淺談機電一體化技術(shù)分析

摘 要：機電一體化技術(shù)是面向應(yīng)用的跨學(xué)科技術(shù),是機械、微電子、信息和控制技術(shù)等有機融合、相互滲透的結(jié)果。機電一體化技術(shù)的飛速發(fā)展,以及機電一體化產(chǎn)品更日新月異,是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果。在這里淺談機電一體化的核心技術(shù),分析機電一體化發(fā)展過程,提出機電一體化的發(fā)展趨勢。以期達到初步了解、認識機電一體化技術(shù)的發(fā)展及趨勢的目的。

一、機電一體化的基本概念：
機電一體化是在以機械、電子技術(shù)和計算機科學(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,而機電一體化產(chǎn)品是在機械產(chǎn)品的基礎(chǔ)上,采用微電子技術(shù)和計算機技術(shù)生產(chǎn)出來的新一代產(chǎn)品。機電一體化技術(shù)同時也是工程領(lǐng)域不同種類技術(shù)的綜合及集合,它是建立在機械技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機和信息處理技術(shù)、自動控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、伺服驅(qū)動技術(shù)以及系統(tǒng)總體技術(shù)基礎(chǔ)之上的一種高新技術(shù)。與傳統(tǒng)的機電產(chǎn)品相比,機電一體化產(chǎn)品具有下述優(yōu)越性。
(一)使用安全性和可靠性提高：
機電一體化設(shè)備一般都具有自動監(jiān)視、報警、自動診斷、自動保護等功能。在工作過程中,遇到過載、過壓、過流、短路等電力故障時,能自動采取保護措施,避免和減少人身和設(shè)備事故,顯著提高設(shè)備的使用安全性。
(二)對生產(chǎn)能力和工作質(zhì)量提高：
機電一體化設(shè)備大都具有信息自動處理和自動控制功能,其控制和檢測的靈敏度、精度以及范圍都有很大程度的提高,通過自動控制系統(tǒng)可精確地保證機械的執(zhí)行機構(gòu)按照設(shè)計的要求完成預(yù)定的動作,使之不受機械操作者主觀因素的影響,從而實現(xiàn)最佳操作,保證最佳的工作質(zhì)量和產(chǎn)品的合格率。同時,由于機電一體化產(chǎn)品實現(xiàn)了工作的自動化,使得生產(chǎn)能力大大提高。例如,數(shù)控機床對工件的加工穩(wěn)定性大大提高,生產(chǎn)效率比普通機床提高5 ～6 倍。
(三)使用性能改善：
機電一體化設(shè)備普遍采用程序控制和數(shù)字顯示,操作按鈕和手柄數(shù)量顯著減少,使得操作大大簡化并且方便、簡單。機電一體化產(chǎn)品的工作過程根據(jù)預(yù)設(shè)的程序逐步由電子控制系統(tǒng)指揮實現(xiàn),系統(tǒng)可重復(fù)實現(xiàn)全部動作。高級的機電一體化產(chǎn)品可通過被控對象的數(shù)學(xué)模型以及外界參數(shù)的變化隨機自尋最佳工作程序,實現(xiàn)自動最優(yōu)化操作。
(四) 具有復(fù)合功能并且適用面廣：
機電一體化設(shè)備跳出了機電產(chǎn)品的單技術(shù)和單功能限制,具有復(fù)合技術(shù)和復(fù)合功能,使產(chǎn)品的功能水平和自動化程度大大提高。機電一體化產(chǎn)品一般具有自動化控制、自動補償、自動校驗、自動調(diào)節(jié)、自動保護和智能化等多種功能,能應(yīng)用于不同的場合和不同領(lǐng)域,滿足用戶需求的應(yīng)變能力較強。例如,電子式空氣斷路器具有保護特性可調(diào)、選擇性脫扣、正常通過電流與脫扣時電流的測量、顯示和故障自動診斷等功能,使其應(yīng)用范圍大為擴大。
