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机电技术论文
机电技术论文 机电技术论文篇一 机电仿真容错技术分析 【摘要】本文以机电一体化系统为研究对象,分析了机电产品容错纠 错设计与仿真技术的发展现状,并提出了自己的看法。【主题词】机电;仿真;技术 1 容错技术 现代机电产品正朝着集成化、自动化、智能化的方向发展,有的机电 产品对人的依赖性越来越小,发生故障根本不可能由人去维修,有的机电产品形成 大系统,一旦发生故障可能导致重大事故,并造成巨大经济损失。例如:美国发射的 “勇气”号火星车和“机遇”号火星车,在太空飞行半年之久,一旦有了故障靠人去诊 断和维修是根本不可能的;2008年8月巴西一枚VLS-3型卫星运载火箭,在接受最 后检测时突然爆炸,导致现场21人被炸死,另有20多人身受重伤。
这些集成化、自动化、智能化的机电系统发生故障的随机性很强,往 往难以预料,但工程实践表明除了少数突发故障以外,大多数故障是一个渐进的过 程。如果早期发现,及时采取恰当的措施是完全可以防止的,机电产品容错纠错设 计与仿真技术研究以及容错技术的应用正是顺应了这种需求。
容错技术为提高系统的可靠性开辟了一条新的途径。虽然人们无法保 证所设计的系统各个构成环节的绝对可靠,但若把容错的概念引入到机电产品,可 以使各个故障因素对产品性能的影响被显著削弱,这就意味着间接地提高了产品 的可靠性。研究和应用容错技术,对于保障机电系统运行的连续性和安全性,减少 安全事故,提高现代机电产品的经济效益和社会效益,具有非常重要的意义。
2 仿生硬件容错现状 随着电路系统功能的复杂化,传统的硬件容错技术越来越不能满足日 益庞大的电路系统要求。为了提高系统可靠性,人们提出了动态地对故障进行自 检测、自修复的要求,并努力寻找新的容错设计方法。早在20世纪50年代末,计算 机之父冯诺依曼就提出了研制具有自繁殖与自修复能力通用机器的伟大构想。研咳嗽贝自然界得到灵感,将自然计算(如进化计算,胚胎理论等)引入 到硬件设计中从而形成仿生硬件(Bio-inspired Hardware,BHW)。仿生硬件的概念 最初是由瑞士联邦工学院于1992年提出的,虽然历史不长,但其发展非常迅速,现 在已经成为国际上的研究热点之一。仿生硬件早期也称为进化硬件(Evolvable Hardware,EHW)。A.Thompson等人较早提出了EHW应用于容错方面的想法。仿 生硬件是一种能根据外部环境的变化而自主地、动态地改变自身的结构和行为以 适应其生存环境的硬件电路,它可以像生物一样具有硬件自适应、自组织、自修 复特性。采用仿生硬件实现的容错,不需要显式冗余,而是利用进化本身固有容错 的特性,这种特性带来的优势是传统方法通过静态冗余实现容错所不能比拟的。
3 仿生硬件容错新技术 基于仿生硬件的容错研究,对建立借鉴生物进化机制的硬件容错新理 论、新模型和新方法,提高硬件系统的可靠性,具有至关重要的意义。
3.1 胚胎型仿生硬件的容错体系结构和容错原理 仿生硬件可以分为进化型和胚胎型,其中胚胎型仿生硬件也称为胚胎 电子系统,是模仿生物的多细胞容错机制实现的硬件。
胚胎型仿生硬件的容错体系结构,主要由胚胎细胞、开关阵和线轨组 成。开关阵根据可编程连线的控制信号完成开关闭合,控制线轨内各线段的使用。
胚胎细胞包含存储器、坐标发生器、I/O换向块、功能单元、直接连线、可编程 连线、控制模块等。存储器用于保存配置数据位串,并根据细胞状态和坐标发生 器计算出的结果,从配置位串中提取一段经译码后对胚胎电子细胞的换向块和功 能单元进行配置。坐标发生器根据每个细胞最近两侧(左侧和下侧)邻居细胞的坐 标为其分配坐标。I/O换向块为细胞功能单元间的可编程连线提供控制信号。功 能单元用于实现一个n输入的布尔函数,用于实现所需的细胞功能。直接连线负责 功能单元之间的相互通信。可编程连线传递控制信号控制开关阵。控制模块完成 细胞的工作状态检测、故障诊断、控制细胞冗余切换。
3.2 胚胎型仿生硬件实现容错的策略 为了实现对故障细胞的容错,常用的容错策略有两种:行(列)取消和细 胞取消策略,通过记录有错的单元位置,重新布线,用其他备用的单元来代替。但是对于连线资源故障,这些策略并未给出相应的对策。在深入研究 胚胎仿生硬件容错体系结构的基础上,本文提出一种针对线轨故障的容错策略。
3.2.1 行(列)取消策略。在行(列)取消中,若一个细胞出错,则它所在行 (列)的所有细胞都将被取消,而该行(列)细胞的功能将被其上一行(右一列)的细胞 所代替,即当一个细胞出错时,细胞所在行(列)上移(右移)到一个备用行(备用列)来 代替它当前的工作。
