機電設備概述與發展趨勢Electrical and mechanical equipment and an overview of trends作者姓名： 單位名稱：摘要：機電一體化是以機為主體，將機械、電子、檢測、軟件等有機結合而成的系統。概述機電一體化的系統組成及核心部分。分析機電設備的發展過程、特點、基本結構及一些典型的機電設備，并提出其發展趨勢。關鍵詞：機電一體化 機電設備 發展趨勢Author : Songyuanyuan Hexiaolei Liwenlong Houjinjie Guohao Huangzhaojie Zjingchao Jiwenlogn Hanjunwei LiuwanguangName : ShanxijidianzhiyejishuxueyuanAbstract : Mechatronics is a machine as the main body, mechanical, electronics, testing, combination of software and organic systems. An overview of the composition and mechanical and electrical integration of the core part of the system. Analysis of the development process of mechanical and electrical equipment, characteristics, basic structure and some typical mechanical and electrical equipment, and to submit its development trend.Keywords : mechatronics development trend of mechanical and electrical equipment一、機電一體化概述11什么是機電一體化機電一體化是從系統的觀點出發，將機械技術、微電子技術、信息技術、控制技術等在系統工程的基礎上有機的加以綜合，實現整個機電系統最佳化而建立起來的一門新的科學技術。 傳統的機電一體化是機械、電氣（電動機）、液壓等組合而成的，但是機電一體化發展后，加入了微電子技術，其中的微電子裝置除可取代某些機械部件的原有功能外，還能賦予許多新的功能，如自動檢測、自動處理信息、自動顯示記錄、自動調節與控制自動診斷與保護等，因此，現代的機電一體化是以機為主體，將機械、電子、檢測、軟件等有機結合而成的系統。12機電一體化的系統組成一個比較完善的機電一體化系統，一般有機械本體、動力與驅動、執行機構、傳感測試和控制及信息處理五大部分組成。執行信號處理器傳感器被測物理量+測量值_反饋控制圖(1)機電一體化控制系統組成框圖從機電一體化系統的5個組成部分來看，可以將人體作為參照物，如圖(2)所示，構成人體的五大要素分別是大腦、感官（眼、耳、鼻、舌、皮膚）、四肢、內臟及骨骼。對應人體五個要素的人體功能，內臟提供人體所需的能量（動力）及各種激素,維持人體活動,大腦處理各種信息并對其他要素實施控制,感官獲得外部信息,骨骼的功能是把人體各要素有機的聯系為一體。機電一體化系統內部的功能與人體上述功能一樣，實現各功能的相應構成要素如圖(2)所示。表1列出了機電化系統構成與人體構成要素的對應關系。 圖(2)表1機電一體化系統要素功能人體要素控制器（計算機等）控制（信息存儲處理傳送）大腦傳感器檢測（信息收集與變換）感官執行部件（電動機）驅動（主功能）四肢動力源提供能力（能量）內臟機械本體（機構）支撐與連接骨骼13機電一體化的核心技術(1)機械技術；(2)計算機與信息技術； (3)系統技術；(4)自動控制技術； (5)傳感檢測技術；(6)伺服傳動技術。 