任务　认识机电一体化系统

知识目标：

1.熟悉机电一体化的含义，了解机电一体化学科、机电一体化系统、机电一体化技术、机电一体化产品的基本概念；

2.掌握机电一体化技术的基本内容；

3.熟悉机电一体化系统的组成和常见机电一体化系统。

能力目标：

1.能区分机电一体化系统和过程控制系统；

2.能区分机电一体化产品、家电产品、普通机电产品；

3.能区分机电一体化控制装置与机电一体化控制系统，并指出其不同；

4.能分析机电一体化控制系统。

【相关知识】

一、机电一体化的含义

在工业自动化领域，机电一体化一词不但可用来表示学科，而且还经常被用作系统、技术和产品的名称，这些名称的含义分别介绍如下。

1.机电一体化学科

学科是以知识体系划分的科学门类。机电一体化是一个发展中的学科。在我国，机电一体化技术原隶属于“电子、通信与自动化控制技术（代码510）/自动控制技术（代码51080）”，学科代码为5108030；在新的学科分类与代码标准GB/T 13745—2008中，已将其调整为“信息与系统科学相关工程与技术（代码413）/控制科学与技术（代码41310）”，学科代码为4131030。

但是，随着科学技术的进步，高附加值、多功能、智能化已成为众多产品的发展方向，技术的综合与集成已成为必然，现代的机电一体化技术和产品不仅包括了机械、电子、信息技术，在很多场合往往还涉及光学、气动、液压等方面的内容，因此，又有了“光机电一体化”、“机电液一体化”等多种提法。总之，机电一体化技术是一种融合了“机械工程”、“电子、通信与自动化控制技术”、“计算机科学与技术”等多学科知识，有自身技术基础、设计理论和研究方法的综合性交叉学科，它强调多学科知识的融合与渗透。

2.机电一体化系统

从广义上说，系统是“与实现一定目的相关的要素组合”。系统一词几乎可以用来描述任何可想象的情况，其组成要素不仅可以为物理实体，而且还可以是经济学、生物学等抽象与动态的现象。

机电一体化系统是一种实现机械运动控制的工程系统，它由机电一体化控制系统（或控制装置）与其控制对象构成。机电一体化系统的控制装置应以微电子器件为主体。机电一体化系统的控制对象应是具有运动特性的机械装置，因此，像石油、化工、冶金、电力等行业常用的温度、压力、流量、液位等控制系统，是以表征生产过程的参量为控制对象，并使之接近给定值或保持在给定值范围内的自动控制系统，由于其控制对象不为具有运动特性的机械装置，故称为过程控制系统（Process control system），总体上说，它们不属于机电一体化系统的范畴。但是，由于“系统”范围可大可小，在大型、复杂过程控制系统或其他系统中，往往也包含有某些具有运动特性的机电一体化子系统。

3.机电一体化技术

技术是为了实现特定目的所采用的方法与手段，是产品发展与进步的基础。机电一体化技术是从系统工程的观点出发，将机械、电子和信息等技术有机结合，以实现产品整体最优的综合性技术。

机电一体化技术是一个技术群的总称，其涵盖范围非常广。从广义上说，机电一体化技术包括了机械、检测、运动控制、计算机控制、信息处理、网络通信等技术，但对于特定的机电一体化产品，则需要根据其功能与控制要求，或采用多种技术或只采用其中的几种技术。

4.机电一体化产品

通常而言，产品应是具有一定功能与用途的实体。顾名思义，机电一体化产品是具有一定的机械结构和直接的功能与用途、采用电子控制的实体，如果此类产品是为了工业目的而成套使用，则称为机电一体化设备。

机电一体化产品在我们日常生活中随处可见，如全自动洗衣机、数码相机、打印机、汽车、自动售货机等民用产品，数控机床、工业机器人、自动生产线等工业设备，列车、飞机、轮船、卫星、导弹等交通运输工具、航空航天设备与国防用武器装备。

