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机电设备概述与发展趋势Electrical and mechanical equipment and an overview of trends作者姓名： 单位名称：摘要：机电一体化是以机为主体，将机械、电子、检测、软件等有机结合而成的系统。概述机电一体化的系统组成及核心部分。分析机电设备的发展过程、特点、基本结构及一些典型的机电设备，并提出其发展趋势。关键词：机电一体化 机电设备 发展趋势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、机电一体化概述11什么是机电一体化机电一体化是从系统的观点出发，将机械技术、微电子技术、信息技术、控制技术等在系统工程的基础上有机的加以综合，实现整个机电系统最佳化而建立起来的一门新的科学技术。 传统的机电一体化是机械、电气（电动机）、液压等组合而成的，但是机电一体化发展后，加入了微电子技术，其中的微电子装置除可取代某些机械部件的原有功能外，还能赋予许多新的功能，如自动检测、自动处理信息、自动显示记录、自动调节与控制自动诊断与保护等，因此，现代的机电一体化是以机为主体，将机械、电子、检测、软件等有机结合而成的系统。12机电一体化的系统组成一个比较完善的机电一体化系统，一般有机械本体、动力与驱动、执行机构、传感测试和控制及信息处理五大部分组成。执行信号处理器传感器被测物理量+测量值_反馈控制图(1)机电一体化控制系统组成框图从机电一体化系统的5个组成部分来看，可以将人体作为参照物，如图(2)所示，构成人体的五大要素分别是大脑、感官（眼、耳、鼻、舌、皮肤）、四肢、内脏及骨骼。对应人体五个要素的人体功能，内脏提供人体所需的能量（动力）及各种激素,维持人体活动,大脑处理各种信息并对其他要素实施控制,感官获得外部信息,骨骼的功能是把人体各要素有机的联系为一体。机电一体化系统内部的功能与人体上述功能一样，实现各功能的相应构成要素如图(2)所示。表1列出了机电化系统构成与人体构成要素的对应关系。 图(2)表1机电一体化系统要素功能人体要素控制器（计算机等）控制（信息存储处理传送）大脑传感器检测（信息收集与变换）感官执行部件（电动机）驱动（主功能）四肢动力源提供能力（能量）内脏机械本体（机构）支撑与连接骨骼13机电一体化的核心技术(1)机械技术；(2)计算机与信息技术； (3)系统技术；(4)自动控制技术； (5)传感检测技术；(6)伺服传动技术。 二、机电设备概述21机电设备的发展过程机电设备是随着科学的发展而不断发展的。传统机电设备是以机械技术和电气技术应用为主是设备。虽然，传统的机电设备也能实现自动化，但是，自动化程度低，功能有限，耗材多，能耗大，设备的工作效率低，性能水平不高。为了提高机电设备的自动化程度和性能，从20世纪60年代开始，人们将机械技术与电子技术结合，出现了许多性能优良的机电产品或机电设备到了20世纪70、80年代，微电子技术获得了惊人的发展，这时人们自觉、主动地利用微电子技术的成果，开发新的机电产品或设备，使得机电产品或设备成为集机械技术、控制技术、计算机与信息技术等为一体的全新技术产品，到了20世际90年代，这种机电一体化技术迅速发展，时至今日，机电一体化产品或设备已经渗透到了国民经济和社会生活的各个领域。22现代机电设备的特点现代机电设备，如电动缝纫机、电子调速器、自动取款机、自动售票机、自动售货机、自动分检机、自动导航装置、数控机床、自动生产线、工业机器人、智能机器人等都是应用机电一体化技术为主的设备。与传统机电设备相比，现在机电设备具有以下特点：(1) 体积小、重量轻 机电一体化技术使原有的机构机械结构大大简化，如电动缝纫机的针脚花样主要是由一块单片集成电路来控制的，而老式缝纫机针脚花样是由350个零件构成的机械装置控制的。机械结构的简化，使设备的结构减小、重量减轻、用材减少。(2) 工作精度高 机电一体化技术使机械的传动部件减小，因而使机械磨损所引起的传动误差大大减小。同时还可以通过自动控制技术对由各种干扰所造成的误差进行自行诊断、校正、补偿，从而使得机电设备的工作精度有很大的提高。(3) 可靠性、灵敏性提高 由于采用电子元器件装置代替了机械运动构件和零部件，因而避免了机械接触式存在的润滑、磨损、断裂等问题，使可靠性和灵敏性大幅度提高。(4) 具有柔性 例如在数控机床上，加工不同零件时，只需重新编制程序就能实现对零件的加工，它不同于传统的机床，不需要更换工、夹具，不需要重新调整机床就能快速地从技术也是世界各国竞相发展的技术。