第一篇：機電一體化中的電機控制與保護

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機電一體化中的電機控制與保護

摘 要

依據(jù)機電一體化技術的發(fā)展前景，提出一種新型電動執(zhí)行機構的設計方案，詳細介紹了該執(zhí)行機構各功能元件的選型與設計、閥位及速度控制原理以及各種關鍵問題的解決方法。該執(zhí)行機構將閥門、伺服電機、控制器合為一體，采用8031單片機、變頻技術實現(xiàn)了閥門的動作速度和位臵控制，解決了閥門的精確定位、閥門柔性開關、極限位臵判斷、電機保護及模擬信號隔離等技術問題?，F(xiàn)場運行情況表明，該電動執(zhí)行機構具有動作快、保護完善以及便于和計算機通訊等優(yōu)點，充分利用了機電一體化技術帶來的方便快捷。

關鍵詞：電動機閥門 繼電器保護 機電一體化技術總結

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目 錄

內 容 摘 要..........................................1 引 言.................................................3 四川職業(yè)技術學院成都校區(qū)畢業(yè)（論文）設計

引 言

在現(xiàn)代化生產過程控制中，執(zhí)行機構起著十分重要的作用，它是自動控制系統(tǒng)中不可缺少的組成部分?，F(xiàn)有的國產大流量電動執(zhí)行機構存在著控制手段落后、機械傳動機構多、結構復雜、定位精度低、可靠性差等問題。而且執(zhí)行機構的全程運行速度取決于其電機的輸出軸轉速和其內部減速齒輪的減速比，一旦出廠，這一速度固定不可調整，其通用性較弱。整個機構缺乏完善的保護和故障診斷措施以及必要的通信手段，系統(tǒng)的安全性較差，不便與計算機聯(lián)網。鑒于以上原因，采用傳統(tǒng)的大流量電動執(zhí)行機構的控制系統(tǒng)，可靠性和穩(wěn)定性較差。隨著計算機網絡、現(xiàn)場總線等技術在工業(yè)過程中的應用，這種執(zhí)行機構已遠遠不能滿足工業(yè)生產的要求。筆者設計的大流量電動執(zhí)行機構，采用機電一體化技術，將閥門、伺服電機、控制器合為一體，利用異步電動機直接驅動閥門的開與關。通過內臵變頻器，采用模糊神經網絡，實現(xiàn)閥門的動作速度、精確定位、柔性開關以及電機轉矩等控制。該電動執(zhí)行機構省去了用于控制電機正、反轉的接觸器和可控硅換向開關模件、機械傳動裝臵和復雜、昂貴的控制柜和配電柜，具有動作快、保護較完善、便于和計算機聯(lián)網等優(yōu)點。實際運行表明，該執(zhí)行機構工作穩(wěn)定，性能可靠。自電子技術一問世,電子技術和機械技術的結合就開始了,只是出現(xiàn)了半導體集成電路,尤其是出現(xiàn)了以微處理器為代表的大規(guī)模集成電路以后,“機電一體化”技術之后有了明顯進展,引起了人們的廣泛注重..四川職業(yè)技術學院成都校區(qū)畢業(yè)（論文）設計

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研制具有集減速、變頻調速電機一體的動力驅動單元；具有視覺、圖像處理、識別和測距等功能的電機一體控制單元等。這樣，在產品開發(fā)設計時，可以利用這些標準模塊化單元迅速開發(fā)出新的產品。4 網絡化

由于網絡的普及，基于網絡的各種遠程控制和監(jiān)視技術方興未艾。而遠程控制的終端設備本身就是機電一體化產品，現(xiàn)場總線和局域網技術使家用電器網絡化成為可能，利用家庭網絡把各種家用電器連接成以計算機為中心的計算機集成家用電器系統(tǒng)，使人們在家里可充分享受各種高技術帶來的好處，因此，機電一體化產品無疑應朝網絡化方向發(fā)展。5 人性化

機電一體化產品的最終使用對象是人，如何給機電一體化產品賦予人的智能、情感和人性顯得愈來愈重要，機電一體化產品除了完善的性能外，還要求在色彩、造型等方面與環(huán)境相協(xié)調，使用這些產品，對人來說還是一種藝術享受，如家用機器人的最高境界就是人機一體化。6 微型化

微型化是精細加工技術發(fā)展的必然，也是提高效率的需要。微機電系統(tǒng)(Micro Electronic Mechanical Systems，簡稱MEMS)是指可批量制作的，集微型機構、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路，直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。自1986年美國斯坦福大學研制出 四川職業(yè)技術學院成都校區(qū)畢業(yè)（論文）設計

然后再通過軟、硬件將各個層次有機地聯(lián)系起來，使其性能最優(yōu)、功能最強。8 帶源化

是指機電一體化產品自身帶有能源，如太陽能電池、燃料電池和大容量電池。由于在許多場合無法使用電能，因而對于運動的機電一體化產品，自帶動力源具有獨特的好處。帶源化是機電一體化產品的發(fā)展方向之一。9 綠色化

科學技術的發(fā)展給人們的生活帶來巨大變化，在物質豐富的同時也帶來資源減少、生態(tài)環(huán)境惡化的后果。所以，人們呼喚保護環(huán)境，回歸自然，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，綠色產品概念在這種呼聲中應運而生。綠色產品是指低能耗、低材耗、低污染、舒適、協(xié)調而可再生利用的產品。在其設計、制造、使用和銷毀時應符合環(huán)保和人類健康的要求，機電一體化產品的綠色化主要是指在其使用時不污染生態(tài)環(huán)境，產品壽命結束時，產品可分解和再生利用。

10.光機電一體化.一般的機電一體化系統(tǒng)是由傳感系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、機械結構等部件組成的.因此,引進光學技術,實現(xiàn)光學技術的先天優(yōu)點是能有效地改進機電一體化系統(tǒng)的傳感系統(tǒng)、能源(動力)系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng).光機電一體化是機電產品發(fā)展的重要趨向.11.自律分配系統(tǒng)化——柔性化.未來的機電一體化產品,控制和執(zhí)行系統(tǒng)有足夠的“冗余度”，有較強的“柔性”，能較好地應付突發(fā)事件，被設計成“自律分配系統(tǒng)”。在自律分配系統(tǒng)中，各個子系統(tǒng)是相互獨立工作的，子系統(tǒng)為總系統(tǒng)服務，同時具有本身的“自律性”，可根據(jù)不同的環(huán)境條件作出不同反應。其特征是子系統(tǒng)可產生本身的信息并附加所給信息，在總的前提下，具體“行動”是可以改變的。這樣，既明顯地增加了系統(tǒng)的適應能力(柔性)，又不因某一子系統(tǒng)的故障而影響整個系統(tǒng)。12.全息系統(tǒng)化——智能化。

今后的機電一體化產品“全息”特征越來越明顯，智能化水平越來越高。這主要收益于模糊技術、信息技術(尤其是軟件及芯片技術)的發(fā)展。除此之外，其系統(tǒng)的層次結構，也變簡單的“從上到下”的形勢而為復雜的、有較多冗余度的雙向聯(lián)系。

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13.“生物一軟件”化—仿生物系統(tǒng)化。

今后的機電一體化裝臵對信息的依靠性很大，并且往往在結構上是處于“靜態(tài)”時不穩(wěn)定，但在動態(tài)(工作)時卻是穩(wěn)定的。這有點類似于活的生物摘要：當控制系統(tǒng)(大腦)停止工作時，生物便“死亡”，而當控制系統(tǒng)(大腦)工作時，生物就很有活力。仿生學探究領域中已發(fā)現(xiàn)的一些生物體優(yōu)良的機構可為機電一體化產品提供新型機體，但如何使這些新型機體具有活的“生命”還有待于深入探究。這一探究領域稱為“生物——軟件”或“生物系統(tǒng)”，而生物的特征是硬 件(肌體)——軟件(大腦)一體，不可分割?？磥?，機電一體化產品雖然有向生物系統(tǒng)化發(fā)展趨，但有一段漫長的道路要走。14.微型機電化——微型化。

目前，利用半導體器件制造過程中的蝕刻技術，在實驗室中已制造出亞微米級的機械元件。當將這一成果用于實際產品時，就沒有必要區(qū)分機械部分和控制器了。屆時機械和電子完全可以“融合”，機體、執(zhí)行機構、傳感器、CPU等可集成在一起，體積很小，并組成一種自律元件。這種微型機械學是機電一體化的重要發(fā)展方向。

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2.1 系統(tǒng)工作原理

霍爾電流、電壓傳感器及位臵傳感器檢測到的逆變模塊三相輸出電流、電壓及閥門的位臵信號，經A/D轉換后送入單片機。單片機通過8255控制PWM波發(fā)生器，產生的PWM波經光電耦合作用于逆變模塊IPM，實現(xiàn)電機的變頻調速以及閥位控制。逆變模塊工作時所需要的直流電壓信號由整流電路對380V電源進行全橋整流得到。

2.2 控制系統(tǒng)各功能元件的選型與設計

1)單片機 選用INTEL公司生產的8031單片機，它主要通過并行8255口擔負控制系統(tǒng)的信號處理：接收系統(tǒng)對轉矩、閥門開啟、關閉及閥門開度等設定信號，并提供三相PWM波發(fā)生器所需要的控制信號；處理IPM發(fā)出的故障信號和報警信號；處理通過模擬輸入口接收的電流、電壓、位臵等檢測信號；提供顯示電動執(zhí)行機構的工作狀態(tài)信號；執(zhí)行控制系統(tǒng)來的控制信號，向控制系統(tǒng)反饋信號；

2)三相PWM波發(fā)生器 PWM波的產生通常有模擬和數(shù)字兩種方法。模擬法電路復雜，有溫漂現(xiàn)象，精度低，限制了系統(tǒng)的性能；數(shù)字法是按照不同的數(shù)字模型用計算機算出各切換點，并存入內存，然后通過查表及必要的計算產生PWM波，這

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種方法占用的內存較大，不能保證系統(tǒng)的精度。為了滿足智能功率模塊所需要的PWM波控制信號，保證微處理器有足夠的時間進行整個系統(tǒng)的檢測、保護、控制等功能，文中選用MITEL公司生產的SA8282作為三相PWM發(fā)生器。SA8282是專用大規(guī)模集成電路，具有獨立的標準微處理器接口，芯片內部包含了波形、頻率、幅值等控制信息。

3)智能逆變模塊IPM 為了滿足執(zhí)行機構體積小，可靠性高的要求，電機電源采用智能功率模塊IPM。該執(zhí)行機構主要適用功率小于5．5kW的三相異步電機，其額定電壓為380V，功率因數(shù)為0．75。經計算可知，選用日本產的智能功率模塊PM50RSA120可以滿足系統(tǒng)要求。該功率模塊集功率開關和驅動電路、制動電路于一體，并內臵過電流、短路、欠電壓和過熱保護以及報警輸出，是一種高性能的功率開關器件。

4)位臵檢測電路 位臵檢測電路是執(zhí)行機構的重要組成部分，它的功能是提供準確的位臵信號。關鍵問題是位臵傳感器的選型。在傳統(tǒng)的電動執(zhí)行機構中多采用繞線電位器、差動變壓器、導電塑料電位器等。繞線電位器壽命短被淘汰。差動變壓器由于線性區(qū)太短和溫度特性不理想而受到限制。導電塑料電位器目前較為流行，但它是有觸點的，壽命也不可能很長，精度也不高。筆者采用的位臵傳感器為脈沖數(shù)字式傳感器，這種傳感器是無觸點的，且具有精度高、無線性區(qū)限制、穩(wěn)定性高、無溫度限制等特點。

5)電壓、電流及檢測 檢測電壓、電流主要是為了計算電機的力矩，以及變頻器輸出回路短路、斷相保護和逆變模塊故障診斷。由于變頻器輸出的電流和電壓的頻率范圍為0～50Hz，采用常規(guī)的電流、電壓互感器無法滿足要求。為了快速反映出電流的大小，采用霍爾型電流互感器檢測IPM輸出的三相電流，對于IPM輸出電壓的檢測采用分壓電路。如圖2-2所示。

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6)通訊接口 為了實現(xiàn)計算機聯(lián)網和遠程控制，選用MAX232作為系統(tǒng)的串行通訊接口，MAX232內部有兩個完全相同的電平轉換電路，可以把8031串行口輸出的TTL電平轉換為RS－232標準電平，把其它微機送來的RS－232標準電平轉換成TTL電平給8031，實現(xiàn)單片機與其它微機間的通訊。

7)時鐘電路 時鐘電路主要用來提供采樣與控制周期、速度計算時所需要的時間以及日歷。文中選用時鐘電路DS12887。DS12887內部有114字節(jié)的用戶非易失性RAM，可用來存入需長期保存的數(shù)據(jù)。

8)液晶顯示單元 為了實現(xiàn)人機對話功能，選用MGLS12832液晶顯示模塊組成顯示電路。采用組態(tài)顯示方式。通過菜單選擇，可分別對閥門、力矩、限位、電機、通訊和參數(shù)等信號進行設臵或調試。并采用文字和圖形相結合的方式，顯示直觀、清晰。

9)程序出格自恢復電路 為了保證在強干擾下程序出格時系統(tǒng)能夠自動地恢復正常，選用MAX705組成程序出格自恢復電路，監(jiān)視程序運行。如圖2-3所示，該電路由MAX705、與非門及微分電路組成。

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工作原理為：一旦程序出格，WDO由高變低，由于微分電路的作用，由“與非”門輸入引腳2變?yōu)楦唠娖剑_2電平的這種變化使“與非”門輸出一個正脈沖，使單片機產生一次復位，復位結束后，又由程序通過P1．0口向MAX705的WDI引腳發(fā)正脈沖，使WDO引腳回到高電平，程序出格自恢復電路繼續(xù)監(jiān)視程序運行。

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執(zhí)行機構各階段運行速度的計算原理

圖3-2為執(zhí)行機構的典型運行速度圖，它由若干段變化速率不同的折線組成。將曲線上速率開始發(fā)生改變的那一點稱為起始段點，相應的時間稱為段起始時間，如圖3-2中的t(i)(i＝0，1，2，……)，相應的速度稱為段起始速度，如圖3-2所示vi)(i＝0，1，2，…)。

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化的大流量電動執(zhí)行機構根據(jù)當前位臵與給定位臵的差值以及運行速度的大小超前確定減速點的位臵及減速段變化速率ki，使閥門在較低的速度下實現(xiàn)精確的微調和定位，從而將超程降到最低。

5)模擬信號的隔離。

對于變頻器的直流電壓以及輸出的三相電壓，它們之間的地址不一致，存在著較高的共模電壓，為了保證系統(tǒng)的安全性，必須將它們彼此相互隔離。采用LM358和4N25組成了隔離線性放大電路。如圖4-1所示，采用±15V和±12V兩組獨立的正負電源。若運放A的反相端電位由于擾動而正向偏離虛地，則運放A輸出端的電位將降低，因而光電耦合器的發(fā)光強度將增強，則使其集射極電壓減小，最后使運放A反相端的電位降低，回到正常狀態(tài)。若A的反相端電位負向偏離虛地，也可以重回到正常狀態(tài)。從而增強了系統(tǒng)的抗干擾性。

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術隊伍從無到有，在大約10年的時間里走過了先進國家半個世紀走過的道路。50年代，我國工程技術人員創(chuàng)造性地吸收、消化、掌握了國外先進的繼電保護設備性能和運行技術［1］，建成了一支具有深厚繼電保護理論造詣和豐富運行經驗的繼電保護技術隊伍，對全國繼電保護技術隊伍的建立和成長起了指導作用。阿城繼電器廠引進消化了當時國外先進的繼電器制造技術，建立了我國自己的繼電器制造業(yè)。因而在60年代中我國已建成了繼電保護研究、設計、制造、運行和教學的完整體系。這是機電式繼電保護繁榮的時代，為我國繼電保護技術的發(fā)展奠定了堅實基礎。

