機(jī)電設(shè)備概述與發(fā)展趨勢.doc

機(jī)電設(shè)備概述與發(fā)展趨勢Electrical and mechanical equipment and an overview of trends作者姓名： 單位名稱：摘要：機(jī)電一體化是以機(jī)為主體，將機(jī)械、電子、檢測、軟件等有機(jī)結(jié)合而成的系統(tǒng)。概述機(jī)電一體化的系統(tǒng)組成及核心部分。分析機(jī)電設(shè)備的發(fā)展過程、特點、基本結(jié)構(gòu)及一些典型的機(jī)電設(shè)備，并提出其發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化 機(jī)電設(shè)備 發(fā)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(jī)電一體化概述11什么是機(jī)電一體化機(jī)電一體化是從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，將機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)等在系統(tǒng)工程的基礎(chǔ)上有機(jī)的加以綜合，實現(xiàn)整個機(jī)電系統(tǒng)最佳化而建立起來的一門新的科學(xué)技術(shù)。 傳統(tǒng)的機(jī)電一體化是機(jī)械、電氣（電動機(jī)）、液壓等組合而成的，但是機(jī)電一體化發(fā)展后，加入了微電子技術(shù)，其中的微電子裝置除可取代某些機(jī)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(diào)節(jié)與控制自動診斷與保護(hù)等，因此，現(xiàn)代的機(jī)電一體化是以機(jī)為主體，將機(jī)械、電子、檢測、軟件等有機(jī)結(jié)合而成的系統(tǒng)。12機(jī)電一體化的系統(tǒng)組成一個比較完善的機(jī)電一體化系統(tǒng)，一般有機(jī)械本體、動力與驅(qū)動、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感測試和控制及信息處理五大部分組成。執(zhí)行信號處理器傳感器被測物理量+測量值_反饋控制圖(1)機(jī)電一體化控制系統(tǒng)組成框圖從機(jī)電一體化系統(tǒng)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(gòu)成人體的五大要素分別是大腦、感官（眼、耳、鼻、舌、皮膚）、四肢、內(nèi)臟及骨骼。對應(yīng)人體五個要素的人體功能，內(nèi)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(jī)的聯(lián)系為一體。機(jī)電一體化系統(tǒng)內(nèi)部的功能與人體上述功能一樣，實現(xiàn)各功能的相應(yīng)構(gòu)成要素如圖(2)所示。表1列出了機(jī)電化系統(tǒng)構(gòu)成與人體構(gòu)成要素的對應(yīng)關(guān)系。 圖(2)表1機(jī)電一體化系統(tǒng)要素功能人體要素控制器（計算機(jī)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(zhí)行部件（電動機(jī)）驅(qū)動（主功能）四肢動力源提供能力（能量）內(nèi)臟機(jī)械本體（機(jī)構(gòu)）支撐與連接骨骼13機(jī)電一體化的核心技術(shù)(1)機(jī)械技術(shù)；(2)計算機(jī)與信息技術(shù)； (3)系統(tǒng)技術(shù)；(4)自動控制技術(shù)； (5)傳感檢測技術(shù)；(6)伺服傳動技術(shù)。 二、機(jī)電設(shè)備概述21機(jī)電設(shè)備的發(fā)展過程機(jī)電設(shè)備是隨著科學(xué)的發(fā)展而不斷發(fā)展的。傳統(tǒng)機(jī)電設(shè)備是以機(jī)械技術(shù)和電氣技術(shù)應(yīng)用為主是設(shè)備。雖然，傳統(tǒng)的機(jī)電設(shè)備也能實現(xiàn)自動化，但是，自動化程度低，功能有限，耗材多，能耗大，設(shè)備的工作效率低，性能水平不高。為了提高機(jī)電設(shè)備的自動化程度和性能，從20世紀(jì)60年代開始，人們將機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)結(jié)合，出現(xiàn)了許多性能優(yōu)良的機(jī)電產(chǎn)品或機(jī)電設(shè)備到了20世紀(jì)70、80年代，微電子技術(shù)獲得了驚人的發(fā)展，這時人們自覺、主動地利用微電子技術(shù)的成果，開發(fā)新的機(jī)電產(chǎn)品或設(shè)備，使得機(jī)電產(chǎn)品或設(shè)備成為集機(jī)械技術(shù)、控制技術(shù)、計算機(jī)與信息技術(shù)等為一體的全新技術(shù)產(chǎn)品，到了20世際90年代，這種機(jī)電一體化技術(shù)迅速發(fā)展，時至今日，機(jī)電一體化產(chǎn)品或設(shè)備已經(jīng)滲透到了國民經(jīng)濟(jì)和社會生活的各個領(lǐng)域。22現(xiàn)代機(jī)電設(shè)備的特點現(xiàn)代機(jī)電設(shè)備，如電動縫紉機(jī)、電子調(diào)速器、自動取款機(jī)、自動售票機(jī)、自動售貨機(jī)、自動分檢機(jī)、自動導(dǎo)航裝置、數(shù)控機(jī)床、自動生產(chǎn)線、工業(yè)機(jī)器人、智能機(jī)器人等都是應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)為主的設(shè)備。