3.2.2 细胞取消策略。在细胞取消中,用备用细胞代替故障细胞分两个 阶段。当某一行的出错细胞数超过备用细胞数时,整行被取消,行细胞上移,用备用 行取代出错行的功能。
3.3 胚胎型仿生硬件实现容错的流程 胚胎型仿生硬件容错的流程为: 3.3.1 根据设计需求选择器件,确定硬件设计方案;
3.3.2 以电路结构及有关参数等作为染色体进行编码,按照进化算法 的进化模式对系统进行进化操作;
3.3.3 一般以电路的功能与预期结果的符合程度作为个体的适应度。
根据给定的输入条件或测试集,通过基于电路模型的仿真测试或实测计算群体中 的每个个体的适应度;
3.4 胚胎型仿生硬件内部错误检测机制 错误检测是胚胎型仿生硬件实现容错的前提,本文在此着重研究针对 细胞故障的错误检测机制。
基于细胞功能单元的三模冗余与多数表决器电路实现是硬件容错常 用的冗余容错策略。
多数表决器判断输出多数细胞模块的信号,但并不能判断出具体哪个 细胞出现了错误,也就没法启动对出错细胞的重启动或重构来修复该细胞。为了 能检测出错细胞的具体位置,从而修复该细胞,进一步提高三模冗余的可靠性,需 要设计相应的差错检测器。机电技术论文篇二 浅谈机电一体化技术 摘要 : 本文着重介绍了机电一体化的基本概念并简单列举了机电一 体化产品的种类及其构成特点。且对比了机电一体化技术相比传统机电产品在功 能上的优越性。
关键词:机电一体化;
技术;
优越性 Abstract: this paper introduces the basic concept of mechanical and electrical integration and simple lists the electromechanical integration product categories and its structure characteristics. And compared the electromechanical integration technology, compared with the traditional mechanical and electrical products in the superiority of the function. Keywords: mechanical and electrical integration;
Technology;
superiority 中图分类号：TH-39文献标识码：
A 文章编号：
1 机电一体化的基本概念 机电一体化是在以机械、电子技术和计算机科学为主的多门学科相互 渗透、相互结合过程中逐渐形成和发展起来的一门新兴边缘技术学科, 而机电一 体化产品是在机械产品的基础上, 采用微电子技术和计算机技术生产出来的新 一代产品。机电一体化技术同时也是工程领域不同种类技术的综合及集合, 它是 建立在机械技术、微电子技术、计算机和信息处理技术、自动控制技术、电力电 子技术、伺服驱动技术以及系统总体技术基础之上的一种高新技术。与传统的机 电产品相比, 机电一体化产品具有下述优越性。
1.1 使用安全性和可靠性提高 机电一体化产品一般都具有自动监视、报警、自动诊断、自动保护等 功能。在工作过程中, 遇到过载、过压、过流、短路等电力故障时, 能自动采取 保护措施, 避免和减少人身和设备事故, 显著提高设备的使用安全性。
1.2 生产能力和工作质量提高 机电一体化产品大都具有信息自动处理和自动控制功能, 其控制和检测的灵敏度、精度以及范围都有很大程度的提高, 通过自动控制系统可精确地 保证机械的执行机构按照设计的要求完成预定的动作, 使之不受机械操作者主 观因素的影响, 从而实现最佳操作, 保证最佳的工作质量和产品的合格率。同时, 由于机电一体化产品实现了工作的自动化, 使得生产能力大大提高。例如, 数控 机床对工件的加工稳定性大大提高, 生产效率比普通机床提高5~ 6倍。
1.3使用性能改善 机电一体化产品普遍采用程序控制和数字显示, 操作按钮和手柄数 量显著减少, 使得操作大大简化并且方便、简单。机电一体化产品的工作过程根 据预设的程序逐步由电子控制系统指挥实现, 系统可重复实现全部动作。高级的 机电一体化产品可通过被控对象的数学模型以及外界参数的变化随机自寻最佳 工作程序, 实现自动最优化操作。
