终极机械系统集成与协作

1969年，“机电一体化”一词在安川电机公司诞生，这是一家总部位于日本的制造商，为运动控制、机器人和系统工程提供广泛的产品。安川在1970年为这个词申请了注册商标，然后在1987年放弃了这个商标，使它成为了一个全行业的术语。机电一体化是一种工程设计概念或领域——有人将其描述为一种文化——它将所有涉及“力学”(或机制)的工程与“电子学”的工程相结合。它是机器+控制。它深入研究了机器、计算机、控制和电子产品之间的所有重叠部分。

事实上，事实证明，几乎任何事情都可以更简单。研究机电一体化的学科充满了相互作用和复杂性。除此之外，新的策略、材料和技术不断为每个领域带来新的概念和产品，增加了复杂性。机电一体化所包含的领域很多。除了力学、机械设计和电子学(以及它们的科学和工程贡献，如热力学、静力学和动力学和固态电路)，集成机电一体化方法还需要来自以下任何或所有方面的贡献:

• 控制理论
• 计算机科学，包括编程
• 数字信号处理(DSP)与通信
• 机器人
• 工程分析
• 当然，还有数学，特别是数学建模。

机电一体化可以是概念性的，可以是导航的星星，也可以是覆盖在现有路线图上的一系列动作。也就是说，它可以应用于设计过程中的任何一点，从概念化到开发后期的设计审查阶段，甚至到对现有的机械和机械系统进行改造。然而，真正的机电一体化从业者很快指出，只有从一个综合的方法开始，才能实现所有的好处。

优势在于机器的功能和底线。采用一体化机电一体化设计的潜在好处包括优化、优化能耗和更深入地开发组件功能——换句话说，更多的途径可以利用材料、电机、机器和控制的每一个可能属性。此外，这种设计往往在成本工程中有更少的性能权衡，换句话说，机电一体化方法允许更多的可能性，以更低的成本，可接受甚至增加的功能，准确性和/或可靠性。

密尔沃基市马凯特大学机械工程教授凯文·克雷格(Kevin Craig)是机电一体化的传道者，他说:“最终，这些好处会直接体现在利润上。”“以宝洁为例。这是一个深刻认识到机电一体化优势的群体。那里的工程师们专注于通过建造高度调谐的专有生产设备来节省生产成本。该公司实现了数百万美元的节省，并有能力在产品中添加新的、令人满意的功能，因为它的工程团队可以根据特定的功能和效率进行设计，并在机器实际制造之前解决问题。”

良好的趋势

目前的趋势是采用一体化、协同的机电一体化方法。首先，工程技术在不断进步，几乎任何工程技术的进步都可以被看作是对采用机电一体化的日益增长的需求的贡献。例如，数百年的金属知识和测量与数十年的新工程材料和复合材料知识结合在一起。新材料通常可以更便宜，如果没有别的原因，只要它们可以以净或接近净的形状生产，就可以消除制造操作。但每种材料都有优点和缺点，机电一体化方法有助于最大限度地发挥优点，更好地适应不同的刚度因素或不同的弹性。

电机设计——尤其是伺服电机——正在不断进步。每个月都有分辨率越来越高、应用灵活性越来越强的新产品进入市场。电机的尺寸越来越小，功率和效率却越来越高。运动的每一个元素和动力传输的每一个元素都取得了进步。

最后，也许也是最重要的一点，控制的智能化程度不断提高，芯片逻辑和编程接口能够指导机制去做设计师能够想象到的几乎任何事情。此外，控制器和处理器已经越来越远离中央机柜，现在它们可以直接安装在它们所控制的组件上。操作界面同样显示出越来越复杂。
了解机器

Razvan Panaitescu，经理，机械电子部，西门子能源与自动化公司，阿尔法雷塔，佐治亚州他说:“如今设计的复杂性超过了任何单一的方法。”他所在的团队使用他的公司的运动设备、控制器和自动化产品将机电一体化应用于客户的应用。该组织的宗旨是为广泛的机器设计提供高水平的咨询意见。