自50年代末，晶體管繼電保護已在開始研究。60年代中到80年代中是晶體管繼電保護蓬勃發(fā)展和廣泛采用的時代。其中天津大學與南京電力自動化設備廠合作研究的500kV晶體管方向高頻保護和南京電力自動化研究院研制的晶體管高頻閉鎖距離保護，運行于葛洲壩500 kV線路上［2］，結束了500kV線路保護完全依靠從國外進口的時代。

在此期間，從70年代中，基于集成運算放大器的集成電路保護已開始研究。到80年代末集成電路保護已形成完整系列，逐漸取代晶體管保護。到90年代初集成電路保護的研制、生產、應用仍處于主導地位，這是集成電路保護時代。在這方面南京電力自動化研究院研制的集成電路工頻變化量方向高頻保護起了重要作用［3］，天津大學與南京電力自動化設備廠合作研制的集成電路相電壓補償式方向高頻保護也在多條220kV和500kV線路上運行。

我國從70年代末即已開始了計算機繼電保護的研究［4］，高等院校和科研院所起著先導的作用。華中理工大學、東南大學、華北電力學院、西安交通大學、天津大學、上海交通大學、重慶大學和南京電力自動化研究院都相繼研制了不同原理、不同型式的微機保護裝臵。1984年原華北電力學院研制的輸電線路微機保護裝臵首先通過鑒定，并在系統(tǒng)中獲得應用［5］，揭開了我國繼電保護發(fā)展史上新的一頁，為微機保護的推廣開辟了道路。在主設備保護方面，東南大學和華中理工大學研制的發(fā)電機失磁保護、發(fā)電機保護和發(fā)電機?變壓器組保護也相繼于1989、1994年通過鑒定，投入運行。南京電力自動化研究院研制的微機線路保護裝臵也于1991年通過鑒定。天津大學與南京電力自動化設備廠合作研制的微機相電壓補償式方向高頻保護，西安交通大學與許昌繼電器廠合作研制的正

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序故障分量方向高頻保護也相繼于1993、1996年通過鑒定。至此，不同原理、不同機型的微機線路和主設備保護各具特色，為電力系統(tǒng)提供了一批新一代性能優(yōu)良、功能齊全、工作可靠的繼電保護裝臵。隨著微機保護裝臵的研究，在微機保護軟件、算法等方面也取得了很多理論成果?？梢哉f從90年代開始我國繼電保護技術已進入了微機保護的時代。

5.2 繼電保護的未來發(fā)展

繼電保護技術未來趨勢是向計算機化，網絡化，智能化，保護、控制、測量和數(shù)據(jù)通信一體化發(fā)展。

5.2.1 計算機化

隨著計算機硬件的迅猛發(fā)展，微機保護硬件也在不斷發(fā)展。原華北電力學院研制的微機線路保護硬件已經歷了3個發(fā)展階段：從8位單CPU結構的微機保護問世，不到5年時間就發(fā)展到多CPU結構，后又發(fā)展到總線不出模塊的大模塊結構，性能大大提高，得到了廣泛應用。華中理工大學研制的微機保護也是從8位CPU，發(fā)展到以工控機核心部分為基礎的32位微機保護。

南京電力自動化研究院一開始就研制了16位CPU為基礎的微機線路保護，已得到大面積推廣，目前也在研究32位保護硬件系統(tǒng)。東南大學研制的微機主設備保護的硬件也經過了多次改進和提高。天津大學一開始即研制以16位多CPU為基礎的微機線路保護，1988年即開始研究以32位數(shù)字信號處理器(DSP)為基礎的保護、控制、測量一體化微機裝臵，目前已與珠海晉電自動化設備公司合作研制成一種功能齊全的32位大模塊，一個模塊就是一個小型計算機。采用32位微機芯片并非只著眼于精度，因為精度受A/D轉換器分辨率的限制，超過16位時在轉換速度和成本方面都是難以接受的；更重要的是32位微機芯片具有很高的集成度，很高的工作頻率和計算速度，很大的尋址空間，豐富的指令系統(tǒng)和較多的輸入輸出口。CPU的寄存器、數(shù)據(jù)總線、地址總線都是32位的，具有存儲器管理功能、存儲器保護功能和任務轉換功能，并將高速緩存(Cache)和浮點數(shù)

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部件都集成在CPU內。

電力系統(tǒng)對微機保護的要求不斷提高，除了保護的基本功能外，還應具有大容量故障信息和數(shù)據(jù)的長期存放空間，快速的數(shù)據(jù)處理功能，強大的通信能力，與其它保護、控制裝臵和調度聯(lián)網以共享全系統(tǒng)數(shù)據(jù)、信息和網絡資源的能力，高級語言編程等。這就要求微機保護裝臵具有相當于一臺PC機的功能。在計算機保護發(fā)展初期，曾設想過用一臺小型計算機作成繼電保護裝臵。由于當時小型機體積大、成本高、可靠性差，這個設想是不現(xiàn)實的。現(xiàn)在，同微機保護裝臵大小相似的工控機的功能、速度、存儲容量大大超過了當年的小型機，因此，用成套工控機作成繼電保護的時機已經成熟，這將是微機保護的發(fā)展方向之一。天津大學已研制成用同微機保護裝臵結構完全相同的一種工控機加以改造作成的繼電保護裝臵。這種裝臵的優(yōu)點有：(1)具有486PC機的全部功能，能滿足對當前和未來微機保護的各種功能要求。(2)尺寸和結構與目前的微機保護裝臵相似，工藝精良、防震、防過熱、防電磁干擾能力強，可運行于非常惡劣的工作環(huán)境，成本可接受。(3)采用STD總線或PC總線，硬件模塊化，對于不同的保護可任意選用不同模塊，配臵靈活、容易擴展。

繼電保護裝臵的微機化、計算機化是不可逆轉的發(fā)展趨勢。但對如何更好地滿足電力系統(tǒng)要求，如何進一步提高繼電保護的可靠性，如何取得更大的經濟效益和社會效益，尚須進行具體深入的研究。

5.2.2 網絡化

計算機網絡作為信息和數(shù)據(jù)通信工具已成為信息時代的技術支柱，使人類生產和社會生活的面貌發(fā)生了根本變化。它深刻影響著各個工業(yè)領域，也為各個工業(yè)領域提供了強有力的通信手段。到目前為止，除了差動保護和縱聯(lián)保護外，所有繼電保護裝臵都只能反應保護安裝處的電氣量。繼電保護的作用也只限于切除故障元件，縮小事故影響范圍。這主要是由于缺乏強有力的數(shù)據(jù)通信手段。國外早已提出過系統(tǒng)保護的概念，這在當時主要指安全自動裝臵。因繼電保護的作用不只限于切除故障元件和限制事故影響范圍(這是首要任務)，還要保證全系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。這就要求每個保護單元都能共享全系統(tǒng)的運行和故障信息的數(shù)據(jù)，各個保護單元與重合閘裝臵在分析這些信息和數(shù)據(jù)的基礎上協(xié)調動作，確保

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系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。顯然，實現(xiàn)這種系統(tǒng)保護的基本條件是將全系統(tǒng)各主要設備的保護裝臵用計算機網絡聯(lián)接起來，亦即實現(xiàn)微機保護裝臵的網絡化。這在當前的技術條件下是完全可能的。

對于一般的非系統(tǒng)保護，實現(xiàn)保護裝臵的計算機聯(lián)網也有很大的好處。繼電保護裝臵能夠得到的系統(tǒng)故障信息愈多，則對故障性質、故障位臵的判斷和故障距離的檢測愈準確。對自適應保護原理的研究已經過很長的時間，也取得了一定的成果，但要真正實現(xiàn)保護對系統(tǒng)運行方式和故障狀態(tài)的自適應，必須獲得更多的系統(tǒng)運行和故障信息，只有實現(xiàn)保護的計算機網絡化，才能做到這一點。

對于某些保護裝臵實現(xiàn)計算機聯(lián)網，也能提高保護的可靠性。天津大學1993年針對未來三峽水電站500kV超高壓多回路母線提出了一種分布式母線保護的原理［6］，初步研制成功了這種裝臵。其原理是將傳統(tǒng)的集中式母線保護分散成若干個(與被保護母線的回路數(shù)相同)母線保護單元，分散裝設在各回路保護屏上，各保護單元用計算機網絡聯(lián)接起來，每個保護單元只輸入本回路的電流量，將其轉換成數(shù)字量后，通過計算機網絡傳送給其它所有回路的保護單元，各保護單元根據(jù)本回路的電流量和從計算機網絡上獲得的其它所有回路的電流量，進行母線差動保護的計算，如果計算結果證明是母線內部故障則只跳開本回路斷路器，將故障的母線隔離。在母線區(qū)外故障時，各保護單元都計算為外部故障均不動作。這種用計算機網絡實現(xiàn)的分布式母線保護原理，比傳統(tǒng)的集中式母線保護原理有較高的可靠性。因為如果一個保護單元受到干擾或計算錯誤而誤動時，只能錯誤地跳開本回路，不會造成使母線整個被切除的惡性事故，這對于象三峽電站具有超高壓母線的系統(tǒng)樞紐非常重要。

由上述可知，微機保護裝臵網絡化可大大提高保護性能和可靠性，這是微機保護發(fā)展的必然趨勢。

5.2.3 保護、控制、測量、數(shù)據(jù)通信一體化

在實現(xiàn)繼電保護的計算機化和網絡化的條件下，保護裝臵實際上就是一臺高性能、多功能的計算機，是整個電力系統(tǒng)計算機網絡上的一個智能終端。它可從網上獲取電力系統(tǒng)運行和故障的任何信息和數(shù)據(jù)，也可將它所獲得的被保護元件的任何信息和數(shù)據(jù)傳送給網絡控制中心或任一終端。因此，每個微機保護裝臵不

四川職業(yè)技術學院成都校區(qū)畢業(yè)（論文）設計

但可完成繼電保護功能，而且在無故障正常運行情況下還可完成測量、控制、數(shù)據(jù)通信功能，亦即實現(xiàn)保護、控制、測量、數(shù)據(jù)通信一體化。

目前，為了測量、保護和控制的需要，室外變電站的所有設備，如變壓器、線路等的二次電壓、電流都必須用控制電纜引到主控室。所敷設的大量控制電纜不但要大量投資，而且使二次回路非常復雜。但是如果將上述的保護、控制、測量、數(shù)據(jù)通信一體化的計算機裝臵，就地安裝在室外變電站的被保護設備旁，將被保護設備的電壓、電流量在此裝臵內轉換成數(shù)字量后，通過計算機網絡送到主控室，則可免除大量的控制電纜。如果用光纖作為網絡的傳輸介質，還可免除電磁干擾?，F(xiàn)在光電流互感器(OTA)和光電壓互感器(OTV)已在研究試驗階段，將來必然在電力系統(tǒng)中得到應用。在采用OTA和OTV的情況下，保護裝臵應放在距OTA和OTV最近的地方，亦即應放在被保護設備附近。OTA和OTV的光信號輸入到此一體化裝臵中并轉換成電信號后，一方面用作保護的計算判斷；另一方面作為測量量，通過網絡送到主控室。從主控室通過網絡可將對被保護設備的操作控制命令送到此一體化裝臵，由此一體化裝臵執(zhí)行斷路器的操作。1992年天津大學提出了保護、控制、測量、通信一體化問題，并研制了以TMS320C25數(shù)字信號處理器(DSP)為基礎的一個保護、控制、測量、數(shù)據(jù)通信一體化裝臵。5.2.4 智能化

近年來，人工智能技術如神經網絡、遺傳算法、進化規(guī)劃、模糊邏輯等在電力系統(tǒng)各個領域都得到了應用，在繼電保護領域應用的研究也已開始［7］。神經網絡是一種非線性映射的方法，很多難以列出方程式或難以求解的復雜的非線性問題，應用神經網絡方法則可迎刃而解。例如在輸電線兩側系統(tǒng)電勢角度擺開情況下發(fā)生經過渡電阻的短路就是一非線性問題，距離保護很難正確作出故障位臵的判別，從而造成誤動或拒動；如果用神經網絡方法，經過大量故障樣本的訓練，只要樣本集中充分考慮了各種情況，則在發(fā)生任何故障時都可正確判別。其它如遺傳算法、進化規(guī)劃等也都有其獨特的求解復雜問題的能力。將這些人工智能方法適當結合可使求解速度更快。天津大學從1996年起進行神經網絡式繼電保護的研究，已取得初步成果［8］。可以預見，人工智能技術在繼電保護領域必會得到應用，以解決用常規(guī)方法難以解決的問題。

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結束語

這段時間經過老師和同學的幫助終于做出咯這篇論文。雖然我的作品還不是非常成熟.有許多的不足。但我從接到題目到完成論文。其中翻看咯許多書籍也有和同學討論的結果。在這之中我把我大學3年里所學到的所懂得的。都體現(xiàn)到了其中.人生漫漫，匆匆3年大學就過去咯。學習機電一體化雖然很枯燥。但有老師的幫助和關照過的非常充足。學習到許多有用的知識。對我的大學生活劃上完美的句號。從這里走出，對我的人生來說是一個新的起點，要把所學到的知識放到實踐之中。可能挑戰(zhàn)會很大，但我不會氣餒。

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參考文獻 楊自厚． 人工智能技術及其在鋼鐵工業(yè)中的應用[Ｊ]．冶金自動化，1994（5）2 唐立新.鋼鐵工業(yè)CIMS特點和體系結構的研究[Ｊ]．冶金自動化，1996（4）3 唐懷斌． 工業(yè)控制的進展與趨勢 [Ｊ]．自動化與儀器儀表，1996（4）4 王俊普． 智能控制[M]． 合肥：中國科學技術大學出版社，1996 5 林行辛． 鋼鐵工業(yè)自動化的進展與展望[Ｊ]．河北冶金，1998（1）殷際英． 光機電一體化實用技術[Ｍ]．北京：化學工業(yè)出版社，2003 7 芮延年． 機電一體化系統(tǒng)設計[Ｍ]． 北京：機械工業(yè)出版社，2004． 8 鄧 兵，等．數(shù)字閥門電動執(zhí)行機構［J］．自動化儀表，2001(1)． 王福瑞，等．單片機微機測控系統(tǒng)設計大全［M］．北京航空航天大學出版社，1999，9－249． 陳玉紅．一種簡單實用的線性光隔離放大器［J］．漳州師范學院學報(自然科學版)，1999(4)．

第二篇：機電一體化與機器人

機電一體化與機器人論文

一、對機電一體化系統(tǒng)的認識

1、學科簡介

機電一體化技術是將機械技術、電子技術、微電子技術、信息技術、傳感器技術、接口技術、信號變換技術等多種技術進行有機地結合，并綜合應用到實際中去的綜合技術。是現(xiàn)代化的自動生產設備幾乎以說都是機電一體化的設備。中國機電設計邁入PLM全新階段，正挑戰(zhàn)著了前所未有的，不可預測的難題，一個個久戰(zhàn)沙場經久不衰精兵良將正褪去了昨日英雄的光環(huán)，唯有CAMEL VIEW 能夠勝任軍統(tǒng)三國，光復舊業(yè)的重任，此時數(shù)系科技與德國iXtronics GmbH公司攜手共同開拓機電設計領域的新篇章，CAMEL VIEW 作為機電一體化設計系統(tǒng)，從產品的概念設計到產品性能的測試、驗證、通過都是一體化的，流程化的、規(guī)范化的，在滿足用戶設計的前提下，數(shù)值實驗的仿真與結果的驗證無不精確化，支持復雜環(huán)境下，多工況，多耦合場設計。