二、機電設備概述21機電設備的發展過程機電設備是隨著科學的發展而不斷發展的。傳統機電設備是以機械技術和電氣技術應用為主是設備。雖然，傳統的機電設備也能實現自動化，但是，自動化程度低，功能有限，耗材多，能耗大，設備的工作效率低，性能水平不高。為了提高機電設備的自動化程度和性能，從20世紀60年代開始，人們將機械技術與電子技術結合，出現了許多性能優良的機電產品或機電設備到了20世紀70、80年代，微電子技術獲得了驚人的發展，這時人們自覺、主動地利用微電子技術的成果，開發新的機電產品或設備，使得機電產品或設備成為集機械技術、控制技術、計算機與信息技術等為一體的全新技術產品，到了20世際90年代，這種機電一體化技術迅速發展，時至今日，機電一體化產品或設備已經滲透到了國民經濟和社會生活的各個領域。22現代機電設備的特點現代機電設備，如電動縫紉機、電子調速器、自動取款機、自動售票機、自動售貨機、自動分檢機、自動導航裝置、數控機床、自動生產線、工業機器人、智能機器人等都是應用機電一體化技術為主的設備。與傳統機電設備相比，現在機電設備具有以下特點：(1) 體積小、重量輕 機電一體化技術使原有的機構機械結構大大簡化，如電動縫紉機的針腳花樣主要是由一塊單片集成電路來控制的，而老式縫紉機針腳花樣是由350個零件構成的機械裝置控制的。機械結構的簡化，使設備的結構減小、重量減輕、用材減少。(2) 工作精度高 機電一體化技術使機械的傳動部件減小，因而使機械磨損所引起的傳動誤差大大減小。同時還可以通過自動控制技術對由各種干擾所造成的誤差進行自行診斷、校正、補償，從而使得機電設備的工作精度有很大的提高。(3) 可靠性、靈敏性提高 由于采用電子元器件裝置代替了機械運動構件和零部件，因而避免了機械接觸式存在的潤滑、磨損、斷裂等問題，使可靠性和靈敏性大幅度提高。(4) 具有柔性 例如在數控機床上，加工不同零件時，只需重新編制程序就能實現對零件的加工，它不同于傳統的機床，不需要更換工、夾具，不需要重新調整機床就能快速地從技術也是世界各國競相發展的技術。23機電設備的分類機電設備的種類繁多，其按用途和國名經濟行業分類情況如表2-1和表2-2所示。表21 機電設備按用途分類類型設備舉例產業類臥式車床、臥式銑床、數控機床、線切割機床、食品包裝機械、塑料機械、紡織機械、自動化生產線、工業機器人電動機等信息類計算機終端、通信設備、傳真機、打印機、復印機及其他辦公自動化設備等民生類VCD、DVD、空調、電冰箱、微波爐、全自動洗衣機、汽車電子化產品醫療器械及健身運動機械表2-2機電設備按國民經濟行業分類類型設備舉例通用機械類機械制造設備（金屬切削機床、鍛壓機械、鑄造機械等；起重設備；農、林、牧、漁機械設備；環境保護設備；木工設備、交通運輸設備等通用電工類電站設備；工業鍋爐；工業汽輪機；電動機；電焊機電工專用設備；日用電器等通用、專用儀表類自動化儀表、電工儀表、轉業儀器儀表（氣象儀器儀表、教學儀器醫療儀器等）、光學儀器、試驗機、成分分析儀表實驗儀器及裝置等專用設備類礦山機械；建筑機械；石油冶煉設備；電影機械設備；科研、辦公機械、食品價格機械、服裝加工機械；造紙機械；塑料加工機械；電子通信設備；計算機及外圍設備、印刷機械等24常用機電設備241 金屬切削機床金屬切削機床就是用切削、特種加工等方法加工金屬工件，使之獲得所要求的幾何形狀、尺寸精度和表面質量的機器，它是機械制造和維修行業的主要設備，通常簡稱為機床。我國機床的傳統分類方法主要是按加工方式和用途的不同把機床分為11大類，在每類機床中，按照工藝特點，布局形式、結構特性等不同又分為10組，每組又分為10系。 