[管理類論文精品]技術(shù)在煤礦生產(chǎn)中的應(yīng)用

1、技術(shù)在煤礦生產(chǎn)中的應(yīng)用 摘要: 本文對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)進(jìn)行了概述, 簡(jiǎn)要介紹了機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展歷程和趨勢(shì), 論述了機(jī)電一體化技術(shù)的研究在煤礦生產(chǎn)中的重要意義, 重點(diǎn)介紹了機(jī)電一體化技術(shù)在煤礦生產(chǎn)中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞:煤礦 機(jī)電一體化 意義 應(yīng)用1 機(jī)電一體化技術(shù)的概述“ 機(jī)電一體化”(mechatronics)是集機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)等多種技術(shù)有機(jī)結(jié)合的一門交叉綜合技術(shù)。機(jī)電一體化是在機(jī)械的主功能、動(dòng)力功能和控制功能上引進(jìn)計(jì)算機(jī)和電子技術(shù),將機(jī)械裝置和電子設(shè)備以及軟件等緊密結(jié)合起來,相互滲透,相互融合而形成的一門新興的綜合技術(shù)。它的本質(zhì)不僅是單純地利用電子技術(shù)來簡(jiǎn)化或替代機(jī)械,更重要的是

2、將機(jī)械系統(tǒng)、微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)組成了最佳系統(tǒng)。機(jī)電一體化技術(shù)具有下述優(yōu)勢(shì):提高使用的安全性和可靠性、改善使用性能。機(jī)電一體化產(chǎn)品均具有自動(dòng)監(jiān)視、報(bào)警、診斷等功能,大大簡(jiǎn)化了操作步驟并且簡(jiǎn)單、方便;適用面廣、生產(chǎn)能力強(qiáng)、工作質(zhì)量高。機(jī)電一體化產(chǎn)品的各種自動(dòng)功能適用于不同的場(chǎng)合和領(lǐng)域,應(yīng)變能力強(qiáng),很大程度提高了控制和檢測(cè)的靈敏度和精度;具有復(fù)合功能、調(diào)整和維護(hù)方便。機(jī)電一體化產(chǎn)品具有復(fù)合技術(shù)和復(fù)合功能,它的它的自動(dòng)化檢驗(yàn)和自動(dòng)監(jiān)視功能可對(duì)工作過程中出現(xiàn)的故障自動(dòng)采取措施,使工作恢復(fù)正常。2 機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展歷程和趨勢(shì)總體說來,機(jī)電一體化技術(shù)經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展階段:準(zhǔn)備階段,計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)標(biāo)

3、準(zhǔn)著機(jī)電一體化技術(shù)的產(chǎn)生。上個(gè)世紀(jì)六十年代,日本首先提出這個(gè)名詞,但是限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平,該技術(shù)無(wú)法得到廣泛的推廣和應(yīng)用;起步階段,信息技術(shù),微電子技術(shù)的發(fā)展成熟和第四代電子產(chǎn)品的商品化是機(jī)電一體化這一設(shè)想變成了現(xiàn)實(shí),在這一時(shí)期,機(jī)電一體化的影響不斷擴(kuò)大,并取得了較大發(fā)展;發(fā)展時(shí)期,進(jìn)入八十年代,機(jī)電一體化技術(shù)已為全世界學(xué)者所囑目,機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品已像雨后春筍般出現(xiàn);蓬勃發(fā)展時(shí)期,九十年代至今,各種新技術(shù)出現(xiàn)并取得突破性的發(fā)展,日新月異的變化使機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品擴(kuò)展到人們生活的各個(gè)領(lǐng)域。我國(guó)制造的機(jī)電一體化產(chǎn)品都具有智能化、程序化、信息化的特點(diǎn),以及設(shè)備體積小、操作、維護(hù)方便、保護(hù)齊全、

4、性能可靠等優(yōu)點(diǎn),機(jī)電一體化產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了生產(chǎn)力水平,創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。然而,我國(guó)的機(jī)電一體化技術(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比差距還很大,其未來的發(fā)展趨勢(shì)是:開發(fā)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù),研究具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心裝置;增加產(chǎn)品的通信功能,以適應(yīng)綜合自動(dòng)化的需要;開發(fā)以微處理器和微機(jī)為基礎(chǔ)的礦井設(shè)備工況和健康監(jiān)測(cè)以及微處理器、計(jì)算機(jī)和專家系統(tǒng)的應(yīng)用等;機(jī)器人仍然是機(jī)電一體化技術(shù)今后研究的重點(diǎn)之一。3 機(jī)電一體化技術(shù)的研究在煤礦生產(chǎn)中的重要意義3.1 提高勞動(dòng)效率機(jī)電一體化產(chǎn)品的應(yīng)用使過去落后的生產(chǎn)方式得到極大的改變,大量新型自動(dòng)化電子設(shè)備的使用徹底轉(zhuǎn)變了煤礦的作業(yè)模式,明顯降低

