診斷與保護等。也就是說,機電一體化產品不僅是人的手與肢體的延伸,還是人的感官與頭腦的延伸,智能化特征是機電一體化與機械電氣化在功能上的本質區別。
2 機電一體化的發展狀況
機電一體化的發展大體可以分為三個階段:(1)20世紀60年代以前為及時階段,這一階段稱為初級階段。在這一時期,人們自覺不自覺地利用電子技術的初步成果來完善機械產品的性能。特別是在第二次世界大戰期間,戰爭刺激了機械產品與電子技術的結合,這些機電結合的軍用技術,戰后轉為民用,對戰后經濟的恢復起到了積極的作用。那時,研制和開發從總體上看還處于自發狀態。由于當時電子技術的發展尚未達到一定水平,機械技術與電子技術的結合還不可能廣泛和深入發展,已經開發的產品也無法大量推廣。(2)20世紀70—80年代為第二階段,可稱為蓬勃發展階段。這一時期,計算機技術、控制技術、通信技術的發展,為機電一體化的發展奠定了技術基礎。大規模、超大規模集成電路和微型計算機的出現,為機電一體化的發展提供了充分的物質基礎。這個時期的特點是:mechatronics一詞首先在日本被普遍接受,大約到20世紀80年代末期在世界范圍內得到比較廣泛的承認;機電一體化技術和產品得到了極大發展;各國均開始對機電一體化技術和產品給予很大的關注和支持。(3)20世紀90年代后期,開始了機電一體化技術向智能化方向邁進的新階段,機電一體化進入深入發展時期。一方面,光學、通信技術等進入機電一體化,微細加工技術也在機電一體化中嶄露頭腳,出現了光機電一體化和微機電一體化等新分支;另一方面,對機電一體化系統的建模設計、分析和集成方法,機電一體化的
學科體系和發展趨勢都進行了深入研究。同時,人工智能技術、神經網絡技術及光纖技術等領域取得的巨大進步,為機電一體化技術開辟了發展的廣闊天地。這些研究,使機電一體化進一步建立了堅實的基礎,并且逐漸形成完整的學科體系。
我國是從20世紀80年代初才開始進行這方面的研究和應用。國務院成立了機電一體化領導小組,并將該技術列入“863計劃”中。在制定“九五”規劃和2010年發展綱要時充分考慮了國際上關于機電一體化技術的發展動向和由此可能帶來的影響。許多大專院校、研究機構及一些大中型企業對這一技術的發展及應用做了大量的工作,取得了一定成果。但與日本等先進國家相比,仍有相當差距。
3 機電一體化的發展趨勢
機電一體化是集機械、電子、光學、控制、計算機、信息等多學科的交叉綜合,它的發展和進步依賴并促進相關技術的發展。機電一體化的主要發展方向大致有以下幾個方面:
3.1 智能化
智能化是21世紀機電一體化技術的一個重要發展方向。人工智能在機電一體化的研究中日益得到重視,機器人與數控機床的智能化就是重要應用之一。這里所說的“智能化”是對機器行為的描述,是在控制理論的基礎上,吸收人工智能、運籌學、計算機科學、模糊數學、心理學、生理學和混沌動力學等新思想、新方法,使它具有判斷推理、邏輯思維及自主決策等能力,以求得到更高的控制目標。誠然,使機電一體化產品具有與人相同的智能,是不可能的,也是不必要的。但是,高性能、高速度的微處理器使機電一體化產品賦有低級智能或者人的部分智能,則是可能而且必要的。
3.2 模塊化
模塊化是一項重要而艱巨的工程。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、電氣接口、動力接口和環境接口等的機電一體化產品單元是一項十分復雜但又非常重要的事情。如研制集減速、智能調速、電機于一體的動力單元,具有視覺、圖像處理、識別和測距等功能的控制單元,以及各種能完成典型操作的機械裝置等。有了這些標準單元就可迅速開發出新產品,同時也可以擴大生產規模。為了達到以上目的,還需要制定各項標準,以便于各部件、單元的匹配。由于利益沖突,近期很難制定出國際或國內這方面的標準,但可以通過組建一些大企業逐漸形成。顯然,從電氣產品的標準化、系列化帶來的好處可以肯定,無論是對生產標準機電一體化單元的企業,還是對生產機電一體化產品的企業,模塊化將給機電一體化企業帶來美好的前程。
3.3 網絡化
