机电设备概述与发展趋势
Electrical and mechanical equipment and an overview of
trends
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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 : Songyuanyuan Hexiaolei Liwenlong Houjinjie Guohao Huangzhaojie Zjingchao Jiwenlogn Hanjunwei Liuwanguang Name : Shanxijidianzhiyejishuxueyuan
Abstract : Mechatronics is a machine as the main body, mechanical, electronics, testing, combination of software and organic systems. An overview of the composition and mechanical and electrical integration of the core part of the system. Analysis of the development process of mechanical and electrical equipment, characteristics, basic structure and some typical mechanical and electrical equipment, and to submit its development trend.
Keywords : mechatronics development trend of mechanical and electrical equipment
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。
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被测物理量 +
测量值
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图(1)机电一体化控制系统组成框图
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(2)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(2) 表1
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
传感器
信号处理器 执行
反馈控制
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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； (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已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。
(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。
(3) 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。
(4) 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。
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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、卧式铣床、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(100t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
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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出机和注射机。
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：对机器的结合面应采用适当的密封装置，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)所示，剪切机气动系统。