论机电一体化技术的控制原理及应用

韩大明 石明东

摘 要：机电一体化作为机械技术与微电子技术相互融合发展的结晶，打破了传统的机械工程、建筑工程、控制工程等旧单元模块的划分，形成了集机械技术、计算机技术等技术为一体的新兴交叉学科。本文讨论了机电一体化技术的控制原理，并说明了其在机械工程行业中的应用。

关键词：机电一体化；控制原理，应用

1、机电一体化技术概要

机电一体化是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术，将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。“机电一体化”这个词是日本安川电机公司在上世纪60年代末作商业注册时最先创用的。当时人们一直把机电一体化看作是机械与电子的结合。机电一体化发展至今也已成为一门有着自身体系的新型学科。随着科学技术的不断发展，还将被赋予新的内容。但其基本特征可概括为：机电一体化是从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标和优化组织目标，合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值，并使整个系统最优化的系统工程技术。由此而产生的功能系统，则成为一个机电一体化系统或机电一体化产品。

因此，“机电一体化”涵盖“技术”和“产品”两个方面。只是，机电一体化技术是基于上述群体技术有机融合的一种综合技术，而不是机械技术、微电子技术以及其它新技术的简单组合、拼凑。这是机电一体化与机械加电气所形成的机械电气化在概念上的根本区别。机械工程技术有纯技术发展到机械电气化，仍属传统机械，其主要功能依然是代替和放大的体力。但是发展到机电一体化后，其中的微电子装置除可取代某些机械部件的原有功能外，还能赋予许多新的功能，如自动检测、自动处理信息、自动显示记录、自动调节与控制、自动诊断与保护等。即机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸，还是人的感官与头脑的眼神，具有智能化的特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质区别。

2、机电一体化技术的控制原理

PC机控制一个机器运动是机电一体化技术典型的代表。就现代工业来说，基本上由PC机发出的电子信号，然后被机械识别，最后由电动机拖动。对于控制电动机的起动、停止、调速和制动，一般需采用接触器或电子元件，通过控制电动机电路的通断实现。

接触器要控制电动机电路的通断，主要是控制线圈的电源，即：接触器的线圈通电，使其触头改变状态，由原来的断开的变成闭合，或者原来的闭合的变成断开。由于计算机输出的信号功率太小，而控制接触器一般需要较大的功率才能工作。因此，为了实现对电动机的工作状态的控制，需要通过断电器或其它元件对控制信号进行功率放大，再用放大后的信号控制接触器的通电与断电。

有触点的控制系统是采用继电器、接触器控制的电路系统，是较早采用的控制方案，目前仍具有相当广泛的应用；现在的控制系统很多采用晶闸管、晶体管等作为控制元件，称为无触点控制系统。计算机输出的信号同样需要进行功率放大，然后控制允许通过的较大电流、能承受高电压的晶闸管或大功率晶体管。通过控制信号控制晶闸管或大功率晶体管，实现晶闸管或大功率晶体管接通或断开电动机的主电路，从而控制电动机工作。

3、机电一体化技术的应用

纵观我国机电一体化的发展历程，可发现机电一体化在我国的起步发展是较晚的，为此，大量的基础理论与技术未能得到较好的研究，国内也未能涌现出强大的自助研发能力，前期只能研究国外的机电一体化产品，从中获得经验和技术成果。但是，20世纪80年代起，机电一体化技术得到了国务院的重视，成立了专门的机电一体化领导小组，并纳入了“国家863计划”。在制定“九五”规划和2010年发展纲要时充分考虑了国际上关于机电一体化技术的发展动向，以及由此可能带来的影响。在国内，许多研究机构、高校设立专门项目、专业课程来研发、学习该技术，部分大型企业也对机电一体化技术的发展及应用做了大量工作，取得了一定的成果，具体有以下几个方面的突出表现。

3.1 在现代机械制造业中的应用

传统的机械制造业是建立在规模经济的基础之上，靠企业规模、批量生产、产品结构和重复性来获得竞争优势，主要强调的是资源的有效利用，以低成本获得高效率、高质量，其盈利来自于机器取代人，复杂的专业加工取代人工技能。而先进的机械制造业则不同，是以信息为主导，采用先进的生产模式、制造系统、制造技术、组织管理的全新机械制造业，具有网络化、虚拟化、智能化、全球化以及环保绿色化的特征。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，近年來，制造工程领域也相继诞生了很多的新技术，如：计算机数字控制、现代集成制造系统、柔性制造技术等。

3.2 在煤矿行业中的应用

随着工业的快速发展，向机电要产量、要效益是煤炭行业提出的新要求和目标。机电一体化在煤炭行业中有着小型化、智能化、数字化、绿色化的发展方向。

机电一体化技术在煤矿含有中的应用主要体现在一下几个方面：（1）在线监控、故障自诊、自动报警，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；（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。

3.3 在数控机床中的应用

机电一体化技术在数控机床及相应的数控技术中的使用，经过40年的发展，在结构、功能、操作和控制精度等方面都得到了迅速提高，主要体现在一下几个方面：（1）总线式、模块化、紧凑型的结构，以单板、单片机作为控制机，加上专用芯片及模板组成结构紧凑的数控装置；（2）能同时完成多个独立加工任务或控制多台和多种机床的能力，将刀具破损检测、物料搬运、机械手等控制都集成到系统中去，实现了多过程、多通道控制；（3）WOP技术和智能化的运用，系统能提供面向车间的编程技术和实现二、三维加工过程的动态仿真，并引入在线诊断、模糊控制等智能机制；（4）系统的多级网络功能，加强了系统组合及构成复杂加工系统的能力；（5）硬件体系结构和功能模块具有层次性、兼容性、符合接口标准，能最大限度地提高用户的使用效益，实现了开放性设计；（6）数控功能、CNC系统控制功能，得到丰富和加强的大容量存储器的应用和软件的模块化设计。

结束语：

机电一体化的出现是许多科学技术发展的结晶，是社会生产力发展到一定阶段的必然要求。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将更为广阔。

参考文献：

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