機(jī)電一體化系統(tǒng)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法包括（ ）。
- 教育綜合
- 2024-02-07 07:57:18
機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都有哪些內(nèi)容方法？
機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：
一、機(jī)電一體化系統(tǒng)開發(fā)的設(shè)計(jì)思想
機(jī)電一體化的優(yōu)勢(shì)，在于它吸收了各相關(guān)學(xué)科之長(zhǎng)并加以綜合運(yùn)用而取得整體優(yōu)化效果，因此在機(jī)電一體化系統(tǒng)開發(fā)的過程中，要特別強(qiáng)調(diào)技術(shù)融合，學(xué)科交叉的作用。機(jī)電一體化系統(tǒng)開發(fā)是一項(xiàng)多級(jí)別、多單元組成的系統(tǒng)工程。把系統(tǒng)的各單元有機(jī)的結(jié)合成系統(tǒng)后，各單元的功能不僅相互疊加，而且相互輔助、相互促進(jìn)、相互提高，使整體的功能大于各單元功能的簡(jiǎn)單的和，即“整體大于部分的和”。當(dāng)然，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，由于各單元的差異性，在組成系統(tǒng)后會(huì)導(dǎo)致單元間的矛盾和摩擦，出現(xiàn)內(nèi)耗，內(nèi)耗過大，則可能出現(xiàn)整體小于部分之和的情況，從而失去了一體化的優(yōu)勢(shì)。因此，在開發(fā)的過程中，一方面要求設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)選擇與控制系統(tǒng)的電氣參數(shù)相匹配的機(jī)械系統(tǒng)參數(shù)；同時(shí)也要求設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的固有結(jié)構(gòu)參數(shù)來選擇和確定電氣參數(shù)。綜合應(yīng)用機(jī)械技術(shù)和微電子技術(shù)，使二者密切結(jié)合、相互協(xié)調(diào)、相互補(bǔ)充，充分體現(xiàn)機(jī)電一體化的優(yōu)越性。
二、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法
擬定機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的方法有取代法、整體設(shè)計(jì)法和組合法。
1、取代法
這種方法是用電氣控制取代原傳統(tǒng)中機(jī)械控制機(jī)構(gòu)。這種方法是改造傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品和開發(fā)新型產(chǎn)品常用的方法。如用電氣調(diào)速控制系統(tǒng)取代機(jī)械式變速機(jī)構(gòu)，用可編程序控制器或微型計(jì)算機(jī)來取代機(jī)械凸輪控制機(jī)構(gòu)、插銷板、步進(jìn)開關(guān)、繼電器等，以彌補(bǔ)機(jī)械技術(shù)的不足，這種方法不但能大大簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，而且還可以提高系統(tǒng)的性能和質(zhì)量。這種方法的缺點(diǎn)是跳不出原系統(tǒng)的框架，不利于開拓思路，尤其在開發(fā)全新的產(chǎn)品時(shí)更具有局限性。
2、整體設(shè)計(jì)法
這種方法主要用于全新產(chǎn)品和系統(tǒng)的開發(fā)。在設(shè)計(jì)時(shí)完全從系統(tǒng)的整體目標(biāo)考慮各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，所以接口簡(jiǎn)單，甚至可能互融一體。例如，某些激光打印機(jī)的激光掃描鏡，其轉(zhuǎn)軸就是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子軸，這是執(zhí)行元件與運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)合的一個(gè)例子。在大規(guī)模集成電路和微機(jī)不斷普及的今天，隨著精密機(jī)械技術(shù)的發(fā)展，完全能夠設(shè)計(jì)出將執(zhí)行元件、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、檢測(cè)傳感器、控制與機(jī)體等要素有機(jī)地融為一體的機(jī)電一體化新產(chǎn)品。
3、組合法
