淺談機(jī)電一體化技術(shù)分析

摘 要：機(jī)電一體化技術(shù)是面向應(yīng)用的跨學(xué)科技術(shù),是機(jī)械、微電子、信息和控制技術(shù)等有機(jī)融合、相互滲透的結(jié)果。機(jī)電一體化技術(shù)的飛速發(fā)展,以及機(jī)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(jī)電一體化的核心技術(shù),分析機(jī)電一體化發(fā)展過(guò)程,提出機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢(shì)。以期達(dá)到初步了解、認(rèn)識(shí)機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展及趨勢(shì)的目的。

一、機(jī)電一體化的基本概念：
機(jī)電一體化是在以機(jī)械、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)科學(xué)為主的多門學(xué)科相互滲透、相互結(jié)合過(guò)程中逐漸形成和發(fā)展起來(lái)的一門新興邊緣技術(shù)學(xué)科,而機(jī)電一體化產(chǎn)品是在機(jī)械產(chǎn)品的基礎(chǔ)上,采用微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)生產(chǎn)出來(lái)的新一代產(chǎn)品。機(jī)電一體化技術(shù)同時(shí)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(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)和信息處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)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(jī)電產(chǎn)品相比,機(jī)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(jī)電一體化設(shè)備一般都具有自動(dòng)監(jiān)視、報(bào)警、自動(dòng)診斷、自動(dòng)保護(hù)等功能。在工作過(guò)程中,遇到過(guò)載、過(guò)壓、過(guò)流、短路等電力故障時(shí),能自動(dòng)采取保護(hù)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(duì)生產(chǎn)能力和工作質(zhì)量提高：
機(jī)電一體化設(shè)備大都具有信息自動(dòng)處理和自動(dòng)控制功能,其控制和檢測(cè)的靈敏度、精度以及范圍都有很大程度的提高,通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)可精確地保證機(jī)械的執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照設(shè)計(jì)的要求完成預(yù)定的動(dòng)作,使之不受機(jī)械操作者主觀因素的影響,從而實(shí)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(shí),由于機(jī)電一體化產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了工作的自動(dòng)化,使得生產(chǎn)能力大大提高。例如,數(shù)控機(jī)床對(duì)工件的加工穩(wěn)定性大大提高,生產(chǎn)效率比普通機(jī)床提高5 ～6 倍。
(三)使用性能改善：
機(jī)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(jiǎn)化并且方便、簡(jiǎn)單。機(jī)電一體化產(chǎn)品的工作過(guò)程根據(jù)預(yù)設(shè)的程序逐步由電子控制系統(tǒng)指揮實(shí)現(xiàn),系統(tǒng)可重復(fù)實(shí)現(xiàn)全部動(dòng)作。高級(jí)的機(jī)電一體化產(chǎn)品可通過(guò)被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型以及外界參數(shù)的變化隨機(jī)自尋最佳工作程序,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)最優(yōu)化操作。
(四) 具有復(fù)合功能并且適用面廣：
機(jī)電一體化設(shè)備跳出了機(jī)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(dòng)化程度大大提高。機(jī)電一體化產(chǎn)品一般具有自動(dòng)化控制、自動(dòng)補(bǔ)償、自動(dòng)校驗(yàn)、自動(dòng)調(diào)節(jié)、自動(dòng)保護(hù)和智能化等多種功能,能應(yīng)用于不同的場(chǎng)合和不同領(lǐng)域,滿足用戶需求的應(yīng)變能力較強(qiáng)。例如,電子式空氣斷路器具有保護(hù)特性可調(diào)、選擇性脫扣、正常通過(guò)電流與脫扣時(shí)電流的測(cè)量、顯示和故障自動(dòng)診斷等功能,使其應(yīng)用范圍大為擴(kuò)大。
(五)調(diào)整和維護(hù)方便：
機(jī)電一體化產(chǎn)品在安裝調(diào)試時(shí),可通過(guò)改變控制程序來(lái)實(shí)現(xiàn)工作方式的改變,以適應(yīng)不同用戶對(duì)象的需要以及現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)變化的需要。這些控制程序可通過(guò)多種手段輸入到機(jī)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(duì)于具有存儲(chǔ)功能的機(jī)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(duì)象,只需給定一個(gè)代碼信號(hào)輸入,即可按指定的預(yù)定程序進(jìn)行自動(dòng)工作。機(jī)電一體化產(chǎn)品的自動(dòng)化檢驗(yàn)和自動(dòng)監(jiān)視功能可對(duì)工作過(guò)程中出現(xiàn)的故障自動(dòng)采取措施,使工作恢復(fù)正常。
