第一篇：機電一體化典型實例

8機電一體化系統典型實例

8.1 機器人

8.1.1概述

機器人是能夠自動識別對象或其動作，根據識別，自動決定應采取動作的自動化裝置。

它能模擬人的手、臂的部分動作，實現抓取、搬運工件或操縱工具等。它綜合了精密機械技

術、微電子技術、檢測傳感技術和自動控制技術等領域的最新成果，是具有發展前途的機電

一體化典型產品。機器人技術的應用會越來越廣，將對人類的生產和生活產生巨大的影響。

可以說，任何一個國家如不擁有一定數量和質量的機器人，就不具備進行國際競爭所必需的工業基礎。

機器人的發展大致經過了三個階段。第一代機器人為示教再現型機器人，為了讓機器人

完成某項作業，首先由操作者將完成該作業所需的各種知識（如運動軌跡、作業條件、作業

順序、作業時間等）通過直接或間接的手段，對機器人進行示教，機器人將這些知識記憶下

來，然后根據再現指令，在一定的精度范圍內，忠實地重復再現各種被示教的動作。第二代

機器人通常是指具有某種智能（如觸覺、力覺、視覺等）的機器人，即由傳感器得到的觸覺、聽覺、視覺等信息經計算機處理后，控制機器人完成相應的操作。第三代機器人通常是指具

有高級智能的機器人，其特點是具有自學習和邏輯判斷能力，可以通過各類傳感器獲取信息，經過思考做出決策，以完成更復雜的操作。

信息處理機

圖8-1機器人三要素 圖8-2生物空間

一般認為機器人具備以下要素：思維系統（相當于腦），工作系統（相當于手），移動系

統（相當于腳），非接觸傳感器（相當于耳、鼻、目）和接觸傳感器（相當于皮膚）（圖8-1）。

如果對機器人的能力評價標準與對生物能力的評價標準一樣，即從智能、機能和物理能三個

方面進行評價，機器人能力與生物能力具有一定的相似性。圖8-2是以智能度、機能度和物

理能度三座標表示的“生物空間”，這里，機能度是指變通性或通用性以及空間占有性等；物

理能度包括力、速度、連續運行能力、均一性、可靠性等；智能度則指感覺、知覺、記憶、運算邏輯、學習、鑒定、綜合判斷等。把這些概括起來可以說，機器人是具有生物空間三座

標的三元機械。某些工程機械有移動性，占有空間不固定性，因而是二元機械。計算機等信

息處理機，除物理能之外，還有若干智能，因而也屬于二元機械。而一般機械都只有物理能，所以都是一元機械。

8.1.2機器人的組成及基本機能

機器人一般由執行系統、驅動系統、控制系統，檢測傳感系統和人工智能系統等組成，各系統功能如下所述。① 執行系統。執行系統是完成抓取工件（或工具）實現所需運動的機械部件，包括手部、119

腕部、臂部、機身以及行走機構。

② 驅動系統。驅動系統的作用是向執行機構提供動力。隨驅動目標的不同，驅動系統的傳動方式有液動、氣動、電動和機械式四種。

③ 控制系統。控制系統是機器人的指揮中心，它控制機器人按規定的程序運動。控制系統可記憶各種指令信息（如動作順序，運動軌跡，運動速度及時間等），同時按指令信息向各執行元件發出指令。必要時還可對機器人動作進行監視，當動作有誤或發生故障時即發出警報信號。

④ 檢測傳感系統。它主要檢測機器人執行系統的運動位置、狀態，并隨時將執行系統的實際位置反饋給控制系統，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統進行調整，從而使執行系統以一定的精度達到設定的位置狀態。

⑤ 人工智能系統。該系統主要賦予機器人自動識別、判斷和適應性操作。8.1.4BJDP-1型機器人

該機器人是全電動式、五自由度、具有連續軌跡控制等功能的多關節型示教再現機器人，用于高噪聲，高粉塵等惡環境的噴砂作業。

該機器人的五個自由度，分別是立柱回轉（L）、大臂回轉（D）小臂回轉（X）、腕部俯仰（W1）和腕部轉動（W2），其機構原理如圖8-3所示，機構的傳動關系如圖8-4所示。R

2小臂

M2

諧波減速器R圖8-3機器人的結構原理

圖8-4機器人機構傳動關系

8.2視覺傳感式變量噴藥系統簡介

在農業方面，近年來發達國家（如美國、英國）都投入大量資金進行現代農業技術的開發。

先后開發出了精確變量播種機、精確變量施肥機以及精確變量噴藥機等。它們都是與機器人極為相似的自動化系統，是高新技術在農業中的應用。

視覺傳感變量噴藥系統，是以較少藥劑而有效控制雜草、提高產量、減少成本的一種自動化藥物噴撒機械。近年來，隨著雜草識別的視覺感知技術與變量噴藥控制等技術的成熟，這種視覺傳感式變量噴藥機械也趨于成熟。下面就以這種系統為例，對它的組成及工作原理作一簡要介紹。

（1）系統的組成一般地說，這種機器由圖像信息獲取系統、圖像信息處理系統、決策支持系統、變量噴撒系統等組成（圖8-5）。各子系統的主要功能如下所述。

① 圖像信息獲取系統。主要由彩色數碼像機（如PULNIX，TMC-7ZX等）和高速圖像數據采集卡（如CX100，IMAGENATION，INC等）組成。采集卡一般置于機載計算機中。

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② 圖像信息處理系統。是一種基于影像信息的提取算法，由計算機高級語言（如C++等）開發出的一種軟件系統。它能夠快速準確地提取出影像數據中包含的人們所需的信息（如雜草密度，草葉數量，無作物間距區域面積等）。