23机电设备的分类机电设备的种类繁多，其按用途和国名经济行业分类情况如表2-1和表2-2所示。表21 机电设备按用途分类类型设备举例产业类卧式车床、卧式铣床、数控机床、线切割机床、食品包装机械、塑料机械、纺织机械、自动化生产线、工业机器人电动机等信息类计算机终端、通信设备、传真机、打印机、复印机及其他办公自动化设备等民生类VCD、DVD、空调、电冰箱、微波炉、全自动洗衣机、汽车电子化产品医疗器械及健身运动机械表2-2机电设备按国民经济行业分类类型设备举例通用机械类机械制造设备（金属切削机床、锻压机械、铸造机械等；起重设备；农、林、牧、渔机械设备；环境保护设备；木工设备、交通运输设备等通用电工类电站设备；工业锅炉；工业汽轮机；电动机；电焊机电工专用设备；日用电器等通用、专用仪表类自动化仪表、电工仪表、转业仪器仪表（气象仪器仪表、教学仪器医疗仪器等）、光学仪器、试验机、成分分析仪表实验仪器及装置等专用设备类矿山机械；建筑机械；石油冶炼设备；电影机械设备；科研、办公机械、食品价格机械、服装加工机械；造纸机械；塑料加工机械；电子通信设备；计算机及外围设备、印刷机械等24常用机电设备241 金属切削机床金属切削机床就是用切削、特种加工等方法加工金属工件，使之获得所要求的几何形状、尺寸精度和表面质量的机器，它是机械制造和维修行业的主要设备，通常简称为机床。我国机床的传统分类方法主要是按加工方式和用途的不同把机床分为11大类，在每类机床中，按照工艺特点，布局形式、结构特性等不同又分为10组，每组又分为10系。 除上述分类方法外，还可按机场的性能分为通用机床、专门化机床、专用机床；按机场加工精度分卧式机床、机密机床及高精度机床；按机床的质量和尺寸不同，可分为仪表机床、中型机床、大型机床、中型机床(30t以上)及超重型机床(100t以上)；按照机床的自动化程度，可分为手动、半自动和自动机床。242起重运输机械起重机械是吊运或顶举重物的物料搬运机械，一种间歇工作、提升重物的机械。多数起重机械在吊具取料之后即开始垂直或垂直兼有水平的工作行程，到达目的地后卸载，再空行程到取料地点，完成一个工作循环，然后再进行第二次吊运。一般来说，起重机械工作时,取料、运移和卸载是依次进行的,各相应机构的工作是间歇性的。起重机械主要用于搬运成件物品，配备抓斗后可搬运煤炭、矿石、粮食之类的散状物料，配备盛桶后可吊运钢水等液态物料。有些起重机械如电梯也可用来载人。在某些使用场合，起重设备还是主要的作业机械，例如在港口和车站装卸物料的起重机。起重机械按结构不同可分为轻小型起重设备、升降机、起重机和架空单轨系统等几类。轻小型起重设备主要包括起重滑车、吊具、千斤顶、手动葫芦、电动葫芦和普通绞车，大多体积小、重量轻、使用方便。除电动葫芦和绞车外，绝大多数用人力驱动，适用于工作不繁重的场合。它们可以单独使用，有的也可作为起重机的起升机构。有些轻小型起重设备的起重能力很大，如液压千斤顶的起重量已达 750吨。升降机主要作垂直或近于垂直的升降运动，具有固定的升降路线，包括电梯、升降台、矿井提升机和料斗升降机等。架空单轨系统具有刚性吊挂轨道所形成的线路，能把物料运输到厂房各部分，也可扩展到厂房的外部243 塑料成型机械塑料成型机械的类型很多，如挤出机、注射机、浇铸机、真空成型机和液压机等。但在生产中常用的是挤出机和注射机。25 机电设备的基本构成机电设备基本构成可分为机械系统、液压与气压传动系统、电气控制系统和动力源。251 机械系统机械系统主要包括机体、传动机构和润滑、密封装置。机体是指机器或机电设备的躯体，如机壳、机架、机场床身、立柱等。机体的功能是用于固定各种传动装置、驱动装置、控制装置以及执行机构等。 传动机构的作用是把动力源的动力和运动那个传递给执行机构，以完成预定的动作。常用的机械传动机构有：带传动、链传动、齿轮传动、丝杠传动等。常用的变速机构主要是分级变速机构。在机场中常用的分级变速机构有：塔轮变速机构、滑移齿轮变速机构、离合器变速机构和配换齿轮变速机构等。 润滑装置：机械系统中作相对运动的零件部件，在工作时都会产生摩擦。为了减少摩擦阻力，降低磨损程度，控制机械系统的温升，提高机械效率和使用寿命，必须对机械的摩擦部位进行润滑。密封装置：对机器的结合面应采用适当的密封装置，以防润滑油流失及灰尘、水分侵入。根据密封处的各个零件之间是否有相对匀兑，密封可分为静密封和动密封两种。252 液压与气压传动系统液压与气压传动就是用压力油或加压空气作为传递能量的载体实现传动与控制，它不仅可以传递动力和运动，而且可以控制机械运动的程序和参量。液压与气压传动系统一般由动力装置、执行装置、控制与调节装置、辅助装置和传动介质五个部分组成。