5、了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,大幅提升了勞動(dòng)生產(chǎn)率,極大地提高了勞動(dòng)效率。3.2 提高了勞動(dòng)安全保障傳統(tǒng)的煤礦工作環(huán)境非常惡劣,在潮濕、充滿煤塵的環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間、高負(fù)荷地工作嚴(yán)重影響到礦工的身體健康和生活質(zhì)量,某些情況下還會(huì)危及到他們的人身安全。采用機(jī)電一體化設(shè)備進(jìn)行煤炭的采掘、運(yùn)輸、提升等,不僅可以使礦工從繁重的體力勞動(dòng)中解脫出來,而且還能降低發(fā)生事故和危險(xiǎn)的幾率,防止工傷和職業(yè)病的發(fā)生,保證了礦工的生命安全。3.3 增加了經(jīng)濟(jì)效益和礦工的勞動(dòng)收入煤礦機(jī)電一體化技術(shù)的運(yùn)用使得煤炭的產(chǎn)量大幅提高,增加了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益,同樣使礦工的勞動(dòng)收入有所提高,改善礦工的生活質(zhì)量。煤礦企業(yè)的快速發(fā)展帶動(dòng)了其它相關(guān)行業(yè)的快

6、速發(fā)展,對(duì)地方經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展起到積極的推動(dòng)作用。4 機(jī)電一體化技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用4.1 機(jī)電一體化技術(shù)在采煤機(jī)中的應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)在采煤機(jī)的一個(gè)典型應(yīng)用就是電牽引采煤機(jī)。它具有許多液壓牽引采煤機(jī)不具備的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn):良好的牽引特性。在采煤機(jī)前進(jìn)時(shí)它可以提供牽引力,在采煤機(jī)下滑時(shí)它還可以進(jìn)行發(fā)電制動(dòng);可用于大傾角煤層。牽引電動(dòng)機(jī)軸端裝有停機(jī)時(shí)防止機(jī)器下滑的制動(dòng)器,可用在4050傾角的煤層,而不需要其它防滑裝置;運(yùn)行可靠,使用壽命長(zhǎng)。與液壓牽引不同是電牽引采煤機(jī)除電動(dòng)機(jī)的電刷和整流子有磨損外,其它元件沒有磨損,因此運(yùn)行可靠,使用壽命長(zhǎng),維修量小;反應(yīng)靈敏,動(dòng)態(tài)特性好;結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高。電牽引采煤機(jī)

7、機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)輕便簡(jiǎn)單,只做一次轉(zhuǎn)換電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)99%,而液壓采煤機(jī)的電能轉(zhuǎn)換機(jī)械能的轉(zhuǎn)換效率只有65%70%左右。4.2 機(jī)電一體化技術(shù)在提升機(jī)中的應(yīng)用目前煤礦機(jī)電一體化、自動(dòng)化水平最高的設(shè)備是礦井提升機(jī),為全數(shù)字化交直流提升機(jī)。尤其是內(nèi)裝式提升機(jī),在結(jié)構(gòu)上將滾筒和驅(qū)動(dòng)合二為一,大大簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu),充分體現(xiàn)了機(jī)械電力電子計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制的綜合體。而全數(shù)字化提升機(jī)高度可靠,采用總線方式,使電器安裝大大簡(jiǎn)化,此外,硬件配置簡(jiǎn)單,互相兼容。我國(guó)研制成功的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全數(shù)字化提升機(jī),其核心部分ascs是由雙cpu構(gòu)成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),其性能先進(jìn)、操作簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確可靠。4.3 機(jī)電一體

8、化技術(shù)在帶式輸送機(jī)中的應(yīng)用帶式輸送機(jī)是我國(guó)煤礦井下輸送系統(tǒng)的主要運(yùn)輸設(shè)備,具有長(zhǎng)距離連續(xù)輸送、輸送量大、運(yùn)行可靠、效率高和易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等特點(diǎn)。因此,近幾年來帶式輸送機(jī)已成為機(jī)電一體化技術(shù)的研究重點(diǎn)。目前主要采用機(jī)、電、液一體化的cst可控軟啟動(dòng)裝置。它是一種專門為煤炭或金屬礦石的長(zhǎng)距離皮帶運(yùn)輸機(jī)而設(shè)計(jì)的軟驅(qū)動(dòng)裝置。一條皮帶運(yùn)輸機(jī)可以由一臺(tái)或幾臺(tái)cst驅(qū)動(dòng)。由于尚未解決動(dòng)態(tài)分析和在線監(jiān)控技術(shù)以及啟動(dòng)延遲技術(shù),我國(guó)帶式輸送機(jī)一般為3點(diǎn)驅(qū)動(dòng),對(duì)輸送機(jī)的單機(jī)長(zhǎng)度和運(yùn)量存在一定的限制。而且,輸送機(jī)的監(jiān)控設(shè)備的功能、可靠性、靈敏度和壽命都與發(fā)達(dá)國(guó)家相比存在顯著的差距。4.4 其他煤礦機(jī)電一體化設(shè)備液壓支