除上述分類方法外，還可按機場的性能分為通用機床、專門化機床、專用機床；按機場加工精度分臥式機床、機密機床及高精度機床；按機床的質量和尺寸不同，可分為儀表機床、中型機床、大型機床、中型機床(30t以上)及超重型機床(100t以上)；按照機床的自動化程度，可分為手動、半自動和自動機床。242起重運輸機械起重機械是吊運或頂舉重物的物料搬運機械，一種間歇工作、提升重物的機械。多數起重機械在吊具取料之后即開始垂直或垂直兼有水平的工作行程，到達目的地后卸載，再空行程到取料地點，完成一個工作循環，然后再進行第二次吊運。一般來說，起重機械工作時,取料、運移和卸載是依次進行的,各相應機構的工作是間歇性的。起重機械主要用于搬運成件物品，配備抓斗后可搬運煤炭、礦石、糧食之類的散狀物料，配備盛桶后可吊運鋼水等液態物料。有些起重機械如電梯也可用來載人。在某些使用場合，起重設備還是主要的作業機械，例如在港口和車站裝卸物料的起重機。起重機械按結構不同可分為輕小型起重設備、升降機、起重機和架空單軌系統等幾類。輕小型起重設備主要包括起重滑車、吊具、千斤頂、手動葫蘆、電動葫蘆和普通絞車，大多體積小、重量輕、使用方便。除電動葫蘆和絞車外，絕大多數用人力驅動，適用于工作不繁重的場合。它們可以單獨使用，有的也可作為起重機的起升機構。有些輕小型起重設備的起重能力很大，如液壓千斤頂的起重量已達 750噸。升降機主要作垂直或近于垂直的升降運動，具有固定的升降路線，包括電梯、升降臺、礦井提升機和料斗升降機等。架空單軌系統具有剛性吊掛軌道所形成的線路，能把物料運輸到廠房各部分，也可擴展到廠房的外部243 塑料成型機械塑料成型機械的類型很多，如擠出機、注射機、澆鑄機、真空成型機和液壓機等。但在生產中常用的是擠出機和注射機。25 機電設備的基本構成機電設備基本構成可分為機械系統、液壓與氣壓傳動系統、電氣控制系統和動力源。251 機械系統機械系統主要包括機體、傳動機構和潤滑、密封裝置。機體是指機器或機電設備的軀體，如機殼、機架、機場床身、立柱等。機體的功能是用于固定各種傳動裝置、驅動裝置、控制裝置以及執行機構等。 傳動機構的作用是把動力源的動力和運動那個傳遞給執行機構，以完成預定的動作。常用的機械傳動機構有：帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動、絲杠傳動等。常用的變速機構主要是分級變速機構。在機場中常用的分級變速機構有：塔輪變速機構、滑移齒輪變速機構、離合器變速機構和配換齒輪變速機構等。 潤滑裝置：機械系統中作相對運動的零件部件，在工作時都會產生摩擦。為了減少摩擦阻力，降低磨損程度，控制機械系統的溫升，提高機械效率和使用壽命，必須對機械的摩擦部位進行潤滑。密封裝置：對機器的結合面應采用適當的密封裝置，以防潤滑油流失及灰塵、水分侵入。根據密封處的各個零件之間是否有相對勻兌，密封可分為靜密封和動密封兩種。252 液壓與氣壓傳動系統液壓與氣壓傳動就是用壓力油或加壓空氣作為傳遞能量的載體實現傳動與控制，它不僅可以傳遞動力和運動，而且可以控制機械運動的程序和參量。液壓與氣壓傳動系統一般由動力裝置、執行裝置、控制與調節裝置、輔助裝置和傳動介質五個部分組成。液壓與氣壓傳動系統廣泛應用于工業領域的各個方面，如機械手電液伺服系統如圖(2)所示，平面磨床工作臺的液壓系統如圖(3)所示，剪切機氣動系統。 圖(2) 圖(3)253 電氣控制系統電氣控制系統主要是用來實現電力拖動系統的控制及信息變換與處理的功能。按照所用控制器件分類，可分為電器控制及電子數字控制。電器控制又稱繼電器接觸器控制，這是最主要的傳統控制系統，具有結構簡單、價格便宜的特點，在一般機電設備中廣泛使用。電子數字控制是指利用電子技術裝置實現的控制，主要包括：可編程控制、單片機控制和數控技術等的計算機控制，這些控制具有弱電化、無觸電、控制連接、精確等特點。26 典型機電設備分析261 CA6140型臥式車床CA6140型臥式車床是一種機械結構比較復雜而電氣控制系統簡單的機電設備十分廣泛。