机电一体化产品可将机械的强度高、载荷大、结构变化容易等优点与电子控制的方便灵活、精度高、运算处理容易等优点有机结合，使产品的操作更方便、使用更灵活、运动更快捷、控制更准确。

需要注意的是：机电一体化产品与机电产品应是不同的概念，机电产品所包含的范围更广。机电一体化产品属于机电产品的范围，产品有大有小，功能可多可少，控制可简单可复杂，但都应具有机械运动（Mechanism）和电子控制（Electronic control）两大特征。

①机械运动。机电一体化产品的机械装置应具有运动特性。机械装置的运动可以是相机的镜头伸缩、洗衣机的缸体旋转等简单动作，也可是飞机与卫星的飞行等复杂动作；而像手机、电话、电视机等只有机械外壳而无机械运动特性的产品，则只能称为IT产品或电器（家用）产品，一般不宜称为机电一体化产品。

②电子控制。机电一体化产品的控制器应以微电子器件为主。控制器可以是由二极管、三极管、集成电路组成的简单装置，也可以是由微处理器、微型计算机与大型计算机所构成的复杂装置；但是，普通的开关、按钮、接触器、继电器等，只是一些“控制电器”，而不属于电子控制器的范畴，因此，没有采用微电子控制的产品，像电风扇、老式洗衣机、普通卷扬机、普通机床等，只是普通的机电产品，不能称为机电一体化产品。

二、机电一体化系统的控制装置

机电一体化设备或产品需要采用电子控制装置或控制系统进行控制。

1.机电一体化控制装置

如果机电一体化设备或产品所使用的电子控制器只具有某一方面的功能，这样的控制器称为控制装置。例如，图1.1所示的PLC（Programmable Logic Controller，可编程序逻辑控制器）、CNC（Computerized Numerical Controller，计算机数字控制装置）、伺服驱动器等，都是机电一体化产品常用的控制装置。机电一体化控制装置既可单独使用，也可与其他控制装置组合后构成复杂的机电一体化系统。

随着社会化分工的日益细化，目前，大多数机电一体化控制装置都已由专业厂家批量生产，如工业自动控制用的PLC、CNC、伺服驱动器、变频器，家电产品全自动洗衣机用的控制器等。对于机电一体化控制装置的生产厂家来说，控制装置就是其产品，但是，控制装置必须依附于特定的机械装置才能实现其功能，从这一意义上说，控制装置就像轴承、电机、阀等机械部件一样，只是组成机电一体化产品的“零部件”，而非真正意义上具有运动特性及直接功能或用途的机电一体化产品。

2.机电一体化控制系统

复杂的机电一体化设备或产品需要控制器具有多种控制功能，往往需要使用多种控制装置才能实现其控制要求，这些机电一体化控制装置与相关部件所构成的整体，称为机电一体化控制系统。

工业上所使用的机电一体化控制系统一般由微电子控制装置、测量装置、执行装置、操作显示装置等部分组成。其中，微电子控制装置是系统的核心，单片机、工业计算机、数控装置（CNC）、可编程序逻辑控制器（PLC）等是工业控制常用的微电子控制装置，接近开关、编码器、光栅等传感器是常用的检测装置，直流电机、感应电机、伺服电机、步进电机、液压气动系统等是常用的执行装置，LCD显示器和键盘、触摸屏是常用的操作显示装置。

用于金属切削机床控制的机床数控系统组成如图1.2所示。

在金属切削数控机床上，机械装置包括用来实现刀具切削运动和轮廓运动的机床主机以及用于自动换刀、安全防护、冷却润滑等的辅助部件；电子控制部分是以CNC为核心的完整系统，它包括了CNC、PLC、驱动器等控制装置，伺服电机、主轴电机、电磁阀等执行装置，以及光栅、编码器等测量装置。

