淺析機(jī)電一體化

王軫　付振峰　仝義鑫

摘 要：機(jī)電一體化設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)控制有很大的不同。特別是計(jì)算機(jī)控制技術(shù)出現(xiàn)以后，對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械的設(shè)計(jì)有了一個(gè)飛躍。采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)能將計(jì)算機(jī)的自動(dòng)化、智能化水平大大提高，能將機(jī)械結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化。例如，單片機(jī)已經(jīng)滲透到了日常家電產(chǎn)品及高科技的產(chǎn)品中，PLC用于機(jī)械控制能簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制電路，編程也非常簡(jiǎn)單。

關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化；計(jì)算機(jī)控制；傳感器

1 機(jī)電一體化的概念

人類從使用簡(jiǎn)單工具到現(xiàn)代的機(jī)器發(fā)生了巨大的變化。特別是計(jì)算機(jī)控制技術(shù)出現(xiàn)以后，傳統(tǒng)機(jī)械又有了一個(gè)飛躍。

機(jī)器應(yīng)該是機(jī)械和電器的合成。傳統(tǒng)的機(jī)械工程和自動(dòng)控制工程從專業(yè)學(xué)習(xí)到工程設(shè)計(jì)應(yīng)該一體化。目前，關(guān)于機(jī)電一體化的定義與概念，許多書籍都是根據(jù)國外書籍的定義和概念而引用。對(duì)于國外的概念基本強(qiáng)調(diào)機(jī)器人跟數(shù)控機(jī)床的概念。雖然，機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床是機(jī)電一體化中具有一定代表性的產(chǎn)品，但絕非是機(jī)電一體化的全部?jī)?nèi)容，機(jī)械的內(nèi)容很多：化工機(jī)械、輕工機(jī)械、重工機(jī)械、紡織機(jī)械等。機(jī)電一體化強(qiáng)調(diào)的是機(jī)械產(chǎn)品的自動(dòng)化和智能化的問題。

2 機(jī)電一體化的基礎(chǔ)知識(shí)

機(jī)電一體化涉及的知識(shí)還是比較廣泛的。在機(jī)電一體化設(shè)計(jì)中常常會(huì)涉及到機(jī)械做功，液體壓力做功等理論力學(xué)和材料力學(xué)的相關(guān)知識(shí)。對(duì)于機(jī)械零件還涉及到機(jī)械零件的加工方法一些工藝性問題。尤為重要的是數(shù)控加工技術(shù)。零件的加工精度、材料的選擇都是需要學(xué)習(xí)的。一些機(jī)械零件例如：軸和軸承、齒輪、凸輪、鏈條、鏈輪等可以說是機(jī)電一體化設(shè)備中應(yīng)用極廣泛的一類機(jī)械零件。對(duì)于零件的學(xué)習(xí)使是我們應(yīng)具備的基礎(chǔ)。還有自動(dòng)控制和人工控制的內(nèi)容，電路電器的基本知識(shí)。

3 傳感器

傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息按一定的規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需的形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制的要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。

傳感器大致可分為物理傳感器和化學(xué)傳感器兩大類。在機(jī)電一體化中起著至關(guān)重要的作用。常見的傳感器有：壓力傳感器、位移傳感器、位置傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、氣敏傳感器等等。

4 執(zhí)行裝置

所謂執(zhí)行裝，就是把從電源、液壓、氣壓等動(dòng)力源獲得的能量變換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或者直線運(yùn)動(dòng)的一種裝置。執(zhí)行裝置主要由執(zhí)行元件、傳動(dòng)原件等構(gòu)成。主要的執(zhí)行裝置有如下幾種：步進(jìn)電機(jī)裝置、伺服電機(jī)裝置、普通電機(jī)裝置、液壓油缸裝置、液壓馬達(dá)裝置、氣壓裝置、氣動(dòng)馬達(dá)裝置。這些機(jī)械裝置是控制系統(tǒng)的控制對(duì)象，也叫控制系統(tǒng)的執(zhí)行裝置。普通電機(jī)裝置也是控制系統(tǒng)的控制對(duì)象，如采用變頻器可以控制轉(zhuǎn)速，PLC也可以控制轉(zhuǎn)速和角位移。普通電機(jī)采用控制器的控制精度和效率沒有步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)高，但是在一些控制要求不太高的機(jī)電一體化設(shè)備中，目前應(yīng)用還是比較廣泛的，畢竟普通電機(jī)價(jià)格比步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)低得多。