③ 決策支持系統。也是由高級語言開發出的一種軟件系統。它能夠基于信息處理系統，把得到的有用信息與人們的決策要求作綜合判斷，最后作出所需的決策。

④ 變量噴撒系統。是基于視覺信息的控制器，由若干可調節噴藥流量與霧滴大小的變量噴頭組成。

⑤ 機器行走系統。有發動機、機身、車輪等組成（圖中省略）。

（2）工作原理

當機器在田間行走時，置于機器上離地面具有一定高度的彩色數碼像機就會掃描一定大小的地面。一般彩色數碼像機可覆蓋2.44m ? 3.05m范圍分辨率可達到0.005m?0.005m。與此同時，高速圖像數據采集卡將彩色數碼像機獲取的信息存入計算機中。然后，由圖像信息處理系統快速地將地面雜草的密度、草葉數量、作物密度以及無植被區域面積等信息提取出來，并由決策支持系統調用這些信息，經過數據處理得到所需的行走速度、藥液流量和霧滴大小等的決策。這些決策被傳輸給藥滴大小控制器以及流量控制器，隨之它們就控制管路中的壓力和PWM脈寬調制變量噴頭。從而實現了精確變量噴藥。這樣一方面減少了藥量、降低了成本，另一方面保護作物、減少對環境的污染。據報道，與傳統的噴撒方法比較，變量噴藥系統在雜草高密區可節約藥液18 %，在雜草低密區可節約藥液17 %。

圖8-5精確變量噴藥系統

8.3數控機床

數控機床是由計算機控制的高效率自動化機床。它綜合應用了電子計算機、自動控制、伺服驅動、精密測量和新型機械結構等多方面的技術成果，是今后機床控制的發展方向。隨著數控技術的迅速發展，數控機床在機械加工中的地位將越來越重要。8.3.1 數控機床的工作原理和組成(1)數控機床的工作原理

數控機床加工零件時，是將被加工零件的工藝過程、工藝參數等用數控語言編制成加工程序，這些程序是數控機床的工作指令。將加工程序輸入到數控裝置，再由數控裝置控制機

21床主運動的變速、起停，進給運動的方向、速度和位移量，以及其它輔助裝置嚴格地按照加工程序規定的順序、軌跡和參數進行工作，從而加工出符合要求的零件。為了提高加工精度，一般還裝有位置檢測反饋回路，這樣就構成了閉環控制系統，其加工過程原理如圖8-6所示。

（2）數控機床的組成從工作原理可以看出，數控機床主要由控制介質、數控裝置、伺服檢測系統和機床本體等四部分組成，其組成框圖如圖8-7所示。

① 控制介質。用于記載各種加工信息（如零件加工的工藝過程、工藝參數和位移數據等），以控制機床的運動，實現零件的機械加工。常用的控制介質有磁帶、磁盤和光盤等。控制介質上記載的加工

信息經輸入裝置輸送

給數控裝置。常用的輸入裝置有磁盤驅動器和光盤驅動器等，對于用微處理機控制的數控機床，也用操作面板上的按鈕和鍵盤將加工程序直接用鍵盤輸入，并在CRT

顯示器顯示。② 數控裝置。數控裝置是數控機床的核心，它的功能是接受輸入裝置輸送給的加工信息，經過數控裝置的系圖8-7 數控機床的組成 統軟件或電路進行譯碼、運算和邏輯處理后，發出相應的脈沖指令送給伺服系統，通過伺服系統控制機床的各個運動部件按規定要求動作。

③ 伺服系統及位置檢測裝置。伺服系統由伺服驅動電機和伺服驅動裝置組成，它是數控系統的執行部分。由機床的執行部件和機械傳動部件組成數控機床的進給系統，它根據數控裝置發來的速度和位移指令控制執行部件的進給速度、方向和位移量。每個進給運動的執行部件都配有一套伺服系統。伺服系統有開環、閉環和半閉環之分，在閉環和半閉環伺服系統中，還需配有位置測量裝置，直接或間接測量執行部件的實際位移量，④ 機床本體及機械部件。數控機床的本體及機械部件包括：主動運動部件、進給運動執行部件（如工作臺、刀架）、傳動部件和床身立柱等支承部件，此外還有冷卻，潤滑、轉位和夾緊等輔助裝置，對于加工中心類的數控機床，還有存放刀具的刀庫，交換刀具的機械手等部件。

8.4計算機集成制造系統

近年來世界各國都在大力開展計算機集成制造系統CIMS（ComputerIntergratedManufacturingSystem）方面的研究工作。CIMS是計算機技術和機械制造業相結合的產物，是機械制造業的一次技術革命。

(1)CIMS的結構

隨著計算機技術的發展，機械工業自動化已逐步從過去的大批量生產方式向高效率、低成本的多品種、小批量自動化生產方式轉變。CIMS就是為了實現機械工廠的全盤自動化和無人化而提出來的。其基本思想就是按系統工程的觀點將整個工廠組成一個系統，用計算機對

2產品的初始構思和設計直至最終的裝配和檢驗的全過程實現管理和控制。對于CIMS，只需輸入所需產品的有關市場及設計的信息和原材料，就可以輸出經過檢驗的合格產品。它是一種以計算機為基礎，將企業全部生產活動的各個環節與各種自動化系統有機地聯系起來，借以獲得最佳經濟效果的生產經營系統。它利用計算機將獨立發展起來的計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、柔性制造系統（FMS），管理信息系統（MIS）以及決策支持系統（DSS）綜合為一個有機的整體，從而實現產品訂貨、設計、制造、管理和銷售過程的自動化。它是一種把工程設計、生產制造、市場分析以及其它支持功能合理地組織起來的計算機集成系統。CIMS是在柔性制造技術、計算機技術、信息技術和系統科學的基礎上，將制造工廠經營活動所需的各種自動化系統有機地集成起來，使其能適應市場變化和多品種、小批量生產要求的高效益、高柔性的智能生產系統。