机电一体化控制系统可能复杂与庞大，但同样需要依附于主机才能实现其功能，如上述的CNC系统必须与机床主机结合后才能使用。因此，机电一体化控制系统本质上是以实现控制为目的的大型、复杂、多功能控制器。

机电一体化控制系统（或控制装置）与其控制对象共同构成了机电一体化系统，而机电一体化产品则需要在机电一体化系统的基础上增加用于安装运输、安全防护、外观装饰的产品附属装置。

三、机电一体化技术的特征与内容

1.基本特征

机电一体化产品是电子控制与机械装置的结合物，产品设计时突出体现了两方面思想：一是通过机械、微电子、计算机控制等技术的结合，来实现依靠单一技术无法实现的功能，二是在多种技术方案中，通过综合分析与评价，选择其中的最佳方案。

机电一体化技术是机电一体化产品得以发展的基础，产品的特点决定了它所涉及的技术范围非常广，要予以准确界定，目前还存在一定的难度。总体而言，机电一体化技术应具有“综合性”与“系统性”两大主要特征。

①综合性。机电一体化是各种技术的有机集成与综合，它们之间需要相互融合与渗透，而不是简单的叠加。机电一体化除了基本的机械、微电子与计算机控制技术外，还需要在自动控制过程中，综合应用信息处理技术、检测技术与网络控制技术等。

例如，在前述的数控机床上，在机床布局、工作台运动、主轴系统、刀具交换等的设计上就需要采用精密机械技术；CNC、PLC、驱动器等控制装置则需要应用计算机控制、运动控制、电力电子等技术；同时，还需要通过网络控制技术，对所有的控制部件进行集成控制。刀具等辅助部件的控制还涉及液压、气动等技术。

②系统性。机电一体化产品是综合应用各种技术所形成的产物，在产品设计阶段就需要运用系统工程的观点来分析研究产品的要求，合理匹配各组成部分的功能，充分发挥各部分的作用，才能使得产品的整体效能达到最佳。此外，从经济社会发展的要求上看，还需要从资源利用、环境保护、可持续发展等角度，综合考虑机电一体化产品生产制造、使用维修、报废处理、循环利用等各方面的要求。

2.主要技术

机电一体化技术是一个技术群的总称，但是在具体的机电一体化产品上，根据功能与用途的不同，所采用的技术可多可少。像自动洗衣机等简单产品，可能只涉及计算机控制与机械技术；而数控机床则还包括了机械、气动液压、计算机控制、检测、运动控制等多种技术；在飞机卫星等航空航天设备上，还需要应用遥控、遥测等技术，其涉及范围更广；如再进一步分析，计算机控制又需要应用信息处理、网络控制等技术；运动控制又离不开电力电子、晶体管脉宽调制等技术。作为日常生活与工业生产中常见的机电一体化产品，应用普遍的共性关键技术大致包括以下内容。

①机械技术。机械装置是任何机电一体化产品必不可少的组成部分，机电一体化离不开机械技术。机电一体化产品注重的是技术融合与功能互补。提高精度与效率、减轻重量与节约资源、改善操作与使用性能是机电一体化控制的主要目的，因此，通过结构的改进与创新、新材料的应用等手段来提高精度与刚性，减轻重量，缩小体积，是机电一体化产品机械技术的主要特点与研究的方向。

②液压与气动技术。液压系统具有驱动力大、运动平稳、惯性小、调速方便等特点，在机床、工程机械、农业机械等行业的机电一体化产品上应用广泛。液压系统控制简单，使用方便，可通过继电器、PLC的控制实现各种机械动作，是机电一体化控制常用的控制技术之一。但是，由于液压油具有可压缩性并容易泄漏，因此，液压系统对元器件的制造精度要求高，并容易产生环境污染。

气动系统的功能类似液压系统，它同样可通过继电器、PLC的控制实现各种机械动作。与液压系统相比，气动系统具有气源容易获得、工作介质不污染环境，以及执行元件反应快、动作迅速、管路不容易堵塞、无须补充介质等优点，其使用维护简单，运行成本低，环境适应性、清洁性和安全性好。但是，气动系统的工作压力一般低于液压系统，其执行元件的输出力较小，且容易压缩和泄漏，噪声均较大。