(五)調(diào)整和維護方便：
機電一體化產(chǎn)品在安裝調(diào)試時,可通過改變控制程序來實現(xiàn)工作方式的改變,以適應(yīng)不同用戶對象的需要以及現(xiàn)場參數(shù)變化的需要。這些控制程序可通過多種手段輸入到機電一體化產(chǎn)品的控制系統(tǒng)中,而不需要改變產(chǎn)品中的任何部件或零件。對于具有存儲功能的機電一體化產(chǎn)品, 可以事先存入若干套不同的執(zhí)行程序,然后根據(jù)不同的工作對象,只需給定一個代碼信號輸入,即可按指定的預(yù)定程序進行自動工作。機電一體化產(chǎn)品的自動化檢驗和自動監(jiān)視功能可對工作過程中出現(xiàn)的故障自動采取措施,使工作恢復(fù)正常。
機電一體化技術(shù)和產(chǎn)品的應(yīng)用范圍非常廣泛,涉及到工業(yè)生產(chǎn)過程的所有領(lǐng)域,因此,機電一體化產(chǎn)品的種類很多,而且還在不斷地增加。按照機電一體化產(chǎn)品的功能,可以將其分成下述幾類。
1、數(shù)控機械類：主要產(chǎn)品包括數(shù)控機床、機器人、發(fā)動機控制系統(tǒng)以及全自動洗衣機等。這類產(chǎn)品的特點是執(zhí)行機構(gòu)為機械裝置。
2、電子設(shè)備類：主要產(chǎn)品包括電火花加工機床、線切割機、超聲波加工機以及激光測量儀等。這類產(chǎn)品的特點是執(zhí)行機構(gòu)為電子裝置。
3、機電結(jié)合類：主要產(chǎn)品包括自動探傷機、形狀自動識別裝置、CT 掃描診斷機以及自動售貨機等。這類產(chǎn)品的特點是執(zhí)行機構(gòu)為電子裝置和機械裝置的有機結(jié)合。
4、電液伺服類：主要產(chǎn)品為機電液一體化的伺服裝置, 如電子伺服萬能材料試驗機。這類產(chǎn)品的特點是執(zhí)行機構(gòu)為液壓驅(qū)動的機械裝置,控制機構(gòu)是接受電信號的液壓伺服閥。
5、信息控制類：主要產(chǎn)品包括傳真機、磁盤存儲器、磁帶錄像機、錄音機、復(fù)印機等。這類產(chǎn)品的主要特點是執(zhí)行機構(gòu)的動作由所接收的信息類信號來控制。除此之外,機電一體化產(chǎn)品還可根據(jù)機電技術(shù)的結(jié)合程度分為功能附加型、功能替代型和機電融合型三類。
二、機電一體化產(chǎn)品的構(gòu)成及特點：
機電一體化產(chǎn)品的功能是通過其內(nèi)部各組成部分功能的協(xié)調(diào)和綜合來共同實現(xiàn)的。從其結(jié)構(gòu)來看,機電一體化產(chǎn)品具有自動化、智能化和多功能的特性,而實現(xiàn)這種多功能一般需要機電一體化產(chǎn)品具備五種內(nèi)部功能,即主功能、動力功能、檢測功能、控制功能和執(zhí)行功能,而實現(xiàn)這些功能的各個組成部分及其技術(shù)就構(gòu)成了機電一體化產(chǎn)品的總體或系統(tǒng)。
(一)機械系統(tǒng)：
機電一體化產(chǎn)品的機械系統(tǒng)包括機身、框架、機械傳動和聯(lián)接等機械部分。這部分是實現(xiàn)產(chǎn)品功能的基礎(chǔ), 因此對機械結(jié)構(gòu)提出了更高的要求, 需在結(jié)構(gòu)、材料、工藝加工及幾何尺寸等方面滿足機電一體化產(chǎn)品高效、多功能、可靠、節(jié)能和小型輕量等要求。
(二)動力系統(tǒng)：
動力系統(tǒng)為機電一體化產(chǎn)品提供能量和動力功能,去驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)工作以完成預(yù)定的主功能。動力系統(tǒng)包括電、液、氣等動力源。機電一體化產(chǎn)品以電能利用為主,包括電源、電動機及驅(qū)動電路等。
(三)傳感與檢測系統(tǒng)：
