基于计算机技术的机电一体化数控系统设计.pdf

2 0 2 4年1期2 4 9 2 0 2 4年第4 6卷第1期基于计算机技术的机电一体化数控系统设计李相波作者简介:李相波(1 9 8 3-),专科,电器助理工程师,研究方向为机电一体化、数控系统。(山东黄金矿业(沂南)有限公司 山东 沂南2 7 6 3 0 0)摘 要 基于计算机技术开展机电一体化数控设计研究,可高效推动行业发展,提高行业效率,保证其综合性、完善性、科学性等。借助计算机技术的高处理性能,传统的机电一体化方案将实现创新发展。计算机技术不仅能重新整合机电一体化的架构,还能实现多技术集成,具有重要的研究价值。关键词:计算机;机电一体化;数控系统;设计研究中图分类号 T P 2 7 3D e s i g no fM e c h a t r o n i c sN u m e r i c a lC o n t r o l S y s t e mB a s e do nC o m p u t e rT e c h n o l o g yL IX i a n g b o(S h a n d o n gG o l dM i n i n g(Y i n a n)C o.,L t d.,Y i n a n,S h a n d o n g2 7 6 3 0 0,C h i n a)A b s t r a c t C a r r y i n go u tn u m e r i c a l c o n t r o ld e s i g nr e s e a r c ho fm e c h a t r o n i c sb a s e do nc o m p u t e rt e c h n o l o g yc a ne f f i c i e n t l yp r o m o t e t h ed e v e l o p m e n to f t h e i n d u s t r y,i m p r o v e t h ee f f i c i e n c yo f t h e i n d u s t r y,a n de n s u r e i t sc o m p r e h e n s i v e n e s s,p e r-f e c t i o na n ds c i e n t i f i c i t y.W i t ht h eh i g hp r o c e s s i n gp e r f o r m a n c eo f c o m p u t e r t e c h n o l o g y,t r a d i t i o n a lm e c h a t r o n i c s s o l u t i o n sw i l l a c h i e v e i n n o v a t i v ed e v e l o p m e n t.C o m p u t e r t e c h n o l o g yc a nn o t o n l y r e i n t e g r a t e t h e s t r u c t u r eo fm e c h a t r o n i c s,b u t a l s or e a l i z em u l t i-t e c h n o l o g y i n t e g r a t i o n,w h i c hh a s i m p o r t a n t r e s e a r c hv a l u e.K e y w o r d s C o m p u t e r,M e c h a t r o n i c s,N u m e r i c a l c o n t r o l s y s t e m,D e s i g nr e s e a r c h0 引言计算机技术与机电一体化数控系统结合,能实现软件、硬件的双重突破,完善现有的检测传感技术、信息处理技术、自控技术、系统总体技术等。以微电子技术为综合处理标准,使一体化数控系统具有自动化、数字化的特点。在数控机床、机器人、家用智能设备等方面,机电一体化结合计算机技术有广阔的发展前景,有望对机电一体化数控系统生产过程实现针对性管理。1 整合计算机技术与机电一体化数控系统计算机技术与机电一体化数控系统的整合,能使机电一体化数控系统技术更加精密,运行环节更加科学。近年来,我国注重计算机技术与机电一体化数控系统的融合,投入了大量的资金,还成立了专项小组,推动了两者的一体化发展。从宏观方面分析,机电一体化数控系统能促进我国经济更快、更好地发展。在微观方面,机电一体化数控系统可以减少工作错误,提高工作效率,简化工作流程。因此,需要进一步设计机电一体化数控标准,提高工作效率。2 计算机技术的机电一体化数控系统设计倾向计算机技术的机电一体化数控系统设计倾向主要体现在以下几个方面。(1)高精度和高速度。现代计算机技术使数控系统能实现更高的控制精度和更快的速度。例如,使用F P G A等可编程逻辑器件,可以实现纳秒级的高速信号处理,这对实现高精度的运动控制至关重要1。