柔性制造技术的现状及发展趋势_自动化专业

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第一篇 柔性制造技术的现状及发展趋势_自动化专业

摘　要　文章简述了柔性、柔性制造技术的概念、分类、所涉及的关键技术,以及发展应用趋势,以促使人们对新的制造技术认识和重视。

随着社会的进步和生活水平的提高,社会对产品多样化,低制造成本及短制造周期等需求日趋迫切,传统的制造技术已不能满足市场对多品种小批量,更具特色符合顾客个人要求样式和功能的产品的需求。90年代后,由于微电子技术、计算机技术、通信技术、机械与控制设备的发展,制造业自动化进入一个崭新的时代,技术日臻成熟。柔性制造技术已成为各工业化国家机械制造自动化的研制发展重点。

1　基本概念

11　柔性柔性可以表述为两个方面。第一方面是系统适应外部环境变化的能力,可用系统满足新产品要求的程度来衡量;第二方面是系统适应内部变化的能力,可用在有干扰(如机器出现故障)情况下,系统的生产率与无干扰情况下的生产率期望值之比来衡量。“柔性”是相对于“刚性”而言的,传统的“刚性”自动化生产线主要实现单一品种的大批量生产。其优点是生产率很高,由于设备是固定的,所以设备利用率也很高,单件产品的成本低。但价格相当昂贵,且只能加工一个或几个相类似的零件,难以应付多品种中小批量的生产。随着批量生产时代正逐渐被适应市场动态变化的生产所替换,一个制造自动化系统的生存能力和竞争能力在很大程度上取决于它是否能在很短的开发周期内,生产出较低成本、较高质量的不同品种产品的能力。柔性已占有相当重要的位置。柔性主要包括　　1)　机器柔性　当要求生产一系列不同类型的产品时,机器随产品变化而加工不同零件的难易程度。www.0519news.Com

2)　工艺柔性　一是工艺流程不变时自身适应产品或原材料变化的能力;二是制造系统内为适应产品或原材料变化而改变相应工艺的难易程度。

3)　产品柔性　一是产品更新或完全转向后,系统能够非常经济和迅速地生产出新产品的能力;二是产品更新后,对老产品有用特性的继承能力和兼容能力。

4)　维护柔性　采用多种方式查询、处理故障,保障生产正常进行的能力。

5)　生产能力柔性　当生产量改变、系统也能经济地运行的能力。对于根据订货而组织生产的制造系统,这一点尤为重要。

6)　扩展柔性　当生产需要的时候,可以很容易地扩展系统结构,增加模块,构成一个更大系统的能力。

7)　运行柔性　利用不同的机器、材料、工艺流程来生产一系列产品的能力和同样的产品,换用不同工序加工的能力。

12　柔性制造技术柔性制造技术是对各种不同形状加工对象实现程序化柔性制造加工的各种技术的总和。柔性制造技术是技术密集型的技术群,我们认为凡是侧重于柔性,适应于多品种、中小批量(包括单件产品)的加工技术都属于柔性制造技术。目前按规模大小划分为:

1)　柔性制造系统(ｆｍｓ)

关于柔性制造系统的定义很多,权威性的定义有:

美国国家标准局把ｆｍｓ定义为:“由一个传输系统联系起来的一些设备,传输装置把工件放在其他联结装置上送到各加工设备,使工件加工准确、迅速和自动化。计算机控制机床和传输系统,柔性制造系统有时可同时加工几种不同的零件。国际生产工程研究协会指出“柔性制造系统是一个自动化的生产制造系统,在最少人的干预下,能够生产任何范围的产品族,系统的柔性通常受到系统设计时所考虑的产品族的限制。”而我国国家军用标准则定义为“柔性制造系统是由数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统组成的自动化制造系统,它包括多个柔性制造单元,能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整,适用于多品种、中小批量生产。”简单地说,ｆｍｓ是由若干数控设备、物料运贮装置和计算机控制系统组成的并能根据制造任务和生产品种变化而迅速进行调整的自动化制造系统。目前常见的组成通常包括4台或更多台全自动数控机床(加工中心与车削中心等),由集中的控制系统及物料搬运系统连接起来,可在不停机的情况下实现多品种、中小批量的加工及管理。目前反映工厂整体水平的ｆｍｓ是第一代ｆｍｓ,日本从1991年开始实施的“智能制造系统”(ｉｍｓ)国际性开发项目,属于第二代ｆｍｓ;而真正完善的第二代ｆｍｓ预计本世纪十年代后才会实现。

2)　柔性制造单元(ｆｍｃ)

ｆｍｃ的问世并在生产中使用约比ｆｍｓ晚6～8年,ｆｍｃ可视为一个规模最小的ｆｍｓ,是ｆｍｓ向廉价化及小型化方向发展的一种产物,它是由1～2台加工中心、工业机器人、数控机床及物料运送存贮设备构成,其特点是实现单机柔性化及自动化,具有适应加工多品种产品的灵活性。迄今已进入普及应用阶段。

3)　柔性制造线(ｆｍｌ)

它是处于单一或少品种大批量非柔性自动线与中小批量多品种ｆｍｓ之间的生产线。其加工设备可以是通用的加工中心、ｃｎｃ机床;亦可采用专用机床或ｎｃ专用机床,对物料搬运系统柔性的要求低于ｆｍｓ,但生产率更高。它是以离散型生产中的柔性制造系统和连续生过程中的分散型控制系统(ｄｃｓ)为代表,其特点是实现生产线柔性化及自动化,其技术已日臻成熟,迄今已进入实用化阶段。

4)　柔性制造工厂(ｆｍｆ)ｆｍｆ是将多条ｆｍｓ连接起来,配以自动化立体仓库,用计算机系统进行联系,采用从订货、设计、加工、装配、检验、运送至发货的完整ｆｍｓ。它包括了ｃａｄ/ｃａｍ,并使计算机集成制造系统(ｃｉｍｓ)投入实际,实现生产系统柔性化及自动化,进而实现全厂范围的生产管理、产品加工及物料贮运进程的全盘化。ｆｍｆ是自动化生产的最高水平,反映出世界上最先进的自动化应用技术。它是将制造、产品开发及经营管理的自动化连成一个整体,以信息流控制物质流的智能制造系统(ｉｍｓ)为代表,其特点是实现工厂柔性化及自动化。