虽然没有单一的途径可以提供答案，但他表示:“我们专注于增值改进。要做到这一点，我们必须尽可能多地了解机器的功能和目标，也就是说，我们必须确保了解真正的设计规范。从那里，我们建立模型，然后我们附加智能，这意味着帮助编程驱动程序和力量，以实现所需的功能。

“可以说，这给了我们骨架，”他解释道。“然后我们应用肌肉和大脑，再次尽可能多地使用离线模拟和建模。比方说，一个给定的电机，它的大小是正确的，这很容易。但是要实现给定功能所要求的动态需要更多的东西——速度和准确性。这些都依赖于控制器来纠正振荡、不规则、反冲击和其他噪声源。当然，我们对控制器的所有功能都有全面的了解，我们知道每个控制器能发挥多大的作用，这是有帮助的。”

最后一步涉及虚拟机操作。Panaitescu说:“我们不需要花钱做原型，就可以非常接近最终机器性能的精确图像。”“例如，我们可以看到有多少振荡，或者一个给定的运动是否可以在500毫秒或更短的时间内完成。比这更好的是，我们可以解释为什么一个给定的函数是可能的，或者如果不可能，为什么不可能——结构会弯曲，或者力的位置不对，诸如此类的事情。其结果是对给定设计的信心，知道它将满足或超过要求。”

“了解机械系统的设计现在是一个多学科的努力是至关重要的，”马凯特的克雷格说。“它不能连续或连续有效地完成。”克雷格不认为机电一体化的后期设计应用有价值。“从一开始就必须是整合和协作的。这种方法总是具有挑战性的，并且随着外包的趋势变得更加具有挑战性。一台由多个供应商组装的工程部件组成的机器，意味着工程师团队，每个团队在自己的文化中工作，必须相互关联并理解所有其他团队的决定，”他补充道。

开放协作

克雷格主张从设计的最初时刻就进行开放合作。“我印象最深刻的是在宝洁(Procter & Gamble)的一个车间，那里有10名工程师和10名工程经理，”他说。“这给了我一个强有力的信息——管理层购买机电一体化产品。它告诉我，那些多年没有从事工程工作的管理者，更关心的是共同的目标，而不是揭示他们可能忘记了什么，或者年轻工程师可能在哪些方面超越了他们。这种方法是一种文化，是一种把机器性能作为目标的态度。”

Craig强调合作和整合。机电工程师的一个主要角色是弥合更专业的同事之间的沟通差距，以确保目标的实现。你必须遵循复杂性。复杂性已经从机械世界转移到电子、计算机和控制软件领域，”他解释道。

随着机械工程设计开始向软件复杂性发展，大量的工程工具出现了。当然，代数、三角、解析几何和微积分都在这个列表上，但随着计算数量的增加，以及基础物理和科学的复杂性，软件越来越多地填满工具箱。20世纪中期的计算机辅助制图已经演变为计算机辅助设计(CAD)， CAD已经从仅仅是一组纸质图纸的屏幕表示，转变为物理设计建模的完全计算机化工具箱。体积、质量、重心和基本动力学都出现得很早;最近出现的是相对无缝的有限元分析、碰撞检测、行为建模、流体动力学等集成。

三种计算机趋势促成了这一演变。在软件方面，工程包已经从专有编码转移到系统，即使不是开放的，至少也配备了开放的应用程序编程接口(API)，使两个程序更容易连接在一起。与此同时，与供应商无关的数据类型的发展简化了用户在应用程序之间导入和导出建模数据的过程。最后，计算机硬件已经变得如此强大，现在只要花几千美元，你就能在公司的咖啡机送一杯拿铁的时间里，得到一个能够进行数十亿次计算的系统。