由此可見，計算機集成制造系統是在新的生產組織原理和概念指導下形成的生產實體，它不僅是現有生產模式的計算機化和自動化，而且是在更高水平上創造的一種新的生產模式。從機械加工自動化及自動化技術本身的發展看，智能化和綜合化是未來的主要特征，也是CIMS最主要的技術特征。智能化體現了自動化深度，即不僅涉及物質流控制的傳統體力勞動自動化，還包括了信息流控制的腦力勞動自動化；而綜合化反映了自動化的廣度，它把系統空間擴展到市場、設計、制造、檢驗、銷售及用戶服務等全部過程。

CIMS系統構成的原則，是按照在制造工廠形成最終產品所必需的功能劃分系統，如設計管理、制造管理等子系統，它們分別處理設計信息與管理信息，各子系統相互協調，并且具有相對的獨立性。因此，從大的結構來講，CIMS系統可看成是由經營決策管理系統、計算機輔助設計與制造系統、柔性制造系統等組成的（圖8-8）。經營決策管理系統完成企業經營管理，如市場分析預測、風險決策、長期發展規劃、生產計劃與調度、企業內部信息流的協調

圖8-8 CIMS主要結構框圖

與控制等；計算機輔助設計系統完成產品及零部件的設計、自動編程、機器人程序設計、工程分析、輸出圖紙和材料清單等；計算機輔助制造系統則完成工藝過程設計、自動編程、機器人程序設計等；柔性制造系統完成物料加工制造的全過程，實現信息流和物料流的統一管理，如將CIMS的系統功能細化，可得到如圖8-9所示的框圖。

（2）CIMS的主要技術關鍵

CIMS是一個復雜的系統，它適用于多品種、中小批量的高效益、高柔性的智能化生產與制造。它是由很多子系統組成的，而這些子系統本身又都是具有相當規模的復雜系統。雖然世界上很多發達國家已投入大量資金和人力研究它，但仍存在不少技術問題有待進一步探索和解決。歸納起來，大致有以下五個方面。

① CIMS系統的結構分析與設計。這是系統集成的理論基礎及工具。如系統結構組織學和多級遞階決策理論、離散事件動態系統理論、建模技術與仿真、系統可靠性理論與容錯控制以及面向目標的系統設計方法等。

3② 支持集成制造系統的分布式數據庫技術及系統應用支撐軟件。其中包括支持CAD／CAPP/CAM集成的數據庫系統，支持分布式多級生產管理調度的數據庫系統，分布式數據系統與實時在線遞階控制系統的綜合與集成。

③ 工業局部網絡與系統。CIMS系統中各子系統的互連是通過工業局部網絡實現的，因此必然要涉及網絡結構優化、網絡通信的協議、網絡的互連與通信、網絡的可靠性與安全性等問題的研究，甚至進一步還可能需要對支持數據、語言、圖像信息傳輸的寬帶通信網絡進行探討。

④ 自動化制造技術與設備。這是實現CIMS的物質技術基礎，其中包括自動化制造設備FMS、自動化物料輸送系統、移動機器人及裝配機器人、自動化倉庫以及在線檢測及質量保障等技術。

⑤ 軟件開發環境。良好的軟件開發環境是系統開發和研究的保證。這里涉及面向用戶的圖形軟件系統、適用于CIMS分析設計的仿真軟件系統、CAD直接檢查軟件系統以及面向制造控制與規劃開發的專家系統。

綜上所述，涉及CIMS的技術關鍵很多，制定和開發計算機集成制造系統是一項重要而艱巨的任務。而對計算機集成制造系統的投資則更是一項長遠的戰略決策。一旦取得突破，CIMS技術必將深刻地影響企業的組織結構，使機械制造工業產生一次巨大飛躍。

圖 8-9CIMS 系統框圖

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第二篇：新機電一體化典型實例

機電一體化系統典型實例

8.4 計算機集成制造系統

近年來世界各國都在大力開展計算機集成制造系統CIMS（ComputerIntergratedManufacturingSystem）方面的研究工作。CIMS是計算機技術和機械制造業相結合的產物，是機械制造業的一次技術革命。

(1)CIMS的結構

隨著計算機技術的發展，機械工業自動化已逐步從過去的大批量生產方式向高效率、低成本的多品種、小批量自動化生產方式轉變。CIMS就是為了實現機械工廠的全盤自動化和無人化而提出來的。其基本思想就是按系統工程的觀點將整個工廠組成一個系統，用計算機對產品的初始構思和設計直至最終的裝配和檢驗的全過程實現管理和控制。對于CIMS，只需輸入所需產品的有關市場及設計的信息和原材料，就可以輸出經過檢驗的合格產品。它是一種以計算機為基礎，將企業全部生產活動的各個環節與各種自動化系統有機地聯系起來，借以獲得最佳經濟效果的生產經營系統。它利用計算機將獨立發展起來的計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、柔性制造系統（FMS），管理信息系統（MIS）以及決策支持系統（DSS）綜合為一個有機的整體，從而實現產品訂貨、設計、制造、管理和銷售過程的自動化。它是一種把工程設計、生產制造、市場分析以及其它支持功能合理地組織起來的計算機集成系統。CIMS是在柔性制造技術、計算機技術、信息技術和系統科學的基礎上，將制造工廠經營活動所需的各種自動化系統有機地集成起來，使其能適應市場變化和多品種、小批量生產要求的高效益、高柔性的智能生產系統。

