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1、 畢業(yè)論文 專 業(yè)：機電一體化課題名稱：機電一體化的發(fā)展班 級：姓 名：指導老師：時 間：2012 年 月 日摘 要機電一體化是現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果。此簡述機電一體化技術(shù)的基本情況和發(fā)展背景,綜述國內(nèi)外機電一體化技術(shù)的現(xiàn)狀,分析機電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：機電一體化 技術(shù) 現(xiàn)狀 發(fā)展趨勢目 錄第一篇：什么是機電一體*3 1.1“機電一體化”？它的來源是什么？*4 1.2一體化技術(shù)基本概念*4 1.3體化技術(shù)五大組成要素與四大原則：*4第二篇：機電一體化發(fā)展歷程及其趨勢*6 2.1“機電一體化”的發(fā)展歷程*6 2.2“機電一體化”發(fā)展趨勢*6 2.3機電一體化產(chǎn)品*7 2.4發(fā)展“機

2、電一體化”而臨的形勢和任務*7第三篇：機電一體化技術(shù)及其應用*12第四篇：機電一體化中的接口技術(shù)*17第五篇：機電一體化系統(tǒng)抗干擾問題的探討*20結(jié)論*21參考文獻*21第一篇1.1機電一體化”？它的來源是什么？“機電一體化”在國外被稱為Mechatronics是日本人在20世紀70年代初提出來的，它是用英文Mechanics的前半部分和Electronics的后半部分結(jié)合在一起構(gòu)成的一個新詞，意思是機械技術(shù)和電子技術(shù)的有機結(jié)合。這一名稱已得到包括我國在內(nèi)的世界各國的承認，我國的工程技術(shù)人員習慣上把它譯為機電一體化技術(shù)。機電一體化技術(shù)又稱為機械電子技術(shù)，是機械技術(shù)、電子技術(shù)和信息技術(shù)有機結(jié)合的

3、產(chǎn)物。1.2機電一體化技術(shù)基本概念機電一體化是指在機構(gòu)得主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進電子技術(shù)，將機械裝置與電子化設(shè)計及軟件結(jié)合起來所構(gòu)成的系統(tǒng)的總稱。機電一體化技術(shù)是在微型計算機為代表的微電子技術(shù)、信息技術(shù)迅速發(fā)展，向機械工業(yè)領(lǐng)域迅猛滲透，機械電子技術(shù)深度結(jié)合的現(xiàn)代工業(yè)的基礎(chǔ)上，綜合應用機械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感測試技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)及軟件編程技術(shù)等群體技術(shù)，從系統(tǒng)理論出發(fā)，根據(jù)系統(tǒng)功能目標和優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)目標，以智力、動力、結(jié)構(gòu)、運動和感知組成要素為基礎(chǔ)，對各組成要素及其間的信息處理，接口耦合，運動傳遞，物質(zhì)運動，能量變換進行研究，使得整個系

4、統(tǒng)有機結(jié)合與綜合集成，并在系統(tǒng)程序和微電子電路的有序信息流控制下，形成物質(zhì)的和能量的有規(guī)則運動，在高功能、高質(zhì)量、高精度、高可靠性、低能耗等諸方面實現(xiàn)多種技術(shù)功能復合的最佳功能價值系統(tǒng)工程技術(shù)。1.3一體化技術(shù)五大組成要素與四大原則：1、五大組成要素：一個機電一體化系統(tǒng)中一般由結(jié)構(gòu)組成要素、動力組成要素、運動組成要素、感知組成要素、智能組成要素五大組成要素有機結(jié)合而成。（請參考機電之家機電一體化頻道）機械本體（結(jié)構(gòu)組成要素）是系統(tǒng)的所有功能要素的機械支持結(jié)構(gòu)，一般包括有機身、框架、支撐、聯(lián)接等。動力驅(qū)動部分（動力組成要素）依據(jù)系統(tǒng)控制要求，為系統(tǒng)提供能量和動力以使系統(tǒng)正常運行。測試傳感部分（感

5、知組成要素）對系統(tǒng)的運行所需要的本身和外部環(huán)境的各種參數(shù)和狀態(tài)進行檢測，并變成可識別的信號，傳輸給信息處理單元，經(jīng)過分析、處理后產(chǎn)生相應的控制信息?？刂萍靶畔⑻幚聿糠郑毮芙M成要素）將來之測試傳感部分的信息及外部直接輸入的指令進行集中、存儲、分析、加工處理后，按照信息處理結(jié)果和規(guī)定的程序與節(jié)奏發(fā)出相應的指令，控制整個系統(tǒng)有目的的運行。執(zhí)行機構(gòu)（運動組成要素）根據(jù)控制及信息處理部分發(fā)出的指令，完成規(guī)定的動作和功能2、機電一體化四大原則：構(gòu)成機電一體化系統(tǒng)的五大組成要素其內(nèi)部及相互之間都必須遵循結(jié)構(gòu)耦合、運動傳遞、信息控制與能量轉(zhuǎn)換四大原則。接口耦合：兩個需要進行信息交換和傳遞的環(huán)節(jié)之間，由于信息