傳感器的作用是將機電一體化產(chǎn)品在運行過程中所需要的自身和外界環(huán)境的各種參數(shù)轉(zhuǎn)換成可以測定的物理量,同時利用檢測系統(tǒng)的功能對這些物理量進行測定,為機電一體化產(chǎn)品提供運行控制所需的各種信息。傳感與檢測系統(tǒng)的功能一般由測量儀器或儀表來實現(xiàn),對其要求是體積小、便于安裝與聯(lián)接、檢測精度高、抗干擾等。
(四)信息處理及控制系統(tǒng)：
根據(jù)機電一體化產(chǎn)品的功能和性能要求,信息處理及控制系統(tǒng)接收傳感與檢測系統(tǒng)反饋的信息,并對其進行相應(yīng)的處理、運算和決策,以對產(chǎn)品的運行施以按照要求的控制,實現(xiàn)控制功能。機電一體化產(chǎn)品中,信息處理及控制系統(tǒng)主要是由計算機的軟件和硬件以及相應(yīng)的接口所組成。
三、技術(shù)參數(shù)：
1. 交流電源：三相五線 AC 380V±10%  50 Hz；
2. 溫度：-10～40 ℃；環(huán)境濕度：≤90%（25℃）；
3. 外形尺寸：長×寬×高=1200×800×1500 mm；
4. 整機功耗：≤1.5 kW；
5. 安全保護措施：具有接地保護、漏電保護功能，安全性符合相關(guān)的國家標準。采用高絕緣的安全型插座及帶絕緣護套的高強度安全型實驗導(dǎo)線。
四、機電一體化設(shè)備結(jié)構(gòu)：
實訓(xùn)裝置臺架為鋁合金導(dǎo)軌式，實訓(xùn)考核裝置PLC模塊的I/O 端子、變頻器的接線端子、各常用模塊與PLC的連接端子，均與安全插座連接，使用帶安全插頭的導(dǎo)線進行電路連接；各指令開關(guān)、光電開關(guān)、傳感器和指示元件的電路，則通過端子排進行連接。插拔線連接電路與端子牌連接電路相結(jié)合，既保證學(xué)生基本技能的訓(xùn)練、形成和鞏固，又保證電路連接的快速、安全和可靠。
1、鋁合金導(dǎo)軌式實訓(xùn)臺：可以安裝送料機構(gòu)、機械手、傳輸分揀機構(gòu)。實訓(xùn)模塊及PLC主機等可以放置在拉出式的支架上。
2、觸摸屏模塊：模塊材料要求：高強度塑料外殼、重量輕，面板是鋁塑板，圖案、文字符號采用進口油墨絲印。
3、PLC模塊及變頻器模塊：PLC 40點以上IO三菱；變頻器：三菱；模塊材料要求：高強度塑料外殼、重量輕，面板是鋁塑板，圖案、文字符號采用進口油墨絲印。
4、電源模塊：三相電源總開關(guān)（帶漏電和短路保護）1個，熔斷器3只，單相電源插座2個，安全插座5個；
按鈕模塊：24 V/6 A、12 V/2 A各一組；急停按鈕1只，轉(zhuǎn)換開關(guān)2只，蜂鳴器1只，復(fù)位按鈕黃、綠、紅各1只，自鎖按鈕黃、綠、紅各1只，24V指示燈黃、綠、紅各2只；
5、一體化接線排：接線排殼體上兩側(cè)相對設(shè)置有一初級接線區(qū)（接線端子）和一次級接線區(qū)（安全插座）；接線端子與對應(yīng)的安全插座通過導(dǎo)電彈性件連接；接線排殼體邊緣卷折，設(shè)有固定用的螺孔，可以固定在實訓(xùn)桌上。
6、井式上料機構(gòu)：井式工件庫1件，物料推出機構(gòu)1件，光電傳感器2只，磁性開關(guān)2只，單缸氣缸1只，單控電磁閥1只，警示燈1只，主要完成將工件庫中的工件依次推出。氣缸及附屬傳感器選用SMC。
7、氣動機械手裝置：四自由度氣動機械手，氣缸及附屬傳感器選用SMC；整個搬運機構(gòu)能完成四個自由度動作，手臂伸縮、手臂旋轉(zhuǎn)、手爪上下、手爪松緊。氣缸及附屬傳感器選用SMC。
8、加工機構(gòu)：主要由物料臺、物料夾緊裝置、龍門式二維運動裝置、主軸電機、刀具以及相應(yīng)的傳感器、磁性開關(guān)、電磁閥、步進電機及驅(qū)動器、主軸電機、滾珠絲桿副、支架、機械零部件構(gòu)成。
9、物件包裝機構(gòu)：主要由井式供料單元、三工位旋轉(zhuǎn)工作臺、平面軸承、沖壓裝配單元、光電傳感器磁性開關(guān)、電磁閥（日本SMC）、直流減速電機、支架、機械零部件構(gòu)成。