5 計(jì)算機(jī)控

機(jī)械設(shè)備的控制系統(tǒng)從最初的的強(qiáng)電控制到現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)控制，經(jīng)歷了如下過程：簡(jiǎn)單的開關(guān)控制——繼電器控制——單片機(jī)控制——單板機(jī)控制——PLC控制——PC控制。事實(shí)上，到現(xiàn)在為止機(jī)械設(shè)備的控制系統(tǒng)無論從簡(jiǎn)單的開關(guān)控制，繼電器控制到復(fù)雜的單片機(jī)控制、單板機(jī)控制、PLC控制、PC控制都有它們的使用價(jià)值。隨著時(shí)間的發(fā)展，使用的比例肯定會(huì)按上述順序，前面的越來越少，后面的越來越多。目前來看單片機(jī)控制、PLC控制系統(tǒng)在機(jī)電一體化應(yīng)用領(lǐng)域的數(shù)量上應(yīng)該是最多的。

數(shù)控技術(shù)是指用數(shù)字指令來實(shí)現(xiàn)一臺(tái)或多臺(tái)機(jī)械設(shè)備動(dòng)作控制的技術(shù)。它所控制的通常是為止、角度、速度、等機(jī)械量和開關(guān)量，以及溫度、流量、壓力等物理量。數(shù)控技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)是相互關(guān)聯(lián)的。數(shù)控技術(shù)的特點(diǎn)：精度高、速度快、可靠性高。

6 機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)方法

機(jī)電一體化設(shè)計(jì)類型可分為：

根據(jù)受控對(duì)象的不同，進(jìn)行機(jī)電一體化設(shè)計(jì)；

改進(jìn)型機(jī)電一體化設(shè)計(jì)；

創(chuàng)造發(fā)明性機(jī)電一體化設(shè)計(jì)；

不同的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)類型，也有不同的設(shè)計(jì)方法。所謂根據(jù)受控對(duì)象的不同進(jìn)行機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，也就是不同行業(yè)有不同的受控對(duì)象。比如數(shù)控機(jī)床、包裝機(jī)械一類的受控對(duì)象基本上是機(jī)械動(dòng)作；在化工機(jī)械中，處理機(jī)械動(dòng)作外還有對(duì)溫度、流量、壓力、配比等物理量的控制；也有將化學(xué)量作為受控對(duì)象的，如土壤分析儀對(duì)土壤酸堿度、鈣、鎂、磷的分析等。當(dāng)然受控對(duì)象最多的還是機(jī)械動(dòng)作問題。

改進(jìn)型機(jī)電一體化設(shè)計(jì)是應(yīng)用非常廣泛的一類設(shè)計(jì)。比如，我國數(shù)控機(jī)場(chǎng)普及度不高的現(xiàn)狀的主要原因一方面是數(shù)控機(jī)床的售價(jià)太貴，對(duì)于許多企業(yè)來說很難承擔(dān)這筆開支的。所以對(duì)現(xiàn)有機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造，提高現(xiàn)有機(jī)床的生產(chǎn)效率和質(zhì)量、節(jié)約成本等起到很好的效果。

在機(jī)電一體化設(shè)計(jì)中，我們主要考慮3部分的設(shè)計(jì)：機(jī)械部分、控制部分、傳感器部分。事實(shí)上，為了簡(jiǎn)化問題，機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)思路完全可以從兩部分來考慮。即機(jī)械部分和控制部分，因?yàn)閭鞲衅魍耆梢栽诳刂撇糠种幸黄鹂紤]。機(jī)電一體化設(shè)計(jì)發(fā)展到今天，機(jī)械部分的設(shè)計(jì)仍然是這三部分中最重要的部分。過去在機(jī)電一體化設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)和實(shí)際工作中存在一種錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)和看法：認(rèn)為機(jī)械設(shè)計(jì)直觀簡(jiǎn)單，技術(shù)含量沒有控制部分高。這是一種本末倒置的認(rèn)識(shí)。

參考文獻(xiàn)

[1]張建民等，機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)， 北京理工大學(xué)出版社，2010

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