6、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）無法直接傳遞和交換，必須通過接口耦合來實現(xiàn)。而兩個信號強弱相差懸殊的環(huán)節(jié)之間，也必須通過接口耦合后，才能匹配。變換放大后的信號要在兩個環(huán)節(jié)之間可靠、快速、準確的交換、傳遞，必須遵循一致的時序、信號格式和邏輯規(guī)范才行，因此接口耦合時就必須具有保證信息的邏輯控制功能，使信息按規(guī)定的模式進行交換與傳遞。能量轉(zhuǎn)換：兩個需要進行傳輸和交換的環(huán)節(jié)之間，由于模式不同而無法直接進行能量的轉(zhuǎn)換和交流，必須進行能量的轉(zhuǎn)換，能量的轉(zhuǎn)換包括執(zhí)行器，驅(qū)動器和他們的不同類型能量的最優(yōu)轉(zhuǎn)換方法及原理。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

7、件的保證下，完成信息的采集、傳輸、儲存、分析、運算、判斷、決策，以達到信息控制的目的。對于智能化程度高的信息控制系統(tǒng)還包含了知識獲得、推理機制以及自學習功能等知識驅(qū)動功能。運動傳遞：運動傳遞使構(gòu)成機電一體化系統(tǒng)各組成要素之間，不同類型運動的變換與傳輸以及以運動控制為目的的優(yōu)化。3、所謂自動化技術(shù)，是指人類利用各種技術(shù)手段和方法來代替人去完成各種測試、分析、判斷和控制工作，以現(xiàn)實預期的目標、功能。一個自動化系統(tǒng)通常由多個環(huán)節(jié)要素組成，以完成信息的獲取、信息的傳遞、信息的轉(zhuǎn)換、信息的處理及信息的執(zhí)行等功能，最后實現(xiàn)自動運行目標。第二篇一體化技術(shù)發(fā)展歷程及其趨勢 自電子技術(shù)一問世，電子技術(shù)與機械技術(shù)

8、的結(jié)合就開始了，只是出現(xiàn)了半導體集成電路，尤其是出現(xiàn)了以微處理器為代表的大規(guī)模集成電路以后，“機電一體化”技術(shù)之后有了明顯進展，引起了人們的廣泛注意。2.1“機電一體化”的發(fā)展歷程1.數(shù)控機床的問世，寫下了“機電一體化”歷史的第一頁；2.微電子技術(shù)為“機電一體化帶來勃勃生機；3.可編程序控制器、“電力電子”等的發(fā)展為“機電一體化”提供了堅強基礎(chǔ)；4.激光技術(shù)、模糊技術(shù)、信息技術(shù)等新技術(shù)使“機電一體化”躍上新臺階。2.2“機電一體化”發(fā)展趨勢1.機電一體化。一般的機電一體化系統(tǒng)是由傳感系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)等部件組成的。因此，引進光學技術(shù)，實現(xiàn)光學技術(shù)的先天優(yōu)點是能有效地改進機電

9、一體化系統(tǒng)的傳感系統(tǒng)、能源（動力）系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)。機電一體化是機電產(chǎn)品發(fā)展的重要趨勢。2.配系統(tǒng)化柔性化。未來的機電一體化產(chǎn)品，控制和執(zhí)行系統(tǒng)有足夠的“冗余度”，有較強的“柔性”，能較好地應付突發(fā)事件，被設(shè)計成 “自律分配系統(tǒng)”。在自律分配系統(tǒng)中，各個子系統(tǒng)是相互獨立工作的，子系統(tǒng)為總系統(tǒng)服務，同時具有本身的“自律性”，可根據(jù)不同的環(huán)境條件作出不同反應。其特點是子系統(tǒng)可產(chǎn)生本身的信息并附加所給信息，在總的前提下，具體“行動”是可以改變的。這樣，既明顯地增加了系統(tǒng)的適應能力（柔性），又不因某一子系統(tǒng)的故障而影響整個系統(tǒng)。3.全息系統(tǒng)化智能化。今后的機電一體化產(chǎn)品“全息”特征越來越明顯，智能化