這種方法就是選用各種標(biāo)準(zhǔn)模塊，像積木那樣組合成各種機(jī)電一體化系統(tǒng)。例如，設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床時(shí)可以從系統(tǒng)整體的角度選擇工業(yè)系列產(chǎn)品，諸如數(shù)控單元、伺服驅(qū)動(dòng)單元、位置傳感檢測(cè)單元、主軸調(diào)速單元以及各種機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)件或單元等，然后進(jìn)行接口設(shè)計(jì)，將各單元有機(jī)的結(jié)合起來融為一體。在開發(fā)機(jī)電一體化系統(tǒng)時(shí)，利用此方法可以縮短設(shè)計(jì)與研制周期、節(jié)約工裝設(shè)備費(fèi)用，有利于生產(chǎn)管理、使用和維修。
三、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容
在機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)中控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容可歸結(jié)為：確定系統(tǒng)整體控制方案、確定控制算法、選擇微型計(jì)算機(jī)、進(jìn)行系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，以及系統(tǒng)統(tǒng)調(diào)。
1、確定系統(tǒng)整體控制方案
(1)確定控制任務(wù)
在設(shè)計(jì)系統(tǒng)以前，必須對(duì)控制對(duì)象的工作過程進(jìn)行深入的調(diào)查、分析和熟悉，并明確實(shí)際應(yīng)用中的具體要求，按機(jī)械與電子功能劃分方案確定系統(tǒng)所要完成的任務(wù)，然后用控制流程圖或其他適當(dāng)形式描述控制過程和任務(wù)，寫成設(shè)計(jì)任務(wù)說明書，作為整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù)。
(2)構(gòu)思控制系統(tǒng)的整體方案
1)確定系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)形式是開環(huán)還是閉環(huán)控制。
2)采用閉環(huán)控制時(shí)應(yīng)考慮檢測(cè)傳感器的選擇和所要求精度級(jí)別，并考慮機(jī)構(gòu)安裝、使用環(huán)境等問題。
3)選擇執(zhí)行元件是電動(dòng)、氣動(dòng)還是液壓或其他，根據(jù)控制對(duì)象具體要求，比較方案的優(yōu)缺點(diǎn)，擇優(yōu)而用。
4)明確微機(jī)在系統(tǒng)中的作用：是設(shè)定值計(jì)算、直接控制還是數(shù)據(jù)處理和應(yīng)具備的功能，需要哪些輸入／輸出通道和配置哪些外圍設(shè)備等。最后，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖和附加說明，作為進(jìn)一步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，并初步估算成本。
2、建立數(shù)學(xué)模型確定控制方法
建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是個(gè)復(fù)雜過程，也是一個(gè)試探的過程，需要反復(fù)權(quán)衡。
1)根據(jù)已初步確定的控制系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)，采用合適的控制理論方法建立和組成各環(huán)節(jié)以及整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型表達(dá)形式。通過靜、動(dòng)特性計(jì)算，為計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理提供依據(jù)。
2)根據(jù)不同的控制對(duì)象和不同的控制性能指標(biāo)要求，選擇不同的控制算法。對(duì)過程控制設(shè)備的直接數(shù)字控制系統(tǒng)常用PID調(diào)節(jié)的控制算法；在位置數(shù)字隨動(dòng)系統(tǒng)中常用實(shí)現(xiàn)最少拍控制的控制算法；機(jī)床數(shù)字控制中常使用逐點(diǎn)比較法、數(shù)字積分法和數(shù)據(jù)采樣法的控制算法。另外，還有多種最優(yōu)控制的控制算法、隨機(jī)控制和自適應(yīng)控制的控制算法等供選擇。
3)當(dāng)控制系統(tǒng)較復(fù)雜時(shí)，控制算法也比較復(fù)雜，為設(shè)計(jì)、調(diào)試方便，可忽略小的非線性、小延時(shí)等因素的影響，將控制算法作某些合理的簡(jiǎn)化。利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)仿真技術(shù)，逐步將控制算法完善，直到獲得最好的控制效果。