2　柔性制造所采用的关键技术

2.1　计算机辅助设计

未来ｃａｄ技术发展将会引入专家系统,使之具有智能化,可处理各种复杂的问题。当前设计技术最新的一个突破是光敏立体成形技术,该项新技术是直接利用ｃａｄ数据,通过计算机控制的激光扫描系统,将三维数字模型分成若干层二维片状图形,并按二维片状图形对池内的光敏树脂液面进行光学扫描,被扫描到的液面则变成固化塑料,如此循环操作,逐层扫描成形,并自动地将分层成形的各片状固化塑料粘合在一起,仅需确定数据,数小时内便可制出精确的原型。它有助于加快开发新产品和研制新结构的速度。

2.2　模糊控制技术

模糊数学的实际应用是模糊控制器。最近开发出的高性能模糊控制器具有自学习功能,可在控制过程中不断获取新的信息并自动地对控制量作调整,使系统性能大为改善,其中尤其以基于人工神经网络的自学方法更引起人们极大的关注。

2.3　人工智能、专家系统及智能传感器技术

迄今,柔性制造技术中所采用的人工智能大多指基于规则的专家系统。专家系统利用专家知识和推理规则进行推理,求解各类问题(如解释、预测、诊断、查找故障、设计、计划、监视、修复、命令及控制等)。由于专家系统能简便地将各种事实及经验证过的理论与通过经验获得的知识相结合,因而专家系统为柔性制造的诸方面工作增强了柔性。展望未来,以知识密集为特征

,以知识处理为手段的人工智能(包括专家系统)技术必将在柔性制造业(尤其智能型)中起着日趋重要的关键性的作用。目前用于柔性制造中的各种技术,预计最有发展前途的仍是人工智能。预计到21世纪初,人工智能在柔性制造技术中的应用规模将在比目前大4倍。智能制造技术(ｉｍｔ)旨在将人工智能融入制造过程的各个环节,借助模拟专家的智能活动,取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动。在制造过程,系统能自动监测其运行状态,在受到外界或内部激励时能自动调节其参数,以达到最佳工作状态,具备自组织能力。故ｉｍｔ被称为未来21世纪的制造技术。对未来智能化柔性制造技术具有重要意义的一个正在急速发展的领域是智能传感器技术。该项技术是伴随计算机应用技术和人工智能而产生的,它使传感器具有内在的“决策”功能。

24　人工神经网络技术

人工神经网络(ａｎｎ)是模拟智能生物的神经网络对信息进行并处理的一种方法。故人工神经网络也就是一种人工智能工具。在自动控制领域,神经网络不久将并列于专家系统和模糊控制系统,成为现代自动化系统中的一个组成部分。

3　柔性制造技术的发展趋势

31　ｆｍｃ将成为发展和应用的热门技术

这是因为ｆｍｃ的投资比ｆｍｓ少得多而经济效益相接近,更适用于财力有限的中小型企业。目前国外众多厂家将ｆｍｃ列为发展之重。

32　发展效率更高的ｆｍｌ

多品种大批量的生产企业如汽车及拖拉机等工厂对ｆｍｌ的需求引起了ｆｍｓ制造厂的极大关注。采用价格低廉的专用数控机床替代通用的加工中心将是ｆｍｌ的发展趋势。

33　朝多功能方向发展

由单纯加工型ｆｍｓ进一步开发以焊接、装配、检验及钣材加工乃至铸、锻等制造工序兼具的多种功能ｆｍｓ。

4　结束语

柔性制造技术是实现未来工厂的新颖概念模式和新的发展趋势,是决定制造企业未来发展前途的具有战略意义的举措。届时,智能化机械与人之间将相互融合,柔性地全面协调从接受订货单至生产、销售这一企业生产经营的全部活动。

近年来,柔性制造作为一种现代化工业生产的科学“哲理”和工厂自动化的先进模式已为国际上所公认,可以这样认为:柔性制造技术是在自动化技术、信息技术及制造技术的基础上,将以往企业中相互的工程设计、生产制造及经营管理等过程,在计算机及其软件的支撑下,构成一个覆盖整个企业的完整而有机的系统,以实现全局动态最优化,总体高效益、高柔性,并进而赢得竞争全胜的智能制造技术。它作为当今世界制造自动化技术发展的前沿科技,为未来机构制造工厂提供了一幅宏伟的蓝图,将成为21世纪机构制造业的主要生产模式。实现了按端口、ｍａｃ地址、应用等来划分虚拟网络,有效地控制了企业内部网络的广播流量和提高了企业内部网络的安全性。

4　结　论

现实中存在许多不同类型的网络,有支持ｔｃｐ/ｉｐ的,有遵循ｏｓｉ标准协议的,每台机器的对应层协议都不同,对哪一层实施连接,需采用相应的网络互联设备。

通俗地讲,第二层交换是指多口的交换集线路,即网络交换机。其目的是替代传统的集线器,提升网络的有效带宽。主要应用于局域网中。在不同或相同类型的局域网之间采用桥接器(集线器),从协议层上讲属于数据链路层的设备,但它们仍然是网络连接的方法,因为局域网ｉｍｐ本身没有网络层,只有在主机站点上才有网络层或提供网络层服务的功能。与桥接器不同,网关在网络层一级工作。这样就有了更大的灵活性。例如,在差别很大的网络间翻译地址等,但这也导致了网关的速度很慢,因此,网关一般都用于广域网间的连接或局域网与广域网的互联。随着网络的演进,100ｍ高速以太网的出现,路由器在网段之间通信中造成的时延越来越成为网络信息传输的瓶颈[4]。第三层交换技术的出现,解决了大规模局域网中各子网段之间网络信息传输的瓶颈问题,取代了昂贵的路由器,成为一种实用、经济的组网技术。

第二篇 机械工业近期行业技术发展重点_自动化专业

（一）行业技术发展现状

机械工业是为国民经济提供技术装备和为生活提供耐用消费品的装备产业。国民经济各部门生产技术的进步和经济效益的高低，在很大程度上取决于它所采用机械装备的性能和质量，机械工业的技术水平是衡量一个国家科技水平和经济实力的重要标志之一。

经过近50年的发展，机械工业已经成为我国工业中具有相当规模和一定技术基础的最大产业之一。1997年实现销售收入13651亿元，占全国工业的21%；利润257亿元，税621亿元，分别占全国工业的15%；出口创汇363亿美元，占全国外贸出口额的20%。其发展速度高于同期工业的平均增长速度。