10、水平越來越高。這主要收益于模糊技術(shù)、信息技術(shù)（尤其是軟件及芯片技術(shù)）的發(fā)展。除此之外，其系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，也變簡單的“從上到下”的形勢而為復雜的、有較多冗余度的雙向聯(lián)系。4.“生物一軟件化”仿生物系統(tǒng)化。今后的機電一體化裝置對信息的依賴性很大，并且往往在結(jié)構(gòu)上是處于“靜態(tài)”時不穩(wěn)定，但在動態(tài)（工作）時卻是穩(wěn)定的。這有點類似于活的生物：當控制系統(tǒng)（大腦）停止工作時，生物便“死亡”，而當控制系統(tǒng)（大腦）工作時，生物就很有活力。仿生學研究領(lǐng)域中已發(fā)現(xiàn)的一些生物體優(yōu)良的機構(gòu)可為機電一體化產(chǎn)品提供新型機體，但如何使這些新型機體具有活的“生命”還有待于深入研究。這一研究領(lǐng)域稱為“生物軟件”或“生物系統(tǒng)”，而

11、生物的特點是硬件（肌體）軟件（大腦）一體，不可分割?？磥?，機電一體化產(chǎn)品雖然有向生物系統(tǒng)化發(fā)展趨，但有一段漫長的道路要走。5.微型機電化微型化。目前，利用半導體器件制造過程中的蝕刻技術(shù)，在實驗室中已制造出亞微米級的機械元件。當將這一成果用于實際產(chǎn)品時，就沒有必要區(qū)分機械部分和控制器了。屆時機械和電子完全可以“融合”，機體、執(zhí)行機構(gòu)、傳感器、CPU等可集成在一起，體積很小，并組成一種自律元件。這種微型機械學是機電一體化的重要發(fā)展方向。2.3機電一體化產(chǎn)品機電一體化產(chǎn)品分系統(tǒng)（整機）和基礎(chǔ)元、部件兩大類。典型的機電一體化系統(tǒng)有：數(shù)控機床、機器人、汽車電子化產(chǎn)品、智能化儀器儀表、電子排版印刷系統(tǒng)、C

12、ADCAM系統(tǒng)等。典型的機電一體化元、部件有：電力電子器件及裝置、可編程序控制器、模糊控制器、微型電機、傳感器、專用集成電路、伺服機構(gòu)等。這些典型的機電一體化產(chǎn)品的技術(shù)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢、市場前景分析從略。2.4發(fā)展“機電一體化”而臨的形勢機電一體化工作主要包括兩個層次：一是用微電子技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，其目的是節(jié)能、節(jié)材，提高工效，提高產(chǎn)品質(zhì)量，把傳統(tǒng)工業(yè)的技術(shù)進步提高一步；二是開發(fā)自動化、數(shù)字化、智能化機電產(chǎn)品，促進產(chǎn)品的更新?lián)Q代。第三篇3.1一體化技術(shù)發(fā)展機電一體化是機械、微電子、控制、計算機、信息處理等多學科的交叉融合，其發(fā)展和進步有賴于相關(guān)技術(shù)的進步與發(fā)展，其主要發(fā)展方向有數(shù)字化、智能化、模

13、塊化、網(wǎng)絡化、人性化、微型化、集成化、帶源化和綠色化。1數(shù)字化微控制器及其發(fā)展奠定了機電產(chǎn)品數(shù)字化的基礎(chǔ)，如不斷發(fā)展的數(shù)控機床和機器人；而計算機網(wǎng)絡的迅速崛起，為數(shù)字化設(shè)計與制造鋪平了道路，如虛擬設(shè)計、計算機集成制造等。數(shù)字化要求機電一體化產(chǎn)品的軟件具有高可靠性、易操作性、可維護性、自診斷能力以及友好人機界面。數(shù)字化的實現(xiàn)將便于遠程操作、診斷和修復。2智能化即要求機電產(chǎn)品有一定的智能,使它具有類似人的邏輯思考、判斷推理、自主決策等能力。例如在CNC數(shù)控機床上增加人機對話功能，設(shè)置智能I/O接口和智能工藝數(shù)據(jù)庫，會給使用、操作和維護帶來極大的方便。隨著模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡、灰色理論、小波理論、混沌

14、與分岔等人工智能技術(shù)的進步與發(fā)展，為機電一體化技術(shù)發(fā)展開辟了廣闊天地。3模塊化由于機電一體化產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠家繁多，研制和開發(fā)具有標準機械接口、動力接口、環(huán)境接口的機電一體化產(chǎn)品單元模塊是一項復雜而有前途的工作。如研制具有集減速、變頻調(diào)速電機一體的動力驅(qū)動單元；具有視覺、圖像處理、識別和測距等功能的電機一體控制單元等。這樣，在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計時，可以利用這些標準模塊化單元迅速開發(fā)出新的產(chǎn)品。4網(wǎng)絡化由于網(wǎng)絡的普及，基于網(wǎng)絡的各種遠程控制和監(jiān)視技術(shù)方興未艾。而遠程控制的終端設(shè)備本身就是機電一體化產(chǎn)品，現(xiàn)場總線和局域網(wǎng)技術(shù)使家用電器網(wǎng)絡化成為可能，利用家庭網(wǎng)絡把各種家用電器連接成以計算機為中心的計算機