機(jī)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(guò)程的所有領(lǐng)域,因此,機(jī)電一體化產(chǎn)品的種類很多,而且還在不斷地增加。按照機(jī)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(jī)械類：主要產(chǎn)品包括數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)以及全自動(dòng)洗衣機(jī)等。這類產(chǎn)品的特點(diǎn)是執(zhí)行機(jī)構(gòu)為機(jī)械裝置。
2、電子設(shè)備類：主要產(chǎn)品包括電火花加工機(jī)床、線切割機(jī)、超聲波加工機(jī)以及激光測(cè)量?jī)x等。這類產(chǎn)品的特點(diǎn)是執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電子裝置。
3、機(jī)電結(jié)合類：主要產(chǎn)品包括自動(dòng)探傷機(jī)、形狀自動(dòng)識(shí)別裝置、CT 掃描診斷機(jī)以及自動(dòng)售貨機(jī)等。這類產(chǎn)品的特點(diǎn)是執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電子裝置和機(jī)械裝置的有機(jī)結(jié)合。
4、電液伺服類：主要產(chǎn)品為機(jī)電液一體化的伺服裝置, 如電子伺服萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)。這類產(chǎn)品的特點(diǎn)是執(zhí)行機(jī)構(gòu)為液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械裝置,控制機(jī)構(gòu)是接受電信號(hào)的液壓伺服閥。
5、信息控制類：主要產(chǎn)品包括傳真機(jī)、磁盤(pán)存儲(chǔ)器、磁帶錄像機(jī)、錄音機(jī)、復(fù)印機(jī)等。這類產(chǎn)品的主要特點(diǎn)是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作由所接收的信息類信號(hào)來(lái)控制。除此之外,機(jī)電一體化產(chǎn)品還可根據(jù)機(jī)電技術(shù)的結(jié)合程度分為功能附加型、功能替代型和機(jī)電融合型三類。
二、機(jī)電一體化產(chǎn)品的構(gòu)成及特點(diǎn)：
機(jī)電一體化產(chǎn)品的功能是通過(guò)其內(nèi)部各組成部分功能的協(xié)調(diào)和綜合來(lái)共同實(shí)現(xiàn)的。從其結(jié)構(gòu)來(lái)看,機(jī)電一體化產(chǎn)品具有自動(dòng)化、智能化和多功能的特性,而實(shí)現(xiàn)這種多功能一般需要機(jī)電一體化產(chǎn)品具備五種內(nèi)部功能,即主功能、動(dòng)力功能、檢測(cè)功能、控制功能和執(zhí)行功能,而實(shí)現(xiàn)這些功能的各個(gè)組成部分及其技術(shù)就構(gòu)成了機(jī)電一體化產(chǎn)品的總體或系統(tǒng)。
(一)機(jī)械系統(tǒng)：
機(jī)電一體化產(chǎn)品的機(jī)械系統(tǒng)包括機(jī)身、框架、機(jī)械傳動(dòng)和聯(lián)接等機(jī)械部分。這部分是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的基礎(chǔ), 因此對(duì)機(jī)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(jī)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(dòng)力系統(tǒng)：
動(dòng)力系統(tǒng)為機(jī)電一體化產(chǎn)品提供能量和動(dòng)力功能,去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作以完成預(yù)定的主功能。動(dòng)力系統(tǒng)包括電、液、氣等動(dòng)力源。機(jī)電一體化產(chǎn)品以電能利用為主,包括電源、電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路等。
(三)傳感與檢測(cè)系統(tǒng)：
傳感器的作用是將機(jī)電一體化產(chǎn)品在運(yùn)行過(guò)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(cè)定的物理量,同時(shí)利用檢測(cè)系統(tǒng)的功能對(duì)這些物理量進(jìn)行測(cè)定,為機(jī)電一體化產(chǎn)品提供運(yùn)行控制所需的各種信息。傳感與檢測(cè)系統(tǒng)的功能一般由測(cè)量?jī)x器或儀表來(lái)實(shí)現(xiàn),對(duì)其要求是體積小、便于安裝與聯(lián)接、檢測(cè)精度高、抗干擾等。
(四)信息處理及控制系統(tǒng)：
根據(jù)機(jī)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(cè)系統(tǒng)反饋的信息,并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的處理、運(yùn)算和決策,以對(duì)產(chǎn)品的運(yùn)行施以按照要求的控制,實(shí)現(xiàn)控制功能。機(jī)電一體化產(chǎn)品中,信息處理及控制系統(tǒng)主要是由計(jì)算機(jī)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(zhǎng)×寬×高=1200×800×1500 mm；