近年来，机械工业企业自主开发创新能力有所增强，1997年科技人员总数达48万人，技术开发经费支出达85亿元，占全行业销售收入的0.62%，有57家大型企业建立了国家级技术中心，有9%的企业建立了专门技术开发机构，行业整体技术水平有了明显进步，主要表现在：为国民经济提供成套技术装备和汽车的能力有较大提高；产品结构正向合理化方向发展。

尽管机械工业的综合技术水平近几年有了大幅度提高，但与工业发达国家相比，仍存在着阶段性的差距。主要问题在于：

1．科技进步对机械工业增长的贡献率目前仅为34%，先进国家高达70%以上。

2．产品设计技术、制造工艺及装备、制造过程自动化技术、管理技术落后，是制约机械产品水平的主要因素。

3．机械产品技术水平不高，达到80年代末、90年代初国际先进水平的仅占18%，达到80年代中期国际水平的占27%，其余产品均在80年代以前的水平线上。WWw.0519news.cOM

从总体上看，机械工业技术开发能力和技术基础薄弱，发展后劲不足；技术来源主要依靠引进国外技术，对国外技术的依存度较高，对引进技术的消化吸收仍停留在掌握已有技术和提高国产化率上，没有上升到形成产品自主开发能力和技术创新能力的高度。

（二）技术发展的总体目标

以数控机床、电力电子应用及自动化技术、大型农业机械和施工机械、轿车关键技术、环保装备五个方面作为重点，以发展和应用先进制造技术为手段，以高新技术和产品的产业化为突破口，以提高企业技术创新能力和竞争力为目标，提高企业技术创新水平。到20xx年，提供1000种具有自主知识产权和较大市场需求潜力的产品。主要产品品种的40%达到90年代初国际水平，5%达到国际先进水平，90%的重点骨干企业产品标准接近或达到国际先进企业标准。

（三）技术发展的方向和重点

1．以数控机床为代表的基础机械

数控机床是先进制造业的基础机械，是最典型的多品种、小批量、高技术含量的机电一体化产品。目前世界数控机床年产量超过15万台，品种超过1500种。1997年我国数控机床产量已达9051台（占机床总产值20%以上），但由于国产数控机床不能满足市场需求，在国内市场上的占有率逐年下降，每年仍需大量进口数控机床，进口额度大幅度增加。1996年进口达13924台（价值12.46亿美元）。

目前我国数控机床技术发展中存在的主要问题是：

（1）产品成熟度差，可靠性不高

国外数控系统平均无故障时间（mtbf）在10000小时以上，国内自主开发的数控系统仅3000～5000小时；整机平均无故障工作时间国外达800小时以上，国内最好只有300小时。

（2）产品品种少，不能满足市场需求

国外数控机床品种已达到1500种，国内只有500多种,且性能水平低，高速、高效、高精度产品几乎没有。

（3）创新能力低，市场竞争力不强

生产数控机床的企业虽达百余家，但大多数都未能形成规模生产，企业效益差，创新能力低，制造成本高，产品市场竞争能力不强。

（4）数控机床行业的专业化零配件及部件的协作生产配套体系不健全，大多数企业都是“大而全、小而全”的结构模式。

近期我国在数控机床的发展方面，要采取跟踪高级型、发展普及型、扩大经济型，以普及型为主的策略，重点发展：

（1）经济适用、量大面广的产品

经济适用的普及型数控车床、加工中心、数控铣床。

（2）高速、高效和专用、成套数控机床

高速、高效数控车床及加工中心；高效数控锻压成套装备，其中包括，可自动换头冲压机床、复合式柔性冲压中心、四边折弯机等；大型精密模具数控成套装备，其中包括数控仿型铣床及龙门式数控铣床、智能化电加工机床等。

（3）数控机床专业化配套系统

新一代数控及伺服系统系列产品；数控机床高速主轴、电主轴电机系列产品；数控机床机械手、刀库及动力刀架系列产品；数控机床高速配套零部件及辅件系列产品；其中包括，高速滚珠丝杆、高速陶瓷轴承、高速防护装置等系列产品。

发展目标：

（1）扶植重点企业开发经济适用、量大面广的数控机床并形成批量生产，使这些企业产品的市场占有率有明显提高，成为名牌产品；

（2）发展数十种高速、高效、专用、成套数控机床系列新品种，以满足汽车、农机、航空、模具等行业的需求；

（3）数控机床关键配套产品：数控系统，满足国内数控机床50%的配套需求；高速主轴及电主轴年产达千套；机械手、刀库、动力刀架及数控机床高速配套零部件、辅件系列产品满足国内50%的配套需求。

2．电力电子应用及自动化技术

电力电子技术是集微电子、计算机和自动化技术于一体的综合技术，是节能节材的最佳技术之一。目前，国外电力电子技术已经发展到以igbt为代表的第三代，并向智能电力电子时代发展，我国现在仍处于以晶闸管为代表的第二代。国内电力电子市场品种满足率仅35%，新产品市场基本上被国外产品占领。

现场总线智能仪表和总线式自动测试系统是集自动化技术、计算机技术和通信技术于一体的新一代自动化仪表系统，已成为世界范围自动化技术发展的热点，是当代工业自动化的主要标志。我国仍处于由模拟式仪表系统向数字式仪表系统过渡的模数混合式仪表系统阶段，水平落后10～15年，因此在低技术产品市场上还占有80%左右份额，但在高技术产品市场的占有率不到60%，新产品市场几乎全为国外产品占领。

因此，抓住当前时机在2～3年内以igbt，现场总线智能仪表和自动测试系统为突破，攻克重点技术和产品，并实现产业化。这一领域重点发展：

（1）igbt器件及其装置，大功率晶闸管及其装置

研制新一代双极晶体管igbt、高品质大电流igbt等大功率晶闸管制造技术，并开发变频调速装置、逆变开关电源、大容量整滤源等的工程应用。

（2）现场总线智能仪表

研制开发变送、执行、配套等类现场总线仪表。产品产业化技术开发、并开展示范工程的应用研究。

（3）自动测仪系统和设备

开发总线式自动测试系统的基础产品，形成适度规模，同时建立用于机电产品和社会公益事业的典型自动测试系统，做好示范和推广应用。

3.大型农业机械和施工机械

（1）农业机械

工业发达国家农机产品在不断采用新技术的基础上，正向高效、节能、保护农

业环境方向发展。目前我国已能生产14大类、3000多个品种的农机产品，但是产品的综合技术水平仅相当于国外70年代水平。主要问题在于：

1）产品水平不高，品种不全综合技术经济指标落后，可靠性差，寿命短。以拖拉机为例，mtbf值国外可以达到330小时以上，而我国仅100余小时。品种上：大型缺，小型杂，不成系列。