15、集成家用電器系統(tǒng)，使人們在家里可充分享受各種高技術(shù)帶來的好處，因此，機電一體化產(chǎn)品無疑應朝網(wǎng)絡化方向發(fā)展。5人性化機電一體化產(chǎn)品的最終使用對象是人，如何給機電一體化產(chǎn)品賦予人的智能、情感和人性顯得愈來愈重要，機電一體化產(chǎn)品除了完善的性能外，還要求在色彩、造型等方面與環(huán)境相協(xié)調(diào)，使用這些產(chǎn)品，對人來說還是一種藝術(shù)享受，如家用機器人的最高境界就是人機一體化。6微型化微型化是精細加工技術(shù)發(fā)展的必然，也是提高效率的需要。微機電系統(tǒng)(Micro Electronic Mechanical Systems，簡稱MEMS)是指可批量制作的，集微型機構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路，直至接口、

16、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。自1986年美國斯坦福大學研制出第一個醫(yī)用微探針，1988年美國加州大學Berkeley分校研制出第一個微電機以來，國內(nèi)外在MEMS工藝、材料以及微觀機理研究方面取得了很大進展，開發(fā)出各種MEMS器件和系統(tǒng)，如各種微型傳感器（壓力傳感器、微加速度計、微觸覺傳感器），各種微構(gòu)件（微膜、微粱、微探針、微連桿、微齒輪、微軸承、微泵、微彈簧以及微機器人等）。7集成化集成化既包含各種技術(shù)的相互滲透、相互融合和各種產(chǎn)品不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與復合，又包含在生產(chǎn)過程中同時處理加工、裝配、檢測、管理等多種工序。為了實現(xiàn)多品種、小批量生產(chǎn)的自動化與高效率，應使系統(tǒng)具有更廣泛的柔性。首

17、先可將系統(tǒng)分解為若干層次，使系統(tǒng)功能分散，并使各部分協(xié)調(diào)而又安全地運轉(zhuǎn)，然后再通過軟、硬件將各個層次有機地聯(lián)系起來，使其性能最優(yōu)、功能最強。8帶源化是指機電一體化產(chǎn)品自身帶有能源，如太陽能電池、燃料電池和大容量電池。由于在許多場合無法使用電能，因而對于運動的機電一體化產(chǎn)品，自帶動力源具有獨特的好處。帶源化是機電一體化產(chǎn)品的發(fā)展方向之一。9 綠色化科學技術(shù)的發(fā)展給人們的生活帶來巨大變化，在物質(zhì)豐富的同時也帶來資源減少、生態(tài)環(huán)境惡化的后果。所以，人們呼喚保護環(huán)境，回歸自然，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，綠色產(chǎn)品概念在這種呼聲中應運而生。綠色產(chǎn)品是指低能耗、低材耗、低污染、舒適、協(xié)調(diào)而可再生利用的產(chǎn)品。在其設(shè)計、

18、制造、使用和銷毀時應符合環(huán)保和人類健康的要求，機電一體化產(chǎn)品的綠色化主要是指在其使用時不污染生態(tài)環(huán)境，產(chǎn)品壽命結(jié)束時，產(chǎn)品可分解和再生利用。3.2機電一體化技術(shù)在鋼鐵企業(yè)中應用在鋼鐵企業(yè)中，機電一體化系統(tǒng)是以微處理機為核心，把微機、工控機、數(shù)據(jù)通訊、顯示裝置、儀表等技術(shù)有機的結(jié)合起來，采用組裝合并方式，為實現(xiàn)工程大系統(tǒng)的綜合一體化創(chuàng)造有力條件，增強系統(tǒng)控制精度、質(zhì)量和可靠性。機電一體化技術(shù)在鋼鐵企業(yè)中主要應用于以下幾個方面：1 智能化控制技術(shù)(IC)由于鋼鐵工業(yè)具有大型化、高速化和連續(xù)化的特點，傳統(tǒng)的控制技術(shù)遇到了難以克服的困難，因此非常有必要采用智能控制技術(shù)。智能控制技術(shù)主要包括專家系統(tǒng)、模

