机电一体化技术是将机械技术

前言机电一体化技术是将机械技术、电工电子技术、微电子技术、信息技术、传感器技术、接口技术、信号变换技术等多种技术进行有机地结合，并综合应用到实际中去的综合技术。是现代化的自动生产设备几乎可以说都是机电一体化的设备。可编程控制器PLC是一种具有很强的抗干扰能力、高的可靠性、高的性能价格比且编程简单的控制设备。基于它的突出优点，它广泛地应用到工业控制领域及其他诸多领域中。因此，培养掌握机电技术、掌握PLC技术在技工学校教育中相当重要。在综合应用这些技术时，要根据系统的功能目标和优化组合结构的目标，合理配置布局驱动机构、控制机构、传感检测机构、执行机构等，并使它们在微处理单元的控制下协调有序地工作，在机地融合在一起，达到物理一能量的有序运动，因此，机电一体化技术在高性能、高质量、高可靠性、低能耗上实现特定功能价值的系统工程。机电一体化的主要技术特征有以下几点：（1）机械技术、电子技术和信息技术的彼此功能交互，大多以机械系统的高级微机控制的形式出现。（2）在一个具体的物理单元中，在不同子系统空间上的集成。（3）机电一体化系统的控制功能智能化。越来越先进的控制功能取代了许多操作人员的推理和判断。（4）柔性化使得机电一体化产品能够灵活地满足各种要求，适应各种环境。（5）采用微处理器控制的系统，易于增加或改变功能，无需增加硬件成本。（6）控制功能采用电子技术、微电子技术、微机控制技术来实现，因此，对用户来说，机电一体化系统的内部运行机制是隐蔽的。（7）在机电一体化技术中，设计思想方法与制造技术紧密联系在一起，它们是并行发展的。基于上述机电一体化特点，由我校自主设计、制造了模块化生产加工系统（MPS）。该模块化自动生产线（MPS）在教学过程中具有以下特点：（1）MPS系统是专为训练工业现场的自动化生产制造技术而设计的。（2）通过本系统的训练，学生将理论与实际相结合，可以掌握自动化生产系统的设计、制造、运行、维护维修等技能。（3）本系统采用敞开式安装、模块化形式，各模块便于教学、易于搭建、拆卸和维护。（4）通过本系统的学习，学生可以获得气动、电气动、工程控制、传感器和电子方面的知识。通过实训，使学生所学到的专业知识得到了充分的综合应用的同时，学生的学习能力、独立思考能力、组织能力等综合能力及创新精神和团队合作精神得到了全面的锻炼和提高。该模块化生产加工系统（MPS）适用于《可编程控制器PLC及应用》、《传感器及应用》、《自动机与自动线》《气动控制技术》、《自动控制技术》、《机械基础》、《电气设备维修》、《接口技术》等多种课程的理论、实验、实习教学需要。系统能自动完成自动供料、取料、装配的功能。其外形如图0.1所示，结构如图0.2所示。其功能是自动供料单元1、2中自动送出凹型和凸型工件，然后通过机械手单元和转运机械手单元将其在送出工作站进行组装，并通过送出工作站把工件送出到料槽完成工作，或把组装完成的工件送到与该系统配套使用的传送带分拣工作站中继续工作过程。1图0.1模块化自动生产加工系统（MPS）外形图图0.2模块化加工生产系统（MPS）结构图该系统在市场同类产品主要有费斯托（FESTO）公司出品模块化生产加工系统。由于我2校已购买费斯托（FESTO）系统，该系统在教学过程中有以下无可比拟的优点：（1）制作工艺精良（2）演示功能完善（3）系统设计美观但应用到实验、实习教学有明显的缺点：（1）功能单一。由于系统是标准的模块化设计，用户只能按原设计进行安装、调试、运行，不能修改、运行新的模式，对教学有所限制。（2）系统价格过高。能满足一般教学大纲需要的组合——五个工作站大约需40万，必然应用影响设备的使用率和普及率。（3）与课本内容没有直接的联系。可编程控制器PLC程序在课本上没有相应的程序和说明。（4）使用成本高昂。系统大部分零、部件损坏后只能由原厂提供、更换，购买过程必然导致教学的停顿，而且购买价格高昂，如一个模/数转换装置要价6000元。