4. 整機(jī)功耗：≤1.5 kW；
5. 安全保護(hù)措施：具有接地保護(hù)、漏電保護(hù)功能，安全性符合相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。采用高絕緣的安全型插座及帶絕緣護(hù)套的高強(qiáng)度安全型實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線。
四、機(jī)電一體化設(shè)備結(jié)構(gòu)：
實(shí)訓(xùn)裝置臺(tái)架為鋁合金導(dǎo)軌式，實(shí)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(jìn)行電路連接；各指令開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)、傳感器和指示元件的電路，則通過(guò)端子排進(jìn)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(shí)訓(xùn)臺(tái)：可以安裝送料機(jī)構(gòu)、機(jī)械手、傳輸分揀機(jī)構(gòu)。實(shí)訓(xùn)模塊及PLC主機(jī)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(qiáng)度塑料外殼、重量輕，面板是鋁塑板，圖案、文字符號(hào)采用進(jìn)口油墨絲印。
3、PLC模塊及變頻器模塊：PLC 40點(diǎn)以上IO三菱；變頻器：三菱；模塊材料要求：高強(qiáng)度塑料外殼、重量輕，面板是鋁塑板，圖案、文字符號(hào)采用進(jìn)口油墨絲印。
4、電源模塊：三相電源總開(kāi)關(guān)（帶漏電和短路保護(hù)）1個(gè)，熔斷器3只，單相電源插座2個(gè)，安全插座5個(gè)；
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(kāi)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(duì)設(shè)置有一初級(jí)接線區(qū)（接線端子）和一次級(jí)接線區(qū)（安全插座）；接線端子與對(duì)應(yīng)的安全插座通過(guò)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(shí)訓(xùn)桌上。
6、井式上料機(jī)構(gòu)：井式工件庫(kù)1件，物料推出機(jī)構(gòu)1件，光電傳感器2只，磁性開(kāi)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(kù)中的工件依次推出。氣缸及附屬傳感器選用SMC。
7、氣動(dòng)機(jī)械手裝置：四自由度氣動(dòng)機(jī)械手，氣缸及附屬傳感器選用SMC；整個(gè)搬運(yùn)機(jī)構(gòu)能完成四個(gè)自由度動(dòng)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(jī)構(gòu)：主要由物料臺(tái)、物料夾緊裝置、龍門式二維運(yùn)動(dòng)裝置、主軸電機(jī)、刀具以及相應(yīng)的傳感器、磁性開(kāi)關(guān)、電磁閥、步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、主軸電機(jī)、滾珠絲桿副、支架、機(jī)械零部件構(gòu)成。
9、物件包裝機(jī)構(gòu)：主要由井式供料單元、三工位旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)、平面軸承、沖壓裝配單元、光電傳感器磁性開(kāi)關(guān)、電磁閥（日本SMC）、直流減速電機(jī)、支架、機(jī)械零部件構(gòu)成。
10、物料分揀裝置：傳送帶通過(guò)三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，在傳送帶端點(diǎn)處設(shè)計(jì)有落料口，通過(guò)光電傳感器檢測(cè)物料；傳送帶上裝有三個(gè)出料槽，對(duì)應(yīng)位置有電感傳感器、光纖傳感器等，同時(shí)正對(duì)料槽位置裝有推料氣缸，共計(jì)三個(gè)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(shí)訓(xùn)內(nèi)容：
1、氣動(dòng)系統(tǒng)的安裝與調(diào)試項(xiàng)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(dòng)執(zhí)行元件和單控電磁換向閥、雙控電磁換向閥和磁性開(kāi)關(guān)等氣動(dòng)控制元件，可完成下列氣動(dòng)技術(shù)的工作任務(wù)：
項(xiàng)目一 氣動(dòng)方向控制回路的安裝；
項(xiàng)目二 氣動(dòng)速度控制回路的安裝；
項(xiàng)目三 擺動(dòng)控制回路的安裝；
項(xiàng)目四 氣動(dòng)順序控制回路的安裝；
項(xiàng)目五 氣動(dòng)機(jī)械手裝置的安裝；
項(xiàng)目六 氣動(dòng)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(xiě)項(xiàng)目：
選用該裝置配置的PLC模塊、變頻器模塊和指令開(kāi)關(guān)、傳感器等，可完成下列PLC應(yīng)用技術(shù)工作任務(wù)：
項(xiàng)目七 電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路的連接與控制程序編寫(xiě)；