9、架則向電液控制方向發(fā)展,將計(jì)算機(jī)技術(shù)與液壓控制有機(jī)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)定壓雙向鄰架或成組自動(dòng)移架,避免對(duì)頂板和支架產(chǎn)生沖擊載荷。煤礦供電要求是供電要可靠,質(zhì)量要高,能滿足大功率設(shè)備。因此應(yīng)該推廣節(jié)能型產(chǎn)品。高壓開關(guān)柜采用維護(hù)量小,使用壽命長(zhǎng)的真空開關(guān)。目前高、低開關(guān)柜普遍采用了“微機(jī)保護(hù)”,具備網(wǎng)絡(luò)功能,可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控、遙測(cè)、遙信和遙調(diào)。機(jī)電一體化技術(shù)是企業(yè)信息化的重要支撐技術(shù),目前已經(jīng)成為礦山綜合自動(dòng)化的基礎(chǔ)。機(jī)電一體化技術(shù)在煤礦采、掘、運(yùn)裝備的應(yīng)用和推廣,極大地提升了我國(guó)煤礦生產(chǎn)的綜合實(shí)力,為實(shí)現(xiàn)高效、安全、潔凈、結(jié)構(gòu)優(yōu)化的煤炭工業(yè)生產(chǎn)打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)。機(jī)電一體化系統(tǒng)是機(jī)械、電子和信息等功能各異的

10、技術(shù)融為一體的綜合系統(tǒng)，其構(gòu)成要素或子系統(tǒng)之間的接口極為重要，從某種意義上說，機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)歸根結(jié)底就是接口設(shè)計(jì)1概念設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)程中最富創(chuàng)新性的階段之一，原理方案設(shè)計(jì)則是概念設(shè)計(jì)的核心，對(duì)提高產(chǎn)品性能、降低產(chǎn)品成本有決定性的影響2近年來，國(guó)內(nèi)外研制了一些能夠?qū)崿F(xiàn)特定功能的功能原理解的設(shè)計(jì)知識(shí)目錄或知識(shí)庫(kù)，探索了單一功能原理解的計(jì)算機(jī)表達(dá)及智能搜索策略，研制了能對(duì)單一功能求解的試驗(yàn)系統(tǒng)口。5但對(duì)多學(xué)科領(lǐng)域集成的機(jī)電一體化系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)階段的功能原理求解，尤其是基于接口特征匹配的機(jī)電一體化系統(tǒng)功能原理求解的研究卻很少見到報(bào)道本文著重探討了基于接口特征匹配的機(jī)電一體化系統(tǒng)功能原理求解策略和實(shí)

11、現(xiàn)方法1功能原理解的接口特征模型機(jī)電一體化系統(tǒng)由許多子系統(tǒng)或元件構(gòu)成，把能夠?qū)崿F(xiàn)單一功能(功能單元)的子系統(tǒng)或元件稱為機(jī)電系統(tǒng)中的機(jī)電單元各機(jī)電單元之間必須能夠順利進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息的傳遞與交換，為此，各單元相接處必須具備一定的聯(lián)系條件，即接口，大部分機(jī)電一體化產(chǎn)品的總功能是通過多個(gè)相異和(或)相同分功能或子功能的協(xié)同作用來實(shí)現(xiàn)的，稱之為系統(tǒng)功能與各機(jī)電單元功能原理求解相比，機(jī)電系統(tǒng)功能原理求解除了需要研究每個(gè)機(jī)電接口特征單元原理解的獨(dú)立的功能可行性之外，還需要研究各個(gè)單元原理解作為整體的有機(jī)組成部分相聯(lián)接時(shí)，接口的適配性為解決該問題，本文提出了機(jī)電一體化系統(tǒng)功能原理解的接口特征模型機(jī)電一體

12、化系統(tǒng)功能原理解的接口特征模型接口特征模型定義了機(jī)電一體化系統(tǒng)功能原理解在功能、效應(yīng)、作用原理等不同層面上的接口約束，主要用于從原理解知識(shí)庫(kù)中搜索可行解，是進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)功能原理求解的核心知識(shí)2功能原理的求解策略21功能原理求解典型進(jìn)程機(jī)電一體化系統(tǒng)功能原理求解的核心問題是檢驗(yàn)系統(tǒng)中各單元功能解與其相關(guān)聯(lián)的其他單元功能解的接口的適配性機(jī)電系統(tǒng)功能求解過程可以分為2個(gè)分過程：具體化、結(jié)構(gòu)化分過程，解決機(jī)電單元功能解的可行性問題，即通過功能一效應(yīng)一作用原理映射過程生成作用原理解(即實(shí)現(xiàn)給定功能的物理結(jié)構(gòu))；綜合化、集成化和系統(tǒng)化分過程，解決機(jī)電單元功能解集成時(shí)的接口適配性問題22功能原理求解與接口匹配