19、糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡等，智能控制技術(shù)廣泛應用于鋼鐵企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)、控制、設(shè)備與產(chǎn)品質(zhì)量診斷等各個方面，如高爐控制系統(tǒng)、電爐和連鑄車間、軋鋼系統(tǒng)、煉鋼連鑄軋鋼綜合調(diào)度系統(tǒng)、冷連軋等。2 分布式控制系統(tǒng)(DCS)分布式控制系統(tǒng)采用一臺中央計算機指揮若干臺面向控制的現(xiàn)場測控計算機和智能控制單元。分布式控制系統(tǒng)可以是兩級的、三級的或更多級的。利用計算機對生產(chǎn)過程進行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制。隨著測控技術(shù)的發(fā)展，分布式控制系統(tǒng)的功能越來越多。不僅可以實現(xiàn)生產(chǎn)過程控制，而且還可以實現(xiàn)在線最優(yōu)化、生產(chǎn)過程實時調(diào)度、生產(chǎn)計劃統(tǒng)計管理功能，成為一種測、控、管一體化的綜合系統(tǒng)。DCS具有特點控制功能多樣化

20、、操作簡便、系統(tǒng)可以擴展、維護方便、可靠性高等特點。DCS是監(jiān)視集中控制分散，故障影響面小，而且系統(tǒng)具有連鎖保護功能，采用了系統(tǒng)故障人工手動控制操作措施，使系統(tǒng)可靠性高。分布式控制系統(tǒng)與集中型控制系統(tǒng)相比，其功能更強，具有更高的安全性。是當前大型機電一體化系統(tǒng)的主要潮流。3 開放式控制系統(tǒng)(OCS)開放控制系統(tǒng)(Open Control System)是目前計算機技術(shù)發(fā)展所引出的新的結(jié)構(gòu)體系概念?！伴_放”意味著對一種標準的信息交換規(guī)程的共識和支持，按此標準設(shè)計的系統(tǒng)，可以實現(xiàn)不同廠家產(chǎn)品的兼容和互換，且資源共享。開放控制系統(tǒng)通過工業(yè)通信網(wǎng)絡使各種控制設(shè)備、管理計算機互聯(lián)，實現(xiàn)控制與經(jīng)營、管理、

21、決策的集成，通過現(xiàn)場總線使現(xiàn)場儀表與控制室的控制設(shè)備互聯(lián)，實現(xiàn)測量與控制一體化。4 計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)鋼鐵企業(yè)的CIMS是將人與生產(chǎn)經(jīng)營、生產(chǎn)管理以及過程控制連成一體，用以實現(xiàn)從原料進廠，生產(chǎn)加工到產(chǎn)品發(fā)貨的整個生產(chǎn)過程全局和過程一體化控制。目前鋼鐵企業(yè)已基本實現(xiàn)了過程自動化，但這種“自動化孤島”式的單機自動化缺乏信息資源的共享和生產(chǎn)過程的統(tǒng)一管理，難以適應現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)的要求。未來鋼鐵企業(yè)競爭的焦點是多品種、小批量生產(chǎn)，質(zhì)優(yōu)價廉，及時交貨。為了提高生產(chǎn)率、節(jié)能降耗、減少人員及現(xiàn)有庫存，加速資金周轉(zhuǎn)，實現(xiàn)生產(chǎn)、經(jīng)營、管理整體優(yōu)化，關(guān)鍵就是加強管理，獲取必須的經(jīng)濟效益，提高了企業(yè)的競爭

22、力。美國、日本等一些大型鋼鐵企業(yè)在20世紀80年代已廣泛實現(xiàn)CIMS化。5 現(xiàn)場總線技術(shù)(FBT)現(xiàn)場總線技術(shù)(Field Bus Technology)是連接設(shè)置在現(xiàn)場的儀表與設(shè)置在控制室內(nèi)的控制設(shè)備之間的數(shù)字式、雙向、多站通信鏈路。采用現(xiàn)場總線技術(shù)取代現(xiàn)行的信號傳輸技術(shù) (如420mA，C直流傳輸)就能使更多的信息在智能化現(xiàn)場儀表裝置與更高一級的控制系統(tǒng)之間在共同的通信媒體上進行雙向傳送。通過現(xiàn)場總線連接可省去66%或更多的現(xiàn)場信號連接導線?，F(xiàn)場總線的引入導致CS的變革和新一代圍繞開放自動化系統(tǒng)的現(xiàn)場總線化儀表，如智能變送器、智能執(zhí)行器、現(xiàn)場總線化檢測儀表、現(xiàn)場總線化PLC(Program