10、物料分揀裝置：傳送帶通過三相異步電動機驅(qū)動，在傳送帶端點處設(shè)計有落料口，通過光電傳感器檢測物料；傳送帶上裝有三個出料槽，對應(yīng)位置有電感傳感器、光纖傳感器等，同時正對料槽位置裝有推料氣缸，共計三個氣缸。傳送帶采用可拆卸的鋁合金支架。氣缸及附屬傳感器選用SMC。
五、實訓(xùn)內(nèi)容：
1、氣動系統(tǒng)的安裝與調(diào)試項目：
選用該裝置配置的單出桿氣缸、單出雙桿氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸等氣動執(zhí)行元件和單控電磁換向閥、雙控電磁換向閥和磁性開關(guān)等氣動控制元件，可完成下列氣動技術(shù)的工作任務(wù)：
項目一 氣動方向控制回路的安裝；
項目二 氣動速度控制回路的安裝；
項目三 擺動控制回路的安裝；
項目四 氣動順序控制回路的安裝；
項目五 氣動機械手裝置的安裝；
項目六 氣動系統(tǒng)安裝與調(diào)試；
2、電氣控制電路的安裝和PLC程序編寫項目：
選用該裝置配置的PLC模塊、變頻器模塊和指令開關(guān)、傳感器等，可完成下列PLC應(yīng)用技術(shù)工作任務(wù)：
項目七 電動機正反轉(zhuǎn)控制電路的連接與控制程序編寫；
項目八 電動機調(diào)速控制電路的連接與控制程序編寫；
項目九 氣動方向控制程序編寫；    
項目十 氣動順序動作控制程序編寫；
項目十一 氣動機械手控制程序編寫；    
項目十二 皮帶輸送機控制程序編寫；
項目十三 機電一體化設(shè)備控制程序編寫；
項目十四 自動生產(chǎn)線控制程序編寫。
3、機電設(shè)備安裝與調(diào)試項目
選用該裝置配置的機電一體化設(shè)備部件、PLC模塊、變頻器模塊和指令開關(guān)、傳感器等，可完成下列機電設(shè)備安裝和機電一體化技術(shù)的工作任務(wù)：
項目十五 傳動裝置同軸度的調(diào)整；   
項目十六 皮帶輸送機的安裝與調(diào)整；
項目十七 搬運機械手設(shè)備安裝與調(diào)試；
項目十八 物件分揀設(shè)備的安裝與調(diào)試；
項目十九 送料設(shè)備的安裝與調(diào)試；    
項目二十 自動生產(chǎn)線設(shè)備安裝與調(diào)試。
4、自動控制系統(tǒng)安裝與調(diào)試項目
選用該裝置配置的機電一體化設(shè)備部件、PLC模塊、變頻器模塊和指令開關(guān)、傳感器等，可完成下列機電設(shè)備安裝和機電一體化技術(shù)的工作任務(wù)：
項目二十一 多種傳感器的安裝與調(diào)試；   
項目二十二 機械手的自動控制；
項目二十三 皮帶輸送機的自動控制；
項目二十四 機電一體化設(shè)備的自動控制；
項目二十五 PLC控制系統(tǒng)的安裝與調(diào)試；  
項目二十六 自動生產(chǎn)線的安裝與調(diào)試。
5. PLC工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)的安裝及調(diào)試
系統(tǒng)選用三菱PLC主控制器，配合FX1N-485BD網(wǎng)絡(luò)模塊，基于本網(wǎng)絡(luò)通信功能，可完成下列工業(yè)現(xiàn)場總線通信技術(shù)訓(xùn)練任務(wù)：
項目二十七N:N網(wǎng)絡(luò)的硬件連接、調(diào)試
項目二十八N:N網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置、調(diào)試
項目二十九基于多臺PLC的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)讀寫程序編寫與調(diào)試

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