20世紀90年代,計算機技術等的突出成就是網絡技術。網絡技術的興起和飛速發展給科學技術、工業生產、政治、軍事、教育等日常生活都帶來了巨大的變革。各種網絡將全球經濟、生產連成一片,企業間的競爭也將全球化。機電一體化新產品一旦研制出來,只要其功能獨到、質量,很快就會暢銷全球。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的應用使家用電器網絡化已成大勢,利用家庭網絡(home net)將各種家用電器連接成以計算機為中心的計算機集成家電系統(computer integrated appliance system,cias),能使人們呆在家里就可分享各種高技術帶來的便利與快樂。因此,機電一體化產品無疑將朝著網絡化方向發展。
3.4 微型化
微型化興起于20世紀80年代末,指的是機電一體化向微型機器和微觀領域發展的趨勢。國外稱其為微電子機械系統(mems),泛指幾何尺寸不超過1cm3的機電一體化產品,并向微米、納米級發展。微機電一體化產品體積小,耗能少,運動靈活,在生物醫療、軍事、信息等方面具有無可比擬的優勢。微機電一體化發展的瓶頸在于微機械技術。微機電一體化產品的加工采用精細加工技術,即超精密技術,它包括光刻技術和蝕刻技術兩類。
3.5 環保化
工業的發達給人們生活帶來巨大變化。一方面,物質豐富,生活舒適;另一方面,資源減少,生態環境受到嚴重污染。于是,人們呼吁保護環境資源,回歸自然。綠色產品概念在這種呼聲下應運而生,綠色化是時代的趨勢。綠色產品在其
設計、制造、使用和銷毀的生命過程中,符合特定的環境保護和人類健康的要求,對生態環境無害或危害極少,資源利用率極高。設計綠色的機電一體化產品,具有遠大的發展前景。機電一體化產品的綠色化主要是指,使用時不污染生態環境,報廢后能回收利用。
3.6 系統化
系統化的表現特征之一就是系統體系結構進一步采用開放式和模式化的總線結構。系統可以靈活組態,進行任意剪裁和組合,同時尋求實現多子系統協調控制和綜合管理。表現之二是通信功能的大大加強。一般除rs232外,還有rs485等智能化通信接口。未來的機電一體化更加注重產品與人的關系,機電一體化的人格化有兩層含義:一層是如何賦予機電一體化產品人的智能、情感、人性等等,顯得越來越重要,特別是對家用機器人,其高層境界就是人機一體化;另一層是模仿生物機理,研制出各種機電一體化產品。事實上,許多機電一體化產品都是受動物的啟發而研制出來的。
綜上所述,機電一體化的出現不是孤立的,它是許多科學技術發展的結晶,是社會生產力發展到一定階段的必然要求和產物。當然,與機電一體化相關的技術還有很多,并且隨著科學技術的發展,各種技術相互融合的趨勢將越來越明顯,機電一體化技術的發展前景也將越來越光明。
機電一體化技術研究:淺談機電一體化中的接口技術
摘要:接口技術是在機電一體化技術的基礎上發展起來的,隨著機電一體化技術的發展而變得越來越重要。文章以機電一體化控制系統(微電子系統)為例,將接口分為人機接口與機電接口兩大類進行探討。
關鍵詞:機電一體化;接口技術;人機接口;機電接口
機電一體化系統可分為機械和微電子系統兩大部分,各部分連接須具備一定條件,這個聯系條件通常稱為接口。各分系統又由各要素(子系統)組成。本文以機電一體化控制系統(微電子系統)為例,將接口分為人機與機電接口兩大類。
一、機電接口
由于機械系統與微電子系統在性質上有很大差別,兩者間的聯系須通過機電接口進行調整、匹配、緩沖,因此機電接口起著非常重要的作用:
(1)行電平轉換和功率放大。一般微機的i/o芯片都是ttl電平,而控制設備則不一定,因此必須進行電平轉換;另外,在大負載時還需要進行功率放大;
(2)抗干擾隔離。為防止干擾信號的串入,可以使用光電耦合器、脈沖變壓器或繼電器等把微機系統和控制設備在電器上加以隔離;
(3)進行a/d或d/a轉換。當被控對象的檢測和控制信號為模擬量時,必須在微機系統和被控對象之間設置a/d和d/a轉換電路,以保障微機所處理的數字量與被控的模擬量之間的匹配。
1、模擬信號輸入接口。在機電一體化系統中,反映被控對象運行狀態信號是傳感器或變送器的輸出信號,通常這些輸出信號是模擬電壓或電流信號(如位置檢測用的差動變壓器、溫度檢測用的熱偶電阻、溫敏電阻、轉速檢測用的測速發電機等)計算機要對被控對象進行控制,必須獲得反映系統運行的狀態信號,而計算機只能接受數字信號,要達到獲取信息的目的,就應將模擬電信號轉換為數字信號的接口——模擬信號輸入接口。