由此可見，計算機集成制造系統是在新的生產組織原理和概念指導下形成的生產實體，它不僅是現有生產模式的計算機化和自動化，而且是在更高水平上創造的一種新的生產模式。

從機械加工自動化及自動化技術本身的發展看，智能化和綜合化是未來的主要特征，也是CIMS最主要的技術特征。智能化體現了自動化深度，即不僅涉及物質流控制的傳統體力勞動自動化，還包括了信息流控制的腦力勞動自動化；而綜合化反映了自動化的廣度，它把系統空間擴展到市場、設計、制造、檢驗、銷售及用戶服務等全部過程。

CIMS系統構成的原則，是按照在制造工廠形成最終產品所必需的功能劃分系統，如設計管理、制造管理等子系統，它們分別處理設計信息與管理信息，各子系統相互協調，并且具有相對的獨立性。因此，從大的結構來講，CIMS系統可看成是由經營決策管理系統、計算機輔助設計與制造系統、柔性制造系統等組成的（圖8-8）。經營決策管理系統完成企業經營管理，如市場分析預測、風險決策、圖8-8 CIMS主要結構框圖 長期發展規劃、生

產

計劃與調度、企業內部信息流的協調

與控制等；計算機輔助設計系統完成產品及零部件的設計、自動編程、機器人程序設計、工程分析、輸出圖紙和材料清單等；計算機輔助制造系統則完成工藝過程設計、自動編程、機器人程序設計等；柔性制造系統完成物料加工制造的全過程，實現信息流和物料流的統一管理，如將CIMS的系統功能細化，可得到如圖8-9所示的框圖。

（2）CIMS的主要技術關鍵

CIMS是一個復雜的系統，它適用于多品種、中小批量的高效益、高柔性的智能化生產與制造。它是由很多子系統組成的，而這些子系統本身又都是具有相當規模的復雜系統。雖然世界上很多發達國家已投入大量資金和人力研究它，但仍存在不少技術問題有待進一步探索和解決。歸納起來，大致有以下五個方面。

① CIMS系統的結構分析與設計。這是系統集成的理論基礎及工具。如系統結構組織學和多級遞階決策理論、離散事件動態系統理論、建模技術與仿真、系統可靠性理論與容錯控制以及面向目標的系統設計方法等。

② 支持集成制造系統的分布式數據庫技術及系統應用支撐軟件。其中包括支持CAD／CAPP/CAM集成的數據庫系統，支持分布式多級生產管理調度的數據庫系統，分布式數據系統與實時在線遞階控制系統的綜合與集成。

③ 工業局部網絡與系統。CIMS系統中各子系統的互連是通過工業局部網絡實

圖 8-9CIMS 系統框圖

現的，因此必然要涉及網絡結構優化、網絡通信的協議、網絡的互連與通信、網絡的可靠性與安全性等問題的研究，甚至進一步還可能需要對支持數據、語言、圖像信息傳輸的寬帶通信網絡進行探討。

④ 自動化制造技術與設備。這是實現CIMS的物質技術基礎，其中包括自動化制造設備FMS、自動化物料輸送系統、移動機器人及裝配機器人、自動化倉庫以及在線檢測及質量保障等技術。

⑤ 軟件開發環境。良好的軟件開發環境是系統開發和研究的保證。這里涉及面向用戶的圖形軟件系統、適用于CIMS分析設計的仿真軟件系統、CAD直接檢查軟件系統以及面向制造控制與規劃開發的專家系統。

綜上所述，涉及CIMS的技術關鍵很多，制定和開發計算機集成制造系統是一項重要而艱巨的任務。而對計算機集成制造系統的投資則更是一項長遠的戰略決策。一旦取得突破，CIMS技術必將深刻地影響企業的組織結構，使機械制造工業產生一次巨大飛躍。

第三篇：典型的機電一體化產品

第2章典型的機電一體化產品

機電一體化產品分系統(整機)和基礎元、部件兩大類。典型的機電一體化系統有：數控機床、機器人、汽車電子化產品、智能化儀器儀表、電子排版印刷系統、CAD／CAM系統等。典型的機電一體化基礎元、部件有：電力電子器件及裝置、可編程序控制器、模糊控制器、微型電機、傳感器、專用集成電路、伺服機構等。下面，我將針對其中的幾種產品的進一步發展趨勢進行詳細說明。

2.1數控機床

目前我國是全世界機床擁有量最多的國家（近320萬臺），但數控機床只占約5％且大多數是普通數控（發達國家數控機床占10％）。近些年來數控機床為適應加工技術的發展，在以下幾個技術領域都有巨大進步。

1．高速化。由于高速加工技術普及，機床普遍提高了各方面的速度。車床主軸轉速有3000～4000r/min提高到8000～10000r/min；銑床和加工中心主軸轉速由4000～8000r/min提高到12000～40000r/min以上；快速移動速度由過去的10～20m/min提高到48m/min，60m/mni，80m/min，120m/min；在提高速度的同時要求提高運動部件起動的加速度，由過去一般機床的0.5G（重力加速度）提高到1.5G～2G，最高可達15G；直線電機在機床上開始使用，主軸上大量采用內裝式主軸電機。

2．高精度化。數控機床的定位精度已由一般的0.01～0.02mm提高到0.008左右；亞微米級機床達到0.0005mm左右；納米級機床達到0.005～0.01um；最小分辨率為1nm（0.000001mm）的數控系統和機床已問世。