(2)模块化和开放性。计算机技术的模块化和开放性特性使数控系统的设计更加灵活和可扩展。通过使用标准的接口和协议,可以将各种不同的硬件和软件模块集成到系统中,实现多样化的功能。例如,模块化是机电一体化系统设计的重要原则,其可以将一个复杂的系统分解为若干个相对独立的子系统或模块,每个模块都有明确的功能和接口,降低了系统设计的复杂性,提高了设计的可维护性和可扩展性。在机电一体化系统中,模块化设计可以实现系统的灵活组合和升级,使系统可以根据不同的需求进行定制和扩展。开放性是机电一体化系统设计的另一个重要特性。开放性设计意味着系统具有标准的接口和协议,可以方便与其他系统或设备进行互联互通2。如此,不同的系统或设备可以通过开放的接口进行信息交换和协同工作,实现更高效、更智能的工业生产。在机电一体化系统中,开放性设计可以提高系统的互操作性和可集成性,使系统能更好地适应复杂多变的工业应用场景。(3)人工智能和机器学习。随着人工智能和机器学习2 5 0 2 0 2 4年1期技术的发展,数控系统的设计也开始倾向于智能化3。例如,通过机器学习算法来学习大量的工件加工数据,可以实现对工件加工过程的精确预测,从而优化加工参数,提高加工的质量和效率。(4)适应多种能源和材料。计算机技术的发展使数控系统可以适应多种能源和材料。例如,通过使用嵌入式系统,可以实现对不同类型和性质的材料的加工控制,如金属、塑料、木材等。总之,基于计算机技术的机电一体化数控系统的设计更加倾向于实现更高的精度和速度、更灵活和可扩展的设计、智能化和自适应的设计,以满足不断提高的工业生产需求。3 机电一体化数控系统设计实现基于计算机技术的机电一体化数控系统的设计,需要综合应用机械、电子、计算机、信息处理等技术,具体实现过程如下。3.1 设计需求分析首先需要明确系统设计的需求,包括功能需求、性能需求、成本需求等。通过对需求的分析,确定系统设计的目标和工作量。例如,“高精度控制”为机电一体化数控系统需要具备高精度的控制能力,以满足工业生产对尺寸、形状、位置等精度的要求。高精度的控制可以通过高精度的传感器、控制器和执行器来实现。(1)“高速度控制”指机电一体化数控系统需要具备快速的控制能力,以提高工业生产的效率和产量4。高速度的控制可以通过高速的处理器、大功率的驱动器和高校的运动控制算法来实现。(2)“模块化设计”指机电一体化数控系统需要具备模块化的设计特性,以便维护和升级系统。模块化设计可以将系统划分为若干个独立的模块,每个模块具有明确的功能和接口,这样可以简化系统的设计和调试过程,同时便于系统的扩展和升级。(3)“开放性设计”指机电一体化数控系统需要具备开放性的设计特性,以便与其他系统或设备实现互联互通。开放性设计可以使用标准的接口和协议,如以太网、O P C、M o d b u s等,从而实现系统的信息共享和协同工作。(4)“智能化设计”指机电一体化数控系统需要具备智能化和自适应的设计能力,以便实现复杂的生产过程控制和优化。智能化设计可以通过人工智能和机器学习技术,实现对生产过程的预测和控制,从而提高生产效率和产品质量。(5)“可靠性设计”指机电一体化数控系统需要具备高可靠性,以保证工业生产的稳定性和安全性。可靠性设计可以使用冗余技术、故障诊断技术等,以提高系统的可靠性和稳定性5。3.2 系统总体设计根据需求分析的结果,进行系统总体设计,包括确定系统结构、模块划分、接口设计、运动控制方案等。机电一体化数控系统是一种集机械、电子、计算机、信息处理等技术于一体的复杂系统,其设计结构通常包括以下几个部分。(1)机械部分。包括机床、机器人等机械装置,以实现工件的定位、夹紧、加工等操作。机械部分的设计需要考虑结构的稳定性、精度、刚度等。(2)电子部分。包括传感器、驱动器、控制器等电子设备,以实现系统的信号采集、控制和执行。电子部分的设计需要考虑设备的精度、可靠性、响应速度等。(3)计算机部分。包括处理器、存储器、输入输出设备等设备,以实现系统的信息处理、决策和控制。计算机部分的设计需要考虑设备的计算能力、存储容量、实时性等。(4)信息处理部分。包括计算机软件、嵌入式系统等,以实现系统的信息处理、控制和监测。信息处理部分的设计需要考虑系统的可维护性、可扩展性、实时性等。在机电一体化数控系统的设计中,模块化设计和接口设计非常重要。(1)模块化设计。将系统分解为若干个相对独立的模块,每个模块具有明确的功能和接口,这样可以简化系统的设计和调试过程,同时便于系统的扩展和升级。在机电一体化数控系统中,常见的模块包括运动控制器、驱动器、传感器、执行器等。(2)接口设计。接口设计是实现系统内部各部分之间、系统与外部设备之间的信息交换的关键。在机电一体化数控系 统 中,常 见 的 接 口 包 括R S-2 3 2,R S-4 8 5,E t h e r C A T,P r o f i n e t等。接口设计需要考虑接口的协议、数据格式、传输速度等,以保证信息的准确性和可靠性。控制方案是机电一体化数控系统设计的核心,其直接影响着系统的性能和稳定性,常见的控制方案如下。(1)开环控制。