23、mable Logic Controller)和現(xiàn)場就地控制站等的發(fā)展。6 交流傳動技術(shù)傳動技術(shù)在鋼鐵工業(yè)中起作至關(guān)重要的作用。隨著電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展非常迅速。由于交流傳動的優(yōu)越性，電氣傳動技術(shù)在不久的將來由交流傳動全面取代直流傳動，數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，使復雜的矢量控制技術(shù)實用化得以實現(xiàn)，交流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速性能已達到和超過直流調(diào)速水平?，F(xiàn)在無論大容量電機或中小容量電機都可以使用同步電機或異步電機實現(xiàn)可逆平滑調(diào)速。交流傳動系統(tǒng)在軋鋼生產(chǎn)中一出現(xiàn)就受到用戶的歡迎，應用不斷擴大。第四篇機電一體化系統(tǒng)可分為機械和微電子系統(tǒng)兩大部分,各部分連接須具備一定條件,這個聯(lián)系條件通常

24、稱為接口。各分系統(tǒng)又由各要素(子系統(tǒng))組成。本文以機電一體化控制系統(tǒng)(微電子系統(tǒng))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(tǒng)與微電子系統(tǒng)在性質(zhì)上有很大差別,兩者間的聯(lián)系須通過機電接口進行調(diào)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(zhuǎn)換和功率放大。一般微機的I/O芯片都是TTL電平,而控制設(shè)備則不一定,因此必須進行電平轉(zhuǎn)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(tǒng)和控制設(shè)備在電器上加以隔離; (3)進行A/D或D/A轉(zhuǎn)換。當被控對象的檢測和控制信號為模擬量時,必須在

25、微機系統(tǒng)和被控對象之間設(shè)置A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路,以保證微機所處理的數(shù)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(tǒng)中,反映被控對象運行狀態(tài)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(zhuǎn)速檢測用的測速發(fā)電機等)計算機要對被控對象進行控制,必須獲得反映系統(tǒng)運行的狀態(tài)信號,而計算機只能接受數(shù)字信號,要達到獲取信息的目的,就應將模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)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(tǒng)中,控制生產(chǎn)過程執(zhí)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(diào)速、直流

26、電動機調(diào)速器、滑差電動機調(diào)速器等。而計算機只能輸出數(shù)字信號,并通過運算產(chǎn)生控制信號,達到控制生產(chǎn)過程的目的,應有將數(shù)字信號轉(zhuǎn)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(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓或電流信號,以便驅(qū)動相應的執(zhí)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(shù)字模擬信號轉(zhuǎn)換器、多路模擬開關(guān)和功率放大器幾部分構(gòu)成。3、開關(guān)信號通道接口。機電一體化系統(tǒng)的控制系統(tǒng)中,需要經(jīng)常處理一類最基本的輸入/輸出信號,即數(shù)字量(開關(guān)量)信號包括:開關(guān)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(guān)閉等。這些信號的共同特征是以二進制的邏輯

27、“1”和“0”出現(xiàn)的。在機電一體化控制系統(tǒng)中,對應二進制數(shù)碼的每一位都可以代表生產(chǎn)過程中的一個狀態(tài),此狀態(tài)作為控制依據(jù)。 (1)輸入通道接口。開關(guān)信號輸入通道接口的任務是將來自控制過程的開關(guān)信號、邏輯電平信號以及一些系統(tǒng)設(shè)置開關(guān)信號傳送給計算機。這些信號實質(zhì)是一種電平各異的數(shù)字信號,所以開關(guān)信號輸入通道又稱為數(shù)字輸入通道(DI)。由于開關(guān)信號只有兩種邏輯狀態(tài)“ON”和“OFF”或數(shù)字信號“1”和“0”,但是其電平一般與計算機的數(shù)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(shè)計問題,它主要由輸入緩沖器、電平隔離與轉(zhuǎn)換電路和地址譯碼電路等組成。 (2)輸出通道接口。開關(guān)

28、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(guān)信號傳遞給開關(guān)執(zhí)行器(如繼電器或報警指示器)。它實質(zhì)是邏輯數(shù)字的輸出通道,又稱為數(shù)字輸出通道(DO)。DO通道接口設(shè)計主要考慮的是內(nèi)部與外部公共地隔離和驅(qū)動開關(guān)執(zhí)行器的功率。開關(guān)量輸出通道接口主要由輸出鎖存器、驅(qū)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(tǒng)(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(tǒng)通過輸出接口向操作者顯示系統(tǒng)的各種狀態(tài)、運行參數(shù)及結(jié)果等信息;另一方面,操作者通過輸入接口向機電系統(tǒng)輸入各種控制命令,干預系統(tǒng)的運行狀態(tài),以實現(xiàn)所要求的功能。 1