所以很多学校购买后只用于生产加工过程演示及理论教学的示教作用，如进行实验、实习教学就要求任教教师必须有较高教学的能力。（5）不便于观察电、气控制过程。工作区与控制区分别安装在系统的上部和下部，这样PLC的控制过程、运动部件的运行过程及调试过程就不能直观显示。模块化自动生产线（MPS）系统与同类产品比较具有以下优点：（1）方便实现各种控制功能。由于所有零、部件均采用浮动式设计，经过调整就可实现不同工件的组装、单机械手搬运、双机械手转运等多种工序，通过安装不同品牌、型号的PLC设计不同的PLC程序控制，以及各种传感器均可在设备上应用其中，为学生提供了无限的想像力。（2）成本低廉。本系统从采购到加工，只需1万元，而市场上购买同时具有二个功能的设备需13万元。便于推广，作为日常教学设备。（3）与教学内容相适应。机械手控制是所有PLC课本的范例，在教学中与课本配合使用，进行直观教学。（4）使用成本低。由于自主设计、采购、加工、装配。所有的零、部件均为标准化工业元件，损坏率低。而且在市场购买容易，价格低廉，任何教师均可使用。（5）便于观察。电、气的控制部分。均安装在面板上，过程由指示灯、电脑显示屏直观地显示便于观察运行过程及调试过程。模块化生产加工系统（MPS）教学设备体现了机电一体化技术的实际应用，MPS是一套开放式的设备，用户可根据自己的需要选择设备组成单元的数量、类型，而每个单元由可编程控制器PLC控制。利用该系统，可以模拟一个与实际生产情况十分接近的控制过程，使学习者在一个非常接近于实际的教学设备环境，使学习者在学习过程中很自然地就将理论应用到了实际中，实现了理论与实践的完美结合，从而缩短了理论教学与实际应用之间的距离。3第一部分气动控制部分一．机械手单元1．机械手单元的结构及工作过程机械手移送工件的机械系统及其结构如图1.1所示，用于将工作台A点的工件搬运到工作台B点上。机械手的全部动作由电磁阀控制气动系统工作。其上升/下降、左移/右移运动由电磁阀控制，其位置由磁性传感器检测，夹紧使用电磁阀控制气爪，使用压力传感器检测。即当下降电磁阀通电时，机械手下降；当下降电磁阀断电时，机械手停止下降，但要保持现有的工作状态。在上升电磁阀通电时，机械手上升；当电磁阀断电后，机械手停止上升。夹紧电磁阀线圈通电时，机械手夹紧；线圈断电时，机械手放松。图1.1机械手控制单元结构及移送工件的动作过程图2．机械手单元气动元件种类及结构符号（1）导向气缸导向气缸的外形、结构及符号如图1.2所示，导向气缸的应用如图1.3所示。DPZ-250双作用双活塞式气缸，行程长度250mm，用于机械手单元X轴的左右伸缩，双活塞气缸是由两个活塞进行驱动的，因此在相同高度的情况下能产生2倍于标准气缸的推力。DPZCJ-80双作用双活塞式气缸，行程长度80mm，用于机械手单元Y轴的上下伸缩，其特点是该气缸结构简单，将导轨和气缸做于一体。图1.2导向气缸的外形、结构及符号4图1.3导向气缸在传输系统中的应用（2）气爪气缸（用于内抓或外抓工件）气爪外形、结构及其符号如图1.4所示。Festo标准气爪是用于搬运及装配技术的系统产品。其特点-双作用活塞驱动、自对心；-不同的夹紧方式:向外夹紧，向内夹紧；-可以以多种方式和其它驱动器进行结合；-采用霍尔传感器或接近式传感器进行位置感应；辅件安装如图1.5所示。-采用外部夹头，易于实现多样性。图1.4HGD-50气爪外形、结构及其符号图1.5HGD-50辅件的安装方法1-标准气爪，2-气爪手指，3-安装螺钉，4-传感器。5二．转动机械手单元1．转运机械手单元工作过程转动机械手单元结构及动作过程如图1.6所示。其工作是从供料站2中取出工件安装到机械手单元送来的工件上端完成装配过程。图1.6转动机械手单元结构及动作过程图2．转运机械手单元（1）DPZCJ-80双作用双活塞式气缸，行程长度80mm，用于机械手单元Y轴的上下伸缩，其特点是该气缸结构简单，将导轨和气缸做于一体。（2）平行气缸（用于内抓或外抓工件）如图1.7所示。