2、專業(yè)培養(yǎng)目標

本專業(yè)培養(yǎng)從事機電一體化產品設計和制造加工、調試、運行、維護、營銷和售后服務的高級技能型、應用型人才。學生在獲取畢業(yè)證書的同時還可以取得相應的職業(yè)資格證書。

3、主要核心課程與核心技能

機械制圖、電工與電子技術基礎、液壓與氣動技術、電氣控制

與PLC、機械制造基礎、機械設計基礎；機械制圖測繪、金工實習、CAD 實訓、電工電子實訓、數(shù)控實訓、機床電器控制實訓。

二、電腦鼠的運行原理

電腦鼠是一種具有人工智能的輪式機器人,是由嵌 入式微控制器, 傳感器和機電運動部件構成的一種智能行走裝置的俗稱。在電腦鼠迷宮比賽中，它就必須自行決定搜尋法則并且在迷宮中前進、轉彎、記憶迷宮墻壁資料、計算最短路徑、搜尋終點等功能。電腦鼠結合了機械、電機、電子、控制、光學、程序設計和人工智能等多方面的科技知識。電腦鼠是一個多學科的綜合體，與多個學科關系密切，包括機械工程、電子工程、自動控制、人工智能、程序設計、傳感與測試技術等。

電腦鼠運行的一般流程，啟動開關以后，電腦鼠首先通過迷宮探索子程序，實現(xiàn)對迷宮整體的探索，以前方為優(yōu)先行進方向，若前方有墻或者已經探索，則考慮左方若左方有墻或己探測過, 再考慮右方若出現(xiàn)死路, 則原路返回, 直到發(fā)現(xiàn)沒有探測過的單元, 轉入該單元。

當探索完整體的迷宮以后，通過路徑優(yōu)化子程序找出一條從起點到終點的最優(yōu)路徑。然后，通過沖刺子程序，電腦鼠可以從起點以最快速度沖刺到終點。

三、實驗中心得體會

這次實驗讓我學到了很多東西。在過程中，首先一步就是要

調節(jié)紅外傳感器，沒有它，電腦鼠就像一個瞎子，我們組一開始就是因為紅外傳感器沒有調節(jié)到位，走直線的時候一直左搖右擺，后來在小組的討論和探究下，最后解決了問題。第二個，就是轉彎問題。這個問題一直困擾著我們，我們希望能夠做到連續(xù)轉彎，但是改動程序以后，始終不能達到最好的效果，我們仍舊為此努力。

其實，這次的實驗，給我最大的收獲就是合作，我們遇到了很多困難，通過相互之間的討論，合作嘗試，解決了大部分，雖然還有一些問題困擾著我們。不過我們會再接再厲，爭取做到最好。

第三篇：機電一體化畢業(yè)論文-PLC機械手控制設計

畢 業(yè) 設 計

論文名稱：

PLC機械手控制設計

系部： 機車車輛學院

專業(yè)： 機電一體化 班級:

313-1 姓名：

全偉

指導教師：劉偉

二O一六年 一月

目錄

第一章 PLC機械手控制設計………………………………...…3 1.1 摘要.................…………………………………………….3

1.2 引言 ……………………………………....................………4 第二章

PLC 的概述 …………………………………………4 2.1 PLC的基本知識

…………………………………………..4 2.2 PLC的應用與前景

………………………………………..5

第三章

PLC 的編程語言

…………………………………..7 3.1 梯形圖編程語言……………………………………………...7 3.2 功能塊圖編程語言……………………………………………8 第四章

PLC控制機械手的設計……………………………….9 4.1

機械手在工業(yè)生產中的應用………………………………..9 4.2

各電器設備的制方式及控制要求…………………………..10 4.3

電器元件設備的選擇 ………………………………………12 4.4

控制系統(tǒng)的軟、硬件設計 ………………………………...13 4.5

功能表圖設計

……………………………………………..26 第五章

設計小結

………………………………………………33 參考文獻 ……………………………………………………....…..34 謝辭

…………………………………………………….....35

PLC機械手控制設計

1.1摘要： 當今的自動化技術發(fā)展迅速，正處于一個快速變革的時代。從半導體到消費類電子產品、再到汽車和航空制造業(yè)、以及輕工業(yè)和物流行業(yè)等多種不同的工業(yè)領域都面臨著日益激烈的全球競爭壓力當今的自動化技術發(fā)展迅速，正處于一個快速變革的時代。從半導體到消費類電子產品、再到汽車和航空制造業(yè)、以及輕工業(yè)和物流行業(yè)等多種不同的工業(yè)領域都面臨著日益激烈的全球競爭壓力，他們需要進一步降低成本、縮短產品生產周期，并能夠迅速完成產品的更新?lián)Q代。采用最新的自動化技術才是解決這一系列問題的有效手段。

本次論文明確了機械手的功能需求和動作流程通過查找了大量資料，了解完成了布進電機和驅動器的選型。通過對機械手制作流程的分析，確定采用PLC為核心的控制系統(tǒng)。在對機械手的分析設計部分梯形圖及控制程序，完成PLC的I/O點分配和硬件接線圖。

關鍵詞：機械手，步進電機，可編程序控制器

引言

機械手是近代自動控制領域中出現(xiàn)的一項新技術，并已成為現(xiàn)代科技的一個重要組成部分。汽車業(yè)的快速發(fā)展，車外型愈求美觀流線，并由于汽車外板件要求完美無塵的沖壓生產線也向高速化、高品質、自動化、柔性化方向發(fā)展。傳統(tǒng)沖壓生產過程中的手工操作、人工送料的生產方式已無法滿足該行業(yè)的需要。

機械手的積極作用正日益為人們所認識，其一，它能部分地代替人的勞動并能達到生產工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送。因此，它能大大地改善工人的勞動條件，加快實現(xiàn)工業(yè)生產機械化和自動化的步伐。因此，受到各先進單位的重視并投入了大量的人力物力加以研究和應用。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲的場合，應用得更為廣泛。在我國，近代幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的成果，受到各工業(yè)部門的重視。

第二章

可編程控制器的概述

2.1可編程控制器的基本知識

PLC的種類繁多，其規(guī)格和性能也各不相同，對PLC的分類，通常根據(jù)其形式的不同、功能的差異和I/O點數(shù)的多少等進行大致分類.根據(jù) 1

PLC的結構形式可將PLC分為整體式和模塊式兩類（1）整體式PLC

整體式PLC是將電源、CPU、I/O接口等各件都集中裝在一個機箱內，具有結構緊湊、體積小、價格低的特點。小型PLC一般采用這種整體式機構。

整體PLC由不同PLC點數(shù)的基本單元和擴展單元組成，基本單元內有CPU、I/O接口，與I/O擴展單元相連的擴展口、以及編程器或EPROM寫入器相連的接口等。擴展單元內只有I/O和電等，沒有CPU，基本單元和擴展單元之間一般用扁平電纜連接。整體式PLC一般還可配備特殊功能單元，如模擬量單元、位置控制單元等，使其功能得以擴展(2)

模塊式PLC

模塊式PLC是將PLC各組成部分分別作成若干個單獨的模塊，如CPU模塊、I/O模塊、電源模塊（有的含在CPU模塊中）以及其他模塊。模塊式PLC由框架或基板和 各種模塊組成，模塊裝在框架或基板的插座上。這種模塊式PLC的特點是配置靈活、可根據(jù)需要選配不同規(guī)模的系統(tǒng)，而且裝配方便，便于擴展和維修。大、中型PLC一般采用這種模塊式結構。

還有一些PLC將整體式和模塊式的特點結合起來，構成所謂疊裝式PLC。疊裝式PLC其CPU，電源，I/O接口等也是各自獨立的模塊。但它們之間是非電纜進行聯(lián)接，并且各模塊可以應地疊裝，這樣不但系統(tǒng)可以靈活配置，還可以做的體積小巧。2 按功能分

根據(jù)PLC所具有的功能不同，可將PLC分為低，中，高檔次

（1）低檔PLC 具有邏輯運算、定時、計數(shù)、移位以及自診斷監(jiān)控等基本功能還可以少量模擬量輸入/輸出，算術運算，數(shù)據(jù)傳送和比較等功能，主要用于邏輯控制，順序控制或少量模擬量控制的單機控制系統(tǒng)。

（2）中檔PLC出具有低檔PLC的功能外，還具有模擬量輸入/輸出，算術運算，數(shù)據(jù)傳送和比較；數(shù)據(jù)轉換，遠程I/O，子程序，通信聯(lián)網等功能，有些還可增設中斷控制，PID控制等功能，適應于復雜控制系統(tǒng)。

（3）高檔PLC除具有中檔PLC的功能外，還增加了符號算術運算，矩陣運算，位邏輯運算，平方根運算及其他特殊功能函數(shù)的運算，制表及表格傳遞功能等。高檔PLC具有更強的通信聯(lián)網功能，可用于大規(guī)模過程控制或構成分布式網絡控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工廠自動化。

按I/O點數(shù)分類

根據(jù)PLC的I/O點數(shù)的多少，可將PLC分為小型，中型和大型三類

（1）.型PLC——I/O點數(shù)<256點，單CPU，8位或16微處理器，用戶存儲器容量4K字以下

CE-I型

美國通用電氣（GE）公司 TI100

美國德洲儀器公司 F、F1、F2

日本三菱電氣公司 C20 C40

日本歐姆龍公司 SF200

德國西門子公司 EX20 EX40

日本東芝公司

SR-20/21

中外合資無錫華光電子工業(yè)有限公司（2）．中型——點數(shù)256-2048點，雙CPU，用戶存儲器容量2-8K S7-300

德國西門子

SR-400

中外合資無錫華光電子工業(yè)有限公司 SU-5 SU-6

德國西門子公司 C-500

日本立石公司 CE-Ш

GE公司

（3）.大型PLC——I/O點數(shù)>2048點，多CPU，16位、32位處理器，用戶存儲器容量8-16K S7-400

德國西門子公司 GE-IV

GE公司 C-2000

立石公司 K3

三菱公司

2.2 可編程控制器PLC的應用與前景

目前，在國內外PLC已廣泛應用冶金，石油，化工，剪彩，機械制造，電力，汽車，輕工，環(huán)保及文化娛樂等各行各業(yè)，隨著PLC性能價格 的不斷提高，器應用領域不斷擴大，從應用類型看大致可歸納為以下幾個方面： 2.2.1 強量邏輯運算

利用PLC最基本的邏輯運算，定時，計收等功能實現(xiàn)邏輯運算，科取代傳統(tǒng)的繼電器控制用于單片機控制，多機群控制，生產自動線控制等。例：機床，注塑機印刷機械，裝配生產線，電鍍流水線及電梯的控制等。這是PLC最基本的應用，也是PLC最廣泛的應用領域。2.運動控制

大多數(shù)PLC都有拖動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊，這一功能廣泛用于各種機械設備。例如：各種機床，裝配機械。機器人等進行運動控制。3.過程控制

大，中型PLC都具有多路模擬量I/O模塊和PID控制功能。有的小型PLC也具有模擬量輸入輸出，所以PLC可實現(xiàn)模擬量控制而且具有PID控制功能的PLC可構成閉環(huán)控制，用于過程控制。這一功能已廣泛用于鋁爐，反應堆，水處理，釀酒及閉環(huán)位置控制和速度控制等方面。4.數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)代的PLC都具有數(shù)學運算數(shù)據(jù)傳遞，轉換，排序和查表等功能，可進行數(shù)據(jù)的采集，分析和處理，同時的通過通信接口將這些數(shù)據(jù)傳送給其電智能裝置。例如：CNC設備進行處理。5.通信聯(lián)網

PLC的通信包括PLC與PLC，PLC與計算機，PLC與其它智能設備之間的通信，PLC系統(tǒng)與通用計算機可直接或通過通信處理單元，通信轉換單元相連構成網絡，已實現(xiàn)信息的交換和構成。集中管理分散控制的多級分布式控制系統(tǒng)。滿足工廠自動化（FA）系統(tǒng)發(fā)展的需要。2.2.2 國外PLC發(fā)展概況

PLC在問世以來，經過40多年的發(fā)展。在美、德國等工業(yè)發(fā)達國家已成為重要的產業(yè)之一，世界總銷售額不斷上升，生產廠家不斷涌現(xiàn)，品種不斷翻新，產量產值大幅度上升而價格則不斷下降。目前，世界上有200多個廠家生產PLC。較多的有美國：AB通用電氣、莫迪康公司；日本：松下、三菱、富士、歐姆龍等；德國：西門子公司；法國：TE施耐德公司。韓國：三星、LG公司等

PLC的發(fā)展前景

（1）產品規(guī)模向大小兩個方向發(fā)展

大：I/O點數(shù)達14336點，32位微處理器，多CPU并行工作，大容量存儲器，掃描速度快高速；

?。赫w結構向小型模塊化結構發(fā)展，增加了配置的靈活性，降低了成本；（2）PLC在閉環(huán)過程中應用日益廣泛；（3 不斷加強通訊功能；（4）新器件和模塊不斷推出

第三章 可編程控制器的編程語言

3.1可編程控制器的幾種編程語言

可編程控制器的編程語言按IEC61131-3國際標準來分主要包括圖形化編程語言和文本化編程語言。圖形化編程語言包括:梯形圖(LD-Ladder Diagram)、功能塊圖(FBD-Function Block Diagram)、順序功能圖(SFC-Sequential Function Chart)。文本化編程語言包括:指令表(IL-Instruction List)和結構化文本(ST-Structured Text)。這些語言是基于WINDOWS操作系統(tǒng)的編程語言.而SFC編程語言則在兩類編程語言中均可使用。下面分別來介紹這幾種編程度語言。

3.1.1梯形圖編程語言(LD-Ladder Diagram)

梯形圖來源于繼電器邏輯控制系統(tǒng)的描述，是PLC編程中被最廣泛使用的一種圖形化語言，由于梯形圖類似于繼電器控制的電氣接線圖，便于理解,因此許多編程人員和維護人員都選擇了這一編程方式。而且其圖形結構類似于登高用的梯子，故名梯形圖。梯形圖程序的左右兩側有兩垂直的電力軌線，左側的電力軌線名義上為功率流從左向右沿著水平梯級通過各個觸點、功能、功能塊、線圈等提供能量，功率流的終點是右 側的電力軌線。每一個觸點代表了一個布爾變量的狀態(tài)，每一個線圈代表了一個實際設備的狀態(tài)，一個簡單的梯形圖程序如圖1所示:

圖3.1

梯形圖程序示例

梯形圖的每個梯級表示一個因果關系,事件發(fā)生的條件表示在梯形的左面,事件發(fā)生的結果表示在梯級的右面。

梯形圖編程語言具有如下特點:(1)與電氣操作原理圖相對應，具有直觀性和對應性;(2)與原有繼電器邏輯控制技術相一致，易于掌握和學習;(3)對于復雜控制系統(tǒng)描述,仍不夠清晰;(4)可讀性仍不夠好。

幾乎所有PLC廠商提供的PLC都支持梯形圖編程語言,而且都比較容易理解，只是在梯形圖結構上可能稍有變化。比如西門子的S7系列梯形圖就沒有右邊的電力軌線。有時在有此參考書中右邊的電力軌線也常常被省略。

3.1.2 功能塊圖編程語言(FBD-Function Block Diagram)

功能塊圖編程語言采用功能模塊表示所具有的功能，不同的功能模塊具有不同的功能。功能模塊用矩形來表示，每一個功能模塊的左側有不少于一個的輸入端，右側有不少于一個的輸出端。功能模塊的類型名稱通常寫在塊內，其輸入輸出名稱寫在塊內的輸入輸出點對應的地方。

