淺析機電一體化

王軫　付振峰　仝義鑫

摘 要：機電一體化設(shè)計和傳統(tǒng)機械設(shè)計及自動控制有很大的不同。特別是計算機控制技術(shù)出現(xiàn)以后，對傳統(tǒng)機械的設(shè)計有了一個飛躍。采用計算機控制技術(shù)能將計算機的自動化、智能化水平大大提高，能將機械結(jié)構(gòu)大大簡化。例如，單片機已經(jīng)滲透到了日常家電產(chǎn)品及高科技的產(chǎn)品中，PLC用于機械控制能簡化機械結(jié)構(gòu)和控制電路，編程也非常簡單。

關(guān)鍵詞：機電一體化；計算機控制；傳感器

1 機電一體化的概念

人類從使用簡單工具到現(xiàn)代的機器發(fā)生了巨大的變化。特別是計算機控制技術(shù)出現(xiàn)以后，傳統(tǒng)機械又有了一個飛躍。

機器應該是機械和電器的合成。傳統(tǒng)的機械工程和自動控制工程從專業(yè)學習到工程設(shè)計應該一體化。目前，關(guān)于機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。對于國外的概念基本強調(diào)機器人跟數(shù)控機床的概念。雖然，機器人和數(shù)控機床是機電一體化中具有一定代表性的產(chǎn)品，但絕非是機電一體化的全部內(nèi)容，機械的內(nèi)容很多：化工機械、輕工機械、重工機械、紡織機械等。機電一體化強調(diào)的是機械產(chǎn)品的自動化和智能化的問題。

2 機電一體化的基礎(chǔ)知識

機電一體化涉及的知識還是比較廣泛的。在機電一體化設(shè)計中常常會涉及到機械做功，液體壓力做功等理論力學和材料力學的相關(guān)知識。對于機械零件還涉及到機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習的。一些機械零件例如：軸和軸承、齒輪、凸輪、鏈條、鏈輪等可以說是機電一體化設(shè)備中應用極廣泛的一類機械零件。對于零件的學習使是我們應具備的基礎(chǔ)。還有自動控制和人工控制的內(nèi)容，電路電器的基本知識。

3 傳感器

傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息按一定的規(guī)律變換成為電信號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、顯示、記錄和控制的要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。

傳感器大致可分為物理傳感器和化學傳感器兩大類。在機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、氣壓等動力源獲得的能量變換成旋轉(zhuǎn)運動或者直線運動的一種裝置。執(zhí)行裝置主要由執(zhí)行元件、傳動原件等構(gòu)成。主要的執(zhí)行裝置有如下幾種：步進電機裝置、伺服電機裝置、普通電機裝置、液壓油缸裝置、液壓馬達裝置、氣壓裝置、氣動馬達裝置。這些機械裝置是控制系統(tǒng)的控制對象，也叫控制系統(tǒng)的執(zhí)行裝置。普通電機裝置也是控制系統(tǒng)的控制對象，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。普通電機采用控制器的控制精度和效率沒有步進電機和伺服電機高，但是在一些控制要求不太高的機電一體化設(shè)備中，目前應用還是比較廣泛的，畢竟普通電機價格比步進電機和伺服電機低得多。

5 計算機控

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

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

6 機電一體化的設(shè)計方法

機電一體化設(shè)計類型可分為：

根據(jù)受控對象的不同，進行機電一體化設(shè)計；

改進型機電一體化設(shè)計；

創(chuàng)造發(fā)明性機電一體化設(shè)計；

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

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

在機電一體化設(shè)計中，我們主要考慮3部分的設(shè)計：機械部分、控制部分、傳感器部分。事實上，為了簡化問題，機電一體化的設(shè)計思路完全可以從兩部分來考慮。即機械部分和控制部分，因為傳感器完全可以在控制部分中一起考慮。機電一體化設(shè)計發(fā)展到今天，機械部分的設(shè)計仍然是這三部分中最重要的部分。過去在機電一體化設(shè)計的學習和實際工作中存在一種錯誤的認識和看法：認為機械設(shè)計直觀簡單，技術(shù)含量沒有控制部分高。這是一種本末倒置的認識。

參考文獻

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

[2]陳鼎南，機電一體化設(shè)計，清華大學出版社，2013