總之，控制算法的確定是一個(gè)反復(fù)修正與試驗(yàn)的漸進(jìn)過程。
3、選擇微型計(jì)算機(jī)
對(duì)于微機(jī)所承擔(dān)的任務(wù)給定以后，完成同一任務(wù)的微機(jī)方案有多種。一般以既能完成給定任務(wù)(應(yīng)包括處理確定的控制算法)、又能充分發(fā)揮選用微機(jī)的功能、再留有一定功能余量為原則來選擇。
從控制生產(chǎn)機(jī)械或生產(chǎn)過程要求出發(fā)，微型機(jī)應(yīng)滿足以下要求：
(1)有較完善的中斷系統(tǒng)
對(duì)于控制用計(jì)算機(jī)，實(shí)時(shí)控制功能是一大特點(diǎn)。它包含系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的實(shí)時(shí)控制能力和發(fā)生故障時(shí)緊急處理的能力。這種處理和控制一般都采用中斷控制方式，即CPU及時(shí)接收終端請(qǐng)求、暫停原來執(zhí)行程序，轉(zhuǎn)而執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，待中斷處理完畢，再返回繼續(xù)執(zhí)行原程序。
在選用與CPU相應(yīng)的接口芯片時(shí)也應(yīng)有中斷工作方式，以保證控制系統(tǒng)能滿足生產(chǎn)中提出的各種要求。對(duì)于比較復(fù)雜的控制，要考慮采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。
(2)足夠的存儲(chǔ)容量
由于微型機(jī)內(nèi)存容量有限，當(dāng)內(nèi)存容量不足以存放程序和數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)擴(kuò)充內(nèi)存，或配備適當(dāng)?shù)耐獯鎯?chǔ)器(如硬磁盤等)。
(3)完備的輸入／輸出通道
輸入輸出通道是系統(tǒng)外部過程和微機(jī)交換信息的通道。根據(jù)實(shí)際需要有開關(guān)量輸入／輸出通道、模擬量輸入／輸出通道、數(shù)字量輸入／輸出通道和實(shí)現(xiàn)快速、批量交換信息的直接數(shù)據(jù)通道。通道的操作方式有串行、并行以及隨機(jī)選擇與按某種預(yù)訂順序進(jìn)行工作等。
(4)微處理器芯片的選擇
這一選擇的實(shí)質(zhì)就是確定能滿足控制功能要求的微處理器的字長(zhǎng)、速度和指令系統(tǒng)。這三者是相互依存的。一般選擇：
1)對(duì)通常的順序控制、程序控制可選用1位微處理器；
2)對(duì)計(jì)算量小、計(jì)算精度和速度要求不高的系統(tǒng)可選用4位微處理器，如計(jì)算器、家用電器控制及簡(jiǎn)易控制等；
3)對(duì)計(jì)算精度要求較高、處理速度較快的系統(tǒng)可選用8位微處理器，如經(jīng)濟(jì)型的線切割機(jī)床、普通機(jī)床的控制和溫度控制等；
4)對(duì)要求計(jì)算精度高、處理速度快的系統(tǒng)統(tǒng)可選用16位或32位微處理器，甚至采用精簡(jiǎn)指令集運(yùn)算的芯片RIRC或多CPU，如控制算法復(fù)雜的生產(chǎn)過程控制，要求高速運(yùn)行的機(jī)床控制，特別是大量的數(shù)據(jù)處理等。
(5)系統(tǒng)總線的選擇
微型計(jì)算機(jī)主要由若干塊印制電路板(按功能模塊設(shè)計(jì)、制造)構(gòu)成。各塊板之間的連接，當(dāng)然是通過印制板的插座之間的連線來實(shí)現(xiàn)的。通常，為了給使用和維護(hù)帶來方便，希望插座之間的連線具有通用性——一個(gè)系統(tǒng)中的各塊印制板可插在任一插座上。同時(shí)，也是為了各廠家生產(chǎn)的電路板具有通用性、互換性，就要對(duì)插座及連線訂個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。這就是系統(tǒng)總線選擇的由來。
目前支持微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的總線有：STD Bus支持8位和16位字長(zhǎng)；Multi Bus工型可支持16位字長(zhǎng)，Ⅱ型可支持32位字長(zhǎng)；S-100 Bus可支持16位字長(zhǎng)；VERSA Bus可支持32位字長(zhǎng)，以及VME bus可支持32位字長(zhǎng)等。生產(chǎn)廠家為這類總線提供各種型號(hào)規(guī)格的OEM(初始設(shè)備制造)產(chǎn)品，包括主模塊和從模塊，由用戶任意選配。
4、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是依據(jù)上述控制方案、設(shè)計(jì)所要求和選用的微機(jī)類型，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)可分為硬件的接口設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩大類型。