功能模塊基本上分為兩類:基本功能模塊和特殊功能模塊?；竟δ苣K如AND，OR XOR等等.特殊功能模塊如ON延時，脈沖輸出，計數(shù)器等等。功能塊編程語言具有以下特點:(1)以功能模塊為單位,從控制功能入手，使控制方案的分析和理解變的容易;(2)功能模塊用圖形化的方式描述功能，較直觀易掌握，方便組態(tài)，易操作。是有發(fā)展前途的一種編程語言;(3)對較復雜系統(tǒng)，由于控制功能關系能夠比較清晰的描述，因此縮短了編程和調試時 間;(4)因為每一個功能模塊要占用一定程序存儲空間，對功能塊的執(zhí)行需要一定的執(zhí)行時間，因此，這種語言在大中型可編程控制器和分散控制系統(tǒng)中應用較廣泛。

第四章 PLC控制機械手的系統(tǒng)設計

4.1各電器設備的控制方式及控制要求 機械手的技能和特性

根據(jù)古典力學觀點，物體在三維空間的靜止位置是由三個坐標和繞三軸旋轉的角度來決定的。因此，抓握物體的位置和方向（即關節(jié)間的角度）能從理論上求得。據(jù)資料介紹，如果采用的機械手，其機能要接近人的上肢，則需要具有27個自由度，而每一個自由度至少要有一根“人造肌肉”。這樣就需要安裝27根重量輕、小型和高輸出力的“人造肌肉”。就目前的技術狀況而言，上述功能還很難辦到。而且把機械手的功能搞得那么復雜，動作彼此嚴重重疊也是完全不必要的。退一步，如果機械手要求具有完全通用的程度，那么它的整機、本體、手臂和手指都得有三個直線運動和三個旋轉運動，總共就要有24個自由度。這在實際上也是不必要的，這樣會使機械手結構復雜，費用增多。因此，不應盲目模仿人手的動作，增加過渡的自由度，而應根據(jù)實際需要的動作，設計出最少的自由度就能完成作業(yè)所要求的動作。所以一般專用的機械手（不包括握緊動作）通常具有二到三個自由度。而通用機械手一般取四到五個自由度。本設計中設計的機械手，它共有五個自由度。即：手臂伸縮、手臂上下擺動、手臂左右擺動、手腕回轉、手指抓握。.軀干和傳動系統(tǒng)

機械手的傳動分為液壓、氣壓、電氣和機械四種，本設計采用綜合傳動方式，即手臂采用電氣傳動，而手爪則采用氣壓傳動。

(1)、夾緊機構

機械手手爪使用來抓取工件的部件。手爪抓取工件是要滿足迅速、靈活、準確和可靠的要求。設計制造夾緊機構——手爪時，首先要從機械手的坐標形式、運行速度和加速度的情況來考慮。其加緊力的大小則根據(jù)夾持物體的重量、慣性和沖擊力的大小來計算。同時考慮有足夠的開口尺寸，以適應被抓物體的尺寸變化，為擴大機械手的應用范圍，還需備有多種抓取機構，以根據(jù)需要來更換手爪。為防止損壞被夾的物體，夾緊力應限制一定的范圍內，并鑲有軟質墊片、彈性襯墊或自動定心結構。為防止突然停電被抓物體落下，還可以有自鎖結構。夾緊機構本身則應結構簡單、體積小、重量輕、動作靈活和動作可靠。

夾緊機構形式多樣，有機械式、吸盤式和電磁式等。有的夾緊機構還帶有傳感裝置和攜帶工具進行操作的裝置。本設計采用機械式的夾緊機構。

機械式夾緊機構是最基本的一種，應用廣泛，種類繁多。如按手指運動的方式和模仿人手的動作，可分為回轉型、直進型；按夾持方式可分為內撐式、外撐式和自鎖式；按手指數(shù)目可分為二指式、三指式、四指式；按動力來源可分為彈簧式、氣動式、液壓式等。本設計采用二指式氣動手爪。由可編程控制器控制電磁閥動作，從而控制手爪的張閉。手爪的回轉則用一個直流電動機完成，同時通過兩個限位磁頭完成回轉角度的限位，一般可設置在180度。(2)軀干

軀干由底盤和手臂兩大部分組成。

底盤是支撐機械手全部重量并能帶動手臂旋轉的機構。底盤采用一個直流電動機驅動，底盤旋轉時帶動一個旋轉碼盤旋轉，機械手每旋轉3度發(fā)出一個脈沖，由傳感器檢測并送入可編程控制器，從而計算底盤旋轉的角度。同時，在底盤上裝有限位磁頭，最大旋轉角度可達270度。

手臂是機械手的主要部分，它是支撐手爪、工件并使它們運動的機構。本設計中手臂由橫軸和豎軸組成，可完成伸縮、升降的運動。手臂采用步進電動機帶動絲杠、螺母來實現(xiàn)伸縮和升降運動。由可編程控制器發(fā)出脈沖信號，經步進電動機驅動器驅動步進電動機旋轉，帶動滾珠絲杠旋轉，完成手臂的運動。改變發(fā)出脈沖的個數(shù)，可控制手臂的兩個軸運動的距離。同時在兩軸的兩端分別加限位開關限位。采用絲杠、螺母結構傳 動的特點是易于自鎖，位置精度較高，傳動效率較高。

4.2電器元件、設備的選擇

PLC機型的選擇

根據(jù)被控對象對PLC控制系統(tǒng)的功能要求，可進行PLC型號的選定。

進行PLC選型時，基本原則是滿足控制系統(tǒng)的功能需要，同時要兼顧維修、備件的通用性。對開關量控制的系統(tǒng)，當控制速度要求不高時，一般的PLC都可以滿足要求，如對小型泵的順序控制、單臺機械的自動控制等。當控制速度要求較高、輸出有高速脈沖信號等情況時，要考慮輸入/輸出點的形式，最好采用晶體管形式輸出。對帶有部分模擬量控制的ｗ裝置等。2 輸入/輸出的點數(shù)：

I/O點數(shù)可以衡量PLC規(guī)模的大小。準確統(tǒng)計被控對象的輸入信號和輸出信號的總點數(shù)并考慮今后系統(tǒng)的調整和擴充，在實際統(tǒng)計I/O點數(shù)基礎上，一般應加上10%-20%的備用點數(shù)。多數(shù)小型PLC為整體式，具有體積小、價格便宜等優(yōu)點，適于工藝過程比較穩(wěn)定，控制要求比較簡單的系統(tǒng)。模塊式結構的PLC采用主機模塊與輸入模塊、功能模式塊組合使用的方法，比整體式方便靈活，維修更換模塊、判斷與處理故障快速方便，適用于工藝變化較多、控制要求復雜的系統(tǒng)。

此外，還應考慮用戶儲存器的容量、PLC的處理速度是否能滿足實時控制的要求、編程器與外圍設備的選擇等。

本設備控制的對象是一個開關量控制的系統(tǒng)，同時利用脈沖控制步進店動機的運轉，故應采用晶體管形式的輸出。松下FPO系列小型PLC具有性價比高、功能完善、指令豐富等優(yōu)點，能滿足本對象各項控制性能要求，因此，本系統(tǒng)采用松下FPO系列的FPO——C16T作為基本模塊，能輸出兩路脈沖信號進行步進電動機的控制。由于輸入輸出點不夠，擴展一個FPO——E16RS模塊。3

電源模塊的選擇：

采用Dm150系列開關電源。其特點是輸出功率大，體積小，重量輕，可靠性高，適應寬范圍的輸入電壓波動，具有完備的過電壓、過電流保護功能。主要參數(shù)：

輸入交流電壓：110~220V/50Hz、60Hz 輸出直流電壓：24V/6.5A 最大功率：156W 工作環(huán)境：-10~40度 4.步進電動機的選擇：

采用二相八拍混合式步進電動機，主要特點：體積小，具有較高的起動和運行頻率，有定位轉矩等特點。型號：42BYGH101。

快接線插頭中的紅色表示A相，藍色表示B相。

使用時如果發(fā)現(xiàn)步進電動機轉向不對時可以將A相或B相兩根線對調。（1）.步進電動機驅動模塊

采用中美合資SH系列步進電動機驅動器，主要由電源輸入部分、信號輸入部分、輸出分等。如下圖所示。

驅動模塊

電源輸入部分由電源模塊提供，用兩根導線連接，注意極性。

信號輸入部分：信號源由FPO主機提供。由于FPO提供的電平為24V，而輸入部分的電平為5V，中間加了保護電路。

輸出部分：與步進電動機連接，注意相序。（2.）傳感器

采用接近開關作為手爪旋轉和底盤旋轉限位檢測用;采用微動開關作為橫軸、縱軸限位檢測用。

接近開關：接近開關有三根連接線（紅、藍、黑）紅色接電源的正極、黑色接電源的負極、藍色為輸出信號，當與擋塊接近時輸出電平為低電平，否則為高電平。微動開關：當擋塊碰到微動開關動作（常開點閉合）。

（3）FPO模塊

由松下FPO系列PLC晶體管輸出的主機，具有高速運算能力、PID調節(jié)功能，同時可以輸出兩路脈沖控制兩臺電動機的優(yōu)點。輸出兩路脈沖梯形圖及f/t。

（4）直流電動機

采用36ZY5-12型直流電動機。輸入電壓為12~24V,由FPO模塊控制電動機正反轉。（5）旋轉碼盤

機械手每旋轉3度發(fā)出一個脈沖。

4.3 控制流程圖

機械手工作流程圖如下圖所示。把可編程序控制器主機上的RUN-PROG的開關撥在RUN上，如果機械手不在初始位置上，步進電動機開始運轉（橫軸向手爪那邊移動，豎軸向上移動）。歸位后首先橫軸步進電動機工作，橫軸前伸；前伸到位后，手抓電動機得電帶動手爪旋轉；當傳感器檢測到限位磁頭時，電動機停止，PLC控制電磁閥動作，手張開；延時一段時間，豎軸步進電動機工作，豎軸下降；下降到位后，電磁閥復位，手爪加緊；延時過后，豎軸上升，同時橫軸縮回、底盤都到位后，橫軸前伸；到位后手爪旋轉，然后豎軸下降，電磁閥動作，手張開；延時后豎軸上升復位；然后開始下一周期動作。

圖4.1機械手控制流程圖

4.4控制系統(tǒng)的軟、硬件設計 1 控制系統(tǒng)硬件設計

PLC硬件設計是指PLC外部設備的設計。在硬件設計重要進行輸入設備的選擇（如控制按鈕、開關及計量保護裝置的輸入信號等），還有執(zhí)行元件的選擇以及控制臺、柜的設計等。硬件設計還包括PLC輸入/輸出通道的分配，為便于程序設計和閱讀，常作出I/O通道分配表，表中包括有I/O編號、設備代號、名稱及功能等。機械手控制系統(tǒng)電器原理圖。

可編程序控制器采用松下FP系列的FPO——C16T作為基本模塊，由于輸入輸出點 不夠，擴展一個FPO——E16RS模塊。由于接近開關有三根線，接線時注意把紅色的線接電源的正極，黑色線接電源的負極，藍色的線接PLC的輸入端子。2 控制系統(tǒng)的軟件設計

軟件設計主要是指編寫工藝流程圖，即將整個流程分解為若干步，確定每步的控制要求及轉換條件，配合定時、計數(shù)、分支、循環(huán)、跳轉及某些特殊功能指令便可完成梯形圖的設計。I/O地址分配 I/O地址分配如表所示 I/O地址分配一覽表

輸入： X0 X1 X2 X3 X4 X20 X21 X22 X23 橫軸正限位 豎軸正限位 橫軸反限位 豎軸反限位 旋轉脈沖 手正轉限位 手反轉限位 底座正限位 底座反限位

輸出： Y0 Y1 Y2 Y3 Y20 Y21 Y22 Y23 Y24

橫軸脈沖 豎軸脈沖 橫軸方向 豎軸方向 手正轉 手反轉 底座正轉 底座反轉 電磁閥動作

(1).確定輸入輸出接點的總數(shù)

輸入接點：啟動按鈕SB、行程開關SQ1——SQ4、光電開關SQ5，一共6個。輸出接點：YV1——YV2總共5個。(2).估算PC內存總數(shù)

選取PC類型，PC內存總數(shù)取決于程序指令總條數(shù)。PC內存總數(shù)又是選取PC類型的重要依據(jù)，為此依據(jù)下面的經驗公式對指令總條數(shù)進行估算。指令總條數(shù)=（10——20）*（輸入點數(shù)+輸出點數(shù)）

本例中指令總條數(shù)為（10——20）*（6+5）=110——220條。(3).輸入輸出點分配

如下圖是機械手輸入和輸出信號與PC輸入輸出端子的分配圖，其中根據(jù)需要增加了機械手回到原位時的指示燈，為了防止誤按啟動按鈕引起機械手的誤動作，增加了復位按鈕，啟動時需要先按復位按鈕在按啟動按鈕，否則機械手不會動作。

圖4.2機械手PC輸入/輸出端子的分配

(4).方案選擇

考慮到機械手在工作時間時可能發(fā)生誤動作行程開關而引起的不安全動作，各個輸入開關信號只能在規(guī)定的狀態(tài)發(fā)生作用，例如，SQ1的閉合信號只能當機械手位于原位而且按下SB2后或從原位右移到右位后才能起作用，其他狀態(tài)時SQ1不起作用。為了達到這一目的，選擇使用移位寄存器來完成順序控制。3 梯形圖設計

機械手的控制屬順序控制，采用步進指令，根據(jù)說明機器工作狀態(tài)轉換的圖形，很容易進行程序設計。

（1）根據(jù)機械手的工作方式情況，選擇“梯形圖的總體設計

單步操作”方式時，應執(zhí)行“單步操作”程序；在選擇“返回原位”方式時，應執(zhí)行“返回原位”程序;“自動”方式時，應執(zhí)行“自動”程序，故梯形圖的總體構成如下圖所示。其中，自動程序要在啟動按鈕按下時才執(zhí)行。

圖4.3機械手PLC控制梯形圖總體構成

（2）各部分梯形圖的設計

通用部分梯形圖設計

A狀態(tài)器的初始化：初始狀態(tài)器S600在手動方式下被置位、復位。當方式選擇開關處于“返回復位”（X501接通）時，按下返回復位按鈕（X505）時被置位;在“單步操作”（X500接通）時，S600復位。處于中間工步的狀態(tài)器用手動作復位操作，即在方式選擇開關位于“單步操作”或 “返回復位”時，中間狀態(tài)器同步復位，故初始狀態(tài)梯形圖如下圖示（如果狀態(tài)器要在供電時從斷電前條件開始繼續(xù)工作，則不需要M71）

狀態(tài)器初始化梯形圖。

B狀態(tài)器轉換啟動：若機械手工作在自動工作方式下，當初始狀態(tài)器S600被置位后，按下啟動按鈕，輔助繼電器M575工作，狀態(tài)器的狀態(tài)可以一步步向下傳遞，即可以進行轉換。在執(zhí)行“連續(xù)操作”程序時，轉換啟動繼電器M575一直保持到停機按鈕按下為止。另一方面，采用M100檢查機器是否處于原位。當M575和M100都接通時，從初始狀態(tài)開始進行轉換，其梯形圖如下圖。

圖4.4狀態(tài)器轉換啟動梯形圖

C狀態(tài)器轉換禁止梯形圖：激活特殊輔助繼電器M574，并用步進指令控制狀態(tài)器轉換時，狀態(tài)器的自動轉換就被禁止。

在“單周期”工作期間，按下停止按鈕時，M574應被激勵并保持，操作停止在現(xiàn)行工步。當按下啟動按鈕時，從現(xiàn)行工序重新開始工作，M574應復位，即重新允許轉換。