2）产品生产达到经济规模的少，重复生产、小规模生产，难以保证质量。

农机领域重点发展：

1）促进农业生产产业化的大中型拖拉机及配套农具拖拉机平均无故障时间从110小时提高到300小时以上；

2）联合收割机联合收割机可靠性系数从0.5～0.7提高到0.9以上；

3）主要农产品加工机械（含烘干仓储机械）农村产业化和中西部地区脱贫致富需要的农产品深加工机械；

4）节水灌溉设备喷、滴灌设备将灌溉水的有效利用率由大水漫灌的40%提高到80%以上。

农机产品的使用可靠性及寿命指标普遍提高一倍以上，主要产品的技术标准与国际标准接轨。

（2）施工机械

施工机械是国民经济大型工程项目建设必须的关键设备。我国已初步具备16个大类，3100多个品种规格产品的生产能力，部分产品已开始进入国际市场。但与国民经济发展要求和国际先进水平相比较，差距还是很大。一是产品的综合技术水平不高，尤其是产品的质量、寿命、可靠性、安全舒适性等指标以及机电一体化等高新技术的应用与国外先进水平还有很大的差距；二是产品结构性短缺，成套服务能力差，远不能满足需要，如路面施工机械基本上还要靠进口；三是大部分企业生产规模小，制约着行业经济效益的进一步提高。

施工机械重点发展：

1）推土机、液压挖掘机、轮式装载机；

2）汽车起重机、大型叉车；

3）摊铺机、压路机；

4）无开挖式管道铺设机；

5）江河湖库清淤设备。

发展目标：

大型工程机械可靠性指标达到400小时，寿命指标达到10000小时。

4．轿车关键技术

我国汽车工业长期以卡车为主要产品，改革开放以后，轿车产品得到了快速发展。1998年轿车产量达到52万辆。

我国汽车工业存在的主要问题：

（1）重复建设严重，造成无序竞争，难以集中形成实力，发挥规模效益。

（2）自主开发能力薄弱，大多数企业“九五”期间仍偏重于对生产环节进行改造，包括多数中外合资的零部件企业对产品开发能力建设几乎没有投入。目前，国内对轿车产品尚不具备自主开发能力，机电一体化的高新技术零部件产品还必须引进技术。

近期轿车重点发展：

（1）经济型轿车

以轿车车身为突破口，利用技贸结合、与国外公司合作等方式，先抓车身联合研制，并建立经济型轿车的公用设计数据库，与cas、cad、cae、cam等技术结合，形成我国汽车工业在经济型轿车方面的自主开发能力。

（2）轿车动力总成

消化吸收引进技术，与国外有实力的企业进行合资、合作、联合开发，在国产汽油机上普及电控燃油喷射技术（ems），并研究开发缸内直喷（gdi）技术，开发应用电控机械变速器（amt）技术。

（3）轿车关键零部件

以机电一体化汽车电子部件为突破口，从引进技术、合资入手，在保证高起点、大批量、专业化生产的同时，要集中力量抓紧下一代新产品的研制开发和应用，重点是电控防抱死制动系统（abs）、安全气囊（airbag）、高效稳定的汽车尾气三元催化转换器，并达到与整车同步或超前发展。

（4）高附加值专用汽车和客车

重点开发各类高性能专用底盘。对专用汽车以低底盘车辆和沙漠越野车辆为主；客车以低地板城市客车为主，要求具有良好的动力性、操纵性、舒适性和低污染。

5．环保装备

环保产业是防治环境污染、改善生态环境、促进资源优化配置、支持资源综合利用的支柱产业。全世界环保机械的年销售额约2000亿美元，集中于美国、欧州、日本等经济发达国家。我国环保机械行业基础弱、起步晚，年产值仅100多亿币。随着各方面对环境保护的日益重视，可持续发展战略的实施，市场需求不断增长，环保机械将成为机械工业新的经济增长点。

环保机械行业主要差距在于：

（1）产品结构不合理，品种少

初级产品所占比重较大，具有当代水平的机电一体化产品少，急需的大型成套设备不能满足现实市场需求。在目前3000多种环保机械产品中，约有五分之一的产品由于性能、可靠性、适用性、结构设计等原因，应该限制生产或限期淘汰。大型烟气脱硫、脱氮成套设备、大型城市污水处理厂成套设备、大型城市垃圾处理厂成套设备目前主要依赖进口，高浓度有机废水、难降解工业废水处理

技术及设备发展缓慢。

（2）产品质量、技术水平比国际先进水平落后20年

相当多的产品没有行业或国家标准，产品规格型号、基本性能参数不统一，质量检测无依据。

（3）生产企业规模小、开发能力薄弱

规模小、装备条件差、检测手段不全的中小企业占全行业企业总数的78%。年产值在3000万元以上的企业仅占全行业的3.2%，并且主要集中在电除尘器、袋式除尘器等少数几种产品生产领域。

近期环保机械重点发展：

（1）烟气脱硫设备

循环流化床锅炉及炉内脱硫脱硝技术（cfpbc、pfbc技术）、大型整体煤气化燃气蒸汽联合循环技术及装备（igcc技术）。

（2）城市污水处理成套设备

活性污泥法、氧化沟法、移动曝气法为主体的城市污水处理成套设备，以日处理10～25万吨污水处理厂为目标，提供污水处理成套设备、污泥利用和处置成套设备、控制和监测系统。