在對(duì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)時(shí)，一個(gè)最重要的問題是如何解決微機(jī)、被控對(duì)象和操作者這三者之間可靠地適時(shí)進(jìn)行信息交換的通道和分時(shí)控制的時(shí)序安排。也就是綜合考慮用硬件配置和軟件措施解決系統(tǒng)運(yùn)行的次序安排，以保證系統(tǒng)有條不紊地運(yùn)行。
(1)接口設(shè)計(jì)
對(duì)于一種產(chǎn)品(或系統(tǒng))，其各部件之間，各子系統(tǒng)之間往往需要傳遞動(dòng)力、運(yùn)動(dòng)、命令或信息，這都是通過各種接口來實(shí)現(xiàn)的。機(jī)械本體各部件之間、執(zhí)行元件與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間、檢測(cè)傳感元件與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間通常是機(jī)械接口；電子電路模塊相互之間的信號(hào)傳送接口、控制器與檢測(cè)傳感元件之問的轉(zhuǎn)換接口、控制器與執(zhí)行元件之間的轉(zhuǎn)換接口通常是電氣接口。
機(jī)電一體化產(chǎn)品的內(nèi)外接口實(shí)際上就是一種進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息交換的界面，它具有存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換和服務(wù)功能。按功能可以將接口劃分為以下3種：
1)零接口。不需進(jìn)行任何轉(zhuǎn)換，把具有結(jié)合關(guān)系的兩部分直接連接起來稱為零接口，如連接管、電纜、接線柱和剛性聯(lián)軸節(jié)等。
2)普通轉(zhuǎn)換接口。在具有結(jié)合關(guān)系的兩部分之間存在能量或信息的轉(zhuǎn)換，但不含微處理器的接口為普通轉(zhuǎn)換接口。如減速器、變壓器、電磁離合器、放大器、光電耦合器、A／D轉(zhuǎn)換器、D／A轉(zhuǎn)換器等。
3)智能轉(zhuǎn)換接口。它是一種含有微處理器的轉(zhuǎn)換接口，具有可編程的特點(diǎn)，因而能夠自動(dòng)改變接口條件，如由微處理器編程的8255A，8279，PIO等。
目前，大部分硬件接口和軟件接口都已標(biāo)準(zhǔn)化或正在逐步標(biāo)準(zhǔn)化。對(duì)于硬件接口，在設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)需要選擇適當(dāng)?shù)慕涌?，再配合接口編寫相?yīng)的程序。
(2)操作控制臺(tái)設(shè)計(jì)
微機(jī)控制系統(tǒng)必須便于人機(jī)聯(lián)系，通常都要設(shè)計(jì)一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)操作人員使用的控制臺(tái)。這個(gè)控制臺(tái)一般不能用微機(jī)所帶的鍵盤代替。原因是現(xiàn)場(chǎng)操作人員需要的是簡(jiǎn)單、明了、安全的操作面板，以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器的操作。所以，要求操作控制臺(tái)應(yīng)有以下功能：
1)有一組或幾組數(shù)據(jù)輸入鍵(數(shù)字鍵或撥碼開關(guān)等)，用于輸入或更新給定值、修改控制器參數(shù)或其他必要的數(shù)據(jù)。
2)有一組或幾組功能鍵或轉(zhuǎn)換開關(guān)，用于轉(zhuǎn)換工作方式，啟動(dòng)、停止系統(tǒng)或完成某種指定功能。
3)有一個(gè)顯示裝置或顯示屏，用于顯示各種運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)及故障指示等?？刂婆_(tái)上應(yīng)該有一個(gè)“緊急停止”按鈕，用于有緊急事故時(shí)停止系統(tǒng)運(yùn)行，轉(zhuǎn)入故障處理。
應(yīng)當(dāng)明確指出，控制臺(tái)上每一種信號(hào)都與系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)密切相關(guān)。設(shè)計(jì)時(shí)，必須明確這些轉(zhuǎn)換開關(guān)、按鈕、鍵盤、顯示器和故障指示燈的作用和意義，仔細(xì)設(shè)計(jì)控制臺(tái)的硬件及其相應(yīng)的管理程序，使設(shè)計(jì)的操作控制臺(tái)既能方便操作又保證安全可靠，即使操作失誤也不會(huì)引起嚴(yán)重后果。