13、策略機(jī)電一體化系統(tǒng)功能原理求解的前提和基礎(chǔ)是機(jī)電單元功能原理的獨(dú)立求解，按相關(guān)性次序，分層次地進(jìn)行相關(guān)部分單元功能解的接口適配性檢驗(yàn)，及時(shí)淘汰在前一層次已經(jīng)不適配的系統(tǒng)解，以減少下一層次的接口適配性檢驗(yàn)工作設(shè)計(jì)學(xué)分析表明，機(jī)電一體化系統(tǒng)的總功能一般都由目的功能(通常為運(yùn)動(dòng)執(zhí)行功能)、驅(qū)動(dòng)功能、傳動(dòng)功能、傳感檢測(cè)功能、控制功能和輔助功能單元組成嘲，如圖2所示其中，目的功能的解是機(jī)電一體化系統(tǒng)功能原理解的核心因此，由初選的一個(gè)目的功能解出發(fā)，先配之以可行的驅(qū)動(dòng)功能解，接著考察在運(yùn)動(dòng)執(zhí)行功能解與驅(qū)動(dòng)功能解之間選配傳動(dòng)功能解的必要性，并在通常必要的情況下尋找其輸入接口與驅(qū)動(dòng)功能解適配、輸出接口與運(yùn)動(dòng)執(zhí)

14、行功能解適配的傳動(dòng)功能解在此基礎(chǔ)上，再依次選配合適的傳感檢測(cè)功能解、控制功能解和輔助功能解這是一種效率較高，也比較可行的匹配策略23功能原理解接口特征匹配的實(shí)現(xiàn)方法機(jī)電單元功能求解過程是從功能至效應(yīng)，最終至原理解的具體化和結(jié)構(gòu)化過程在系統(tǒng)級(jí)功能原理求解過程中，所謂單元功能解的接口特征實(shí)際上包含有功能接口特征、效應(yīng)接口特征和原理接口特征(見圖1)這三者之間不是并列的關(guān)系，后者是前者的具體化和結(jié)構(gòu)化，是前者的物化和實(shí)現(xiàn)，因而在內(nèi)涵上存在著嵌套的關(guān)系原理解接口特征在內(nèi)涵上的分層嵌套性質(zhì)體現(xiàn)了接口信息從粗略到詳細(xì)的層層相扣的特點(diǎn)，提供了按功能接口、效應(yīng)接口和原理解接口分層先后進(jìn)行適配性檢驗(yàn)的可能功能接

15、口特征和效應(yīng)接口特征所包含的信息量相對(duì)較少，不必再對(duì)其劃分層次但作用原理接口特征包含的信息量很大，有必要再對(duì)其細(xì)分層次從圖1可以看出，作用原理接口特征包括輸入輸出物料接口、輸入輸出能量接口、輸入輸出信息接口、作用環(huán)境接口7個(gè)分特征，它們大致可以被劃分為作用對(duì)象層次和關(guān)聯(lián)對(duì)象層次作用對(duì)象是指直接參與功能實(shí)現(xiàn)，構(gòu)成功能的輸入和輸出的對(duì)象作用對(duì)象還可以細(xì)分為主要作用對(duì)象和非主要作用對(duì)象2個(gè)層次，主要作用對(duì)象就是通過運(yùn)動(dòng)執(zhí)行功能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的對(duì)象關(guān)聯(lián)對(duì)象是指不直接參與功能實(shí)現(xiàn)，而是通過作用對(duì)象間接與原理解發(fā)生關(guān)系的對(duì)象，這里主要指作用環(huán)境基于以上對(duì)作用原理接口特征的層次劃分，作用原理接口特征層面上的逐層次

16、匹配策略為：先進(jìn)行主要作用對(duì)象接口特征匹配，再進(jìn)行非主要作用對(duì)象接口特征匹配，最后進(jìn)行關(guān)聯(lián)對(duì)象接口特征匹配由于關(guān)聯(lián)對(duì)象接口特征所包含的接口信息比較簡(jiǎn)單，故只討論作用對(duì)象接口特征匹配的有關(guān)問題作用對(duì)象接口特征包括能量接口特征、物料接口特征、信息接口特征3類能量接口特征可以被劃分為3個(gè)層次：效應(yīng)層描述與效應(yīng)直接相關(guān)的接口特征；作用原理層對(duì)效應(yīng)層物理量或者對(duì)象加以更加詳細(xì)描述的其他接口特征；物理實(shí)現(xiàn)層描述該原理解的結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸等物理層面的具體接口特征同樣，物料接口特征、信息接口特征也可以劃分為效應(yīng)層、作用原理層、物理實(shí)現(xiàn)層3個(gè)層次基于以上對(duì)作用對(duì)象接口特征的層次劃分，作用對(duì)象接口特征匹配策略為：