與傳統(tǒng)機(jī)電設(shè)備相比，現(xiàn)在機(jī)電設(shè)備具有以下特點：(1) 體積小、重量輕 機(jī)電一體化技術(shù)使原有的機(jī)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)大大簡化，如電動縫紉機(jī)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(jī)針腳花樣是由350個零件構(gòu)成的機(jī)械裝置控制的。機(jī)械結(jié)構(gòu)的簡化，使設(shè)備的結(jié)構(gòu)減小、重量減輕、用材減少。(2) 工作精度高 機(jī)電一體化技術(shù)使機(jī)械的傳動部件減小，因而使機(jī)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(shù)對由各種干擾所造成的誤差進(jìn)行自行診斷、校正、補(bǔ)償，從而使得機(jī)電設(shè)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(jī)械運動構(gòu)件和零部件，因而避免了機(jī)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(shù)控機(jī)床上，加工不同零件時，只需重新編制程序就能實現(xiàn)對零件的加工，它不同于傳統(tǒng)的機(jī)床，不需要更換工、夾具，不需要重新調(diào)整機(jī)床就能快速地從技術(shù)也是世界各國競相發(fā)展的技術(shù)。23機(jī)電設(shè)備的分類機(jī)電設(shè)備的種類繁多，其按用途和國名經(jīng)濟(jì)行業(yè)分類情況如表2-1和表2-2所示。表21 機(jī)電設(shè)備按用途分類類型設(shè)備舉例產(chǎn)業(yè)類臥式車床、臥式銑床、數(shù)控機(jī)床、線切割機(jī)床、食品包裝機(jī)械、塑料機(jī)械、紡織機(jī)械、自動化生產(chǎn)線、工業(yè)機(jī)器人電動機(jī)等信息類計算機(jī)終端、通信設(shè)備、傳真機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)及其他辦公自動化設(shè)備等民生類VCD、DVD、空調(diào)、電冰箱、微波爐、全自動洗衣機(jī)、汽車電子化產(chǎn)品醫(yī)療器械及健身運動機(jī)械表2-2機(jī)電設(shè)備按國民經(jīng)濟(jì)行業(yè)分類類型設(shè)備舉例通用機(jī)械類機(jī)械制造設(shè)備（金屬切削機(jī)床、鍛壓機(jī)械、鑄造機(jī)械等；起重設(shè)備；農(nóng)、林、牧、漁機(jī)械設(shè)備；環(huán)境保護(hù)設(shè)備；木工設(shè)備、交通運輸設(shè)備等通用電工類電站設(shè)備；工業(yè)鍋爐；工業(yè)汽輪機(jī)；電動機(jī)；電焊機(jī)電工專用設(shè)備；日用電器等通用、專用儀表類自動化儀表、電工儀表、轉(zhuǎn)業(yè)儀器儀表（氣象儀器儀表、教學(xué)儀器醫(yī)療儀器等）、光學(xué)儀器、試驗機(jī)、成分分析儀表實驗儀器及裝置等專用設(shè)備類礦山機(jī)械；建筑機(jī)械；石油冶煉設(shè)備；電影機(jī)械設(shè)備；科研、辦公機(jī)械、食品價格機(jī)械、服裝加工機(jī)械；造紙機(jī)械；塑料加工機(jī)械；電子通信設(shè)備；計算機(jī)及外圍設(shè)備、印刷機(jī)械等24常用機(jī)電設(shè)備241 金屬切削機(jī)床金屬切削機(jī)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(zhì)量的機(jī)器，它是機(jī)械制造和維修行業(yè)的主要設(shè)備，通常簡稱為機(jī)床。我國機(jī)床的傳統(tǒng)分類方法主要是按加工方式和用途的不同把機(jī)床分為11大類，在每類機(jī)床中，按照工藝特點，布局形式、結(jié)構(gòu)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(jī)場的性能分為通用機(jī)床、專門化機(jī)床、專用機(jī)床；按機(jī)場加工精度分臥式機(jī)床、機(jī)密機(jī)床及高精度機(jī)床；按機(jī)床的質(zhì)量和尺寸不同，可分為儀表機(jī)床、中型機(jī)床、大型機(jī)床、中型機(jī)床(30t以上)及超重型機(jī)床(100t以上)；按照機(jī)床的自動化程度，可分為手動、半自動和自動機(jī)床。242起重運輸機(jī)械起重機(jī)械是吊運或頂舉重物的物料搬運機(jī)械，一種間歇工作、提升重物的機(jī)械。多數(shù)起重機(jī)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(dá)目的地后卸載，再空行程到取料地點，完成一個工作循環(huán)，然后再進(jìn)行第二次吊運。一般來說，起重機(jī)械工作時,取料、運移和卸載是依次進(jìn)行的,各相應(yīng)機(jī)構(gòu)的工作是間歇性的。起重機(jī)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(tài)物料。有些起重機(jī)械如電梯也可用來載人。在某些使用場合，起重設(shè)備還是主要的作業(yè)機(jī)械，例如在港口和車站裝卸物料的起重機(jī)。