（3）城市固体垃圾处理和综合利用装备

城市生活垃圾分类、焚烧、堆肥技术及装备，以日处理100吨、300吨处理厂为目标，提供垃圾处理成套装备。

（4）环境监测仪器

便携式多功能多参数水质监测仪、12种总量控制的污染物监测仪、大气环境污染监测仪器和系统以及水处理过程自动控制系统等。提高产品档次、水平、可靠性和精度。

主要目标：

（1）大型成套设备的国产化率达到70%以上；一般工程项目的设备国产化率达到90%以上；高浓度有机废水和难降解工业废水处理技术及成套设备国产化率达到80%以上。

（2）一般环保机械60%以上的产品达到90年代初水平，5%～10%的产品达到当代国际水平。

（3）发展新产品品种，开发新产品200种以上。

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第三篇 一种智能型伺服放大器的设计_自动化专业

王金喜

（山西大学工程学院，山西太原030013）

摘要：介绍阀门控制电动执行机构中的fcf－1智能伺服放大器的功能、构成及电路原理，并对放大器的软件框图作了剖析，对使用的元器件电路性能也作了简要介绍。

关键词：单片机；电动执行器；位置反馈；a／d转换

1　fcf－1伺服放大器基本功能

1）给定输入：输入来自计算机、调节器或手操器的给定（一般为4～20ma的直流电流）。2）阀位输入：来自执行器阀门开度的位置反馈（一般为4～20ma）。3）阀位增加输出：使正转固态继电器打开，伺服电机正转。4）阀位减小输出：使反转固态继电器打开，伺服电机反转。5）输入断路保护：当给定输入电流in或位置反馈电流wf的值小于3ma或断线时，面板上黄灯点亮，同时，系统切断总电源并送出抱闸和接点。6）输出短路保护：当固态继电器输出发生故障短路时，红灯点亮，系统切断总电源并且送出抱闸。7）输出开路保护：当固态继电器输出发生故障开路时，绿灯闪烁。8）死区调整功能：如执行器在平衡点振荡，可将死区调大（比如将拨码开关‘1’拨到‘on’的位置时，‘2’、‘3’、‘4’为不变，则死区为满量程的1．5％）。

2　基本构成及电路原理

2．1　采集及运算电路的构成及原理

此部分电路包括单片机at89c2051，多路模拟开关cd4051，a／d转换器adc0804等（图1）。

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2．1．1　at89c2051

它是一个封装为dip20的芯片，其内部集成了8位cpu和2k的闪速存储器；128字节的内部ram；15条可编程的i／o口线，2个16位的定时器／计数器。wWw.0519news.cOM本放大器有两片，一片用于数据采集、运算和控制，另一片用于系统保护和。

2．1．2　cd4051

单端8通道模拟多路开关。在本例中，仅x0、x1、x2三路切换，其余5路x3～x7不参加切换。二进制控制输入端也仅选a、b两位，c接地，因此4051可译出（00～11）4种状态，由2051控制口的3．5、3．7控制。

允许输入端inh端常接地，保持4051常通。

2．1．3　adc0804

adc0804片内有三态数据输出锁存器，与微处理器兼容，单通道输入，转换时间为100μs。典型接线如图1所示，被转换的电压从vin（＋）和vin（－）输入，允许此是差动的或不共地的电压。模拟地和数字地分别设置引入端，使数字电路的地电流不影响模拟回路，以防止寄生耦合造成的干扰。参考电压可以由外部电路供给，从vref／2端直接输入。

adc0804片内有时钟电路。只要在外部“clk－r”和“clk－in”两端外接一电阻电容即可产生a／d转换所要求的时钟是片选端是控制芯片启动的输入端是转换结束输出端为转换结果读出控制端，当它与同时为低电平时，输出数据锁存器db0～db7各端上出现8位并行二进制数码，以表示a／d转换的结果。

2．1．4　作用原理

来自计算机、调节器或手操器的给定‘in’从模拟开关4051的x1端输入，来自电动执行器的位置反馈‘wf’从4051的x2输入（见图1），它们分别由4051的x端送到a／d转换器0804的‘vin’端脚，经a／d转换为数字进入2051的端口p1．0～p1．7，两在cpu中相减，如in－wf〉a（a为死区），则说明给定大于位反，表示阀门没有开够，由2051的1p3．2送出一高电平给反向驱动器u1（7404）的输入端；反之，如wf－in〉a，则说明给定小于位反，表示阀门开过头了，则由2051的1p3．3送出一高电平给反向驱动器u2（7404）的输入端；u1、u2的输出端分别送出低电平k＋或k－去控制下一级固态继电器输出电路g1或g2，送出一定功率的电流给电动执行器的伺服电机线圈，使其正转或反转。

2．2　保护电路的构成及原理

2．2．1　输入断路保护电路

图2中，bg1、bg2、j0和黄灯组成了输入断路保护电路，其原理是，当输入4051的‘in’及‘wf’因断线或故障无时，在单片机2051－1的口线1p3．1送出低电平，此时bg1与bg2相继导通，黄灯有电流流过而点亮。同时，中间继电器j0得电而吸合。在j0－2的作用下，继电器j1闭合，使输出控制电路中的常闭触点j1－2断开，切断正反转回路的交流220v电源，伺服电机停转，并送出抱闸b，抑制闸门的转动惯量。同时j0－1常开接点也闭合，现场。

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2．2．2　固态继电器输出短路和开路保护电路

（1）固态继电器输出短路和输出开路的判断

由晶体管bg5、bg6等元件组成的电路为固态继电器正向回路和反向回路的电流检测电路，我们以正转为例说明其原理。

图2中，h1为正转回路的互感器次级线圈，当正转回路有电流流过时，h1上将感应出电压，经整流、滤波、放大、整形，一个标准的低电平送给2051－2的2p3．0，它是‘0’有效。2051－1送来的1p3．2是‘1’有效的正转，加至2p3．1。

2p3．0与2p3．1组合起来有几种情况：

1》．00：表示固态继电器正向回路有电流流过，而输入无给定，说明固态继电器短路。

2》．01：表示固态继电器正向回路有电流流过，而输入有给定，说明运行正常。

3》．10：表示固态继电器正向回路无电流流过，而输入无给定，说明运行正常。

4》．11：表示固态继电器正向回路无电流流过，而输入有给定，说明固态继电器开路。

（2）固态继电器输出短路和输出开路的保护

当固态继电器输出短路时，2051－2的2p1．7输出高电平，红灯被点亮。同时，2p3．7输出低电平，bg3、bg4相继导通，j1得电，输出控制电路中的j1－2常闭接点断开，切断固态继电器回路的电源，伺服电机停转。