(3)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)
微機(jī)控制系統(tǒng)中的電源，根據(jù)需要可以有不同的類型(直流和交流)和規(guī)格(電壓和功率)。按照使用情況，對(duì)性能的要求也不盡相同，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)按實(shí)際要求合理選用調(diào)試，并控制電壓變動(dòng)。電源本身要具有過壓、短路、過載保護(hù)和熱保護(hù)，否則將會(huì)造成不可彌補(bǔ)的損失。
(4)整機(jī)的安裝、聯(lián)接設(shè)計(jì)
這是一種整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。微機(jī)控制系統(tǒng)安裝既包括了與被控對(duì)象的聯(lián)接安排，也考慮了主機(jī)本身的安裝聯(lián)接問題。其設(shè)計(jì)原則應(yīng)該是安裝、聯(lián)接的可靠性和使用、裝配、維護(hù)的方便性。
1)安裝、聯(lián)接結(jié)構(gòu)具有防震性，即印制電路板、接插件和元器件包括電纜等應(yīng)牢固地安裝在同一個(gè)機(jī)殼上，不因振動(dòng)而松動(dòng)。
2)采用標(biāo)準(zhǔn)或?qū)Ｓ?、制造質(zhì)量好的防松接插件，以保證接觸可靠而又使用、維護(hù)方便。
3)布線結(jié)構(gòu)要合理，能防止相互間的電磁耦合干擾。一定要使信號(hào)線和功率線進(jìn)行隔離，分別走線。對(duì)模擬信號(hào)更要注意走線的長(zhǎng)短和屏蔽，如走線太長(zhǎng)，需要考慮進(jìn)行信號(hào)增強(qiáng)等措施。
4)正確安裝安全地線、信號(hào)地線、屏蔽地線以及功率地線和強(qiáng)電地線，最終要進(jìn)行地線連接。地線要采用一點(diǎn)接地型，即把信號(hào)地線、功率地線、被控對(duì)象地線(安全地)等連接到公共接地點(diǎn)。而總的公共接地點(diǎn)必須與大地接觸良好，一般接地電阻要小于(4～7)Ω。
(5)軟件設(shè)計(jì)
對(duì)于選定的微機(jī)控制系統(tǒng)，其微機(jī)本身已有一定的軟件支持，一般這些軟件要求用戶了解其使用方法和基本原理。如果把微型計(jì)算機(jī)專門為某一控制領(lǐng)域而設(shè)計(jì)成專用的控制計(jì)算機(jī)，用戶就需要利用計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)和相應(yīng)的開發(fā)系統(tǒng)來設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件，即控制軟件、管理軟件、診斷軟件等。這些系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)要求更有專用性和針對(duì)性。
在微機(jī)控制中，其軟件任務(wù)大體可以分為數(shù)據(jù)處理和過程控制兩大基本類型。數(shù)據(jù)處理主要包括數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換，以及數(shù)值計(jì)算等等。過程控制主要是使微機(jī)按照一定控制算法進(jìn)行計(jì)算，然后進(jìn)行輸出去控制生產(chǎn)。
5、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)
微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，硬件電路要進(jìn)行制作、安裝及試驗(yàn)，并進(jìn)行連續(xù)烤機(jī)運(yùn)行。軟件各模塊要在微機(jī)上分別進(jìn)行調(diào)試，使其正確無誤，然后存盤。上述工作完成后，就可將硬件與軟件組合起來進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)的模擬試驗(yàn)，正確無誤后，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，直到正式運(yùn)行。在這個(gè)階段，最重要的是仔細(xì)設(shè)計(jì)模擬調(diào)試的方法與步驟，以及所用的測(cè)試手段。
此外，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)前，要仔細(xì)檢查接線，無誤后才能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的步驟根據(jù)不同對(duì)象要仔細(xì)考慮。首先要把涉及的自動(dòng)保護(hù)項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)有效后才可進(jìn)入功能、參數(shù)等項(xiàng)目的試驗(yàn)。