起重機(jī)械按結(jié)構(gòu)不同可分為輕小型起重設(shè)備、升降機(jī)、起重機(jī)和架空單軌系統(tǒng)等幾類。輕小型起重設(shè)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(shù)用人力驅(qū)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(jī)的起升機(jī)構(gòu)。有些輕小型起重設(shè)備的起重能力很大，如液壓千斤頂?shù)钠鹬亓恳堰_(dá) 750噸。升降機(jī)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(jī)和料斗升降機(jī)等。架空單軌系統(tǒng)具有剛性吊掛軌道所形成的線路，能把物料運輸?shù)綇S房各部分，也可擴(kuò)展到廠房的外部243 塑料成型機(jī)械塑料成型機(jī)械的類型很多，如擠出機(jī)、注射機(jī)、澆鑄機(jī)、真空成型機(jī)和液壓機(jī)等。但在生產(chǎn)中常用的是擠出機(jī)和注射機(jī)。25 機(jī)電設(shè)備的基本構(gòu)成機(jī)電設(shè)備基本構(gòu)成可分為機(jī)械系統(tǒng)、液壓與氣壓傳動系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和動力源。251 機(jī)械系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)主要包括機(jī)體、傳動機(jī)構(gòu)和潤滑、密封裝置。機(jī)體是指機(jī)器或機(jī)電設(shè)備的軀體，如機(jī)殼、機(jī)架、機(jī)場床身、立柱等。機(jī)體的功能是用于固定各種傳動裝置、驅(qū)動裝置、控制裝置以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。 傳動機(jī)構(gòu)的作用是把動力源的動力和運動那個傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以完成預(yù)定的動作。常用的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)有：帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動、絲杠傳動等。常用的變速機(jī)構(gòu)主要是分級變速機(jī)構(gòu)。在機(jī)場中常用的分級變速機(jī)構(gòu)有：塔輪變速機(jī)構(gòu)、滑移齒輪變速機(jī)構(gòu)、離合器變速機(jī)構(gòu)和配換齒輪變速機(jī)構(gòu)等。 潤滑裝置：機(jī)械系統(tǒng)中作相對運動的零件部件，在工作時都會產(chǎn)生摩擦。為了減少摩擦阻力，降低磨損程度，控制機(jī)械系統(tǒng)的溫升，提高機(jī)械效率和使用壽命，必須對機(jī)械的摩擦部位進(jìn)行潤滑。密封裝置：對機(jī)器的結(jié)合面應(yīng)采用適當(dāng)?shù)拿芊庋b置，以防潤滑油流失及灰塵、水分侵入。根據(jù)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(tǒng)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(xiàn)傳動與控制，它不僅可以傳遞動力和運動，而且可以控制機(jī)械運動的程序和參量。液壓與氣壓傳動系統(tǒng)一般由動力裝置、執(zhí)行裝置、控制與調(diào)節(jié)裝置、輔助裝置和傳動介質(zhì)五個部分組成。液壓與氣壓傳動系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的各個方面，如機(jī)械手電液伺服系統(tǒng)如圖(2)所示，平面磨床工作臺的液壓系統(tǒng)如圖(3)所示，剪切機(jī)氣動系統(tǒng)。 圖(2) 圖(3)253 電氣控制系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)主要是用來實現(xiàn)電力拖動系統(tǒng)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(shù)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(tǒng)控制系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜的特點，在一般機(jī)電設(shè)備中廣泛使用。電子數(shù)字控制是指利用電子技術(shù)裝置實現(xiàn)的控制，主要包括：可編程控制、單片機(jī)控制和數(shù)控技術(shù)等的計算機(jī)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(jī)電設(shè)備分析261 CA6140型臥式車床CA6140型臥式車床是一種機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜而電氣控制系統(tǒng)簡單的機(jī)電設(shè)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(nèi)外圓、圓錐面、端面、螺紋、成形回轉(zhuǎn)面和環(huán)形槽，也可以進(jìn)行鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔、螺紋、套螺紋和滾花等工作，但它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，自動化程度低，不適宜大批量生產(chǎn)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(lián)系。