九游会 J9官方网站九游会 J9官方网站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 : Son gyua. nyuan Hexiaolei Liwe nlong Houjinjie Guohao Huan gzhaojie Zjin gchao Jiwe nlogn Hanjun wei Liuwa ngua ng Name : Shan xijidia nzhiyejishuxueyua. n Abstract : Mechatr onics is a mach ine as the main body, mecha ni cal, electr oni cs, test ing, comb in ati on of software and orga nic systems? An overview of the compositi on and mecha ni cal and electiical integration of the core part of the system? Analysis of the developme nt process of mecha ni cal and electrical equipme nt, characteristics, basic structure and some typical mecha ni cal and electrical equipment, and to submit its development trend. Keywords : mechatr onics developme nt trend of mecha ni cal and electrical equipme nt 一、机电一体化概述 1.1什么是机电一体化 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。 1?2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。 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 ⑵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⑵ 表］ 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 1?3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; (2) (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 (6)伺服传动技术。 二、机电设备概述 2?1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己经渗透到了国民经济和社会生活的各个领域。 2?2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。 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。 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。 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。 2 . 3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2- 1机电设备按用途分类 类型 设备举例  产业类 卧式车床、卧式铳床、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 2?4常用机电设备 2?4. 1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（loot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。2?4?2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 2?4?3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岀机和注射机。 2?5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。 2?5?1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：对机器的结合面应釆用适当的密封装置，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。 2. 5?2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)所不，剪切机气动系统。图(3)图⑵ (3)所不，剪切机气动系统。 图(3) 2. 5 . 3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一接触器控制，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。 2?6典型机电设备分析 2?6?1 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、较孔、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 2?6?2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。 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。 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。 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（含有铳削功能的车削 中心）、数控铳床（含铳削中心）、数控铿床、以铳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 图（6） C1000A数控 图(7)数控花键轴磨床图 二、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 数控花键轴磨床图 体化产品数控机床的发展方向，便具有代表性。 ⑴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 件数量和它们之间连线的焊点，以降低系统的故障率，提高可靠性。 机电设备的智能化趋势 人工智能在机电设备中的应用越来越多，例 如自动编程 智能化系统在数控机床上的应用。原来必须由编程员设定的零件加工部位、加工工序、使 用刀具、切削条件、刀具使用顺序等，现在可以由自动编程智能化系统自动地设定，操作 者只需输入工件素材的形状和加工形 状的数据，加工程序自动生成。这样不仅缩短了数控 加工的编程周期，而且简化了操作。 目前，除了在数控编程和故障诊断智能化外，还出现了只能制造系统控 制器，这种控 制器可以模似专家的只能制造活动，对制造中的问题进行分析、判断、推理、构想和决 策。因此，随着科学技术的进步，各种人工智能技术 将普遍应用于机电设备之中。 机电设备的系统化发展趋势 由于机电一体化技术在机电设备中的 应用，机电设备的构成已不是简单的“机”和“电”，而是机械技术、微电子技术、自动 控制技术、信息技术、传感技术、软件技术构成的一个综合系统，各技术之间相互融合， 彼此取长补短，其融合越高，系统就越优化。所以机电设备的系统化发展，可以获得最佳 性能。 机电设备的轻量化发展趋势 随着机电一体化技术在机电设备中广 泛应用，机电设备正在向轻量化方向发展，这是因为，构成机电设备的机械 主体除了使用 钢铁材料之外，还广泛使用复合材料和非金属材料。随着电子装置的组装技术的进步，设 备的总体尺寸也越来越小。 参考文献 .陈荷娟主编.机电一体化系统设计.北京:北京理工大学出版社.2008 .吴兆祥主编.机电设备额原理及应用.北京：机械工业出版社.2004 【3】.刘武发、刘德平.机电一体化设计基础.北京：化学工业岀版社.2007 4】..

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