17、效應(yīng)層接口特征匹配一作用原理層接口特征匹配一物理實(shí)現(xiàn)層接口特征匹配3 應(yīng)用實(shí)例基于以上思想，筆者開發(fā)了一個(gè)支持電腦刺繡機(jī)等機(jī)電產(chǎn)品功能求解的計(jì)算機(jī)輔助原理方案設(shè)計(jì)原型系統(tǒng)限于篇幅，本文主要介紹電腦刺繡機(jī)繡框傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的功能原理求解過程31系統(tǒng)工藝原理刺繡工藝原理如下：繡針在織物之上時(shí)，繡框沿z、y兩個(gè)方向移動(dòng)到規(guī)定的位置，當(dāng)繡針自上而下落到織物表面時(shí)，停止繡框移動(dòng)，刺料機(jī)構(gòu)便完成一針線跡的動(dòng)作線跡的長(zhǎng)度和方向由繡框在z、y兩個(gè)方向的移動(dòng)距離決定，線跡的集合構(gòu)成了繡品32運(yùn)動(dòng)執(zhí)行單元功能原理求解從電腦刺繡機(jī)要實(shí)現(xiàn)的功能、系統(tǒng)輸入輸出接口、作用環(huán)境等信息出發(fā)，首先與知識(shí)庫(kù)中的原理解進(jìn)行功能接口和效應(yīng)

18、接口的匹配，以解決單元功能解的可行性問題功能接口匹配主要是指功能動(dòng)詞的匹配效應(yīng)接口的匹配包括效應(yīng)推理和效應(yīng)特征匹配2個(gè)步驟：效應(yīng)推理是對(duì)輸入輸出對(duì)象的幾何、物理、化學(xué)等特征進(jìn)行分析、比較，以查找出有可能被用于實(shí)現(xiàn)該產(chǎn)品功能的效應(yīng)特征此例中，可以推理到的效應(yīng)特征是空間相對(duì)運(yùn)動(dòng)效應(yīng)效應(yīng)特征匹配是指把效應(yīng)推理得到的效應(yīng)特征與知識(shí)庫(kù)中原理解的效應(yīng)接口特征進(jìn)行匹配，以確定該解是否滿足功能可行性然后檢驗(yàn)原理解的作用原理接口特征與產(chǎn)品功能特征之間的適配性本例中，刺繡工藝的動(dòng)作正是通過繡框在z、y兩個(gè)方向的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)與繡針在z方向的連續(xù)上下往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的配合，在刺料機(jī)構(gòu)的作用下形成線跡。33驅(qū)動(dòng)單元功能原理

19、求解在最終確定驅(qū)動(dòng)功能原理解前，必須首先根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的實(shí)際要求對(duì)可行的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行功能原理解的輸入能量接口特征加以修改和充實(shí)本例中，刺料工藝所需的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行功能解(繡框在z、y兩個(gè)方向的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)與繡針在z方向的連續(xù)上下往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)相配合，在刺料機(jī)構(gòu)的作用下形成線跡)與其驅(qū)動(dòng)功能解(主軸電機(jī)、z及y向移框步進(jìn)電機(jī))不完全匹配，因此，有必要進(jìn)行傳動(dòng)功能求解34傳動(dòng)單元功能原理求解針對(duì)電腦刺繡機(jī)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行功能解與其驅(qū)動(dòng)功能解不完全匹配的情況，求得傳動(dòng)功能原理解為：移框機(jī)構(gòu)采用同步齒形帶實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)到繡框zy方向獨(dú)立往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換z、y方向的繡框傳動(dòng)方式完全相同且相互獨(dú)立在已知刺繡機(jī)系統(tǒng)各單

20、元功能原理解的基礎(chǔ)上，可明確整個(gè)系統(tǒng)的工作過程如下：控制計(jì)算機(jī)啟動(dòng)主軸運(yùn)轉(zhuǎn)，由刺料機(jī)構(gòu)帶動(dòng)針桿及旋梭運(yùn)動(dòng)，計(jì)算機(jī)從刺繡數(shù)據(jù)文件中順序讀取每一針的z、y相對(duì)位移坐標(biāo)，根據(jù)坐標(biāo)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)繡框移動(dòng)，計(jì)算機(jī)通過讀取針桿位置傳感器的信號(hào)使繡框移動(dòng)與刺料機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)相配合配策略，能較好地解決由單元級(jí)功能求解向系統(tǒng)級(jí)功能求解轉(zhuǎn)變中所面臨的解的可行性判斷和接口相容性判斷問題，有助于設(shè)計(jì)師在原理方案設(shè)計(jì)階段快速搜索到多解，為機(jī)電產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供依據(jù)1 機(jī)電一體化概述機(jī)電一體化是在以機(jī)械、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)科學(xué)為主的多門學(xué)科相互滲透、相互結(jié)合過程中逐漸形成和發(fā)展起來的一門新興邊緣技術(shù)學(xué)科，而機(jī)電一體化產(chǎn)品是在機(jī)械產(chǎn)品