在“步進”工作方式時，M574應始終工作，此時，禁止任何狀態(tài)轉換。但每按下一次啟動按鈕時，M574斷開一次，允許狀態(tài)器轉換一步。

在“手動”工作方式（單一操作，返回原位）情況下，禁止進行狀態(tài)轉換。在手動方式解除之后，按下啟動按鈕，則狀態(tài)轉換禁止解除，M574復位。

PLC在啟動時，用初始化脈沖M71使M574自保持，以次禁止狀態(tài)轉換，直到按下啟動按鈕。狀態(tài)器轉換禁止梯形圖如下。

圖4.5狀態(tài)器轉換禁止梯形圖

通過對上圖的分析可得出：在執(zhí)行“單步操作”和“返回原位”程序時，M575一直不能被接通，而M574長期被接通（按下啟動按鈕時除外）；執(zhí)行“步進”程序時，每按一次啟動按鈕，M574斷開一次，M575接通一次，狀態(tài)器轉換一次；在執(zhí)行“單周期操作”程序時，按下啟動按鈕，M574斷開，M575接通，狀態(tài)器的狀態(tài)可一步一步向下轉換，直至按下停止按鈕時，M574自鎖，狀態(tài)器的狀態(tài)轉換被禁止，操作停止現(xiàn)行工序（再次按下啟動按鈕時從現(xiàn)行工序開始工作）；在執(zhí)行“連續(xù)操作”程序時，M575一直接通到按下停止按鈕，此時M574一直不能接通。

D單步操作梯形圖

手動操作方式由于不需要任何復雜的順序控制，可以用常規(guī)繼電器順序方法來設計梯形圖。“單步操作”時，按下夾持按鈕時，夾持輸出Y431自保持，只有按下松開按鈕時，Y431才會復位；按下上升按鈕，上升輸出Y432保持接通；按下下降按鈕，Y430保持接通；在上限位按下左行按鈕，左行輸出Y434保持接通；在上限位按下右行按鈕，右行輸出Y433保持接通。單步操作是梯形圖如下圖。

圖4.6機械手單步操作梯形圖

E返回原位梯形圖

在“返回原位”狀態(tài)下，“夾持”與“下降”動作應被停止，上限位未動作時應進行“上升”；上限位動作時，“右行”動作應停止，并左行至左限位位置。返回原位梯形圖如下圖。

圖4.7機械手返回原位梯形圖

F “自動”狀態(tài)梯形圖

如下圖表示了機械手自動工作時執(zhí)行各工步的情況。表明了各工步的實現(xiàn)以及各工步的轉換條件。在第一次下降工步中，下降電磁閥Y430接通。自下限位置時，X401接通，轉化為“夾持”過程。在夾持工步中，夾持電磁閥Y431置位，同時驅動T450。T450接通后，轉化為第一次上升。此后執(zhí)行類似的操作，完成由初始條件到下一個初始條件的一系列操作。在夾持輸出Y431置位后，保持夾持，直到夾持輸出復位松開。如上述一步步按順序驅動各個負載動作，稱為順序控制或過程步進型控制。這種控制過程用繼電器符號程序很難實現(xiàn)程序設計。

圖4.8機械手自動工作流程圖

用狀態(tài)器替代自動工作流程圖中的各工步，可得到如下圖所示的功能表圖。初始狀態(tài)在圖中用雙線框表示。

圖4.9機械手自動工作功能表圖

根據(jù)上圖所示的功能表圖，可設計出自動操作時的梯形圖，如下圖所示。

圖4.10機械手自動工作梯形圖 繪制機械手PLC將控制梯形圖

將從初始化開始的一系列梯形圖，按照總體構成圖的形式作何在一起，得到機械手PLC控制的梯形圖，如下圖所示。

圖4.11機械手PLC控制梯形圖 該機械手在自動工作狀態(tài)時，應先將其工作方式選擇開關放在“返回原位”，并按下返回原位按鈕，對狀態(tài)器進行置位，然后再將工作方式選擇開關放至自動工作方式下。若自動工作狀態(tài)解除，則應將工作方式選擇開關放至“單步操作”位置。

4.5 功能表圖設計

步的劃分

分析被控對象的工作過程及控制要求，將系列的工作過程劃分成若干階段，這些階段稱為“步”。步是根據(jù)PLC輸出量的狀態(tài)劃分的，只要系統(tǒng)的輸出量狀態(tài)發(fā)生變化，系統(tǒng)就從原來的步進入新的步。如下圖所示，某液壓動力滑臺的整個工作過程可劃分為四步，即：0步A、B、C均不輸出；1步A、B輸出；2步B、C輸出；3步C輸出。在每一步內PLC各輸出量狀態(tài)均保持不變。

步也可根據(jù)被控對象工作狀態(tài)的變化來劃分，但被控對象的狀態(tài)變化應該是由PLC輸出狀態(tài)變化引起的。如下圖所示，初始狀態(tài)是停在原位不動，當?shù)玫狡饎有盘柡箝_始快進，快進到加工位置轉為工進，到達終點加工結束又轉為快退，快退到原位停止，又回到初始狀態(tài)。因此，液壓滑臺的整個工作過程可以劃分為停止（原位）、快進、工進、快退四步。但這些狀態(tài)的改變都必須是由PLC輸出量的變化引起的，否則就不能這樣劃分。例如：若從快進轉為工進與PLC輸出無關，那么快進、工進只能算一步。

總之，步的劃分應以PLC輸出量狀態(tài)的變化來劃分，因為我們是為了設計PLC控制的程序，所以PLC輸出狀態(tài)沒有變化時，就不存在程序的變化。2.轉換條件的確定

確定各相鄰步之間的轉換條件是順序控制設計法的重要步驟之一。轉換條件是使系統(tǒng)從當前步進入下一步的條件。常見的轉換條件有按鈕、行程開關、定時器和計數(shù)器觸點的動作（通/斷）等。

如上圖“步的劃分方法二”所示，滑臺由停止（原位）轉為快進，其轉換條件是按下起動按鈕SB1（即SB1的動合觸點接通）；由快進轉為工進的轉換條件是行程開關SQ2動作；由工進轉為快進的轉換條件是終點行程開關SQ3動作；由快退轉為停止（原位）的轉換條件是原位行程開關SQ1動作。轉換條件也可以是若干個信號的邏輯（與、或、非）組合。如：A1*A2、B1+B2。3.功能表圖的繪制

根據(jù)以上分析畫出描述系統(tǒng)工作過程的功能表圖，是順序控制設計中最為關鍵的一個步驟。繪制功能表圖的具體方法將在下面介紹。4.梯形圖的編制

根據(jù)功能表圖，采用某種編程方式設計出梯形圖程序。有關編程方式建在下一節(jié)中介紹。功能表圖的繪制方法 A

功能表圖概述

功能表圖又稱流程圖。它是描述控制系統(tǒng)的控制過程、功能和特征的一種徒刑。功能表圖并不涉及所描述的控制功能的具體技術，是一種通用的技術語言，因此，功能表圖也可用于不同專業(yè)的人員進行技術交流。

功能表圖是設計順序控制程序的有力工具。在順序控制設計法中，功能表圖的繪制是最關鍵的一個環(huán)節(jié)。它直接決定用戶設計的PLC程序的質量。

各個PLC廠家都開發(fā)了相應的功能表圖，各國也動制定了功能表圖的國家標準。我國于1986年也頒布了功能圖的國家標準（GB6988.6——86）。B

功能表圖的組成要素

如下圖所是為功能表圖的一般形式。它主要是由步、轉換、轉換條件、有向連線和動作等要素組成。

C

步與動作

前面已介紹過，用順序控制設計法設計PLC程序時，應根據(jù)系統(tǒng)輸出狀態(tài)的變化，將系統(tǒng)的工作過程劃分成若干個狀態(tài)不變的階段，這些階段稱為“步”。步在功能表圖中用矩形框表示。如，框內的數(shù)字是該步的編號。如下圖所示各步的編號為n-

1、。當系統(tǒng)正工作于某一步時，該步處于活動狀態(tài)，每個功能表圖至少應n、n+1。編程時一般用PLC內部軟繼電器來代表各步，因此經常直接用相應的內部軟繼電器編號作為步的編號，如該有一個初始步。

所謂“動作”是指某步活動時，PLC向被控系統(tǒng)發(fā)出的命令，或被控系統(tǒng)應該執(zhí)行的動作。動作用矩形框中的文字或符號表示，該矩形框應與相應步的矩形框相連接。如果某一步有幾個動作，可用下圖中的兩種畫法來表示，但并不隱含這些動作間的任何順序。

稱為“活動步”。在功能表圖中初始步用雙線框表示，如

當步處于活動狀態(tài)時，相應的動作被執(zhí)行。但應注意表明動作是保持型還是非保持型的。保持型的動作是指該步活動時執(zhí)行該動作，該步變?yōu)椴换顒雍罄^續(xù)執(zhí)行該動作；非保持型動作是指該步活動時執(zhí)行，該步變?yōu)椴换顒訒r動作也停止執(zhí)行。一般保持型的動作在功能表圖中應該用文字或助記符標注，而非保持型動作不要標注。D

有向連線、轉換和轉換條件 如上圖“功能表圖的一般形式”所示，步與步之間用有向連線連接，并且用轉換將步分隔開。步的活動狀態(tài)進展是按有向連線規(guī)定的路線進行。有向連線上無箭頭標注時，其進展方向是從上倒下、從左到右。如果不是上述方向，應在有向連線上用箭頭注明方向。步的活動狀態(tài)進展是由轉換來完成的。轉換是用與有向連線垂直的短劃線來表示。步與步之間不允許直接相連，必須有轉換隔開，而轉換與轉換之間也同樣不能直接相連，必須由步隔開。轉換條件是與轉換相關的邏輯命題。轉換條件可以用文字語言、布爾代數(shù)表達式或圖形符號標注表示轉換的短劃線旁邊。

轉換條件和，分別表示當二進制邏輯信號為“1”和“0”狀態(tài)時條件成立；轉換條件和1.分別表示的是，當從“0”（斷開）到“1”（接通）和從“1”到“0”狀態(tài)條件成立。

功能表圖中轉換的實現(xiàn)

步與步之間實現(xiàn)轉換應同時具備兩個條件：①前幾步必須是“活動步”；②對應的轉換條件成立。

當同時具備以上兩個條件時，才能實現(xiàn)步的轉換，即所有由有向連線與相應轉換符號相連的后續(xù)步都變?yōu)榛顒?，而所有由有向連線與相應轉換符號相連的前幾步都變?yōu)椴换顒印?.功能表圖的基本結構

根據(jù)步與步之間轉換的不同情況，功能表圖有以下幾種不同的基本結構形式。（1）單序列結構

功能表圖的單序列結構形式最為簡單，它由一系列按順序排列、相繼激活的步組成。，每一步的后面只有一個轉換，每一個轉換后面只有一步。（2）選擇序列結構

選擇序列有開始和結束之分。選擇序列的開始稱為分支，選擇序列的結束稱為合并；選擇序列的分支是指一個前級步后面緊接著有若干個后續(xù)步可供選擇，各分支都有各自的轉換條件。分支中表示轉換的短劃線只能標在水平線之下。

如下圖所示為選擇序列的分支。假設步4為活動步，如果轉換條件a成立，則步4向步5實現(xiàn)轉換；如果轉換條件b成立，則步4向步7轉換；如果轉換條件c成立，則步4向步9轉換。分支中一般同時只允許選擇其中一個序列。

選擇序列的合并是指幾個選擇分支合并到一個公共上。各分支也都有各自的轉換條件，轉換條件只能標在水平線之上。

如下圖所示為選擇序列的合并。如果步6為活動步，轉換條件d成立，則由步6向步11轉換；如果步8為活動步，且轉換條件c成立，則步8向步11轉換；如果步10為活動步，轉換條件f成立，則步10向步11轉換。

（3）并列序列結構

并列序列也有開始與結束之分。并列序列的開始也稱為分支，并列序列的結束也稱為合并。下圖（a）所示為并列序列的分支，它是指當轉換實現(xiàn)后將同時使多個續(xù)步激活。為了強調轉換的同步實現(xiàn)，水平連線用雙線表示。如果步3為活動步，且轉換條件c也成立，則4、6、8三步同時變成活動步，而步3變?yōu)椴换顒?。應當注意，當?、6、8被同時激活后，每一序列接下來的轉換將是獨立的。下圖（b）所示為并列序列的合并，當直接在雙線上的所有前級步5、7、9都為活動步時，轉換條件d成立，才能使轉換條件實現(xiàn)，即步10變?yōu)榛顒硬剑?、7、9均變?yōu)椴换顒硬健?/p>

（4）子步結構

在繪制復雜控制系統(tǒng)功能表圖時，為了使總體設計時容易抓住系統(tǒng)的主要矛盾，能更簡潔地表示系統(tǒng)的整體功能和全貌，通常采用“子步”的結構形式，可避免一開始就陷入某些細節(jié)中。

所謂子步的結構是指在功能表圖中，某一步包含著一系列子部和轉換。如下圖所示的功能表圖采用了子步的結構形式。功能表圖中步5包含了5.1、5.2、5.3、5.4四個子步。

子步結構

這些子步序列通常表示整個系統(tǒng)中的一個完整子總能，類似于計算機編程中的子程 序。因此，設計時只要先畫出簡單的描述整個系統(tǒng)的總功能表圖，然后再進一步畫出更詳細的子功能表圖。子步中可以包含更詳細的子步。這種采用子步的結構形式，邏輯性強，思路清晰，可以減少設計錯誤，縮短設計時間。

功能表圖除以上四種基本結構外，在實際使用中還經常碰到一些特殊序列，如跳步、重復和循環(huán)序列等。

（5）跳步、重復和循環(huán)序列

除以上單序列、選擇序列、并行序列和子步四種基本結構外，在實際系統(tǒng)中經常使用跳步、重復和循環(huán)序列等特殊序列。這些序列實際上都是選擇序列的特殊形式。如下圖（a）所示為跳步序列，當步3為活動步時，如果轉換條件c成立，則跳過步4和步5直接進入步6。

如下圖(b)所示為重復序列，當步6為活動步時，如果轉換條件d步成立而條件e成立，則重復返回步5，重復執(zhí)行步5和步6。直到轉換條件d成立，重復結束，轉入步7。如下圖（c）所示為循環(huán)序列，在序列結束后，即步3為活動步時，如果轉換條件e成立，則直接返回初始步0，形成系統(tǒng)的循環(huán)。

跳步、重復和循環(huán)序列

在實際控制系統(tǒng)中，功能表圖中往往不是單一地含有上述某一種系列，而經常是上述各種序列結構的組合。

第五章 設計小結

畢業(yè)設計是我們畢業(yè)前夕最后也是最重要的一份作業(yè)，是對我們三年求學的一個總結，包含了我們三年中所學知識的積累，更是提升我們能力的一種方式。同時也是對我們學業(yè)的考核使我們的學業(yè)得以圓滿結束。

經過一段時間的設計，可編程控制器和機械手的設計完畢，機械手的模型已設計完畢，其功能基本達到要求。整個系統(tǒng)穩(wěn)定性好，而且只要修改控制程序，就可以讓機械手作出不同的動作，控制的柔性很好。系統(tǒng)的分析與設計過程也是對學習的總結過程，更是進一步學習與探索的過程。在這個過程中，我對利用可編程控制器進行控制系統(tǒng)的設計與開發(fā)有了深刻的認識，對機械手的工作原理有了進一步的掌握，對控制系統(tǒng)的分析與設計有了切身的認識和深刻的體會，并在學習和實踐過程中增長了知識、豐富了經驗?？刂葡到y(tǒng)的開發(fā)設計是一項復雜的系統(tǒng)工程，必須嚴格按照系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設計、系統(tǒng)實施、系統(tǒng)運行于調試的過程來進行。系統(tǒng)的分析和設計是一項既復雜又辛苦的工作，同時也是一個充滿樂趣的過程，在設計過程中，要邊學習，邊實踐，遇到新的問題就不斷探索和努力直到問題得到解決。