數控中兩軸以上插補技術大大提高，納米級插補使兩軸聯動出的圓弧都可以達到1u的圓度，插補前多程序預讀，大大提高了插補質量，并可進行自動拐角處理等。

3．復合加工，新結構機床大量出現。如5軸5面體復合加工機床，5軸5聯動加工各類異形零件。同時派生出各種新穎的機床結構，包括6軸虛擬軸機床，串并聯絞鏈機床等，采用特殊機械結構，數控的特殊運算方式，特殊編程要求。

4．使用各種高效特殊功能的刀具使數控機床“如虎添翼”。如內冷轉頭由于使高壓冷卻液直接冷卻轉頭切削刃和排除切屑，在轉深孔時大大提高效率。加工剛件切削速度能達1000m/min，加工鋁件能達5000m/min。

5．數控機床的開放性和聯網管理。數控機床的開放性和聯網管理已是使用數控機床的基本要求，它不僅是提高數控機床開動率、生產率的必要手段，而且是企業合理化、最佳化利用這些制造手段的方法。因此，計算機集成制造、網絡制造、異地診斷、虛擬制造、并行工程等等各種新技術都在數控機床基礎上發展起來，這必然成為21世紀制造業發展的一個主要潮流。

第四篇：典型機電一體化系統之機械手

典型機電一體化系統之機械手

機械手技術涉及到力學、機械學、電氣液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。由以下結構：執行機構——驅動-傳動機構——控制系統——智能系統——遠程診斷監控系統，五部分組成。機械手的設計構想是以人的手為基礎，以機械拉來實現人的動作，它的動作由以下四部分來實現：

1、自由度的旋轉

2、肩的前后動作

3、肘的上下動作

4、腕(手)的動作

驅動-傳動機構與執行機構是相輔相成的，在驅動系統中可以分:機械式、電氣式、液壓式和復合式，其中液壓操作力最大。控制系統采用西門子PLC控制。運動形式:動力臂有旋轉(300°)、前后、上下三自由度運動，均由三個液壓伺服系統控制(其中旋轉系統為開環控制，其它兩系統均為具有位置及動壓反饋的閉環系統。)結構圖如下

工業機械手性能概要

工作壓力 130 bar 冷卻系統啟動油溫 40℃，安全閥開啟壓力 210 bar油溫最高許用溫度 60℃，最大輸出流量 87 L/min，電機功率 22 KW，電機轉速 1450 轉/min，負載能力 30~600 Kg，工作頻率 250~300 次/h，最大工作范圍 6~8 m，許用超載 20%<額定負載。

工業機械手的結構是基于模組塊系統上的，模組塊系統適合于提高移動的速度或特殊類型的工作。在設計上考慮維修的簡單性。維修的人員需要具備一定的資格，應能處理一般的機械設備的問題或通常液壓件的安裝。

工業機械手傳輸在末端工具上的力或負載的感覺到操作者的手中(動力反饋)“動力反饋”的意思是在機械手臂末端上的力有一小部分反饋到操作柄。減少比率意味著操作者必須用2公斤的力才能將工具額定的負載舉起。對于動力反饋，操作者有機會感覺在方位、肩部和肘部的軸的負載改變的不同情況(慣性和加速度)。通過提供額外的力，操作者可以優先確定使用的力和搬運的路徑，目的是為了獲得一個快慢速。

（1）動力臂的機械構造

動力臂由上臂和一個較底臂(下臂)連接組成，它建立一個圍繞垂直軸旋轉的支撐上。在垂直面的運動是圍繞水平軸(稱之為肩軸)的上臂運動和圍繞第二個水平軸(稱之為肘軸)下臂的旋轉運動疊加而獲得的。上臂的運動是通過液壓缸直接控制，下臂的運動是由液壓缸通過一個可以圍繞肩軸旋轉并且通過一個傳送橫梁來控制。方位角的運動是通過一個安裝支撐面上的液壓馬達進行控制的，馬達通過與基礎板連接的差動器的側傘齒輪上的小齒輪來帶動。通過橫梁和和肘部零件的連接保持最終配置部件的位置恒定不便。這樣上臂和下臂的運動各自具有獨立的方向。

（2）控制和伺服系統

操縱臂包含通過三個控制電路操控動力臂所有元件。操縱柄包含所有控制配置裝置上工作頭的功能操控裝置。

（3）旋轉元件

通過電磁閥的操作，可以啟動配置部件及末端工具的移動，若電磁閥未啟動，他們應處在停止位置，而電磁閥是由操作柄上的電按鈕控制的，這些按鈕的操作應按照相應的說明書。這些電磁閥裝在動力臂的下臂上。與電磁閥裝在一起的還有溢流閥和節流閥。節流閥（流量控制器）可以控制移動速度恒定，溢流閥（壓力閥）則可以消除壓力高峰，并限制機械手過載。

（4）速度控制系統

該系統用于控制機械手方位角的移動（旋轉），在一些應用中也用于末端工具的移動。

控制信號是由操縱臂的轉動帶動電位計產生，電位計兩端電壓為±15V。電位計輸出的電壓輸入控制電路板轉換成相似電流（xmA）輸給電液伺服閥，電液伺服閥控制液壓馬達帶動機械手產生方向角轉移，控制電壓的極性決定移動的方向。當需要緊急停止時，可以通過電磁換向閥關閉馬達，當出現過載時，由溢流閥調節系統壓力保持油壓不會過高（同時可以通過電磁換向閥關閉系統），節流閥并接在馬達的進出油口之間，它可以調節馬達的轉速。