在婚礼上唱歌

然而，在机电一体化领域，CAD相对丰富的物理建模能力是不够的。例如，在西门子的建模阶段，Panaitescu的团队首先研究了任何可用的CAD和动态模型，以及任何分析，直到周转点给团队。“我们试图在婚礼上唱歌，而不是作为一个音乐家，”正如他所说——换句话说，尽可能快地吸收已经应用到特定项目的设计策略。然后，该团队应用旨在实现控制和软件需求的工具。其中包括集中质量研究、3D多体建模技术和高度复杂的2D和3D有限元分析。

这个过程包括模拟测量每个功能元素。Panaitescu解释说:“我们的目标是了解新机器从最基本的部件到所有部件协同工作的复杂方式。”它包括正确地使用工具——并正确地解释它们。描述机器功能的是法医工程。比这更好的是，机电一体化让我们能够看到并交流如何改进它。”

Craig的工具集在细节上有所不同，但基本方法是相似的。SolidWorks提供CAD环境，而国家仪器公司的LabView和MathWorks MATLAB提供高级建模包。“机电一体化从一开始就是我们课程的一部分，”他说。“在大四的时候把它作为一种覆盖物是没有价值的。我们试图平衡现实世界的需求和大学四年就能掌握的技术。我们会在大一的时候引入这款软件，并强调需要在每个适当的工程问题上探索它们的使用。”

Craig将成为CAD操作员和使用该工具进行工程设计区别开来。“我们不想把学生培养成工具的使用者——我们想让他们成为掌握工具的人，知道什么时候使用工具，用工具做什么。我们不相信“新生工具”。’我们为他们在未来四年提供了非常强大的软件包。”

的组件

机电一体化图景的最后一部分是机电一体化组件的趋势，或更具体地说，具有以下特征的机器和自动化组件:

• 集成或(如果单独)匹配的控制器/驱动程序，允许最大的优化和响应时间
• 基于标准的电子设备和软件/固件，能够轻松(或至少更容易)与来自其他供应商的基于标准的组件集成
• 以适当的速度和响应性进行控制和/或功能设计——换句话说，设计要足够灵活，能够提供所需的内容
• 精通机电一体化的供应商。

其中，最重要的或许是最后一点。“精明”意味着支持，有专门的机电一体化设计资源，可以应用到您的需求。例如，西门子集团在高项目水平上提供研发服务。博世力士乐等其他供应商则提供具体帮助。例如，位于伊利诺伊州霍夫曼地产的博世力士乐直线运动和装配技术集团。，帮助终端用户将该公司的组件集成到系统中。
机器人产品工程师理查德•沃恩(Richard Vaughn)表示:“我们的宗旨是将我们的核心产品融入为分销商和客户提供的解决方案中。”“我们将把机械执行器、伺服电机、末端执行器、滚珠丝杠——任何能满足特定需求的东西结合在一起。”

这种方法可以被看作是一种混合模式的设计工作，组件从下往上提供动力，而客户需求从上向下驱动设计。沃恩说:“我们的方法始于我们所说的LOSTPED。“也就是说，我们的出发点是客户的机械规格，特别是负载、方向(例如，垂直或水平方向)、速度、行程或整体运动长度、位置精度和重复性要求、环境或工作条件以及占空比。”

在此基础上，沃恩的团队与客户合作，充实控制策略。他说:“我们与内部部门在伺服、控制和气动优化方面进行合作。”“关键是在寻找解决方案时保持开放的心态，”沃恩说。“几乎任何给定的问题都可以通过适当的动作和适当的控制水平来解决。”

机电一体化领域
机电一体化方法可以帮助解决或优化的设计要素。
运动变量

•位置
•速度
•加速度
加速度(加速度变化率)
•扭矩。

应用的条件

优化

•稳定
•响应能力
•振荡
•以下错误
•喋喋不休、噪音、铃声
•工具/材料可靠性。

资料来源:西门子能源与自动化公司机电一体化部。