开环控制是一种简单的控制方式,系统根据输入的指令进行运动控制,不进行反馈处理。开环控制的精度和稳定性相对较低,适用于一些简单的运动控制场合。(2)闭环控制。闭环控制是一种反馈控制方式,系统通过反馈传感器获取实际位置信息,与目标位置进行比较,根据误差进行控制决策。闭环控制可以提高系统的精度和稳定性,但需要解决滞后问题和噪声问题。(3)复合控制。复合控制是一种综合开环、闭环的优点的控制方式,系统同时采用开环和闭环的控制方式,以达到更高的精度和稳定性。复合控制需要解决开环和闭环之间的协调问题,适用于对精度和速度要求较高的控制场合。3.3 硬件选型与设计根据系统的总体设计要求,选择合适的硬件设备,包括处理器、传感器、驱动器、输入输出模块等。同时,应根据实际需要设计一些定制的硬件模块。(1)处理器。处理器是机电一体化系统的核心部件,负责系统的信息处理和控制决策。应根据系统的性能要求和控制规模,选择合适的处理器,如单片机、D S P、F P G A等。移动信息2 0 2 4年1期2 5 1 (2)传感器。传感器是采集系统所需信息的硬件设备,如位置传感器、速度传感器、温度传感器等。在选择传感器时,需考虑精度、响应速度、稳定性等因素。(3)驱动器。驱动器是控制执行器运动的硬件设备,如电机驱动器、气动阀驱动器等。在选择驱动器时,需考虑功率、响应速度、稳定性等因素。(4)输入输出模块。输入输出模块是实现系统内部各部分之间、系统与外部设备之间的信息交换的硬件设备。应根据系统的输入输出需求,选择合适的输入输出模块,如开关量输入输出模块、模拟量输入输出模块等。在硬件选型和设计中,需考虑系统的性能要求、成本、可靠性等因素。同时,需遵循相应的电气和机械设计规范,保证系统的稳定性和安全性。3.4 软件设计在完成硬件设计后,应根据系统的总体设计要求进行软件设计,包括编程语言选择、算法设计、界面设计等。在软件设计中,需充分利用计算机技术的优势,实现高精度、高速度的控制和智能化处理。机电一体化系统的软件设计是实现系统功能的核心,其关系到系统的性能、稳定性、可维护性和可扩展性。以下是机电一体化系统软件设计的主要内容。(1)软件开发环境选择。根据系统的需求和硬件平台,选择合适的软件开发环境,如V i s u a lS t u d i o,E c l i p s e,MA T-L A B等。(2)编程语言选择。根据系统的需求和开发环境,选择合适的编程语言,如C,C+,J a v a,P y t h o n等。(3)系统架构设计。根据系统的需求,设计符合系统的软件架构,如分层架构、模块化架构、面向对象架构等。(4)功能模块设计。根据系统的需求,设计符合系统要求的功能模块,如运动控制模块、传感器数据采集模块、数据处理模块等。(5)接口设计。设计系统内部各部分之间、系统与外部设备之间的接口,以保证信息的准确性和可靠性。(6)算法设计。根据系统的需求,设计符合系统要求的算法,如运动控制算法、数据处理算法等。(7)数据库设计。根据系统的需求,设计符合系统要求的数据库,如关系型数据库、实时数据库等。(8)安全性设计。设计系统的安全性措施,如数据加密、访问控制等,以保证系统的安全性和稳定性。在机电一体化系统的软件设计中,需考虑系统的性能要求、可靠性、可维护性、可扩展性等因素。同时,需遵循相应的软件开发规范和标准,保证软件的稳定性和安全性。3.5 系统调试与优化在完成设计后,需要进行系统调试和优化,包括功能测试、性能测试、可靠性测试等。还需根据测试结果,对系统进行优化和调整,以提高系统的性能和稳定性。实现基于计算机技术的机电一体化数控系统设计,需要综合应用多个领域的技术,同时需要充分考虑系统的可维护性、可扩展性和可靠性。在实现过程中,需不断进行测试和优化,以保证系统的质量和性能。4 结语在当今的工业生产中,基于计算机技术的机电一体化数控系统已成为不可或缺的一部分。通过计算机技术,这种系统能实现高精度、高速度的控制,同时具备模块化和开放性的设计特性,满足各种复杂的生产需求。在未来的工业发展中,基于计算机技术的机电一体化数控系统将继续发挥重要作用。随着技术的不断进步和创新,这种系统将会更加智能化和自适应,更好地适应不断变化的工业生产环境。同时,通过进一步的研究和实践,可以不断优化该系统的设计和性能,提高其可靠性和稳定性,为未来的工业生产提供更加有力的技术支持。参考文献1王强卫.基于计算机技术的机床机电一体化数控系统设计分析J.数码设计,2 0 2 2(2 3):3 4-3 6.2张延杰,张荧,郑虎,等.数控系统硬件连接实践教学改革探索J.内燃机与配件,2 0 2 1(3):2 4 4-2 4 5.3杨应虎,陈昳,吕洪杰.基于N X MC D的协同设计方法与应用技术研究J.中国机械,2 0 2 1(4):2 0-2 1.4王斌.机电一体化系统中智能控制的应用探究J.建筑工程技术与设计,2 0 2 1(5):1 0 7.5林国勇,徐刚,罗钦,等.基于运动控制技术的数控切削加工实训模式探索J.教育现代化,2 0 2 1,8(3 5):1 4 9-1 5 2,1 5 6.移动信息