Festo标准气爪是用于搬运及装配技术的系统产品，其特点-双作用活塞驱动，自对心；-不同的夹紧方式:向外夹紧，向内夹紧；-可以以多种方式和其它驱动器进行结合；-采用霍尔传感器或接近式传感器进行位置感应；辅件的安装方法如图1.8所示；-采用外部夹头，易于实现多样性图1.7HGP-32-A气爪外形、结构及其符号图6图1.8HGP-32-A气爪的辅件的安装方法1-标准气爪，2-气爪手指，3-安装螺钉，4-定位销，5-传感器。（3）叶片式摆动气缸DSM叶片式摆动气缸外形紧凑，占用空间小。驱动力通过旋转叶片直接传送给驱动轴。可调式止动系统和旋转叶片分离，以便于固定限位挡块或液压缓冲器来吸收所受到的力。此外，旋转叶片还能通过终点位置的弹性垫获得辅助缓冲。止动块不能被移去，因为旋转叶片本身不适合于作为终端位置限位挡块。驱动器背面还有刻度以方便行程调节。摆动气缸外形、结构及符号如图1.9所示。图1.9DSM-10-180-P摆动气缸外形、结构及符号图摆动气缸的限位有两种方法，方法一：使用传感器限位，安装方式如图1.10所示。方7法二：使用缓冲器限位，安装方式如图1.11所示。摆动气缸的固定安装方式有多种，如图1.12所示。图1.10摆动气缸使用传感器限位的传感器形状及安装方式图1.11摆动气缸使用缓冲器限位的安装形式图1.12摆动气缸的固定安装方式三．送出工作站8送出工作站示意图如图1.13所示。DFM-20内置导轨双作用气缸，行程长度20mm，用于送出工作站推出工件到料槽完成任务或下站继续工作。其特点是紧凑、坚固、导向精确度高。驱动器和导向单元被封闭在同一外壳内，并可根据具体要求选择安装普通轴承或是滚珠轴承。图1.13送出工作站示意图四、供料站1、2组成供料站的作用是将原料从料仓中推出，被机械手及转动机械手拿出进行组装，供料站所用推出工件气缸DSAA-10-P，如图1.14所示。长度为100mm的双作用气缸将工件自动推出，供机械手单元及转运机械手单元供料使用。图1.14DSAA-10-P型气缸的外形及符号图五、控制电磁阀全气动系统采用紧凑型CPE型电磁阀控制。由于系统要求气动回路流量不大，所以选择集成安装紧凑型电磁阀CPE10-M1BH-5LS-M7型及CPE10-M1H-5/3G-M7型两种。CPE型电磁阀具有以下特点：-阀岛CPE-10由各个高强度玻璃纤维加强的聚酰胺模块组成；-在基本组块和扩展组块中的PRS通道可被封死，因此可形成不同的压力区；-两端都可接气源及排气通道，气口在基本块或端块上；-可从尾端或顶端接入气源及排气通道；-卡口式连接，安装时无需螺丝；-安装选项:单个安装,导轨安装或板壁式安装。CPE10-M1BH-5LS-M7电磁阀如图1.15所示。意义为：CPE（紧凑型）、M1BH（24VDC，所匹配插座KMYZ-9）、5（5通）、L（单电控,气弹簧复位）、S（不带先导）、M7（接口类型M7螺纹）。该电磁阀的特点：流量大功耗小。9图1.15紧凑型CPE10-M1BH-5LS-M7型电磁阀外形及符号CPE10-M1H-5/3G-M7型电磁阀如图1.16所示。意义为：CPE（紧凑型）、M1H:（24VDC，所匹配插座KMYZ-6）、5（5通）、3（3位）、G（中封式）。M7（接口类型M7螺纹）。图1.16紧凑型CPE10-M1H-5/3G-M7型电磁阀外形及符号CPE阀另需配合专用CPE10SC-PRS-8气路板集中安装，如图1.17所示。该气路板可安装8个CPE电磁阀作全过程控制。电源插座KMYZ-9如图1.18所示。图1.17CPE10SC-PRS-8气路板图图1.18电源插座KMYZ-9图气路板需配消声器UC-M7降低阀排气口的噪音，如图1.19所示。配接气路接头10QSML-M7-6，如图1.20所示。图1.19消声器UC-M7外形及符号图图1.20气路接头QSML-M7-6图六．过滤、调压组件过滤、调压组件型号采用LFR-1-D-5M-DI-MAXI，外形及符号如图1.21所示。