在設計中，體會到理論必須和實際相結合。雖然收集了大量的資料，但在實際應用中卻有很多差異，出現(xiàn)了許多意想不到的問題。許多問題都是書本上是這樣，而在實際運用中卻很不一樣，在經過多次分析修改后，才設計出達到要求的系統(tǒng)。

參 考 文 獻

可編程序控制器的原理及應用

機械工業(yè)出版社

主編

王衛(wèi)兵 可編程序控制器的原理應用試驗

機械工業(yè)出版社 主編

常斗南 機電傳動與控制

華中理工大學出版社

主編 程憲平數(shù)控機床電氣控制

西安電子科技大學出版社

主編機電一體化系統(tǒng)設計

高等教育出版

主編

張建民

姚永剛

謝辭

緊張充實的畢業(yè)設計就要結束了，大學三年的生活也到了尾聲?；叵肫鹨酝拿篮脮r光，此時感慨萬千，首先感謝指導教師黨老師在畢業(yè)設計中對我的幫助，鼓勵和精心指導，黨老師治學嚴謹，學識淵博，思想深邃，視野雄廓，關鍵是指導有方嚴格我們要求，為我營造了一種良好的精神氛圍。置身黨老師的指導過程中，不僅我的思想觀念煥然一新，也改善了我的思考方式，而且還明白了許多待人接物與為人處世的道理。其嚴以律己，寬以待人的崇高風范，樸實無華、平易近人的人格魅力，令我如沐春風，倍感溫馨。一股暖意細水長流，源自內心而又沐潤全身，微言寸語豈能祥訴感激之情，只好銘記心中，唯有虔誠的祝福導師合家歡樂，一生平安。同時，也將祝福送給每一位幫助我的師長。同時感謝我的同學在我的畢業(yè)設計過程其中對我莫大的鼓勵。畢業(yè)設計的完成也算是對我們學習生涯的一個句號，回想三年大學時光，與老師和同學們的點點滴滴，你們給與我的種種幫助，使我得以今天能順利完成畢業(yè)設計，完成學業(yè)。謝謝你們，我所有的老師與同學。最后衷心的祝愿你們工作順利、家庭幸福、身體健康！

感謝我的朋友和同學們在我三年生活和學習中對我的幫助，就要分別了，衷心祝福各位一路走好。再次感謝各位老師和同學，希望大家以后工作順利。謝謝！

第四篇：控制電機的發(fā)展與感想

姓名：李奇遠學號：1001140621

班級：機單1002 順序控制電路

順序控制電路（范例）工作原理：圖A：KM2線圈電路由KM1線圈電路起動、停止控制環(huán)節(jié)之后接出。按下起動按鈕SB2，KM1線圈得電吸合并自鎖，此時才能控制KM2線圈電路。停止按鈕SB3只能控制M2電動機的停轉，停止按鈕SB1為全停按鈕。本電路只有滿足M1電動機先起動的條件，才能起動M2電動機。

圖B：控制電路由KM1線圈電路和KM2線圈電路單獨構成。KM1的動合觸點作為一控制條件，串接在KM2線圈電路中，只有KM1線圈得電吸合，其輔組助動合觸點閉合，此時才能控制KM2線圈電路。停止按鈕SB3只能控制M2電動機的停轉，停止按鈕SB1為全停按鈕。本電路只有滿足M1電動機先起動的條件，才能起動M2電動機。電動機是一種實現(xiàn)機、電能量轉換的電磁裝置。它是隨著生產力的發(fā)展而發(fā)展的，反過來，電動機的發(fā)展也促進了社會生產力的不斷提高。從19世紀末期起，電動機就逐漸代替蒸汽機作為拖動生產機械的原動機，一個多世紀以來，雖

電動機的基本結構變化不大，但是電動機的類型增加了許多，在運行性能，經 濟指標等方面也都有了很大的改進和提高，而且隨著自動控制系統(tǒng)和計算機技 術的發(fā)展，在一般旋轉電動機的理論基礎上又發(fā)展出許多種類的控制電動機，控制電動機具有高可靠性﹑好精確度﹑快速響應的特點，已成為電動機學科的 一個獨立分支。電動機的功能是將電能轉換成機械能，它可以作為拖動各種生產機械的動力，是國民經濟各部門應用最多的動力機械。

在現(xiàn)代化工業(yè)生產過程中，為了實現(xiàn)各種生產工藝過程，需要各種各樣的生產 機械。拖動各種生產機械運轉，可以采用氣動，液壓傳動和電力拖動。由于電 力拖動具有控制簡單﹑調節(jié)性能好﹑耗損小﹑經濟，能實現(xiàn)遠距離控制和自動控制等一系列優(yōu)點，因此大多數(shù)生產機械都采用電力拖動按照電動機的種類不同，電力拖動系統(tǒng)分為直流電力拖動系統(tǒng)和交流電力拖動系統(tǒng)兩大類。縱觀電力拖動的發(fā)展過程，交、直流兩種拖動方式并存于各個生產領域。在交流電出現(xiàn)以前，直流電力拖動是唯一的一種電力拖動方式，19世紀末期，由于研制出了經濟實用的交流電動機，致使交流電力拖動在工業(yè)中得到了廣泛的應用，但隨著生產技術的發(fā)展，特別是精密機械加工與冶金工業(yè)生產過程的進步，對電力拖動在起動，制動，正反轉以及調速精度與范圍等靜態(tài)特性和動態(tài)響應方面提出了新的，更高的要求。由于交流電力拖動比直流電力拖動在技術上難以實現(xiàn)這些要求，所以20世紀以來，在可逆，可調速與高精度的拖動技術領域中，相當時期內幾乎都是采用直流電力拖動，而交流電力拖動則主要用于恒轉速系統(tǒng)。雖然直流電動機具有調速性能優(yōu)異這一突出特點，但是由于它具有電刷與換向不能在有易爆氣體及塵埃多的場合使用），其電壓等級，額定轉速，單機容量的發(fā)展也受到了限制。所以，在20世紀60年代以后，隨著電力電子技術的發(fā)展，半導體交流技術的交流技術的交流調速系統(tǒng)得以實現(xiàn)。尤其是70年代以來，大規(guī)模集成電路和計算機控制技術的發(fā)展，為交流電力拖動的廣泛應用創(chuàng)造了有利條件。諸如交流電動機的串級調速，各種類型的變頻調速，無換向器電動機調速等，使得交流電力拖動逐步具備了調速范圍寬，穩(wěn)態(tài)精度高，動態(tài)響應快以及在四象限做可逆運行等良好的技術性能，在調速性能方面完全可與直流電力拖動媲美。除此之外，由于交流電力拖動具有調速性能優(yōu)良，維修費用低等優(yōu)點，將廣泛應用于各個工業(yè)電氣自動化領域中，并逐步取代直流電力拖動而成為電力拖動的主流。電動機的未來：

經歷了100多年的技術發(fā)展，電動機自身的理論基本成熟。隨著電工技術的發(fā)展，對電能的轉換、控制以及高效使用的要求越來越高。電磁材料的性能不斷提高，電工電子技術的廣泛應用，為電動機的發(fā)展注入了新的活力未來電動機將會沿著體積更小、機電能量轉換效率更高、控制更靈活的方向繼續(xù)發(fā)展?？刂萍夹g的發(fā)展推動加工技術的高速高精化。

80年代以來，數(shù)控系統(tǒng)逐漸應用伺服電機作為驅動器件。交流伺服電機內是無刷結構，幾乎不需維修，體積相對較小，有利于轉速和功率的提高。目前交流伺服系統(tǒng)已在很大范圍內取代了直流伺服系統(tǒng)。在當代數(shù)控系統(tǒng)中，交流伺服取代直流伺服、軟件控制取代硬件控制成為了伺服技術的發(fā)展趨勢。由此產生了應用 在數(shù)控機床的伺服進給和主軸裝置上的交流數(shù)字驅動系統(tǒng)。隨著微處理器和全數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的計算速度大大提高，采樣時間大大減少伺服控制變?yōu)檐浖欧刂坪?，大大地提高了伺服系統(tǒng)的性能。例如OSP-U10/U100 網絡式數(shù)控系統(tǒng)的伺服控制環(huán)就是一種高性能的伺服控制網，它對進行自律控制的各個伺服裝置和部件實現(xiàn)了分散配置，網絡連接，進一步發(fā)揮了它對機床的控制能力和通信速度。這些技術的發(fā)展，使伺服系統(tǒng)性能改善、可靠性提高、調試方便、柔性增強，大大推動了高精高速加工技術的發(fā)展。另外先進傳感器檢測技術的發(fā)展也極大地提高了交流電動機調速系統(tǒng)的動態(tài)響應性能和定位精度。交流伺服電機調速系統(tǒng)一般選用無刷旋轉變壓器、混合型的光電編碼器和絕對值編碼器作為位置、速度傳感器，其傳感器具有小于1s的響應時間。伺服電動機本身也在向高速方向發(fā)展與上述高速編碼器配合實現(xiàn)了60m/min甚至100m/min的快速進給和1g的加速度。為保證高速時電動機旋轉更加平滑，改進了電動機的磁路設計，并配合高速數(shù)字伺服軟件，可保證電動機即使在小于1μm轉動時也顯得平滑而無爬行。交流直線伺服電機直接驅動進給技術已趨成熟。數(shù)控機床的進給驅動有“旋轉伺服電機＋精密高速滾珠絲杠”和直線電機直接驅動” 兩種類型。傳統(tǒng)的滾珠絲杠工藝成熟加工精度較高，實現(xiàn)高速化的成本相對較低，所以目前應用廣泛。使用滾，珠絲杠驅動的高速加工機床最大移動速度90m/min，加 速度1.5g。但滾珠絲杠是機械傳動，機械元件間存在彈性變形、摩擦和反向間隙，相應會造成運動滯后和非線性誤差，所以再進一步提高滾珠絲杠副移動速度和加速度比較難了。90年代以來，高速高精的大型加工機床中，應用直線電機直接驅動進給驅動方式。它比滾珠絲杠驅動具有剛度更高、速度范圍更寬、加速特更好、運動慣量更小、動態(tài)響應性能更佳，運行更平穩(wěn)、位置精

度更高等優(yōu)點。且直線電機直接驅動，不需中間機械傳動，減小了機械磨損與傳動誤差，減少了維護工作。直線電機直接驅動滾珠絲杠傳動相比，其速度提高30倍，加速度提高10倍，最大達10g，剛度提高倍，最高響應頻率達100Hz，還有較大的發(fā)展余地。當前，在高速高精加工機床領域中兩種驅動方式還會并存相當長一段時間，但從發(fā)展趨勢來看，直線電機驅動所占的比重會愈來愈大。種種跡象表明，直線電機驅動在高速高精加工機床上的應用已進入加速增長期。學習控制電機心得：

自己是學機械的，大學里學了4年，基本上只是學了點皮毛。雖然也做了精工實習，但是那些都是很短的時間對一些機械上用到的基本工藝的了解。學車床的時候老師會告訴你不要隨便亂動床子，調好的轉速自己就在上面車就可以了，學銑床的時候大家圍一起就在銑那個平面，學鍛造的時候大家都不敢靠近那個烤皮膚的爐子.......。終于畢業(yè)了，詳細的就不講了。畢業(yè)后才知道什么是真正的工藝，為什么課堂上的老師一直在強調這個工藝的重要性，以前自己以為學會了制圖，學會了畫圖的CAD就可以做機械設計了?，F(xiàn)在看看那都是扯淡，當你畫出來得圖漏洞百出，讓那些現(xiàn)場的師傅一看就知道是一個完全不等工藝的，又是罵罵咧咧的。經過多了，在會后看一下自己學過的課本，似乎覺得與以前不一樣了，東西理解的層次也不一樣了。機械就不多說了，因為這里主要的是討論控制電機。自己開始自學電控也有點時間了，完全是考論壇上查查，書本上看看，網上查查?，F(xiàn)在覺得電控這個東西，如果要完全靠這個來吃飯，那就沒什么說的了，一定要學深。我們這里說的是大部分與我一樣的，自己的學機械的，需要一些電控的知識做輔助的。就像自己的朋友剛剛問了自己一個問題，要讓一個普通的電機控制在轉兩圈半的時候怎么實現(xiàn)。他告訴我公司的電控部門說，這方面太難了。自己雖然可能真的是剛入行的，所以我就告訴他這個有什么難的，舍得花錢就用伺服電機。否則就用一個紅外線感應器，在電機上加一個輔助的配件來測點。這個應該對于懂電控的是一個非常簡單的問題了。

最主要的自己是要表達，這個電控要學的是什么。如果研究到深的地方，那就從電的最基礎學起，那有點難，也是順序學習，不怎么適合工作了的人群了。自己現(xiàn)在是嘗試逆向學習。因為始終覺得電控這個東西主要就是電機的控制，玩的那么復雜，什么PLC，什么變頻器，什么A/D D/A轉換，到了最終還不是為了控制那個電機的運動嗎？沒了這個電機的部分這些電控靠什么實現(xiàn)，靠什么來執(zhí)行？既然是為了控制電機，那就先把幾種電機弄清楚，然后知道哪幾個參數(shù)可以控制這個電機，再去找什么樣的電氣元件可以控制這幾個參數(shù)，然后再去看要控制這幾個參數(shù)需要滿足那些條件。

就拿交流電機的控制來講，使用變頻器的調頻功能來調速，那就涉及到了U/f特性曲線，然后再去研究一下這個。如果是調壓來控制轉速，通過特性曲線可以看出來，如果要恒轉矩來調，可調的范圍很小，所以基本上用在變轉矩的情況。直流電機調壓就是使用的那個PWM來調節(jié)，然后自己在去稍微研究一下這個PWM的原理又是什么。就這樣逆向學習，用到哪個不明白的再針對性的去學。自己認為對于需要了解一下這方面的知識的人，或者在自己的工作中需要有一些理論知識的人就需要通過類似的方式來學習。因為專業(yè)方面的人才多之又多，但是綜合方面的人就未必那么好找了。

第五篇：機電一體化教案與PPT1

第1章

引

論

1.1 概

述

1、引言

機電一體化技術是20世紀60年代以來，在傳統(tǒng)的機械技術基礎上，隨著電子技術、計算機技術，特別是微電子技術和信息技術的迅猛發(fā)展而發(fā)展起來的一門新技術。

“機電一體化”一詞的英文名詞是“Mechatronics”，它是取Mechanics（機械學）的前半部分和Electronics（電子學）的后半部分拼合而成。它是一個新興的邊緣學科，國內外處于發(fā)展階段，代表著機械工業(yè)技術革命的前沿方向。

機電一體化技術綜合應用了機械技術、微電子技術、信息處理技術、自動控制技術、檢測技術、電力電子技術、接口技術及系統(tǒng)總體技術等群體技術，從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，根據(jù)系統(tǒng)功能目標和優(yōu)化組織結構目標，以智能、動力、結構、運動和感知組成要素為基礎，對各組成要素及其間的信息處理、接口耦合、運動傳遞、物質運動、能量變換機理進行研究，使得整個系統(tǒng)有機結合與綜合集成，并在系統(tǒng)程序和微電子電路的有序信息流控制下，形成物質和能量的有規(guī)則運動，在高質量、高精度、高可靠性、低能耗意義上實現(xiàn)多種技術功能復合的最佳功能價值的系統(tǒng)工程技術。