該系統沒有反饋裝置，是一個開環控制系統，所以機械手是否移動到預期的位置，取決于操作者的觀察和協調一致的操作。

（5）位置控制系統

動力臂的運動由閉環控制系統控制，它的移動總是和操作者擺動操縱臂的位移成比例。

操作臂上的電位計隨該臂的移動給出一個控制電壓，同時動力臂的移動帶動反饋電位計產生一個極性相反與位移成比例的反饋電壓，兩者同時輸入電子控制器進行比較產生偏差電壓，經過電子控制器的轉換，輸出一相應的電流信號給電液伺服閥，從而操控動力臂移動到操控所要求的位置，若偏差信號為“0”，于是動力臂將停止在這個位置。

該系統并裝有壓力傳感器，它將負載信號輸送到電子控制器，起到動壓反饋的作用，它將改善系統的動態特性（如：穩定性等）負載反傳系統（原名：動力反饋系統）

工業機械手，為了給操作者在操作過程中能有負載變化的感覺，設置了將機械手傳輸在末端工具上的力或負載成比例地傳到操作者手中的裝置。它使操作者必須使用兩公斤的力才能將工具額定的負載舉起，可以讓操作者有機會感覺在方位、肩部和肘部的軸的負載改變的不同情況（慣性和加速度），通過操作力的改變，操作者可以正確的確定使用的力和搬運的路徑，目的是為了獲得一個快速和最佳的工作周期。

（6）總的操作方法

該機械手采用液壓變量伺服系統和液壓傳動系統進行操控。

高壓油由一臺恒壓軸向柱塞泵輸出，該泵通過一個過濾精度為25μm(微米)的吸濾器從油箱中吸油，通過一個過濾精度為3~5μm的高壓油濾將高壓油輸送到系統中，額定工作壓力為130bar，油壓的額定值由泵的調節機構保證，故不會超過。

在高壓輸出管路上并聯，裝有一臺20L的蓄能器，它可以消除系統的壓力波動，在需要大流量時它可以輸出部分流量，當系統需要較小時，它可以吸收部分多余的流量，故而可以起到穩定系統壓力的作用。在蓄能器與泵之間裝有單向閥以阻止油泵停止工作時高壓油回流到油泵，同時裝有壓力表，可以指示系統壓力值。

如果系統壓力超過80bar時，壓力開關（開關2）將控制僅允許動力臂移動，當油泵停止工作時，將打開一臺電磁換向閥，將蓄能器的存油放回到油箱。

需要補充說明一點，方位系統中裝有限位開關SW3和SW4，他們的作用是將方位角的移動控制在300°的范圍內。限位開關裝有機械手的移動部分，由裝在末端部分置于基座上的凸輪開動它們，第一限位開關（SW3）將方位運動速度降低，第二限位開關（SW4）將機械手的動作停止。當靠近末端位置并且兩個限位開關都開動時速動仍然非常高時，這就要完全切斷電路和油路，讓動力臂停止在瞬間位置上。

要重新開動機械手時，必須按住位于操作柄上較低位置上的按鈕(7)，它應一直被按著，直到動力臂重新達到工作區。

機械手的控制原理 1.機械手的控制原理

下圖所示為一簡易物品搬運機械手的動作示意圖，該機械手是一個水平|垂直位移的機械設備，用來將工件由左工作臺搬運到右工作臺，當機械手處于原點時，左限開關位和上限位開關被壓合，啟動以后，機械手沿—Z方向向A點（工步1），夾緊工件然后回到原位（工步2），在沿X方向移向B點，放下工件（工步3），最后回到原位（工步4）完成一次動作循環，對上述動作過程，若采用常規的繼電器控制，則很難識別以下兩種情況下所出現的問題：一是機械手向下移動時，不能識別A點，還是向B點移動；二是在2、3工步，是先回到原點，然后向右，還是直接由A點向右位移到B點。而采用PLC的步進功能來實現對這一動作過程進行控制，不僅能有效的避免上述動作的二義性，而且是整個控制過程準確、直觀。

（動作示意圖）

2運動控制方式

其運動控制方式為：(1)由伺服電機驅動氣控機械手(有光電傳感器確定起始0點)；(2)由步進電機驅動絲杠組件使機械手沿X、Y軸移動(有x、y軸限位開關)；(3)基座主要支撐以上2部分；(4)機械手的全部動作由氣缸驅動，而氣缸則有相應的電磁閥控制。其中，上升、下降和左移、右移分別由雙線圈而為電磁閥控制，例如當下將電磁閥通電時，機械手下降；當下將電磁閥斷電時，機械手下降停止，只有當上升電磁閥通電時，機械手才上升；當上升電磁閥斷電時，機械手上升停止。同樣，左移、右移分別由左移電磁閥和右移電磁閥控制。機械手的放松夾緊有一個單線圈二位電磁閥（稱為夾緊電磁閥）控制。當該線圈通電時，機械手夾緊，該線圈斷電時，機械手放松。當機械手右移到位并準備下降時，為了確保安全，必須在右工作臺上無工作時才允許機械手下降也就是說，若上一次搬運到右工作臺上的工件尚未搬運走，機械手應自動停止下降。

其工作過程為：當貨物到達時，機械手系統開始動作；步進電機控制開始向下運動，同時另一路步進電機控制橫軸開始向前運動；伺服電機驅動機械手旋轉到達正好抓取貨物的方位處，然后充氣，機械手夾住貨物。步進電機驅動縱軸上升，另一個步進電機驅動橫軸開始向前走；直流電機轉動使機械手整體運動，轉到貨物接收處；步進電機再次驅動縱軸下降，到達指定位置后，氣閥放氣，機械手松開貨物；系統回位準備下一次動作。