③检测技术。自动控制需要获取对象的实际工作状态信息，以便进行监测、分析与控制，因此离不开自动检测技术。检测技术主要包括测量传感器与信号处理两方面。传感器（检测元件）是检测技术的关键，它的性能直接决定了控制的准确性与精度；信号处理的目的是将传感器所获取的信息转换为显示、分析、控制所需要的数据。光电编码器与光栅、磁性编码器与磁栅是机电一体化产品常用的速度与位置检测元件。

④计算机控制技术。自动控制是机电一体化产品的显著特征之一，它需要人们利用各种技术来代替人去完成各种测试、分析、判断和控制工作。

机电一体化产品种类繁多，控制要求各异，因此，机电一体化的自动控制需要运用现代控制理论，通过数字控制、自适应控制、最优控制、系统仿真、自诊断等方法与手段，来满足产品的自动化、智能化、网络化等要求，其控制已经越来越多地依赖于计算机，控制软件的作用日益显现。CNC、PLC、工业机器人控制器等都是采用计算机控制的典型产品。数控技术、PLC技术、工业机器人技术，被称为现代工业自动化的三大支持技术。

以计算机为核心的自动控制装置需要通过计算机的软件与硬件对系统中的各种信息进行处理，如数据的通信与传输、数据的输入与输出、数据运算与处理等，这就是人们平时所说的信息处理技术。单片机、工业计算机是机电一体化产品常用的信息处理装置。

网络控制技术的普及是20世纪计算机技术的突出成就之一。网络不仅使全球的信息逐步共享、经济渐趋一体，给人们的日常生活带来了巨大的变化，而且也给机电一体化注入了新的动力。网络控制技术推动了自动控制向分散控制、集中管理的方向快速发展，基于现场总线的设备集中控制、分布式控制系统已越来越引起人们的重视；传统的接口正在被快速淘汰，串行数据通信、开放性现场总线已逐步成为当代机电一体化控制装置的基本功能；机电一体化系统已越来越多地通过现场总线（Field Bus）来实现系统内部的信息交换。

⑤运动控制技术。机械运动是机电一体化产品的基本属性，运动控制（Motion control）是机电一体化最基本的控制技术之一。运动控制的目的是将控制命令转换为执行装置的运动，实现对象的位置、速度、转矩等控制，其执行装置有各类电动机、液压/气动阀等。除了简单的定点定位移动控制外，机电一体化设备的绝大多数运动控制都需要控制较多的执行器参数，如电动机的电压、电流、相位、转速、转角等，它涉及计算机控制、网络控制以及电力电子、晶体管脉宽调制（Pulse Width Modulated，PWM）、检测等诸多技术，并构成相对独立的系统，因此，机电一体化控制系统也可称为运动控制系统。

交流伺服驱动器、步进驱动器、变频器是当代机电一体化产品常用的运动控制装置。与直流电机相比，交流电机具有转速高、功率大、结构简单、运行可靠、体积小、价格低等一系列优点，但其控制远比直流电机复杂，因此，在一个很长的时期内，直流电机控制系统始终在运动控制领域占据主导地位。交流伺服驱动是随电力电子技术、PWM技术与矢量控制理论发展起来的新型技术，经过30多年的发展，交流电机的控制理论与技术已经日臻成熟，各种高精度、高性能的交流电机控制系统不断涌现，交流伺服已经在数控机床、工业机器人上全面取代直流伺服，变频器已在越来越多的场合代替直流调速装置。

【任务实施】

机电一体化系统是由机电一体化控制系统或控制装置及其控制对象构成，它是一种实现机械运动控制的工程系统。只有从控制对象入手，才能对机电一体化系统的组成有清晰的认识，若泛泛谈论系统的功能要素与构成要素，容易导致概念的模糊。