1.4具有复合功能并且适用面广 机电一体化产品跳出了机电产品的单技术和单功能限制, 具有复合 技术和复合功能, 使产品的功能水平和自动化程度大大提高。机电一体化产品一 般具有自动化控制、自动补偿、自动校验、自动调节、自动保护和智能化等多种 功能, 能应用于不同的场合和不同领域, 满足用户需求的应变能力较强。例如, 电子式空气断路器具有保护特性可调、选择性脱扣、正常通过电流与脱扣时电流 的测量、显示和故障自动诊断等功能, 使其应用范围大为扩大。
1.5调整和维护方便 机电一体化产品在安装调试时, 可通过改变控制程序来实现工作方 式的改变, 以适应不同用户对象的需要以及现场参数变化的需要。这些控制程序 可通过多种手段输入到机电一体化产品的控制系统中, 而不需要改变产品中的 任何部件或零件。对于具有存储功能的机电一体化产品,可以事先存入若干套不 同的执行程序, 然后根据不同的工作对象, 只需给定一个代码信号输入, 即可按 指定的预定程序进行自动工作。机电一体化产品的自动化检验和自动监视功能可 对工作过程中出现的故障自动采取措施, 使工作恢复正常。机电一体化技术和产 品的应用范围非常广泛, 涉及到工业生产过程的所有领域, 因此, 机电一体化产 品的种类很多, 而且还在不断地增加。按照机电一体化产品的功能,可以将其分成 下述几类: 数控机械类, 主要产品包括数控机床、机器人、发动机控制系统以及 全自动洗衣机等,这类产品的特点是执行机构为机械装置;
电子设备类,主要产品包括电火花加工机床、线切割机、超声波加工机以及激光测量仪等, 这类产品的 特点是执行机构为电子装置;
机电结合类, 主要产品包括自动探伤机、形状自动 识别装置、CT 扫描诊断机以及自动售货机等, 这类产品的特点是执行机构为电 子装置和机械装置的有机结合;电液伺服类, 主要产品为机电液一体化的伺服装 置, 如电子伺服万能材料试验机, 这类产品的特点是执行机构为液压驱动的机械 装置, 控制机构是接受电信号的液压伺服阀;信息控制类, 主要产品包括传真机、 磁盘存储器、磁带录像机、录音机、复印机等, 这类产品的主要特点是执行机构 的动作由所接收的信息类信号来控制。除此之外, 机电一体化产品还可根据机电 技术的结合程度分为功能附加型、功能替代型和机电融合型三类。
2.机电一体化产品的构成及特点 机电一体化产品的功能是通过其内部各组成部分功能的协调和综合 来共同实现的。从其结构来看, 机电一体化产品具有自动化、智能化和多功能的 特性, 而实现这种多功能一般需要机电一体化产品具备五种内部功能, 即主功能、 动力功能、检测功能、控制功能和执行功能, 而实现这些功能的各个组成部分及 其技术就构成了机电一体化产品的总体或系统。
2.1机械系统 机电一体化产品的机械系统包括机身、框架、机械传动和联接等机械 部分。这部分是实现产品功能的基础, 因此对机械结构提出了更高的要求, 需在 结构、材料、工艺加工及几何尺寸等方面满足机电一体化产品高效、多功能、可 靠、节能和小型轻量等要求。
2.2 动力系统 动力系统为机电一体化产品提供能量和动力功能, 去驱动执行机构 工作以完成预定的主功能。动力系统包括电、液、气等动力源。机电一体化产品 以电能利用为主, 包括电源、电动机及驱动电路等。
2.3传感与检测系统 传感器的作用是将机电一体化产品在运行过程中所需要的自身和外 界环境的各种参数转换成可以测定的物理量,同时利用检测系统的功能对这些物 理量进行测定, 为机电一体化产品提供运行控制所需的各种信息。传感与检测系 统的功能一般由测量仪器或仪表来实现, 对其要求是体积小、便于安装与联接、检测精度高、抗干扰等。
2.4信息处理及控制系统 根据机电一体化产品的功能和性能要求, 信息处理及控制系统接收 传感与检测系统反馈的信息, 并对其进行相应的处理、运算和决策, 以对产品的 运行施以按照要求的控制,实现控制功能。机电一体化产品中, 信息处理及控制系 统主要是由计算机的软件和硬件以及相应的接口所组成。
2.5执行机构 执行机构在控制信息的作用下完成要求的动作, 实现产品的主功能。
机电一体化产品的执行机构一般是运动部件, 常采用机械、电液、气动等机构。
执行机构因机电一体化产品的种类和作业对象不同而有较大的差异。执行机构是 实现产品目的功能的直接执行者, 其性能好坏决定着整个产品的性能, 因而是机 电一体化产品中最重要的组成部分。机电一体化产品的五个组成部分在工作时相 互协调,共同完成所规定的目的功能。在结构上, 各组成部分通过各种接口及其相 应的软件有机地结合在一起, 构成一个内部匹配合理、外部效能最佳的完整产品。
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