（機械手動作過程分解圖）

從原點開始，按下啟動按鈕時，下降電磁閥通電，機械手下降。下降到底時，碰到下限開關，下降電磁閥斷電，機械手下降停止；同時接通夾緊電磁閥，機械手夾緊。夾緊后上升電磁閥通電，機械手上升。上升到頂時，碰到上升限位開關，上升電磁閥斷電，上升停止；同時接通右移電磁閥機械手右移。右移到位時碰到右限位開關，右移電磁閥斷電，機械手右移停止。若此時工作臺上無工件則，則光電開關接通，下降電磁閥通電，機械手下降，下降到底時，碰到下限位開關，下降電磁閥斷電，機械手下降停止；同時加緊電磁閥斷電；機械手放松，放松后，上升電磁閥通電，機械手上升上升到頂時，碰到上限為開關，上升電磁閥斷電，上升停止，同時接通左移電磁閥，機械手左移，左移到原點時，碰到左限位開關，左移停止，一次動作結束。我們還可以根據動作分解圖和控制將機械手的操作分為：手動操作、單步操作、單周期操作和連續操作。手動操作：就是用按鈕操作對機械手的每一種動作單獨進行控制，例如，當選擇上下動作時，按下啟動按鈕，機械手上升：按下停止按鈕，機械手下降，當選擇左右運動時，按下啟動按鈕，機械手左移；按下停止按鈕時，機械手右移。當選擇加緊放松運動時，按下啟動按鈕，機械手夾緊：按下機械手停止按鈕，機械手放松。

單步操作：每按一次啟動按鈕，機械手完成一步動作后自動停止。單周期操作：機械手從原點開始，按一下啟動按鈕，機械手將自動完成一個周期的動作，然后停止在原起始點位置。

連續操作：機械手從原點開始，按一下啟動按鈕，機械手的動作將自動的、連續不斷地周期性循環。

在工作中若按一下停止按鈕，機械手動作停止，重新啟動時，需用手動操作方式將機械手移回原點，然后按一下啟動按鈕，機械手又重新開始連續操作。在工作中若按一下復位按鈕，則機械手將繼續完成一個周期的動作后，回到原點，自動停止。

第五篇：機電一體化

只要你學會了機電一體化的所有課程已經很不錯了，機電一體化課程畫法幾何與機械制圖、工程力學、電工電子技術、機械設計基礎、液壓傳動、金屬材料與金屬工藝學、微機原理與接口技術、C語言程序設計、自動控制原理、機床電氣控制、機電一體化系統設計、數控系統及應用、可編程器原理及應用、計算機輔助設計與制造等，你是學習上面這些內容嗎？如果是的話，就可以找機電廠，電廠，電氣控制設備廠，或普通工廠的機電維修等工作，在工作中，就學點電氣自動化的知識，這樣深化你的機電一體化的知識。只要你認真領會了機電一體化化的實踐知識，去到那里都會很容易找到工作的。因為現在的社會都是機電自動化的社會了。現在中型的小工廠都會用得上 機電一體化，只要有控制機械的工廠都可以去實踐學習。剛開始就是不求工資的高低，只要在實踐中深化自己，有了第一次的就業經驗，第二次就也就會很容易了，因為招聘的人一般都會問你第一次在那里工作。工作的情況，經驗的，你就要好好展示你的才華了。

管理員也可以呀，專門搞畫法幾何與機械制圖、工程力學，C語言程序設計等工作，專門專業是很不錯的，將來社會所有工廠都會陸續進行改造為機電一體化控制。前景無限呀。

至今機電一體化發展已成為一門有著自身體系的新型學科,隨著科學技術的不但發展,還將被賦予新的內容。對機電一體化技術的基本與成長進行了簡要介紹,并闡述了機電一體化的發展進程及未來的發展趨勢。機電一體化是現代技術的必然結果,機電一體化技術是現代科技發展的核心技術,機電一體化專業人才也是現代社會不可或缺的核心人才。現從機電一體化技術的發展、現狀、前景等方面談機電一體化技術以及培養適應現代社會工業發展需要機電一體化專業高職人才的必要性。機電一體化是我國制造業發展的重要基礎專業之一.但我國目前這個專業高層次人才奇缺,高精尖方向大部分都被國外控制.因此,如果想在這個方面發展,如果有碩士研究生學歷,并有實踐經驗,甚至是博士研究生,那么前途無量的.機電一體化的未來發展趨勢探析

【論文關鍵詞】：光機電一體化；技術特征；發展

【論文摘要】：介紹了光機電一體化技術特征，研究了國內外技術現狀和發展趨勢，指出了未來發展前景和一些重要技術熱點。

近些年來，光機電一體化技術得到迅猛發展，在民用工業和軍事領域得到廣泛地應用。因此，光機電一體化技術成為當今機械工業技術發展的一個主要趨勢。

1.光機電一體化技術特征

光機電一體化系統主要由動力、機構、執行器、計算機和傳感器五個部分組成，相互構成一個功能完善的柔性自動化系統。其中計算機軟硬件和傳感器是光機電一體化技術的重要組成要素。與傳統的機械產品比較，光機電一體化產品具有以下技術特征。

1.1 體積小，重量輕，適應性強，操作更方便

光機電一體化技術使得操作人員擺脫了以往必須按規定操作程序或節后頻繁緊張地進行單調重復操作的工作方式，可以靈活方便地按需控制和改變生產操作程序，任何一臺光機電一體化裝置的動作，可由預設的程序一步一步控制實現，甚至實現操作全自動化和智能化。

1.2 功能增加，精度大幅提高

光機電一體化系統包括以激光、電腦等現代技術集成開發的自動化、智能化機構設備、儀器儀表和元器件。電子技術的采用使得包饋控制 水平提高，運算速度加快，通過電子自動控制系統可精確按預設動作，其自行診斷、校正、補償功能可減少誤差，達到靠單純機械方式所不能實現的工作精度。同時，由于機械傳動部件減少，機械磨損及配合間隙等引起的誤差也大大減小。