這里機械技術是基礎，信息處理技術主要指計算機，控制技術是機電一體化系統(tǒng)的關鍵技術，檢測技術對自身及外部參數(shù)進行感知，電力電子技術傾向于驅動，主要是關于強電，這些技術并不是獨立而是相互關聯(lián)融合，所以說機電一體化技術是一個交叉學科的新技術。

舉例：畫像機器人、攀爬機器人。機械部分組成了其基本結構，通過傳感器檢測其運行狀態(tài)參數(shù)，再由控制器控制執(zhí)行機構實現(xiàn)目標。再如控制器的選擇，可以單片機控制，也可以可編程控制器控制，這里就需要進行對比控制器的控制性能好、成本、能耗、可靠性等等，所以這也是一個系統(tǒng)優(yōu)化的問題。

雖然機電一體化技術是門新技術，但是它的發(fā)展迅速。機電一體化技術在制造業(yè)的應用從一般的數(shù)控機床、加工中心和機械手發(fā)展到智能機器人、柔性制造系統(tǒng)（FMS）、無人生產車間和將設計、制造、銷售、管理集成一體的計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）。

機電一體化：從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，將機械技術、微電子技術、信息技術、控制技術等在系統(tǒng)工程基礎上有機地加以綜合，以實現(xiàn)整個系統(tǒng)最佳化的一門新科學技術。

注意：機電一體化不是機械與電子簡單的疊加，而是在信息論、控制論和系統(tǒng)論的基礎上建立起來的應用技術

兩個顯著特征： １）系統(tǒng)的科學性

２）學科綜合性和技術集成性

機電一體化含義：機電一體化系統(tǒng)、機電一體化技術 機電一體化系統(tǒng)（產品）：

（1）加工制造業(yè)：從數(shù)控機床、加工中心和機械手發(fā)展到智能機器人、柔性制造系統(tǒng)（FMS）、無人生產車間和將設計、制造、銷售、管理集成一體的計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）；生產設備中集成電路自動生產線、激光切割設備、印刷設備；

（2）家用電器：如洗衣機、目前的許多智能洗衣機采用了模糊控制，實現(xiàn)水位、洗滌時間、干燥度的自動控制，把人們從勞動中解放出來。但是現(xiàn)在存在的最大問題就是洗衣干凈度的問題，很難判斷，也有的是根據(jù)排水的干凈度來判斷衣服的干凈度，但是有些污垢附著在衣服上不能洗掉，所以也不能作為標準。

（3）航空航天設備：如雷達、飛船等。雷達是一種典型的伺服控制裝置，不僅能夠跟蹤目標，將信息返回到控制中心，實對其的控制。

（4）醫(yī)療儀器及設備：如CT、分析儀等 另外，汽車、辦公自動化、環(huán)境監(jiān)測等。

機電一體化技術：其中包含很多共性的關鍵技術，后面介紹。舉例：數(shù)控機床、焊接機器人、汽車ABS系統(tǒng) 機電一體化產品的特點：

1）整體結構最優(yōu)化（小型輕量）

2）系統(tǒng)控制的智能化（“傻瓜”相機）

3）操作性能柔性化（靈活性和適應性）機電一體化技術與其他高新技術的關系：

1、機電一體化技術是其他高新技術發(fā)展的基礎；

2、機電一體化的發(fā)展依賴于其他相關技術的發(fā)展。

隨著信息技術、材料技術、生物技術等新興學科的高速發(fā)展，在數(shù)控機床、機器人、微型機械、家用智能設備、醫(yī)療設備、現(xiàn)代制造系統(tǒng)等產品及領域，機電一體化技術將得到更加蓬勃的發(fā)展。

2、機電一體化系統(tǒng)的基本組成要素

舉例：數(shù)控機床伺服系統(tǒng)1）結構組成2）分析歸類共性 一個典型的機電一體化系統(tǒng)，應包含以下幾個基本要素：

機械本體、動力與驅動部分、執(zhí)行機構、傳感測試部分、控制及信息處理部分。

歸納為：結構組成要素、動力組成要素、運動組成要素、感知組成要素、智能組成要素這些組成要素內部及其之間，形成通過接口耦合來實現(xiàn)運動傳遞、信息控制、能量轉換等有機融合的一個完整系統(tǒng)。

圖1—1機電一體化系統(tǒng)的組成要素及功能

a）機電一體化系統(tǒng)的組成要素

b）機電一體化系統(tǒng)的功能

1、機械本體

機電一體化系統(tǒng)的機械本體包括：機身、框架、聯(lián)接等，實現(xiàn)構造功能。

要求：高效率、多功能、高可靠性和節(jié)能、小型、輕量、美觀等（由于機電一體化產品技術性能、水平和功能的提高，機械本體要在機械結構、材料、加工工藝性以及幾何尺寸等方面適應產品）

2、動力與驅動

提供能量，轉換成需要的形式，實現(xiàn)動力功能

要求：效率高、、快速響應、適應性好、可靠性高；

盡可能小的動力輸入獲得盡可能大的功能輸出--顯著特征之一

由于電力電子技術的高度發(fā)展，高性能的步進驅動、直流伺服和交流伺服驅動方式大量應用于機電一體 系統(tǒng)。

3、傳感測試部分

檢測產品內部狀態(tài)和外部環(huán)境，分析處理后實現(xiàn)計測功能

要求：體積小、精度高、實時性強、抗干擾能力強

4、執(zhí)行機構

包括機械傳動與操作機構，接收控制信息，完成要求的動作，實現(xiàn)主功能（靜特性、動特性）。

常用執(zhí)行機構：機械、電磁、電液等機構

5、控制及信息單元

處理、運算、決策，實現(xiàn)控制功能

要求：高可靠性、柔性、自診性、智能化

將來自各傳感器的檢測信息和外部輸入命令進行集中、儲存、分析、加工，根據(jù)信息處理結果，按照一定的程序和節(jié)奏發(fā)出相應的指令，控制整個系統(tǒng)有目的地運行。一般由計算機、可編程控制器（PLC）、數(shù)控裝置以及邏輯電路、A/D與D/A轉換、I/O（輸入輸出）接口和計算機外部設備等組成。

以上這五部分我們通常稱為機電一體化的五大組成要素，這些組成要素內部及其之間，形成通過接口耦合來實現(xiàn)運動傳遞、信息控制、能量轉換等有機融合的一個完整系統(tǒng)。

遵循原則：接口耦合、運動傳遞、信息控制、能量轉換的原則--四大原則。

6、接口耦合、能量轉換

（1）變換

兩個需要進行信息交換和傳輸?shù)沫h(huán)節(jié)之間，由于信息的模式不同（數(shù)字量與模擬量、串行碼與并行碼、連續(xù)脈沖與序列脈沖等等），無法直接實現(xiàn)信息或能量的交流，需要通過接口完成信息或能量統(tǒng)一。

（2）放大

在兩個信號強度相差懸殊的環(huán)節(jié)間，經接口放大，達到能量的匹配。如電液閥

（3）耦合變換和放大后的信號在環(huán)節(jié)間能可靠、快速、準確地交換，必須遵循一致的時序、信號格式和邏輯規(guī)范。接口具有保證信息的邏輯控制功能，使信息按規(guī)定模式進行傳遞。

（4）能量轉換

包含了執(zhí)行器、驅動器。涉及到不同類型能量間的最優(yōu)轉換方法與原理。液壓泵

7、信息控制

在系統(tǒng)中，所謂智能組成要素的系統(tǒng)控制單元，在軟、硬件的保證下，完成數(shù)據(jù)采集、分析、判斷、決策，以達到信息控制的目的。對于智能化程度高的系統(tǒng)，還包含了知識獲取、推理及知識自學習等以知識驅動為主的信息控制。

8、運動傳遞

運動傳遞是指運動各組成環(huán)節(jié)之間的不同類型運動的變換與傳輸，如：位移變換、速度變換、加速度變換及直線運動和旋轉運動變換等。運動傳遞還包括以運動控制為目的的運動優(yōu)化設計，目的是提高系統(tǒng)的伺服性能。

3、機電一體化系統(tǒng)的技術組成

機電一體化系統(tǒng)各種學科相互滲透作用的結果，其技術組成包括：機械技術、檢測技術、伺服傳動技術、計算機與信息處理技術、自動控制技術和系統(tǒng)總體技術等?，F(xiàn)代的機電一體化產品甚至還包含了光、聲、化學、生物等技術等應用。

1、機械技術

機械技術是機電一體化的基礎，實現(xiàn)機電一體化產品的主功能和構造功能。隨著高新技術引入機械行業(yè)，在機電一體化產品中，要優(yōu)化設計系統(tǒng)結構、重量、體積、剛性和壽命等參數(shù)對機電一體化系統(tǒng)的綜合影響。實現(xiàn)結構上、材料上、性能上以及功能上的變更，滿足減少重量、縮小體積、提高精度、提高剛度、改善性能和增加功能的要求。

2、計算機與信息處理技術

信息處理技術主要完成信息的交換、存取、運算、判斷和決策等，其主要工具是計算機。因此計算機技 術與信息處理技術是密切相關的。計算機信息處理部分指揮整個系統(tǒng)的運行。信息處理是否正確、及時，直接影響到系統(tǒng)工作的質量和效率。

人工智能技術、專家系統(tǒng)技術、神經網絡技術都屬于計算機信息處理技術

3、自動控制技術

控制技術的內容豐富，主要在基本控制理論的指導下，對具體裝置或控制系統(tǒng)設計，最終可靠的投入運行。例如高精度定位控制、速度控制、自適應控制、自診斷、校正、補償、再現(xiàn)、檢索等。自動控制技術越來越多地與計算機控制技術聯(lián)系在一起，成為十分重要的關鍵技術。

4、傳感與檢測技術

研究對象：傳感器及其信號檢測裝置（即變送器）

作用：感受器官、反饋環(huán)節(jié)。

要求：快速、精確地獲得信息并在相應的應用環(huán)境中

傳感與檢測是實現(xiàn)自動控制、自動調節(jié)的關鍵環(huán)節(jié)，它的功能越強，系統(tǒng)的自動化程度就越高，關鍵元件是傳感器。傳感與檢測裝置是系統(tǒng)的感受器官，它與信息系統(tǒng)的輸入端相聯(lián)并將檢測到的信息輸送到信息處理部分。

傳感器是將被測量（包括各種物理量、化學量和生物量等）變換成系統(tǒng)可識別的，與被測量有確定對應關系的有用電信號的一種裝置。

5、伺服傳動技術

研究對象：執(zhí)行元件及其驅動裝置

執(zhí)行元件種類：電動（伺服電機、步進電機）、液壓（脈沖油缸、馬達）、氣壓

驅動裝置：各種電動機的驅動電源電路

驅動裝置由微型計算機通過接口與這些傳動裝置相連接，控制它們的運動，帶動工作機械作回轉、直線以及其他各種復雜的運動。伺服傳動技術是直接執(zhí)行操作的技術，伺服系統(tǒng)是實現(xiàn)電信號到機械動作的轉換裝置或部件，對系統(tǒng)的動態(tài)性能、控制質量和功能具有決定性的影響。

變頻技術的發(fā)展，交流伺服驅動技術取得突破性進展，為機電一體化系統(tǒng)提供了高質量的伺服驅動單元，極大地促進了機電一體化技術的發(fā)展。

6、系統(tǒng)總體技術

系統(tǒng)總體技術是一種從整體目標出發(fā),用系統(tǒng)的觀點和全局角度,將總體分解成相互有機聯(lián)系的若干單元,找出能完成各個功能的技術方案,再對組成方案組進行分析、評價和優(yōu)選的綜合應用技術。

解決問題：系統(tǒng)的性能優(yōu)化問題和組成要素之間的有機聯(lián)系問題, 使整個系統(tǒng)很好的協(xié)調的正常運行 接口技術是系統(tǒng)總體技術的關鍵環(huán)節(jié)，主要有電氣接口、機械接口、人機接口。電氣接口實現(xiàn)系統(tǒng)間信號聯(lián)系；機械接口則完成機械與機械部件、機械與電氣裝置的連接；人機接口提供人與系統(tǒng)間的交互界面。

4、機電一體化技術與其他技術的區(qū)別

機電一體化技術有著自身的顯著特點和技術范疇，為了正確理解和恰當運用機電一體化技術，我們必須認識機電一體化技術與其他技術之間的區(qū)別。

（1）機電一體化技術與傳統(tǒng)機電技術的區(qū)別

傳統(tǒng)機電技術：操作控制主要以電磁學原理的各種電器來實現(xiàn)，如繼電器、接觸器等，在設計中不考慮或很少考慮彼此間的內在聯(lián)系。機械本體和電氣驅動界限分明，整個裝置是剛性的，不涉及軟件和計算機控制。

機電一體化技術：以計算機為控制中心，在設計過程中強調機械部件和電器部件間的相互作用和影響，整個裝置在計算機控制下具有一定的智能性。

（2）機電一體化技術與并行技術的區(qū)別

機電一體化技術：機械技術、微電子技術、計算機技術、控制技術和檢測技術在設計和制造階段就有機 結合在一起，十分注意機械和其他部件之間的相互作用。

并行工程：各種技術盡量在各自范圍內齊頭并進，只在不同技術內部進行設計制造，最后通過簡單疊加完成整體裝置。

（3）機電一體化技術與自動控制技術的區(qū)別

自動控制技術：側重點是討論控制原理、控制規(guī)律、分析方法和自動系統(tǒng)的構造等。

機電一體化技術：將自動控制原理及方法作為重要支撐技術，將自控部件作為重要控制部件。它應用自控原理和方法，對機電一體化裝置進行系統(tǒng)分析和性能測算。

（4）機電一體化技術與計算機應用技術的區(qū)別

機電一體化技術：只是將計算機作為核心部件應用，目的是提高和改善系統(tǒng)性能。

計算機應用技術：機電一體化系統(tǒng)中的應用僅僅是計算機應用技術中一部分，它還可以作為辦公、管理及圖象處理等廣泛應用。機電一體化技術研究的是機電一體化系統(tǒng)，而不是計算機應用本身。

思考：機電一體化系統(tǒng)與人體的對應關系？

1.2 機電一體化系統(tǒng)的設計

機電一體化系統(tǒng)（或產品）的設計過程中，一直要堅持貫徹機電一體化技術的系統(tǒng)思維方法，要從系統(tǒng)整體的角度出發(fā)分析研究各個組成要素間的有機聯(lián)系，從而確定系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的設計方法，并用自動控制理論的相關手段，進行系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性分析，實現(xiàn)機電一體化系統(tǒng)的優(yōu)化設計。

1、機電一體化系統(tǒng)的分類

機電一體化系統(tǒng)（產品）種類繁多，目前還在不斷的發(fā)展增加中，可以從控制機構及產品種類劃分類型。（1）從控制的角度機電一體化系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。1）開環(huán)控制

開環(huán)控制的機電一體化系統(tǒng)是沒有反饋的控制系統(tǒng)。

特點：結構簡單, 成本低, 維修方便；但精度較低,對輸出和干擾沒有診斷能力。

應用場合：常用于精度要求不高的場合，如家用電器、簡易NC機床。2）閉環(huán)控制

閉環(huán)控制系統(tǒng)，輸出信號由反饋環(huán)節(jié)與輸入信號比較，經控制器分析處理，從而實現(xiàn)對輸出的補償

特點：精度高抗干擾能力強，但結構復雜成本高。

應用場合：現(xiàn)代機電一體化系統(tǒng)常采用閉環(huán)控制，如數(shù)控機床，機器人，雷達等。

（2）從用途分類，機電一體化系統(tǒng)的種類繁多，如機械制造業(yè)機電一體化設備、電子器件及產品生產用自動化設備、軍事武器及航空航天設備、家庭智能機電一體化產品、醫(yī)學診斷及治療機電一體化產品、以及環(huán)境、考古、探險、玩具等領域的機電一體化產品等。