2、模擬信號輸出接口。在機電一體化系統中,控制生產過程執行器的信號通常是模擬電壓或電流信號,如交流電動機變頻調速、直流電動機調速器、滑差電動機調速器等。而計算機只能輸出數字信號,并通過運算產生控制信號,達到控制生產過程的目的,應有將數字信號轉換成模擬電信號的接口——模擬信號輸出接口。任務是把計算機輸出的數字信號轉換為模擬電壓或電流信號,以便驅動相應的執行器,達到控制對象的目的。模擬信號輸出接口一般由控制接口、數字模擬信號轉換器、多路模擬開關和功率放大器幾部分構成。
3、開關信號通道接口。機電一體化系統的控制系統中,需要經常處理一類最基本的輸入/輸出信號,即數字量(開關量)信號包括:開關的閉合與斷開;指示燈的亮與滅;繼電器或接觸器的吸合與釋放;電動機的啟動與停止;閥門的打開與關閉等。這些信號的共同特征是以二進制的邏輯“1”和“0”出現的。在機電一體化控制系統中,對應二進制數碼的每一位都可以代表生產過程中的一個狀態,此狀態作為控制依據。
(1)輸入通道接口。開關信號輸入通道接口的任務是將來自控制過程的開關信號、邏輯電平信號以及一些系統設置開關信號傳送給計算機。這些信號實質是一種電平各異的數字信號,所以開關信號輸入通道又稱為數字輸入通道(di)。由于開關信號只有兩種邏輯狀態“on”和“off”或數字信號“1”和“0”,但是其電平一般與計算機的數字電平不相同,與計算機連接的接口只需考慮邏輯電平的變換以及過程噪聲隔離等設計問題,它主要由輸入緩沖器、電平隔離與轉換電路和地址譯碼電路等組成。
(2)輸出通道接口。開關信號輸出通道的作用是將計算機通過邏輯運算處理后的開關信號傳遞給開關執行器(如繼電器或報警指示器)。它實質是邏輯數字的輸出通道,又稱為數字輸出通道(do)。do通道接口設計主要考慮的是內部與外部公共地隔離和驅動開關執行器的功率。開關量輸出通道接口主要由輸出鎖存器、驅動器和輸出口地址譯碼電路等組成。
二、人機接口
人機接口是操作者與機電系統(主要是控制微機)之間進行信息交換的接口。按照信息的傳遞方向,可以分為輸入與輸出接口兩大類。機電系統通過輸出接口向操作者顯示系統的各種狀態、運行參數及結果等信息;另一方面,操作者通過輸入接口向機電系統輸入各種控制命令,干預系統的運行狀態,以實現所要求的功能。
1、輸入接口。
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bsp; (1)撥盤輸入接口。撥盤是機電一體化系統中常見的一種輸入設備,若系統需要輸入少量的參數,如修正系數、控制目標等,采用撥盤較為方便,這種方式具有保持性。撥盤的種類很多,作為人機接口使用最方便的是十進制輸入、bcd碼輸出的bcd碼撥盤。bcd碼撥盤可直接與控制微機的并行口或擴展口相連,以bcd碼形式輸入信息。
(2)鍵盤輸入接口。鍵盤是一組按鍵集合,向計算機提供被按鍵的代碼。常用的鍵盤有:
1)編碼鍵盤,自動提供被按鍵的編碼(如ascii碼或二進制碼);
2)非編碼鍵盤,僅僅簡單地提供按鍵的通或斷(“0”或“1”電位),而按鍵的掃描和識別,則由設計的鍵盤程序來實現。前者使用方便,但結構復雜,成本高;后者電路簡單,便于設計。
2、輸出接口。在機電一體化系統中,發光二極管顯示器(led)是典型的輸出設備,由于led顯示器結構簡單、體積小、性高、壽命長、價格便宜,因此使用廣泛。常用的led顯示器有7段發光二極管和點陣式led顯示器。7段led顯示器原理很簡單,是同名管腳上所加電平高低來控制發光二極管是否點亮而顯示不同字形的。點陣式led顯示器一般用來顯示復雜符號、字母及表格等,在大屏幕顯示及智能化儀器中有廣泛應用。
結語:
接口技術是研究機電一體化系統中的接口問題,使系統中信息和能量的傳遞和轉換更加順暢,使系統各部分有機地結合在一起,形成完整的系統。接口技術是在機電一體化技術的基礎上發展起來的,隨著機電一體化技術的發展而變得越來越重要;同時接口技術的研究也必然促進機電一體化的發展。從某種意義上講,機電一體化系統的設計,就是根據功能要求選擇了各部分后所進行的接口設計。接口的好與壞直接影響到機電一體化系統的控制性能,以及系統運行的穩定性和性,因此接口技術是機電一體化系統的關鍵環節。