21、的基礎(chǔ)上，采用微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)生產(chǎn)出來的新一代產(chǎn)品。初級(jí)的機(jī)電一體化產(chǎn)品是指采用微電子技術(shù)代替和完善機(jī)械產(chǎn)品中的一部分，以提高產(chǎn)品的性能；而高級(jí)的機(jī)電一體化產(chǎn)品是利用機(jī)電一體化技術(shù)使機(jī)械產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、數(shù)字化和智能化，并使產(chǎn)品性能實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍。因此，機(jī)電一體化是在機(jī)械產(chǎn)品中的機(jī)構(gòu)主功能、動(dòng)力功能、信息處理功能和控制功能上引進(jìn)電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，并將機(jī)損裝置和電子設(shè)備以及計(jì)算機(jī)軟件等有機(jī)結(jié)合起來構(gòu)成的系統(tǒng)總稱。機(jī)電一體化技術(shù)同時(shí)也是工程領(lǐng)域不同種類技術(shù)的綜合及集合，它是建立在機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)和信息處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)以及系統(tǒng)總體技術(shù)基礎(chǔ)之上的一種

22、高新技術(shù)。近年來，隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)電一體化技術(shù)領(lǐng)域在不斷地?cái)U(kuò)大和完善。目前機(jī)電一體化的研究和開發(fā)主要包括計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)、機(jī)器人、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)輔助制造系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)等。機(jī)電一體化產(chǎn)品和系統(tǒng)的特點(diǎn)是產(chǎn)品和系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)是機(jī)構(gòu)中所有部分功能共同作用的結(jié)果，這與傳統(tǒng)機(jī)電設(shè)備中機(jī)械與電子系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，可以分別工作具有本質(zhì)的區(qū)別。2 機(jī)電一體化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)機(jī)電一體化產(chǎn)品是由多種技術(shù)以及相關(guān)的組成部分構(gòu)成的綜合體，而機(jī)電一體化技術(shù)是由多種技術(shù)相互交叉、相互滲透形成的一門綜合性邊緣技術(shù)，它所涉及的技術(shù)領(lǐng)域非常廣泛。概括起來，機(jī)電一體化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)包括下

23、述6 個(gè)方面。2.1 精密機(jī)械技術(shù)機(jī)械技術(shù)是機(jī)電一體化技術(shù)的基礎(chǔ)，因?yàn)闄C(jī)電一體化產(chǎn)品的主功能和構(gòu)造功能大都以機(jī)械技術(shù)為主來得以實(shí)現(xiàn)。在機(jī)械傳動(dòng)和控制與電子技術(shù)相互結(jié)合的過程中，對(duì)機(jī)械技術(shù)提出了更高的要求，如傳動(dòng)的精密性和精確度的要求與傳統(tǒng)機(jī)械技術(shù)相比有了很大的提高。在機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)中，新材料、新工藝、新原理以及新結(jié)構(gòu)等方面在不斷地發(fā)展和完善，以滿足機(jī)電一體化產(chǎn)品對(duì)縮小體積、減輕重量、提高剛度以及改善工作性能等方面的要求。2.2 信息處理技術(shù)信息處理技術(shù)是指在機(jī)電一體化產(chǎn)品工作過程中，與工作過程中各種參數(shù)和狀態(tài)以及自動(dòng)控制有關(guān)的信息的交換、存取、運(yùn)算、判斷和決策分析等。在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，實(shí)現(xiàn)信息

24、處理技術(shù)的主要工具是計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)技術(shù)包括硬件和軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等。在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，計(jì)算機(jī)信息處理裝置是產(chǎn)品的核心，它控制和指揮整個(gè)機(jī)電一體化產(chǎn)品的運(yùn)行，因此，計(jì)算機(jī)應(yīng)用及其信息處理技術(shù)是機(jī)電一體化技術(shù)中最關(guān)鍵的技術(shù)，它包括目前廣泛研究并得到實(shí)際應(yīng)用的人工智能技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。2.3 檢測(cè)與傳感器技術(shù)在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，工作過程的各種參數(shù)、工作狀態(tài)以及與工作過程有關(guān)的相應(yīng)信息都要通過傳感器進(jìn)行接收，并通過相應(yīng)的信號(hào)檢測(cè)裝置進(jìn)行測(cè)量，然后送入信息處理裝置以及反饋給控制裝置，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品工作過程的自動(dòng)控制。機(jī)電一體化產(chǎn)品要求傳感器能快速和準(zhǔn)確

25、地獲取信息并且不受外部工作條件和環(huán)境的影響，同時(shí)檢測(cè)裝置能不失真地對(duì)信息信號(hào)進(jìn)行放大和輸送及轉(zhuǎn)換。2.4 自動(dòng)控制技術(shù)機(jī)電一體化產(chǎn)品中的自動(dòng)控制技術(shù)包括高精度定位控制、速度控制、自適應(yīng)控制、校正、補(bǔ)償?shù)取C(jī)電一體化產(chǎn)品中自動(dòng)控制功能的不斷擴(kuò)大，使產(chǎn)品的精度和效率都在迅速提高。通過自動(dòng)控制，機(jī)電一體化產(chǎn)品在工作過程中能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，并自動(dòng)實(shí)施切換，減少了停機(jī)時(shí)間，使設(shè)備的有效利用率提高。由于計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，自動(dòng)控制技術(shù)越來越多地與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)結(jié)合在一起，它已成為機(jī)電一體化技術(shù)中十分重要的關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)的難點(diǎn)在于現(xiàn)代控制理論的工程化和實(shí)用化，控制過程中邊界條件的確定，優(yōu)化控制模型的建立以及抗