29、、輸入接口。 (1)撥盤輸入接口。撥盤是機電一體化系統(tǒng)中常見的一種輸入設(shè)備,若系統(tǒng)需要輸入少量的參數(shù),如修正系數(shù)、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(shè)計的鍵盤程序來實現(xiàn)。前者使用方便,但

30、結(jié)構(gòu)復雜,成本高;后者電路簡單,便于設(shè)計。 2、輸出接口。在機電一體化系統(tǒng)中,發(fā)光二極管顯示器(LED)是典型的輸出設(shè)備,由于LED顯示器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可靠性高、壽命長、價格便宜,因此使用廣泛。常用的LED顯示器有7段發(fā)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(fā)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。第五篇 機電一體化是在機械的主功能、動力功能、信息功能和控制功能上引進微電子技術(shù)，并將機械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機結(jié)合而構(gòu)成的系統(tǒng)。機電一體化系統(tǒng)投入工業(yè)應

31、用環(huán)境運行時，系統(tǒng)總會受到電網(wǎng)、空間與周圍環(huán)境干擾。若系統(tǒng)抵御不住干擾的沖擊，各電氣功能模塊將不能進行正常的工作，微機系統(tǒng)往往會因干擾產(chǎn)生程序“跑飛”，傳感器模塊將會輸出偽信號，功率驅(qū)動模塊將會輸出畸變的驅(qū)動信號，使執(zhí)行機構(gòu)動作失常，最終導致系統(tǒng)產(chǎn)生故障，甚至癱瘓。1 干擾源從干擾竄入系統(tǒng)的渠道來看，系統(tǒng)所受到的干擾源分為供電干擾、過程通道干擾、場干擾等。（1）供電干擾大功率設(shè)備會造成電網(wǎng)的嚴重污染，使得電網(wǎng)電壓大幅度地漲落、浪涌，大功率開關(guān)的通斷，電動機的啟停等原因，電網(wǎng)上常常出現(xiàn)很高的尖峰脈沖干擾。據(jù)統(tǒng)計，電源的投入、瞬時短路、欠壓、過壓、電網(wǎng)竄入的噪聲引起CPU誤動作及數(shù)據(jù)丟失占各種干擾

32、的90以上。（2）過程通道干擾過程通道干擾主要來源于長線傳輸。當系統(tǒng)中有電氣設(shè)備漏電，接地系統(tǒng)不完善，或者傳感器測量部件絕緣不好等；及各通道的傳輸線如果處于同根電纜或捆扎在一起，尤其是將信號線與交流電源線處于同一根管道時，產(chǎn)生的共?；虿钅ｋ妷憾紩绊懴到y(tǒng)，使系統(tǒng)無法工作。 （3）場干擾系統(tǒng)周圍的空間總存在著磁場、電磁場、靜電場，如太陽及天體輻射；廣播、電話、通訊發(fā)射臺的電磁波；周圍中頻設(shè)備發(fā)出的電磁輻射等。這些場干擾會通過電源或傳輸線影響各功能模塊的正常工作，使其中的電平發(fā)生變化或產(chǎn)生脈沖干擾信號。2 抗供電干擾的措施 （1）配電系統(tǒng)的抗干擾 抑制供電干擾首先從配電系統(tǒng)上采取措施，其次可采用分

33、立式供電方案，就是將組成系統(tǒng)各模塊分別用獨立的變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓電路構(gòu)成的直流電源供電，這樣就減少了集中供電的危險性，而且也減少了公共阻抗以及公共電源的相互耦合，提高了供電的可靠性，也有利于電源散熱。 另外，交流電的引入線應采用粗導線，直流輸出線應采用雙絞線，扭絞的螺距要小，并盡可能縮短配線長度（2）利用電源監(jiān)視電路在配電系統(tǒng)中實施抗干擾措施是必不可少的，但這些仍難抵御微秒級的干擾脈沖及瞬態(tài)掉電，特別是后者屬于惡性干擾，可能產(chǎn)生嚴重的事故。因此應采取進一步的保護性措施，即使用電源監(jiān)視電路。電源監(jiān)視電路需具有監(jiān)視電源電壓瞬時短路、瞬間降壓和微秒級干擾及掉電的功能；及時輸出供CPU接受的復位信

34、號及中斷信號等功能。3 過程通道抗干擾措施抑制過程通道上的干擾，主要措施有光電隔離、雙絞線傳輸、阻抗匹配、電流傳輸以及合理布線等。（1）光電隔離 利用光電耦合器的電流傳輸特性，在長線傳輸時可以將模塊間兩個光電耦合器件用連線“浮置”起來，這種方法不僅有效地消除了各電氣功能模塊間的電流流經(jīng)公共線時所產(chǎn)生的噪聲電壓互相竄擾，而且有效地解決了長線驅(qū)動和阻抗匹配問題。 （2）雙絞線傳輸在長線傳輸中，雙絞線是較常用的一種傳輸線，與同軸電纜相比，雖然頻帶較窄，但阻抗高，降低了共模干擾。由于雙絞線構(gòu)成的各個環(huán)路，改變了線間電磁感應的方向，使其相互抵消，因而對電磁場的干擾有一定的抑制效果。（3）阻抗匹配長線傳輸