一、认识机电一体化系统的组成

机电一体化系统的规模可大可小，功能有多有少。一般而言，机电一体化产品中的每一具有运动特性的控制对象都对应着一个子系统。因此，大型、复杂的机电一体化系统往往包含有若干个子系统，子系统有时还可能包含下级子系统，这些子系统在中央控制器的组织与管理下有序工作，各自实现其功能。然而，不论将一个系统分解为多少子系统，都必须具备以下基本要素，才能称之为机电一体化系统，否则它只是一种控制装置或部件。

①控制对象。机电一体化产品的控制对象应是具有运动特性的机械装置。机械装置是任何机电产品的基本构成要素，它所涵盖的范围非常广，既包括机械运动部件，也包括与系统分析无关的产品机体或机架、外壳、安装连接件等附属装置。机电一体化系统的控制对象特指机械运动部件（包括与运动相关的连接、传动件）；那些只是为了外观造型、部件支撑、安装运输等目的而设计的机体或机架、外壳等附属装置虽是机电一体化产品的构成要素，但不属于机电一体化系统的范畴。

②控制装置。控制装置是进行信息处理与发出控制命令的部分，是机电一体化控制系统的核心，系统根据控制装置的控制命令有序运行。

③驱动装置。驱动装置是进行控制命令的转换与功率放大的装置，它为执行装置的动作提供所需的能量与动力，典型的有伺服驱动器、步进驱动器、液压气动装置等。

④执行装置。执行装置是机械运动的动作实施与执行者，是机电一体化控制系统的输出端，执行装置所产生的运动可直接变换为机械部件的运动；典型的有伺服电机、步进电机、液压油缸、气缸等。

以上四部分是一个机电一体化控制系统的最低要求，如果系统需要根据对象的实际动作进行自动调节，则还需要检测运动部件的速度与位置等相关参数的检测装置。

根据机械装置的运动特点与要求，最常见的机电一体化系统有逻辑顺序控制系统与连续轨迹控制系统两类。

逻辑顺序控制系统是实现机械装置的动作顺序控制的自动控制系统，图1.3所示的自动生产线就是典型的逻辑顺序控制系统。PLC是20世纪70年代初研发的机电一体化控制装置，由于现代逻辑顺序控制系统几乎都采用PLC控制，因此，现代逻辑顺序控制系统也可称为PLC控制系统；目前，PLC技术已经成为工业自动化的三大支持技术之一，在工业自动化的各领域得到了极为广泛的应用。

逻辑顺序控制系统的执行装置通常以电磁阀、接触器等通/断开关电器为主；机械装置的运动大多由电机、气动或液压系统驱动；系统所使用的检测装置多为反映位置是否到达的开关类器件。PLC控制系统的输入、输出以开关量为主，对机械装置的运动不需要进行轨迹的连续控制，故又称“开关量控制系统”或“断续控制系统”。

连续轨迹控制系统是以机械装置的运动轨迹、定位位置、移动速度为控制对象的自动控制系统，图1.4所示的数控机床、工业机器人等自动化设备所使用的控制系统就是典型的连续轨迹控制系统。

连续轨迹控制系统需要对机械运动部件，如数控机床的刀具或工件、机器人的作业工具等进行轨迹控制，才能加工所需要的零件或完成规定的作业，因此，系统需要对控制对象的位置、速度进行连续的控制，控制系统必须具有伺服控制（旧称位置随动控制）功能，机械装置的运动大多由伺服电机驱动，系统所使用的检测装置必须为能实时检测位置、速度的光栅、编码器等测量装置。

二、机电一体化系统分析

机电一体化系统的组成可能十分复杂与庞大，确定控制对象是分析机电一体化系统的前提。为了便于理解，下面以全自动洗衣机与数控机床控制系统为例来说明机电一体化系统的基本分析方法。