当固态继电器输出开路时，2051－2的2p1．6输出高电平，u3输出低电平，点亮绿灯。u3、u4均为反向驱动器ls7404。

2．2．3　硬件复位与“看门狗”电路

本放大器选用软硬件复位电路（上电复位、手动复位、看门狗电路），使系统更加安全、可靠。

3　程序框图

图3所示为伺服放大器用于采集和保护系统的程序框图。

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3．1　采集程序框图

采集程序应用于2051－1。初始化是给2051－1的各端口及各寄存器设置一个初始状态，例如p3．1＝1，p3．2＝0，p3．3＝0，表示将p3口的此三位分别设为

高、低、低电平，这样一开始不能有，也不能有正转、反转输出。cd4051多路开关的通道号由p3．5、p3．7选取，假如为‘00’，表示选中0号通道，同理，‘01’、‘10’、‘11’分别为1号、2号、3号通道。p3．0先“0”而后‘1’表示输出一个正脉冲用以启动a／d转换。a／d转换后来自0通道的8位二进制数送到p1口，它是由我们设定的死区范围值。不同的设定将改变变量a1、a2、a3的参数。通道号变为1时，p1口的值为x，它是伺放的给定，如x＜48（电流值＜3．7ma），说明可能是断开的，这时，p3．1＝0，给出开路。如x＞48，说明正常，采集通道2的y值，它即为位置反馈的值，同样程序判断其小于或大于48来转到或下一步；以｜x－y｜判断给定与位反的差值，如小于设定的死区范围，伺放将给出停机，只有｜x－y｜＞a，才判断是x大还是y大来决定正转还是反转。

3．2　保护程序框图

保护程序加在2051－2上，初始化程序与上述相同。p3．0是正转固态继电器有输出的标志，‘0’有效。p3．1来自2051－1的p3．2，是正转，‘1’有效。程序中取p3．0与p3．1的值进行判断，假如它们都为‘1’，说明有正转给定而无正转输出，显然是输出开路，p1．6＝1，即给出开路。假如p3．0与p3．1都为‘0’，说明无正转给定而有正转输出，显然是输出短路，p1．7＝1输出，同时，p3．7＝0，启动保护继电器动作。p3．0与p3．1的值如果相异时，放大器运行正常。

p3．2是反转固态继电器有输出的标志，‘0’有效。p3．3来自2051－1的p3．3，是反转，‘1’有效。程序中取p3．3与p3．2的值进行判断，判断的方法与动作的结果与取p3．0与p3．1的值的情况相同。

参考文献：

［1］魏立君，韩华琦．cmos4000系列60种常用集成电路的应用［m］．：邮电出版社，1995．

［2］潘新民．微型机过程控制接口技术［m］．华中理工大学出版社，1986．

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第四篇 先进制造技术的新发展_自动化专业

江苏省南京　　王道林

摘要：本文介绍了当今制造技术面临的问题，论述了先进制造的前沿科学，并展望了先进制造技术的发展前景。

关键词：问题；先进制造技术；前沿科学；应用前景

论文

制造业是现代国民经济和综合国力的重要支柱，其生产总值一般占一个国家国内生产总值的20%~55%。在一个国家的企业生产力构成中，制造技术的作用一般占60%左右。专家认为，世界上各个国家经济的竞争，主要是制造技术的竞争。其竞争能力最终体现在所生产的产品的市场占有率上。随着经济技术的高速发展以及顾客需求和市场环境的不断变化，这种竞争日趋激烈，因而各国都非常重视对先进制造技术的研究。

1当前制造科学要解决的问题

当前制造科学要解决的问题主要集中在以下几方面：

（1）制造系统是一个复杂的大系统，为满足制造系统敏捷性、快速响应和快速重组的能力，必须借鉴信息科学、生命科学和社会科学等多学科的研究成果，探索制造系统新的体系结构、制造模式和制造系统有效的运行机制。制造系统优化的组织结构和良好的运行状况是制造系统建模、仿真和优化的主要目标。制造系统新的体系结构不仅对制造企业的敏捷性和对需求的响应能力及可重组能力有重要意义，而且对制造企业底层生产设备的柔性和可动态重组能力提出了更高的要求。生物制造观越来越多地被引入制造系统，以满足制造系统新的要求。

（2）为支持快速敏捷制造，几何知识的共享已成为制约现代制造技术中产品开发和制造的关键问题。例如在计算机辅助设计与制造(cad／cam)集成、坐标测量(cmm)和机器人学等方面，在三维现实空间(3-realspace)中，都存在大量的几何算法设计和等问题，特别是其中的几何表示、几何计算和几何推理问题；在测量和机器人路径规划及零件的寻位(如localization)等方面，存在c-空间

(配置空间configurationspace)的几何计算和几何推理问题；在物体操作(夹持、抓取和装配等)描述和机器人多指抓取规划、装配运动规划和操作规划方面则需要在旋量空间(screwspace)进行几何推理。WWW.0519news.COm制造过程中物理和力学现象的几何化研究形成了制造科学中几何计算和几何推理等多方面的研究课题，其理论有待进一步突破，当前一门新学科--计算机几何正在受到日益广泛和深入的研究。

（3）在现代制造过程中，信息不仅已成为主宰制造产业的决定性因素，而且还是最活跃的驱动因素。提高制造系统的信息处理能力已成为现代制造科学发展的一个重点。由于制造系统信息组织和结构的多层次性，制造信息的获取、集成与融合呈现出立体性、信息度量的多维性、以及信息组织的多层次性。在制造信息的结构模型、制造信息的一致性约束、传播处理和海量数据的制造知识库管理等方面，都还有待进一步突破。

（4）各种人工智能工具和计算智能方法在制造中的广泛应用促进了制造智能的发展。一类基于生物进化算法的计算智能工具，在包括调度问题在内的组合优化求解技术领域中，受到越来越普遍的关注，有望在制造中完成组合优化问题时的求解速度和求解精度方面双双突破问题规模的制约。制造智能还表现在：智能调度、智能设计、智能加工、机器人学、智能控制、智能工艺规划、智能诊断等多方面。

这些问题是当前产品创新的关键理论问题，也是制造由一门技艺上升为一门科学的重要基础性问题。这些问题的重点突破，可以形成产品创新的基础研究体系。

2现代机械工程的前沿科学

不同科学之间的交叉融合将产生新的科学聚集，经济的发展和社会的进步对科学技术产生了新的要求和期望，从而形成前沿科学。前沿科学也就是已解决的和未解决的科学问题之间的界域。前沿科学具有明显的时域、领域和动态特性。工程前沿科学区别于一般基础科学的重要特征是它涵盖了工程实际中出现的关键科学技术问题。