在它的傳動系統(tǒng)中分別有皮帶、齒輪等一些傳動方式，其中以齒輪傳動應(yīng)用最為廣泛，比如說在它的變速、變向系統(tǒng)以及主軸的運動都是靠齒輪傳動進(jìn)行的。雖然齒輪在其中應(yīng)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(jìn)給是靠光桿提供著進(jìn)給動力。在加工螺紋時，刀架的進(jìn)給是靠絲杠的運動來帶動刀架進(jìn)行進(jìn)給的。在車窗加工當(dāng)中尤其是加工螺紋之時，主軸與刀架之間必須保持嚴(yán)格的運動關(guān)系：即主軸每轉(zhuǎn)一周，道具移動一個被加工螺紋的導(dǎo)程，所以在加工螺紋時必須采用絲杠進(jìn)行傳動。CA6140型臥式車床中的電氣控制系統(tǒng)相對簡單，它的控制系統(tǒng)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(guān)等組成。特點：發(fā)生漏電過載時，可自動斷電，電氣設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。電動機(jī)容量都較小，全采用全壓起動方式全單向旋轉(zhuǎn)。主軸電動機(jī)優(yōu)先于冷卻泵電動機(jī)起動，即前者先起動后者后起動等。 CA6140型臥式車床應(yīng)用廣泛隨著社會的進(jìn)步，人類生產(chǎn)水平的提高，經(jīng)過幾代甚至十幾代人積累的經(jīng)驗創(chuàng)造出的車床受到數(shù)控車床的強(qiáng)大沖擊。 圖(4) CA6140型臥式車床外形圖 262 數(shù)控機(jī)床1)數(shù)控機(jī)床的組成結(jié)構(gòu)a.控制介質(zhì)數(shù)控機(jī)床工作時，不需要操作工人直接操縱機(jī)床，但機(jī)床又必須執(zhí)行人的意圖，這就需要在人與機(jī)床之間建立某種聯(lián)系，這種聯(lián)系的中間媒介物即稱為控制介質(zhì)。 b.數(shù)控系統(tǒng) 數(shù)控裝置是一種控制系統(tǒng)，是數(shù)控機(jī)床的中心環(huán)節(jié)。它能自動閱讀輸入載體上事先給定的數(shù)字，并將其譯碼，從而使機(jī)床進(jìn)給并加工零件，數(shù)控系統(tǒng)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(tǒng)伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動電動機(jī)和伺服驅(qū)動裝置組成，它是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分。伺服系統(tǒng)接受數(shù)控系統(tǒng)的指令信息，并按照指令信息的要求帶動機(jī)床的移動部件運動或使執(zhí)行部分動作，以加工出符合要求的工件。每一個脈沖使機(jī)床移動部件產(chǎn)生的位移量叫做脈沖當(dāng)量。目前所使用的數(shù)控系統(tǒng)脈沖當(dāng)量通常為0.001mm/脈沖。 d.輔助控制系統(tǒng)輔助控制系統(tǒng)是介于數(shù)控裝置和機(jī)床機(jī)械、液壓部件之間的強(qiáng)電控制裝置。 e.機(jī)床本體機(jī)床本體是數(shù)控機(jī)床的主體，由機(jī)床的基礎(chǔ)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(shù)控車床的分類:數(shù)控機(jī)床種類繁多，一般將數(shù)控機(jī)床分為16大類：數(shù)控車床(含有銑削功能的車削中心)、數(shù)控銑床(含銑削中心)、數(shù)控鏗床、以銑程削為主的加工中心、數(shù)控磨床(含磨削中心)、數(shù)控鉆床(含鉆削中心)、數(shù)控拉床、數(shù)控刨床、數(shù)控切斷機(jī)床、數(shù)控齒輪加工機(jī)床、數(shù)控激光加工機(jī)床、數(shù)控電火花線切割機(jī)床、數(shù)控電火花成型機(jī)床(含電加工中心)、數(shù)控板村成型加工機(jī)床、數(shù)控管料成型加工機(jī)床等，還有其他數(shù)控機(jī)床。如下是一些典型的數(shù)控機(jī)床圖：圖（5）Clk6130e數(shù)控車床圖圖（6）C1000A數(shù)控銑床圖數(shù)控花鍵軸磨床圖圖（7）數(shù)控花鍵軸磨床圖三、機(jī)電設(shè)備的發(fā)展趨勢機(jī)電設(shè)備的發(fā)展趨勢也就是機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢，典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向，便具有代表性。(1)機(jī)電設(shè)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(shù)控系統(tǒng)采用了32位多CPU結(jié)構(gòu)，在伺服系統(tǒng)方面使用了超高數(shù)字信號處理器，以達(dá)到對電動機(jī)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(yīng)的檢測傳感器和各種誤差補(bǔ)償技術(shù);在提高可靠性方面，新型數(shù)控系統(tǒng)大量使用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路，從而減小了元器件