26、干擾等。2.5 伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)主要是指機(jī)電一體化產(chǎn)品中的執(zhí)行元件和驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)中的技術(shù)問題，它涉及設(shè)備執(zhí)行操作的技術(shù)，對(duì)所加工產(chǎn)品的質(zhì)量具有直接的影響。機(jī)電一體化產(chǎn)品中的執(zhí)行元件有電動(dòng)、氣動(dòng)和液壓等類型，其中多采用電動(dòng)式執(zhí)行元件，驅(qū)動(dòng)裝置主要是各種電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源電路，目前多為電力電子器件及集成化的功能電路構(gòu)成。執(zhí)行元件一方面通過接口電路與計(jì)算機(jī)相聯(lián)，接受控制系統(tǒng)的指令，另一方面通過機(jī)械接口與機(jī)械傳動(dòng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)相聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作。因此，伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)直接影響著機(jī)電一體化產(chǎn)品的功能執(zhí)行和操作，對(duì)產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)定性能、操作精度和控制質(zhì)量等具有決定性的影響。2.6 系統(tǒng)總體技術(shù)系統(tǒng)總

27、體技術(shù)是從整體目標(biāo)出發(fā)，用系統(tǒng)的觀點(diǎn)和方法，將機(jī)電一體化產(chǎn)品的總體功能分解成若干功能單元，找出能夠完成各個(gè)功能的可能技術(shù)方案，再把功能與技術(shù)方案組合成方案組進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)，綜合優(yōu)選出適宜的功能技術(shù)方案。系統(tǒng)總體技術(shù)的主要目的是在機(jī)電一體化產(chǎn)品各組成部分的技術(shù)成熟、組件的性能和可靠性良好的基礎(chǔ)上，通過協(xié)調(diào)各組件的相互關(guān)系和所用技術(shù)的一致性來保證產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、可靠、高效率和操作方便等。系統(tǒng)總體技術(shù)是最能體現(xiàn)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)特點(diǎn)的技術(shù)，也是保證其產(chǎn)品工作性能和技術(shù)指標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。3 汽車機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r社會(huì)的需求、技術(shù)的進(jìn)步以及法規(guī)的推動(dòng)，使汽車采用了機(jī)電一體化技術(shù)，并快速發(fā)展。在法規(guī)

28、方面，如最早的安全法規(guī)，以及隨后的噪聲、尾氣排放和燃油的經(jīng)濟(jì)性等法規(guī)的推出，強(qiáng)制地推動(dòng)了電子技術(shù)在汽車上的廣泛應(yīng)用，使許多機(jī)械控制系統(tǒng)被電子控制系統(tǒng)所代替，并形成了汽車機(jī)電一體化發(fā)展的3 個(gè)階段。 （1）第1 階段：20 世紀(jì)60 年代中期到20 世紀(jì)70 年代末期。從20 世紀(jì)60 年代中期到20 世紀(jì)70 年代末期，主要是應(yīng)用電子裝置改善部分機(jī)械性能，如電子控制燃油噴射和硅整流發(fā)電機(jī)等。（2）第2 階段：20 世紀(jì)70 年代末期到20 世紀(jì)90 年代中期。從20 世紀(jì)70 年代末期到20 世紀(jì)90 年代中期，在汽車的設(shè)計(jì)制造中，體現(xiàn)出機(jī)電一體化的思想和技術(shù)。大規(guī)模集成電路得到廣泛應(yīng)用，并解

29、決了機(jī)械部件無(wú)法解決的復(fù)雜自動(dòng)控制問題，增加了可靠性。（3）第3 階段：20 世紀(jì)90 年代中期到現(xiàn)在。從20 世紀(jì)90 年代中期到現(xiàn)在，隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，及與汽車工業(yè)的緊密相連，汽車機(jī)電一體化技術(shù)已發(fā)展成熟，強(qiáng)調(diào)了整體的機(jī)電一體化協(xié)調(diào)匹配設(shè)計(jì)思想，開始廣泛應(yīng)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)，使汽車更加自動(dòng)化、智能化。隨著微電子技術(shù)和傳感器技術(shù)的應(yīng)用，汽車的機(jī)電一體化使汽車煥然一新。當(dāng)今對(duì)汽車的控制已由發(fā)動(dòng)機(jī)擴(kuò)大到全車，例如實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速換擋、防滑制動(dòng)、雷達(dá)防碰撞、自動(dòng)調(diào)整車高、全自動(dòng)空調(diào)、自動(dòng)故障診斷及自動(dòng)駕駛等。汽車的機(jī)電一體化的中心內(nèi)容是以微機(jī)為中心的自動(dòng)控制改善汽車的性能、增加汽車的功