超声电机、超高速切削、绿色设计与制造等领域，国内外已经做了大量的研究工作，但创新的关键是机械科学问题还不明朗。大型复杂机械系统的性能优化设计和产品创新设计、智能结构和系统、智能机器人及其动力学、纳米摩擦学、制造过程的三维数值模拟和物理模拟、超精度和微细加工关键工艺基础、大型和超大型精密仪器装备的设计和制造基础、虚拟制造和虚拟仪器、纳米测量及仪器、并联轴机床、微型机电系统等领域国内外虽然已做了不少研究，但仍有许多关键科学技术问题有待解决。

信息科学、纳米科学、材料科学、生命科学、管理科学和制造科学将是改变21世纪的主流科学，由此产生的高新技术及其产业将改变世界的面貌。因此，与以上领域相交叉发展的制造系统和制造信息学、纳米机械和纳米制造科学、仿生机械和仿生制造学、制造管理科学和可重构制造系统等会是21世纪机械工程科学的重要前沿科学。

2．1制造科学与信息科学的交叉--制造信息科学

机电产品是信息在原材料上的物化。许多现代产品的价值增值主要体现在信息上。因此制造过程中信息的获取和应用十分重要。信息化是制造科学技术走向全球化和现代化的重要标志。人们一方面对制造技术开始探索产品设计和制造过程中的信息本质，另一方面对制造技术本身加以改造，以使得其适应新的信息化制造环境。随着对制造过程和制造系统认识的加深，研究者们正试图以全新的概念和方式对其加以描述和表达，以进一步达到实现控制和优化的目的。

与制造有关的信息主要有产品信息、工艺信息和管理信息，这一领域有如下主要研究方向和内容：

(1)制造信息的获取、处理、存储、传递和应用，大量制造信息向知识和决策转化。

(2)非符号信息的表达、制造信息的保真传递、制造信息的管理、非完整制造信息状态下的生产决策、虚拟管理制造、基于网络环境下的设计和制造、制造过程和制造系统中的控制科学问题。

这些内容是制造科学和信息科学基础融合的产物，构成了制造科学中的新分支--制造信息学。

2．2微机械及其制造技术研究

微型电子机械系统(mems)，是指集微型传感器、微型执行器以及处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微型机电系统。mems技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统。mems的发展将极大地促进各类产品的袖珍化、微型化，成数量级的提高器件与系统的功能密度、信息密度与互联密度，大幅度地节能、节材。它不仅可以降低机电系统的成本，而且还可以完成许多大尺寸机电系统无法完成的任务。例如用尖端直径为5μm的微型镊子可以夹起一个红细胞；制造出3mm大小能够开动的小汽车；可以在磁场中飞行的像蝴蝶大小的飞机等。mems技术的发展开辟了技术全新的领域和产业，具有许多传统传感器无法比拟的优点，因此在制造业、航空、航天、交通、通信、农业、生物医学、环境监控、军事、家庭以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。

微机械是机械技术与电子技术在纳米尺度上相融合的产物。早在1959年就有科学家提出微型机械的设想，1962年第一个硅微型压力传感器问世。1987年美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为60~120μm的硅微型静电电动机，显示出利用硅微加工工艺制作微小可动结构并与集成电路兼容制造微小系统的潜力。微机械技

术有可能像20世纪的微电子技术那样，在21世纪对世界科技、经济发展和国防建设产生巨大的影响。近10年来，微机械的发展令人瞩目。其特点如下：相当数量的微型元器件(微型结构、微型传感器和微型执行器等)和微系统研究成功，体现了其现实的和潜在的应用价值；多种微型制造技术的发展，特别是半导体微细加工等技术已成为微系统的支撑技术；微型机电系统的研究需要多学科交叉的研究队伍，微型机电系统技术是在微电子工艺的基础上发展的多学科交叉的前沿研究领域，涉及电子工程、机械工程、材料工程、物理学、化学以及生物医学等多种工程技术和科学。

目前对微观条件下的机械系统的运动规律，微小构件的物理特性和载荷作用下的力学行为等尚缺乏充分的认识，还没有形成基于一定理论基础之上的微系统设计理论与方法，因此只能凭经验和试探的方法进行研究。微型机械系统研究中存在的关键科学问题有微系统的尺度效应、物理特性和生化特性等。微系统的研究正处于突破的前夜，是亟待深入研究的领域。

2．3材料制备／零件制造一体化和加工新技术基础

材料是人类进步的里程碑，是制造业和高技术发展的基础。每一种重要新材料的成功制备和应用，都会推进物质文明，促进国家经济实力和军事实力的增强。21世纪中，世界将由资源消耗型的工业经济向知识经济转变，要求材料和零件具有高的性能以及功能化、智能化的特性；要求材料和零件的设计实现定量化、数字化；要求材料和零件的制备快速、高效并实现二者一体化、集成化。材料和零件的数字化设计与拟实仿真优化是实现材料与零件的高效优质制备／制造及二者一体化、集成化制造的关键。一方面，通过计算机完成拟实仿真优化后可以减少材料制备与零件制造过程中的实验性环节，获得最佳的工艺方案，实现材料与零件的高效优质制备／制造；另一方面，根据不同材料性能的要求，如弹性模量、热膨胀系数、电磁性能等，研究材料和零件的设计形式。进而结合传统的去除材料式制造技术、增加材料式覆层技术等，研究多种材料组分的复合成形工艺技术。形成材料与零件的数字化制造理论、技术和方法，如快速成形技术采用材料逐渐增长的原理，突破了传统的去材法和变形法机械加工的许多限制，加工过程不需要工具或模具，能迅速制造出任意复杂形状又具有一定功能的三维实体模型或零件。

2．4机械仿生制造

21世纪将是生命科学的世纪，机械科学和生命科学的深度融合将产生全新概念的产品(如智能仿生结构)，开发出新工艺(如生长成形工艺)和开辟一系列的新产业，并为解决产品设计、制造过程和系统中一系列难题提供新的解决方法。这是一个极富创新和挑战的前沿领域。

地球上的生物在漫长的进化中所积累的优良品性为解决人类制造活动中的各种难题提供了范例和指南。从生命现象中学习组织与运行复杂系统的方法和技巧，是今后解决目前制造业所面临许多难题的一条有效出路。仿生制造指的是模仿生物器官的自组织、自愈合、自增长与自进化等功能结构和运行模式的一种制造系统与制造过程。如果说制造过程的机械化、自动化延伸了人类的体力，智能化延伸了人类的智力，那么，"仿生制造"则可以说延伸了人类自身的组织结构和进化过程。