2、機電一體化系統(tǒng)（產品）開發(fā)的類型

傳統(tǒng)的設計方法：經驗公式、圖表、手冊等

現(xiàn)代設計方法：以計算機為手段所進行的一種新的有效的方法。

機電一體化系統(tǒng)（產品）開發(fā)的類型依據(jù)該系統(tǒng)與相關產品比較的新穎程度和技術獨創(chuàng)性，可分為開發(fā)性設計、適應性設計和變參數(shù)設計。

1、開發(fā)性設計

開發(fā)性設計是一種獨創(chuàng)性的、全新的設計方式。開發(fā)性設計是屬于產品發(fā)明專利范疇。最初的電視機和錄象機、中國的神5航天飛機都屬于開發(fā)性設計。

2、適應性設計

適應性設計是中，主要原理和設計方案保持不變的情況下，僅對功能和結構進行重新設計。適應性設計屬于實用新型專利范疇。如電腦控制的洗衣機代替機械控制的半自動洗衣機；照相機的自動曝光代替手動調整等。

3、變參數(shù)設計

變參數(shù)設計是僅改變部分結構尺寸而形成的系列產品，使之適用范圍發(fā)生變化的設計方式。例如，同一種產品不同規(guī)格型號的相同設計。

3、機電一體化系統(tǒng)（產品）設計方案的常用方法

在進行機電一體化系統(tǒng)（產品）設計之前，要依據(jù)該系統(tǒng)的通用性、可靠性、經濟性和防偽性等要求合理的確定系統(tǒng)的設計方案。擬定設計方案的方法通常有取代法、整體設計法和組合法。

（1）取代法

是改造舊產品開發(fā)新產品或對原系統(tǒng)進行技術改造常用的方法。如電氣控制取代原系統(tǒng)中機械控制機構；電氣調速控制系統(tǒng)取代機械式變速機構；用可編程序控制器取代機械凸輪控制機構、中間繼電器等。這不但大大簡化了機械結構和電器控制，而且提高了系統(tǒng)的性能和質量。

（2）整體設計法

整體設計法主要用于新產品開發(fā)設計。在設計時完全從系統(tǒng)的整體目標出發(fā)，考慮各子系統(tǒng)的設計。由于設計過程始終圍繞著系統(tǒng)整體性能要求，各環(huán)節(jié)的設計都兼顧了相關環(huán)節(jié)的設計特點和要求，使系統(tǒng)各環(huán)節(jié)間接口有機融合、銜接方便，且大大提高了系統(tǒng)的性能指標和制約了仿冒產品生產的難度。該方法的缺點是設計和生產過程的難度和周期增大，成本較高，維修和維護難度加大。例如，機床的主軸和電機轉子合為一體；直線式伺服電機的定子繞組埋藏在機床導軌之中；帶減速裝置的電動機和帶測速的伺服電機等。

3、組合法

就是選用各種標準功能模塊組合設計成機電一體化系統(tǒng)。例如，設計一臺數(shù)控機床，可以依據(jù)機床的性能要求，通過對不同廠家的計算機控制單元、伺服驅動單元、位移和速度測試單元及主軸、導軌、刀架、傳動系統(tǒng)等產品的評估分析，研究各單元間接口關系和各單元對整機性能的影響，通過優(yōu)化設計確定機床的結構組成。此方法開發(fā)的機電一體化系統(tǒng)（產品）具有設計研制周期短、質量可靠、生產成本低，且有利于生產管理和系統(tǒng)的使用維護。

4、機電一體化系統(tǒng)設計

系統(tǒng)設計：用系統(tǒng)思維綜合運用各有關學科的知識、技術和經驗，在系統(tǒng)分析的基礎上，通過總體研究和詳細設計，實現(xiàn)滿足設計目標的產品研發(fā)過程。

基本原則：使設計工作獲得最優(yōu)化效果，在保證目的功能要求與適當使用壽命的前提下不斷降低成本。過程：是“目標—功能—結構—效果“的多次分析與綜合的過程。綜合可理解為各種解決問題要素的拼合的模型化過程。分析是綜合的反行為，也是提高綜合水平的必要手段。分析也是分解與剖析，對綜合后解決方案提出質疑、論證和改革。通過分析，排除不合適的方案或方案中不合適的部分，為改善、提高和評價作準備。綜合與分析是相互作用的。

傳統(tǒng)的設計方法：經驗公式、圖表、手冊等

現(xiàn)代設計方法：以計算機為手段所進行的一種新的有效的方法。

其設計步驟：設計預測一→信號分析一→科學類比一→系統(tǒng)分析設計一→創(chuàng)造設計一→選擇各種具體的現(xiàn)代設計方法（如相似設計法、模擬設計法、有限元法、可靠性設計法、動態(tài)分析法、優(yōu)化設計法、模糊設計法等）一→機電一體化系統(tǒng)設計質量的綜合評價。

現(xiàn)代設計方法還在不斷發(fā)展，它必將為機電一體化系統(tǒng)設計提供更新穎而廣闊的思路與視野。

5、機電一體化系統(tǒng)（產品）的工程路線 各種機電一體化系統(tǒng)（產品）的研究、開發(fā)、生產及銷售的過程各自有其自身特點，歸納其基本規(guī)律，機電一體化系統(tǒng)（產品）的工程路線如圖1-2所示。

圖1-2 機電一體化系統(tǒng)（產品）的工程路線

1.3 機電一體化發(fā)展趨勢

1、機電一體化技術現(xiàn)狀

機電一體化占據(jù)主導地位是制造產業(yè)發(fā)展的必然趨勢，而制造產業(yè)是整個科學技術和國家經濟發(fā)展的基礎工業(yè)，因而機電一體化在當前激烈的國際政治、軍事、經濟競爭中有舉足輕重的作用，受到各工業(yè)國家的極大重視。

（1）技術發(fā)展

日本將智能傳感器,計算機芯片制造技術,具有視頻、觸覺和人機對話能力的人工智能工業(yè)機器人,柔性制造系統(tǒng)等,列為高技術領域的重大研究課題。

西歐高技術發(fā)展規(guī)劃“尤里卡”計劃,提出五大關鍵技術領域,其中包括研制可自由行動、決策并易于人機對話的歐洲第三代安全民用機器人,廣泛合作研究計算機輔助設計、制造、生產、管理的柔性系統(tǒng),實現(xiàn)工廠全面自動化等機電一體化研究方向。

1991年3月,美國國家關鍵技術委員會提交的報告《國家關鍵技術》中,列舉了22項對于美國國家經濟繁榮和國防安全至為關鍵的技術,其中包括機器人、傳感器、控制技術和CIMS及與CIMS相關的其他工具和技術。

（2）資金支持

技術密集型的高技術發(fā)展初期投資大、回收少,多數(shù)國家政府給予資金支持和必要的政策優(yōu)惠。

如前西德1984~1988年的五年計劃確定,提供5.3億馬克用于資助計算機輔助設計和制造的應用,擴大工業(yè)機器人、軟件操作系統(tǒng)和外圍設備的工業(yè)基礎等先進生產技術的應用。 日本政府早在1971年,已把數(shù)控機床作為重點扶植對象，1978年后開展了高精度高性能機器人的研究，先后投資400多億日元。

美國1983年制定的“星球大戰(zhàn)（SDI）”計劃投資1000億美元以發(fā)展高技術,其中也包括發(fā)展空間機器人、核能機器人、軍事機器人及工業(yè)機器人等相關技術。美國國家科學基金會（NST）每年投資100萬美元,國家標準局（NBS）每年投資150萬美元用于發(fā)展相關技術。國家規(guī)劃和支持對美國機器人技術的發(fā)展起了很大的推動作用。

（3）我國現(xiàn)狀

我國是發(fā)展中國家,與發(fā)達國家相比工業(yè)技術水平存在一定差距,但有廣闊的機電一體化應用開拓領域和技術產品潛在市場。

1986年開始實施的“八六三”計劃，將自動化技術，重點是CIMS和智能機器人技術等機電一體化前沿技術確定為國家高技術重點研究發(fā)展領域。近年來,我國已研制成功了用于噴漆、焊接、搬運以及能前后行走的、能爬墻、能上下臺階、能在水下作業(yè)的多種類型機器人。CIMS研究方面,我國已在清華大學建成國家CIMS工程研究中心（ERC）,在一些著名大學和研究單位建立了7個CIMS單元技術實驗室和8個CIMS培訓中心,在國家立項實施CIMS的企業(yè)已達70余家。我國在制造業(yè)機電一體化的研究和應用方面積累了一定的經驗, 將推動機電一體化技術向更高層次縱深發(fā)展。

但是我國汽車電子化的水平與先進工業(yè)國家相比有較大差距，所以在這方面需要進行大量的工作。

近年來，我國已研制成功了噴漆、焊接、搬運、能前后行走的、能爬墻、能上下臺階、能在水下作業(yè)的多種類型機器人。CIMS研究方面，在清華大學建成國家CIMS工程研究中心（ERC），在一些著名大學和研究單位建立了7個CIMS單元技術實驗室和8個CIMS培訓中心，在國家立項實施CIMS的企業(yè)已達70余家。經過多年發(fā)展，我國在制造業(yè)機電一體化的研究和應用方面積累了一定的經驗，必將推動機電一體化技術向更高層次縱深發(fā)展。

2、機電一體化發(fā)展趨勢

隨著科技的發(fā)展和社會經濟的進步，對機電一體化技術提出了許多新的和更高的要求，制造業(yè)中的機電一體化應用就是典型的事例。毫無疑問，機械制造自動化中的數(shù)控技術、CNC、FMS、CIMS及機器人等技術的發(fā)展代表了機電一體化技術的發(fā)展水平。

為了提高機電產品的性能、質量，發(fā)展高新技術，現(xiàn)在有越來越多的零件要求制造精度越來越高，形狀也越來越復雜，如高精度軸承的滾動體圓度要求小于0.2μm；液浮陀螺球面的球度要求為0.1～0.5μm；激光打印機的平面反射鏡和錄像機磁頭的平面度要求為0.4μm，粗糙度為0.2μm。所有這些，要求數(shù)控設備具有高性能、高精度和穩(wěn)定加工復雜形狀零件表面的能力。因而新一代機電一體化產品正朝著高性能、智能化、系統(tǒng)化以及輕量、微型化方向發(fā)展。

1、機電一體化的高性能化

高性能化一般包含高速化、高精度、高效率和高可靠性。如現(xiàn)代數(shù)控設備在相當高的分辨率（0.1μm）情況下，系統(tǒng)仍有高速度(100m／min)，可控及聯(lián)動坐標達16軸，并且有豐富的圖形功能和自動程序設計功能。要求主軸轉速進給率、刀具交換，托板交換等各關鍵部分實現(xiàn)高速化；一般采用實時多任務操作系統(tǒng)，進行并行處理，使運算能力進一步加強，通過設置多重緩沖器，保證連續(xù)微小加工段的高速加工。快速插補運算對于復雜輪廓，將加工形狀用微小線段來逼近是通用方法。重要方面。

高速化和高精度是機電一體化的重要指標。高分辨率、高速響應的絕對位置傳感器是實現(xiàn)高精度的檢測部件。如法國IBAG公司等的磁浮軸承的高速主軸最高轉速可達15×104r/min，一般轉速為7×103～25×103 r/min；加工中心換刀速度高達1.5s；切削速度方面，目前硬質合金刀具和超硬材料涂層刀具車削和銑削低碳鋼的速度達500m/min以上，而陶瓷刀具可達800~l 000m/min，比高速鋼刀具30～40m/min的速度提高數(shù)十倍。精車速度甚至可達1 400m/min。

系統(tǒng)可靠性方面，一般采用冗余、故障診斷、自動檢錯、系統(tǒng)自動恢復和軟、硬件可靠性等技術使得機電一體化產品具有高性能。

2、機電一體化的智能化趨勢

人工智能是機器人與數(shù)控機床的智能化就是重要應用。智能機器人通過視覺、觸覺和聽覺等各類傳感器檢測工作狀態(tài)，根據(jù)實際變化過程反饋信息并做出判斷與決定。數(shù)控機床的智能化主要用各類傳感器對切削加工前后和加工過程中的各種參數(shù)進行監(jiān)測，并通過計算機系統(tǒng)作出判斷，自動對異?，F(xiàn)象進行調整與補償，以保證加工過程的順利進行，并保證加工出合格產品。目前還有出現(xiàn)智能制造系統(tǒng)（IMS）控制器來模擬人類專家的智能制造活動，（1）診斷過程的智能化

診斷功能的強弱是評價一個系統(tǒng)性能的重要智能指標之一。通過引入人工智能的故障診斷系統(tǒng)，采用各種推理機制，能準確判斷故障所在，并具有自動檢錯、糾錯與系統(tǒng)恢復功能，從而大大提高了系統(tǒng)的有效度。

（2）人一機接口的智能化

智能化的人一機接口，可以大大簡化操作過程，這里包含多媒體技術在人一機接口智能化中的有效應用。

（3）自動編程的智能化

操作者只需輸入加工工件素材的形狀和需加工形狀的數(shù)據(jù)，加工程序就可全部自動生成，這里包含：①素材形狀和加工形狀的圖形顯示；②自動工序的確定；③使用刀具、切削條件的自動確定；④刀具使用順序的變更；⑤任意路徑的編輯；⑥加工過程干涉校驗等。

（4）加工過程的智能化

通過智能工藝數(shù)據(jù)庫的建立，系統(tǒng)根據(jù)加工條件的變更，自動設定加工參數(shù)。同時，將機床制造時的各種誤差預先存入系統(tǒng)中，利用反饋補償技術對靜態(tài)誤差進行補償。還能對加工過程中的各種動態(tài)數(shù)據(jù)進行采集，并通過專家系統(tǒng)分析進行實時補償或在線控制。

3、機電一體化的系統(tǒng)化發(fā)展趨勢

系統(tǒng)化的表現(xiàn)特征之一是系統(tǒng)體系結構進一步采用開放式和模式化的總線結構。系統(tǒng)可以靈活組態(tài)，進行任意剪裁和組合，同時尋求實現(xiàn)多坐標多系列控制功能的NC系統(tǒng)。表現(xiàn)特征之二是通信功能的大大加強，一般除RS—232外，考慮通信聯(lián)網需要，建立通信局部網絡（LAN），正在成為標準化LAN的制造自動化協(xié)議（MAP）已開始進入NC系統(tǒng)，從而可實現(xiàn)異型機異網互聯(lián)及資源共享。

4、機電一體化的輕量化及微型化發(fā)展趨勢

一般機電一體化產品，除了機械主體部分，其他部分均涉及電子技術，隨著片式元器件（SMD）的發(fā)展，表面組裝技術（SMT）正在逐漸取代傳統(tǒng)的通孔插裝技術（THT）成為電子組裝的重要手段，電子設備正朝著小型化、輕量化、多功能、高可靠方向發(fā)展。80年代以來，SMT發(fā)展異常迅速，1993年電子設備平均60％以上采用SMT，同年世界電子元件片式化率達到45％以上。因此，機電一體化中具有智能、動力、運動、感知特征的組成部分將逐漸向輕量化、小型化方向發(fā)展。

此外，80年代末期，微型機械電子學及其相應的結構、裝置和系統(tǒng)的開發(fā)研究取得了綜合成果，科學家利用集成電路的微細加工技術，實現(xiàn)了將機構及其驅動器、傳感器、控制器及電源集成在一個很小的多晶硅上，因而獲得了完備的微型電子機械系統(tǒng)MEMS（Micro Electro Mechanical System）。整個尺寸縮小到幾個毫米甚至幾百微米。