①全自动洗衣机控制系统分析。在全自动洗衣机的控制系统中，控制对象通常有进水阀、排水阀、洗衣缸3个。洗衣缸需在漂洗、脱水时以不同转速、转向旋转，它是具有运动特性的机械部件，是机电一体化系统的构成要素之一。进水与排水阀的控制对象是水位，它不属于机械运动部件，因此，从机电一体化系统的角度看，它只是辅助控制部分，不能构成机电一体化子系统。

由此可见，洗衣机控制系统是以洗衣缸体为控制对象、电动机为执行装置、电机调速器为驱动装置、程序控制器为控制装置的逻辑顺序控制系统。洗衣机一般不需要闭环控制速度，通常不需要检测缸体实际转速，因此，它又是一个开环速度控制系统。

②数控机床控制系统分析。图1.5所示的数控机床（立式加工中心）的控制复杂，其控制系统是由若干子系统所构成的机电一体化系统，系统分析可从控制对象（机械运动部件）出发，依次进行。

图1.5所示的数控机床包括工作台（刀具）、主轴、刀具及自动排屑、冷却润滑装置等机械运动部件。其中，工作台和刀具移动、主轴旋转、刀具自动交换、自动排屑均具有机械运动特性。由于自动排屑只需要通过排屑电机的正反转便可实现，控制装置为接触器等非微电子器件，故不属于机电一体化系统的范畴；而冷却、润滑系统的控制对象亦非机械运动部件，也只能视为机电一体化系统的辅助部件。因此，图1.5所示的数控机床控制系统可分为工作台和刀具移动系统、主轴旋转系统、刀具自动交换系统3个一级子系统。

数控机床的刀具移动是多维运动，它由工作台的X向运动和安装刀具的主轴Y、Z向运动合成，因此，刀具移动系统实际上包含了X、Y、Z轴移动3个子系统，其控制对象分别为工作台左右移动的X轴、主轴上下移动的Z轴和前后移动的Y轴。3个二级子系统除控制对象不同外，其他组成部件相同，其执行装置分别为X、Y、Z轴伺服电机，驱动装置分别为X、Y、Z轴伺服驱动器，控制装置同为CNC（数控装置）；交流伺服驱动需要进行速度、位置的闭环控制，因此，子系统还包含了各自的速度、位置检测编码器或光栅。

图1.5所示的数控机床只有单一的主轴，主轴旋转系统的控制对象为主轴转速和转向、执行装置为主轴电机、驱动装置为主轴驱动器、控制装置为CNC；由于数控机床的主轴转速一般需要闭环控制，故它也包含了主轴速度、位置检测编码器。

加工中心的刀具自动交换系统一般包括刀库旋转（选刀）和刀具装卸（换刀）两部分，可分为选刀、换刀2个子系统。选刀控制系统是一个以刀库回转定位为控制对象的运动控制系统，其执行装置为刀库回转电机，驱动装置为刀库调速器（一般为变频器），控制装置为CNC集成PLC（二级控制器），选刀只需要进行定点定位，它是一个逻辑顺序控制系统，通常使用接近开关或编码器等作为检测装置。换刀控制子系统的控制对象通常为刀具的松夹和移动，执行装置为电磁阀，驱动装置为气缸或油缸，控制装置为CNC集成PLC（二级控制器）。换刀控制一般只需要进行电磁阀动作的顺序控制，它也是一个逻辑顺序控制系统，需要使用接近开关等检测装置。

以上各级子系统在CNC集中、统一控制下有序运动，便构成了完整的机电一体化系统。至于数控机床的床身、底座、立柱、防护罩等部件，均不具有运动特性，它们只是产品（机床）的附属部件，而不是机电一体化系统的构成要素。

【思考与练习】

图1.6所示是一台采用通用型交流伺服驱动、变频器调速主轴的国产普及型数控车床，需要有X和Z轴进给、主轴转速、刀架换刀运动，试分析其机电一体化系统的结构，说出系统组成与子系统类型，说明主要采用了哪些技术。