仿生制造所涉及的科学问题是生物的"自组织"机制及其在制造系统中的应用问题。所谓"自组织"是指一个系统在其内在机制的驱动下，在组织结构和运行模式上不断自我完善、从而提高对于环境适应能力的过程。仿生制造的"自组织"机制为自下而上的产品并行设计、制造工艺规程的自动生成、生产系统的动态重组以及产品和制造系统的自动趋优提供了理论基础和实现条件。

仿生制造属于制造科学和生命科学的"远缘杂交"，它将对21世纪的制造业产生巨大的影响。

仿生制造的研究内容目前有两个方面：

2．4．1面向生命的仿生制造

研究生命现象的一般规律和模型，例如人工生命、细胞自动机、生物的信息处理技巧、生物智能、生物型的组织结构和运行模式以及生物的进化和趋优机制等；

2．4．2面向制造的仿生制造

研究仿生制造系统的自组织机制与方法，例如：基于充分信息共享的仿生设计原理，基于多自律单元协同的分布式控制和基于进化机制的寻优策略；研究仿生制造的概念体系及其基础，例如：仿生空间的形式化描述及其信息映射关系，仿生系统及其演化过程的复杂度计量方法。

机械仿生与仿生制造是机械科学与生命科学、信息科学、材料科学等学科的高度融合，其研究内容包括生长成形工艺、仿生设计和制造系统、智能仿生机械和生物成形制造等。目前所做的研究工作大多属前沿探索性的工作，具有鲜明的基础研究的特点，如果抓住机遇研究下去，将可能产生革命性的突破。今后应关注的研究领域有生物加工技术、仿生制造系统、基于快速原型制造技术的组织工程学，以及与生物工程相关的关键技术基础等。3现代制造技术的发展趋势

20世纪90年代以来，世界各国都把制造技术的研究和开发作为国家的关键技术进行优先发展，如美国的先进制造技术计划amtp、日本的智能制造技术（ims）国际合作计划、韩国的高级现代技术国家计划(g--7)、德国的制造2000计划和欧共体的esprit和brite-euram计划。

随着电子、信息等高新技术的不断发展，市场需求个性化与多样化，未来现代制造技术发展的总趋势是向精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、绿色集成化、全球化的方向发展。

当前现代制造技术的发展趋势大致有以下九个方面：

(1)信息技术、管理技术与工艺技术紧密结合，现代制造生产模式会获得不断发展。

(2)设计技术与手段更现代化。

(3)成型及制造技术精密化、制造过程实现低能耗。

(4)新型特种加工方法的形成。

(5)开发新一代超精密、超高速制造装备。

(6)加工工艺由技艺发展为工程科学。

(7)实施无污染绿色制造。

(8)制造业中广泛应用虚拟现实技术。

(9)制造以人为本。

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第五篇 步进电机的基本原理_自动化专业

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。

现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（vr）、永磁式步进电机（pm）、混合式步进电机（hb）和单相式步进电机等。

永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；

反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。

混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。

步进电机的一些基本参数：

电机固有步距角：

它表示控制系统每发一个步进脉冲，电机所转动的角度。wWw.0519news.COM电机出厂时给出了一个步距角的值，如86byg250a型电机给出的值为0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°），这个步距角可以称之为‘电机固有步距角’，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。

步进电机的相数：

是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72°。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则‘相数’将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。

保持转矩（holdingtorque）：

是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2n.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2n.m的步进电机。

detenttorque：

是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。detenttorque在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有detenttorque。

步进电机的一些特点：

1．一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。

2．步进电机外表允许的最高温度。

步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。

3．步进电机的力矩会随转速的升高而下降。

当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。

4．步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。

步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。

步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。

第六篇 步进电机的选用计算方法_自动化专业

步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。

步进电机是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。广泛应用于机电一体化产品中，如：数控机床、包装机械、计算机设备、复印机、传真机等。

选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩mjmax大的电机，负载力矩大。

选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到机床所需的脉冲当量。在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定。

选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要。

选择步进电机需要进行以下计算：

（1）计算齿轮的减速比

根据所要求脉冲当量，齿轮减速比i计算如下:

i=(φ.s)/(360.δ)(1-1)式中φ---步进电机的步距角（o/脉冲）

s---丝杆螺距（mm)

δ---(mm/脉冲）

（2）计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量jt。Www.0519news.coM

jt=j1+（1/i2)[(j2+js）+w/g（s/2π)2]（1-2）

式中jt---折算至电机轴上的惯量(kg.cm.s2)

j1、j2---齿轮惯量(kg.cm.s2)

js----丝杆惯量(kg.cm.s2)w---工作台重量（n）

s---丝杆螺距（cm）

（3）计算电机输出的总力矩m

m=ma+mf+mt（1-3）

ma=（jm+jt).n/t×1.02×10ˉ2（1-4）

式中ma---电机启动加速力矩（n.m)

jm、jt---电机自身惯量与负载惯量(kg.cm.s2)

n---电机所需达到的转速（r/min）

t---电机升速时间（s）

mf=(u.w.s)/(2πηi)×10ˉ2（1-5）

mf---导轨摩擦折算至电机的转矩（n.m)

u---摩擦系数

η---传递效率

mt=(pt.s)/(2πηi)×10ˉ2（1-6）

mt---切削力折算至电机力矩（n.m)

pt---最大切削力（n）

（4）负载起动频率估算。数控系统控制电机的启动频率与负载转矩和惯量有很大关系，其估算公式为

fq=fq0[(1-(mf+mt))/ml）÷(1+jt/jm)]1/2（1-7）

式中fq---带载起动频率（hz）

fq0---空载起动频率

ml---起动频率下由矩频特性决定的电机输出力矩（n.m)

若负载参数无法精确确定,则可按fq=1/2fq0进行估算.

（5）运行的最高频率与升速时间的计算。由于电机的输出力矩随着频率的升高而下降，因此在最高频率时，由矩频特性的输出力矩应能驱动负载，并留有足够的余量。

（6）负载力矩和最大静力矩mmax。负载力矩可按式（1-5）和式（1-6）计算，电机在最大进给速度时，由矩频特性决定的电机输出力矩要大于mf与mt之和，并留有余量。一般来说，mf与mt之和应小于（0.2～0.4)mmax.

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