30、能，實(shí)現(xiàn)汽車降低油耗、減少排氣污染、提高汽車行駛的安全性、可靠性、操作方便和舒適性。汽車行駛控制的重點(diǎn)是：1）汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的正時(shí)點(diǎn)火、燃油噴射、空燃比和廢氣再循環(huán)的控制，使燃燒充分、減少污染、節(jié)省能源；2）汽車行駛中的自動(dòng)變速和排氣凈化控制，以使其行駛狀態(tài)達(dá)到最佳化；3）汽車的防滑制動(dòng)、防碰撞，以提高行駛的安全性；4）汽車的自動(dòng)空調(diào)、自動(dòng)調(diào)整車高控制，以提高其舒適件。4 機(jī)電一體化技術(shù)在汽車中的應(yīng)用汽車的電子化首先從電源系統(tǒng)開始。原來的發(fā)動(dòng)機(jī)都是直流發(fā)電機(jī)，后來被交流發(fā)電機(jī)和硅二極管的組合所取代，使充電效率和可靠性大幅度地提高。此后，電壓的調(diào)整也由固體電路的調(diào)整器代替了機(jī)械式電壓調(diào)整器，進(jìn)而在發(fā)

31、動(dòng)機(jī)點(diǎn)火裝置的配電器上也由原來的機(jī)械式的凸輪開關(guān)變?yōu)楣β示w管。4.1 發(fā)動(dòng)機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng)圖1 為用于降低燃料費(fèi)用的發(fā)動(dòng)機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng)的原理簡(jiǎn)圖。發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ecu：engine control unit）的核心是通用微處理器或者是為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)專門設(shè)計(jì)的大規(guī)模集成電路（lsi）。從各個(gè)傳感器得到的模擬電壓信號(hào)和從發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸得到的脈沖信號(hào)都輸入到ecu。模擬信號(hào)通過模擬數(shù)字（a-d：analog to digital）轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。以這些信息為基礎(chǔ)，在ecu 內(nèi)對(duì)最佳空氣燃料比、點(diǎn)火時(shí)間、排氣再循環(huán)率（egr：exhaust gas recirculating）等進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)

32、果作為控制燃料噴射閥和點(diǎn)火裝置等的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出，用以控制空氣質(zhì)量和燃料質(zhì)量之比（即空氣燃料比）。當(dāng)空氣燃料比增大時(shí)，燃料稀薄，點(diǎn)火困難；反之，當(dāng)空氣燃料比減小時(shí)，由于氧氣不足，在排放的氣體中沒有充分燃燒的碳化氫（hc）和一氧化碳（co）含量增加。因此，將空氣燃料比控制在最佳狀態(tài)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、預(yù)熱、加速、減速、制動(dòng)、空轉(zhuǎn)等各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其正常負(fù)荷則十分重要。4.2 汽車激光雷達(dá)自動(dòng)防撞微機(jī)控制系統(tǒng)激光單片機(jī)組合的汽車防按系統(tǒng)，能在正常行駛速度下或慢速倒車時(shí)檢測(cè)和顯示前、后方一定距離內(nèi)有無(wú)障礙物，并在必要時(shí)報(bào)警，從而有效防止交通事故的發(fā)生。該系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)控制的測(cè)量車間距離的激光測(cè)距雷達(dá)、中

33、央處理器、汽車前后環(huán)境狀況監(jiān)測(cè)雷達(dá)及顯示器、發(fā)光部、受光部、車速傳感器和速度控制器等組成。其控制系統(tǒng)，如圖2 所示。激光測(cè)距雷達(dá)安裝在汽車前部格柵中心。光學(xué)天線發(fā)射的激光束遇到前面的障礙物后，產(chǎn)生向后散射信號(hào)，同樣被光學(xué)天線接收，并調(diào)制出距離和方位信息。不斷輸出的距離和方位信息經(jīng)中央處理器分析，可以判斷前面物體運(yùn)動(dòng)與否，計(jì)算出它相對(duì)本車的速度及車間距離，并判斷它是否有可能與本車接觸，從而決定本車最安全的行駛速度。當(dāng)可能有危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)觸動(dòng)報(bào)警裝置，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。4.3 電子控制的自動(dòng)變速器自動(dòng)變速器是為降低變速器的功率損耗，提高動(dòng)力傳遞系統(tǒng)的有效功率，增加變速擋數(shù)以適應(yīng)汽車行駛條件的最佳速比，實(shí)現(xiàn)汽車的省能、省力、安全、舒適之目的而出現(xiàn)的。圖3 為用電子控制實(shí)現(xiàn)變速器自動(dòng)換擋的程序控制原理框圖。發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況由各種傳感器進(jìn)行檢測(cè)，所獲得的信息輸入到電子控制裝置進(jìn)行處理，并根據(jù)換擋信息、程序開關(guān)及自動(dòng)跳合開關(guān)的信息，由電子控制裝置選擇滿足行駛條件的最佳檔次信息，并被變換為控制電液執(zhí)行元件的液壓變量來控制換檔。自動(dòng)變起器的監(jiān)潞電路可對(duì)系統(tǒng)電子控制裝置進(jìn)行自檢及失效監(jiān)測(cè)，即在行駛前對(duì)所有電