項(xiàng)目八 電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制電路的連接與控制程序編寫(xiě)；
項(xiàng)目九 氣動(dòng)方向控制程序編寫(xiě)；    
項(xiàng)目十 氣動(dòng)順序動(dòng)作控制程序編寫(xiě)；
項(xiàng)目十一 氣動(dòng)機(jī)械手控制程序編寫(xiě)；    
項(xiàng)目十二 皮帶輸送機(jī)控制程序編寫(xiě)；
項(xiàng)目十三 機(jī)電一體化設(shè)備控制程序編寫(xiě)；
項(xiàng)目十四 自動(dòng)生產(chǎn)線控制程序編寫(xiě)。
3、機(jī)電設(shè)備安裝與調(diào)試項(xiàng)目
選用該裝置配置的機(jī)電一體化設(shè)備部件、PLC模塊、變頻器模塊和指令開(kāi)關(guān)、傳感器等，可完成下列機(jī)電設(shè)備安裝和機(jī)電一體化技術(shù)的工作任務(wù)：
項(xiàng)目十五 傳動(dòng)裝置同軸度的調(diào)整；   
項(xiàng)目十六 皮帶輸送機(jī)的安裝與調(diào)整；
項(xiàng)目十七 搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)備安裝與調(diào)試；
項(xiàng)目十八 物件分揀設(shè)備的安裝與調(diào)試；
項(xiàng)目十九 送料設(shè)備的安裝與調(diào)試；    
項(xiàng)目二十 自動(dòng)生產(chǎn)線設(shè)備安裝與調(diào)試。
4、自動(dòng)控制系統(tǒng)安裝與調(diào)試項(xiàng)目
選用該裝置配置的機(jī)電一體化設(shè)備部件、PLC模塊、變頻器模塊和指令開(kāi)關(guān)、傳感器等，可完成下列機(jī)電設(shè)備安裝和機(jī)電一體化技術(shù)的工作任務(wù)：
項(xiàng)目二十一 多種傳感器的安裝與調(diào)試；   
項(xiàng)目二十二 機(jī)械手的自動(dòng)控制；
項(xiàng)目二十三 皮帶輸送機(jī)的自動(dòng)控制；
項(xiàng)目二十四 機(jī)電一體化設(shè)備的自動(dòng)控制；
項(xiàng)目二十五 PLC控制系統(tǒng)的安裝與調(diào)試；  
項(xiàng)目二十六 自動(dòng)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(chǎng)總線通信技術(shù)訓(xùn)練任務(wù)：
項(xiàng)目二十七N:N網(wǎng)絡(luò)的硬件連接、調(diào)試
項(xiàng)目二十八N:N網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置、調(diào)試
項(xiàng)目二十九基于多臺(tái)PLC的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)讀寫(xiě)程序編寫(xiě)與調(diào)試

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其他產(chǎn)品鏈接：
加強(qiáng)中職學(xué)生對(duì)弱電與強(qiáng)電認(rèn)識(shí)
好氧堆肥實(shí)驗(yàn)裝置使用說(shuō)明
電機(jī)及電氣技術(shù)實(shí)訓(xùn)裝置
傳感器實(shí)驗(yàn)臺(tái)溫度控制儀表操作說(shuō)明
太陽(yáng)能光伏發(fā)電綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)使用說(shuō)明
電動(dòng)機(jī)技術(shù)工作原理及運(yùn)行維護(hù)
電機(jī)與拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)報(bào)告
光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)室介紹
機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室
齒輪范成儀使用說(shuō)明書(shū)
基礎(chǔ)電工電子實(shí)驗(yàn)室設(shè)備
定制熱管換熱器實(shí)驗(yàn)臺(tái)
家用電器之電子消毒柜實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)
物聯(lián)網(wǎng)射頻識(shí)別綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)箱
初級(jí)維修電工實(shí)驗(yàn)臺(tái)
臭氧氧化脫色實(shí)驗(yàn)說(shuō)明書(shū)
萃取精餾教學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)
二氧化碳PVT關(guān)系測(cè)定實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)
空氣絕熱指數(shù)測(cè)定裝置實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)
填料吸收實(shí)驗(yàn)裝置使用指導(dǎo)書(shū)
超濾、納濾、反滲透多功能膜分離實(shí)驗(yàn)裝置說(shuō)明
孔口管嘴實(shí)驗(yàn)儀說(shuō)明書(shū)
熱電偶制作校驗(yàn)儀說(shuō)明書(shū)
好氧堆肥實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)說(shuō)明書(shū)
沿程阻力系數(shù)測(cè)定裝置說(shuō)明書(shū)
文丘里除塵器性能實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)
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