35、時，若收發(fā)兩端的阻抗不匹配，則會產(chǎn)生信號反射，使信號失真，其危害程度與傳輸?shù)念l率及傳輸線長度有關(guān)。（4）電流傳輸 長線傳輸時，用電流傳輸代替電壓傳輸，可獲得較好的抗干擾能力。（5）合理布線 強電饋線必須單獨走線，強信號線與弱信號線應盡量避免平行走向。4 場干擾的抑制防止場干擾的主要方法是良好的屏蔽和正確的接地。須注意以下問題：（1）消除靜電干擾最簡單的方法是把感應體接地，接地時要防止形成接地環(huán)路。 （2）為了防止電磁場干擾，可采用帶屏蔽層的信號線，并將屏蔽層單端接地。 （3）不要把導線的屏蔽層當作信號線或公用線來使用。 （4）在布線方面，不要在電源電路和檢測、控制電路之間使用公用線，也不要在模

36、擬電路和數(shù)字脈沖電路之間使用公用線，以免互相串擾。5 軟件抗干擾技術(shù)各種形式的干擾最終會反映在系統(tǒng)的微機模塊中，導致數(shù)據(jù)采集誤差、控制狀態(tài)失靈、存儲數(shù)據(jù)竄改以及程序運行失常等后果，雖然在系統(tǒng)硬件上采取了上述多種抗干擾措施，但仍然不能保證微機系統(tǒng)正常工作。因為軟件抗干擾是屬于微機系統(tǒng)的自身防御行為，實施軟件抗干擾的必要條件是： （1）在干擾的作用下，微機硬件部分以及與其相連的各功能模塊不會受到任何損毀，或易損壞的單元設(shè)置有監(jiān)測狀態(tài)可查詢。 2）系統(tǒng)的程序及固化常數(shù)不會因干擾的侵入而變化。 （3）RAM區(qū)中的重要數(shù)據(jù)在干擾侵入后可重新建立，并且系統(tǒng)重新運行時不會出現(xiàn)不允許的數(shù)據(jù)抑制數(shù)據(jù)采樣的干擾可

37、采用：數(shù)字濾波，寬度判斷抗尖峰脈沖干擾等辦法，也可采用重復檢查法，偏差判斷法來檢查判斷是否有干擾信號。而程序運行失常的軟件抗干擾措施一般（1）設(shè)置WATCHDOG功能，由硬件配合，監(jiān)視軟件的運行情況，遇到故障進行相應的處理。（2）設(shè)置軟件陷阱，當程序指針失控而使程序進入非程序空間時，在該空間中設(shè)置攔截指令，使程序進入陷阱，然后強迫其轉(zhuǎn)入初始狀地結(jié)合在一起,形成完整的系統(tǒng)。 結(jié)論本篇介紹了機電一體化技術(shù)的由來，發(fā)展，應用。接口技術(shù)是在機電一體化技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,隨著機電一體化技術(shù)的發(fā)展而變得越來越重要;同時接口技術(shù)的研究也必然促進機電一體化的發(fā)展。從某種意義上講,機電一體化系統(tǒng)的設(shè)計,就是

38、根據(jù)功能要求選擇了各部分后所進行的接口設(shè)計。接口的好與壞直接影響到機電一體化系統(tǒng)的控制性能,以及系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性,因此接口技術(shù)是機電一體化系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。機電一體化技術(shù)在以后會迅速發(fā)展。 參考文獻1仁元,張慧慧,鄭剛。機電接口技術(shù)的內(nèi)涵和發(fā)展。北京工業(yè)大學學報。2明輝?；跈C電一體化系統(tǒng)接口技術(shù)的研究。江西電力職業(yè)技術(shù)學院學報。3建勇.機電一體化技術(shù)M.北京:科學出版社4運華.機電控制M.北京:北京航空航天大學出社5自厚 人工智能技術(shù)及其在鋼鐵工業(yè)中的應用冶金自動化6立新.鋼鐵工業(yè)CIMS特點和體系結(jié)構(gòu)的研究冶金7懷斌 工業(yè)控制的進展與趨勢 自動化與儀器儀表8俊普 智能控制M 合肥：中國科學技術(shù)大學出版社9行辛 鋼鐵工業(yè)自動化的進展與展望 2012年 月 日