淺談機電一體化技術分析

摘 要：機電一體化技術是面向應用的跨學科技術,是機械、微電子、信息和控制技術等有機融合、相互滲透的結(jié)果。機電一體化技術的飛速發(fā)展,以及機電一體化產(chǎn)品更日新月異,是現(xiàn)代科學技術發(fā)展的必然結(jié)果。在這里淺談機電一體化的核心技術,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、電子技術和計算機科學為主的多門學科相互滲透、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學科,而機電一體化產(chǎn)品是在機械產(chǎn)品的基礎上,采用微電子技術和計算機技術生產(chǎn)出來的新一代產(chǎn)品。機電一體化技術同時也是工程領域不同種類技術的綜合及集合,它是建立在機械技術、微電子技術、計算機和信息處理技術、自動控制技術、電力電子技術、伺服驅(qū)動技術以及系統(tǒng)總體技術基礎之上的一種高新技術。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備事故,顯著提高設備的使用安全性。
(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)按照設計的要求完成預定的動作,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)預設的程序逐步由電子控制系統(tǒng)指揮實現(xiàn),系統(tǒng)可重復實現(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) 具有復合功能并且適用面廣：
機電一體化設備跳出了機電產(chǎn)品的單技術和單功能限制,具有復合技術和復合功能,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,能應用于不同的場合和不同領域,滿足用戶需求的應變能力較強。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,使工作恢復正常。
機電一體化技術和產(chǎn)品的應用范圍非常廣泛,涉及到工業(yè)生產(chǎn)過程的所有領域,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, 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的接口所組成。
三、技術參數(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線。
四、機電一體化設備結(jié)構(gòu)：
實訓裝置臺架為鋁合金導軌式，實訓考核裝置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線進行電路連接；各指令開關、光電開關、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，既保證學生基本技能的訓練、形成和鞏固，又保證電路連接的快速、安全和可靠。
1、鋁合金導軌式實訓臺：可以安裝送料機構(gòu)、機械手、傳輸分揀機構(gòu)。實訓模塊及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（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2只，蜂鳴器1只，復位按鈕黃、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）；接線端子與對應的安全插座通過導電彈性件連接；接線排殼體邊緣卷折，設有固定用的螺孔，可以固定在實訓桌上。
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、刀具以及相應的傳感器、磁性開關、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、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等氣動控制元件，可完成下列氣動技術的工作任務：
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、傳感器等，可完成下列PLC應用技術工作任務：
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、機電設備安裝與調(diào)試項目
選用該裝置配置的機電一體化設備部件、PLC模塊、變頻器模塊和指令開關、傳感器等，可完成下列機電設備安裝和機電一體化技術的工作任務：
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 搬運機械手設備安裝與調(diào)試；
項目十八 物件分揀設備的安裝與調(diào)試；
項目十九 送料設備的安裝與調(diào)試；    
項目二十 自動生產(chǎn)線設備安裝與調(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備部件、PLC模塊、變頻器模塊和指令開關、傳感器等，可完成下列機電設備安裝和機電一體化技術的工作任務：
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)絡模塊，基于本網(wǎng)絡通信功能，可完成下列工業(yè)現(xiàn)場總線通信技術訓練任務：
項目二十七N:N網(wǎng)絡的硬件連接、調(diào)試
項目二十八N:N網(wǎng)絡參數(shù)設置、調(diào)試
項目二十九基于多臺PLC的復雜網(wǎng)絡數(shù)據(jù)讀寫程序編寫與調(diào)試

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