CA6140型臥式車床它能完成多種多樣的加工程序，它可以車削內外圓、圓錐面、端面、螺紋、成形回轉面和環形槽，也可以進行鉆孔、擴孔、鉸孔、螺紋、套螺紋和滾花等工作，但它的結構復雜，自動化程度低，不適宜大批量生產在CA6140型臥式車床它是由主軸箱、溜板箱、床身、尾座和刀架部件組成的，如圖(4)所示，各個部件之間相互配合，密切聯系。在它的傳動系統中分別有皮帶、齒輪等一些傳動方式，其中以齒輪傳動應用最為廣泛，比如說在它的變速、變向系統以及主軸的運動都是靠齒輪傳動進行的。雖然齒輪在其中應用如此廣泛，但是有些工作也是它無法取代的，比如在刀架縱向進給是靠光桿提供著進給動力。在加工螺紋時，刀架的進給是靠絲杠的運動來帶動刀架進行進給的。在車窗加工當中尤其是加工螺紋之時，主軸與刀架之間必須保持嚴格的運動關系：即主軸每轉一周，道具移動一個被加工螺紋的導程，所以在加工螺紋時必須采用絲杠進行傳動。CA6140型臥式車床中的電氣控制系統相對簡單，它的控制系統主要由三臺交流異步電動；斷路器、繼電器、控制變壓器、熔斷器、按鈕和開關等組成。特點：發生漏電過載時，可自動斷電，電氣設備進行保護。電動機容量都較小，全采用全壓起動方式全單向旋轉。主軸電動機優先于冷卻泵電動機起動，即前者先起動后者后起動等。 CA6140型臥式車床應用廣泛隨著社會的進步，人類生產水平的提高，經過幾代甚至十幾代人積累的經驗創造出的車床受到數控車床的強大沖擊。 圖(4) CA6140型臥式車床外形圖 262 數控機床1)數控機床的組成結構a.控制介質數控機床工作時，不需要操作工人直接操縱機床，但機床又必須執行人的意圖，這就需要在人與機床之間建立某種聯系，這種聯系的中間媒介物即稱為控制介質。 b.數控系統 數控裝置是一種控制系統，是數控機床的中心環節。它能自動閱讀輸入載體上事先給定的數字，并將其譯碼，從而使機床進給并加工零件，數控系統通常由輸入裝置、控制器、運算器和輸出裝置4大部分組成 。c.伺服系統伺服系統由伺服驅動電動機和伺服驅動裝置組成，它是數控系統的執行部分。伺服系統接受數控系統的指令信息，并按照指令信息的要求帶動機床的移動部件運動或使執行部分動作，以加工出符合要求的工件。每一個脈沖使機床移動部件產生的位移量叫做脈沖當量。目前所使用的數控系統脈沖當量通常為0.001mm/脈沖。 d.輔助控制系統輔助控制系統是介于數控裝置和機床機械、液壓部件之間的強電控制裝置。 e.機床本體機床本體是數控機床的主體，由機床的基礎大件（如床身、底座）和各運動部件（如工作臺、床鞍、主軸等）所組成。2)數控車床的分類:數控機床種類繁多，一般將數控機床分為16大類：數控車床(含有銑削功能的車削中心)、數控銑床(含銑削中心)、數控鏗床、以銑程削為主的加工中心、數控磨床(含磨削中心)、數控鉆床(含鉆削中心)、數控拉床、數控刨床、數控切斷機床、數控齒輪加工機床、數控激光加工機床、數控電火花線切割機床、數控電火花成型機床(含電加工中心)、數控板村成型加工機床、數控管料成型加工機床等，還有其他數控機床。如下是一些典型的數控機床圖：圖（5）Clk6130e數控車床圖圖（6）C1000A數控銑床圖數控花鍵軸磨床圖圖（7）數控花鍵軸磨床圖三、機電設備的發展趨勢機電設備的發展趨勢也就是機電一體化技術的發展趨勢，典型的機電一體化產品數控機床的發展方向，便具有代表性。(1)機電設備的高性能化趨勢 高性能化一般包括高速度、高精度、高效率和高可靠性。為了滿足“四高”的要求，新一代數控系統采用了32位多CPU結構，在伺服系統方面使用了超高數字信號處理器，以達到對電動機的高速、高精度控制。為了提高加工精度，采用高分辨率、高響應的檢測傳感器和各種誤差補償技術;在提高可靠性方面，新型數控系統大量使用大規模和超大規模集成電路，從而減小了元器件