1.3 部分硬件實現軟件化，智能化程度提高

傳統機械設備一般不具有自維修或自診斷功能。光機電一體化技術使得電子裝置能按照人的意圖進行自動控制、自動檢測、信息采集及處理、調節、修正、補償、自診斷、自動保護直至自動記錄、顯示、打印工作結果。通過改變程序，指令等軟件內容而無需改動硬件部分就可變換產品的功能，使機械控制功能內容的確定和變化趨勢向“軟件化”和“智能化”。

1.4 產品可靠性得到提高，使用壽命增長

傳統的機械裝置的運動部分，一般都伴隨著磨損及運動部件配合間隙所引起的動作誤差，導致可動摩擦、撞擊、振動等加重，嚴格影響裝置壽命、穩定性和可靠性。而光機電一體化技術的應用，使裝置的可動部件減少，磨損也大為減少，像集成化接近開關甚至無可動部件、無機械磨損。因此，裝置的壽命提高，故障率降低，從而提高了產品的可靠性和穩定性。

1.5 融合了多種學科新技術，衍生出許多功能更強、性能更好的新產品

光機電一體化產品的研究開發涉及到許多學科和專業知識，包括數學、物理學、化學、聲學、機械工程學、電力電子學、電工學、系統工程學、光學、控制論、信息論和計算機科學等。例如人們很熟悉的靜電復印機、彩色印像機等，就是一種由機、電、光、磁、化學等多種學科和技術復合創新的新型產品。光機電一體化技術將光電子技術、傳感器技術、控制技術與機械技術各自的優勢結合起來，衍生出許多功能更強、性能更好的新一代技術裝備。

1.6 產品系統性增強，各部分系統間協調性要求提高

光機電一體化是一門學科的邊緣科學技術，多種技術的綜合及多個部分的組合，使得光機電一體化技術及產品更具有系統性、完整性和科學性。其各個組成部分在綜合成一個完整的系統中相互配合有嚴格的要求，這就要求各種技術揚長避短，提高系統協調性。

2.研究現狀和發展趨勢

2.1研究現狀

自從我國實行改革開放以來，科技領域急起直追，我國的光機電一體化技術已取得明顯的成效，數控產品有了很大的提高，尤其是經濟型靈敏數控裝置發展很快，是我國特有的經濟實用產品，不但適用國內市場的需要，部分產品還隨主機配套出口。國內的機械產品采用可編程控制器（PC）和微電子技術控制設備也越來越多，覆蓋面也日益擴大，從紡織機械、軸承加工設備、機床、注塑機到橡膠輪胎成型機、重型機械、輕工業機械都是如此，我國自行研制和生產的光機電設備，在質量上也有重大突破，為今后的推廣應用打下了良好的基礎。

2.2 發展趨勢

光機電一體化技術已經滲透到各個學科、領域，成為一種新興的學科，并逐漸成為一種產業，而這些產業作為新的經濟增長點越來越受到高度重視。

從世界科學技術的發展情況來看，光機電一體化技術的未來技術熱點主要包括：

（1）激光技術

1）高單色性，利用激光高單色性作精密測量時，可極大地提高測量精度和量程。

2）高方向性，因具有很遠距離傳輸光能和傳輸控制指令的能力，從而可以進行遠距離激光通信、激光測距、激光雷達、激光導航以及遙控。

3）高亮度性，利用激光的高亮度特性，中等亮度激光束在焦點附近可產生幾千到幾萬度的高溫，可使照射點物體熔化或汽化，對各種各樣材料和產品進行特種加工。

4）相干性，由于激光速頻率單

一、相位方向相同。適用于激光通信、全息照相、激光印刷以及光學計算機的研制，而在實際運用中也會通過一些激光技術改變激光輻射的特性，應用范圍更廣。

（2）傳感檢測技術

1）激光準直，能夠測量平直度、平面度、平行度、垂直度，也可以做三維空間的基準測量。

2）激光測距，其探測距離遠，測距精度高，抗干擾性強，體積小，重量輕，但受天然影響大。

3）光纖探測器，在目標很小，間隔受限或危險的環境中，最常選用的是光纖探測器。

其他還有激光打孔、刻槽=標記、光化學沉積等加工技術。

（3）激光快速成型技術

激光快速成型是利用計算機將復雜的三維物體轉化為二維層，將熱塑性塑料粉末或膠粘襯底片材紙張燒結，由點、線構造零件的面（層），然后逐層成型。激光快速成型技術可使新產品及早投放市場，極大地提高了汽車生產企業對市場的適應能力和產品的競爭能力。

（4）光能驅動技術

利用光致變形材料可制作光致動器和光機器人。現已研制成功一種光致動器，其工作原理是將光照在形狀記憶合金上，反復地通、斷使材料伸縮，再利用感溫磁性體的溫度特性，將材料末端吸附在襯底上。利用材料本身的伸縮和端部的吸附特性，加上光的通斷便能實現所要求的動作。實驗驗證，該致動器能可在頂面步行。這種狀態目標處于初級階段，如果能發現具有優異光作用特性的動態物質，則可使光能驅動技術廣泛應用。

3.結語

技術上的改革和與之相配套的技術支持是創新技術的基礎。開發光機電一體化產品有不同的層次和靈活的自由度。在機械技術中恰當地引入電子技術，產品的面貌和行業的面貌就可以迅速發生巨大變化。產品一旦實現光機電一體化，便具有很高的功能水平和附加價值，將給開發生產者和用戶帶來巨大的社會經濟效益。

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