液压与气压传动系统广泛应用于工业领域的各个方面，如机械手电液伺服系统如图(2)所示，平面磨床工作台的液压系统如图(3)所示，剪切机气动系统。 图(2) 图(3)253 电气控制系统电气控制系统主要是用来实现电力拖动系统的控制及信息变换与处理的功能。按照所用控制器件分类，可分为电器控制及电子数字控制。电器控制又称继电器接触器控制，这是最主要的传统控制系统，具有结构简单、价格便宜的特点，在一般机电设备中广泛使用。电子数字控制是指利用电子技术装置实现的控制，主要包括：可编程控制、单片机控制和数控技术等的计算机控制，这些控制具有弱电化、无触电、控制连接、精确等特点。26 典型机电设备分析261 CA6140型卧式车床CA6140型卧式车床是一种机械结构比较复杂而电气控制系统简单的机电设备十分广泛。CA6140型卧式车床它能完成多种多样的加工程序，它可以车削内外圆、圆锥面、端面、螺纹、成形回转面和环形槽，也可以进行钻孔、扩孔、铰孔、螺纹、套螺纹和滚花等工作，但它的结构复杂，自动化程度低，不适宜大批量生产在CA6140型卧式车床它是由主轴箱、溜板箱、床身、尾座和刀架部件组成的，如图(4)所示，各个部件之间相互配合，密切联系。在它的传动系统中分别有皮带、齿轮等一些传动方式，其中以齿轮传动应用最为广泛，比如说在它的变速、变向系统以及主轴的运动都是靠齿轮传动进行的。虽然齿轮在其中应用如此广泛，但是有些工作也是它无法取代的，比如在刀架纵向进给是靠光杆提供着进给动力。在加工螺纹时，刀架的进给是靠丝杠的运动来带动刀架进行进给的。在车窗加工当中尤其是加工螺纹之时，主轴与刀架之间必须保持严格的运动关系：即主轴每转一周，道具移动一个被加工螺纹的导程，所以在加工螺纹时必须采用丝杠进行传动。CA6140型卧式车床中的电气控制系统相对简单，它的控制系统主要由三台交流异步电动；断路器、继电器、控制变压器、熔断器、按钮和开关等组成。特点：发生漏电过载时，可自动断电，电气设备进行保护。电动机容量都较小，全采用全压起动方式全单向旋转。主轴电动机优先于冷却泵电动机起动，即前者先起动后者后起动等。 CA6140型卧式车床应用广泛随着社会的进步，人类生产水平的提高，经过几代甚至十几代人积累的经验创造出的车床受到数控车床的强大冲击。 图(4) CA6140型卧式车床外形图 262 数控机床1)数控机床的组成结构a.控制介质数控机床工作时，不需要操作工人直接操纵机床，但机床又必须执行人的意图，这就需要在人与机床之间建立某种联系，这种联系的中间媒介物即称为控制介质。 b.数控系统 数控装置是一种控制系统，是数控机床的中心环节。它能自动阅读输入载体上事先给定的数字，并将其译码，从而使机床进给并加工零件，数控系统通常由输入装置、控制器、运算器和输出装置4大部分组成 。c.伺服系统伺服系统由伺服驱动电动机和伺服驱动装置组成，它是数控系统的执行部分。伺服系统接受数控系统的指令信息，并按照指令信息的要求带动机床的移动部件运动或使执行部分动作，以加工出符合要求的工件。每一个脉冲使机床移动部件产生的位移量叫做脉冲当量。目前所使用的数控系统脉冲当量通常为0.001mm/脉冲。 d.辅助控制系统辅助控制系统是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的强电控制装置。 e.机床本体机床本体是数控机床的主体，由机床的基础大件（如床身、底座）和各运动部件（如工作台、床鞍、主轴等）所组成。2)数控车床的分类:数控机床种类繁多，一般将数控机床分为16大类：数控车床(含有铣削功能的车削中心)、数控铣床(含铣削中心)、数控铿床、以铣程削为主的加工中心、数控磨床(含磨削中心)、数控钻床(含钻削中心)、数控拉床、数控刨床、数控切断机床、数控齿轮加工机床、数控激光加工机床、数控电火花线切割机床、数控电火花成型机床(含电加工中心)、数控板村成型加工机床、数控管料成型加工机床等，还有其他数控机床。如下是一些典型的数控机床图：图（5）Clk6130e数控车床图图（6）C1000A数控铣床图数控花键轴磨床图图（7）数控花键轴磨床图三、机电设备的发展趋势机电设备的发展趋势也就是机电一体化技术的发展趋势，典型的机电一体化产品数控机床的发展方向，便具有代表性。(1)机电设备的高性能化趋势 高性能化一般包括高速度、高精度、高效率和高可靠性。为了满足“四高”的要求，新一代数控系统采用了32位多CPU结构，在伺服系统方面使用了超高数字信号处理器，以达到对电动机的高速、高精度控制。为了提高加工精度，采用高分辨率、高响应的检测传感器和各种误差补偿技术;在提高可靠性方面，新型数控系统大量使用大规模和超大规模集成电路，从而减小了元器件