專題一　機(jī)電行業(yè)認(rèn)知

學(xué)習(xí)目標(biāo)

1.認(rèn)識(shí)機(jī)電行業(yè)；

2.了解機(jī)電行業(yè)的主要技術(shù)；

3.了解機(jī)電行業(yè)的行業(yè)情況；

4.認(rèn)識(shí)機(jī)電行業(yè)的就業(yè)前景；

5.了解職業(yè)成長道路。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)今的機(jī)電產(chǎn)品，朝著機(jī)電一體化產(chǎn)品方向發(fā)展。其機(jī)械、電氣及其相互之間的融合，都不同于傳統(tǒng)的機(jī)械和電氣，它們都發(fā)生了根本性的革命，形成了精密機(jī)械，電子技術(shù)（含電力電子、計(jì)算機(jī)），自動(dòng)控制技術(shù)等多門學(xué)科交叉融合而成的一門高新技術(shù)，即機(jī)電一體化技術(shù)。

在我國工業(yè)領(lǐng)域，無論從產(chǎn)品的種類、產(chǎn)值、從業(yè)人員、出口總量上看，機(jī)電行業(yè)是最大的行業(yè)，是我國國民經(jīng)濟(jì)的支柱行業(yè)。

機(jī)電一體化技術(shù)是當(dāng)前發(fā)展最快的技術(shù)之一，它是先進(jìn)制造技術(shù)的主要組成部分。它的發(fā)展推動(dòng)了當(dāng)前制造技術(shù)的迅速更新?lián)Q代，使產(chǎn)品向“高、精、快”迅速邁進(jìn)，使勞動(dòng)生產(chǎn)率迅速提高。

“機(jī)電一體化”一詞最早是日本提出的，他們根據(jù)英文的Mechanics（機(jī)械學(xué)）和Electronics（電子學(xué)）兩詞，組合出Mechatronics一詞，其表意漢字為“機(jī)電一體化”，Mechatronics一詞從學(xué)科角度可以翻譯為“機(jī)械電子學(xué)”，我國科技界也經(jīng)常直接使用“機(jī)電一體化”作為漢語的表達(dá)詞匯。

機(jī)電一體化技術(shù)在20世紀(jì)60年代萌芽于美國。機(jī)電一體化產(chǎn)品涉及工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、人民生活、醫(yī)療衛(wèi)生等各個(gè)領(lǐng)域，如自動(dòng)生產(chǎn)線、空中客車、打印機(jī)、自動(dòng)洗衣機(jī)等。空中客車、數(shù)控機(jī)床等都是機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，如圖1-1所示。

機(jī)電一體化技術(shù)突飛猛進(jìn)地發(fā)展是70年代中期以后的事情。日本技術(shù)和經(jīng)濟(jì)迅速崛起并躍居世界先進(jìn)水平的過程就是在技術(shù)上引進(jìn)、消化、發(fā)展、創(chuàng)新機(jī)電一體化技術(shù)的過程。

由于我國逐漸成為世界制造業(yè)基地，加之傳統(tǒng)企業(yè)面臨大規(guī)模的技術(shù)改造與設(shè)備更新，國內(nèi)急需大量先進(jìn)制造技術(shù)專業(yè)人才。

在20世紀(jì)80年代初，日本名古屋大學(xué)最早設(shè)置了機(jī)電一體化專業(yè)。如今在本科，一般稱為“機(jī)械電子工程”專業(yè)；在高職高專院校則仍沿用機(jī)電一體化專業(yè)名稱。

一、機(jī)電行業(yè)主要技術(shù)

目前，純機(jī)械產(chǎn)品（如自行車）越來越少，一般都由電氣系統(tǒng)控制著機(jī)械動(dòng)作，完成相應(yīng)功能，并朝著自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。因而，機(jī)電行業(yè)的機(jī)械產(chǎn)品大多為機(jī)電一體化產(chǎn)品，如汽車、飛機(jī)、生產(chǎn)線、機(jī)電設(shè)備等。

歸納起來，“機(jī)電一體化技術(shù)”主要包括精密機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)三個(gè)方面。

1.精密機(jī)械技術(shù)

機(jī)械，是機(jī)電產(chǎn)品造型和完成規(guī)定動(dòng)作的基礎(chǔ)，相當(dāng)于人的骨骼、手與腳，起支撐、造型和完成動(dòng)作等作用。與普通機(jī)械相比，機(jī)電一體化系統(tǒng)中的機(jī)械部分精度要求更高，可靠性更好，稱為精密機(jī)械技術(shù)。依靠傳統(tǒng)的機(jī)械，不能自動(dòng)加工出高精度的產(chǎn)品，使用精密機(jī)械加工出的產(chǎn)品如圖1-2所示。

在精密機(jī)械技術(shù)中，有許多新的功能部件和技術(shù)用于其中。例如，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用新型復(fù)合材料，采用精密滾珠絲杠、高精度導(dǎo)軌、高精度主軸軸承和高精度齒輪等。

滾珠絲杠副是精密機(jī)械技術(shù)的產(chǎn)物之一，為數(shù)控機(jī)床中的精密傳動(dòng)部件。其作用是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)。精密滾珠絲杠與螺母之間（滾珠絲杠副）沒有間隙，具有摩擦阻力小，傳動(dòng)精度高，傳動(dòng)平穩(wěn)，工作壽命長，不易發(fā)生故障等優(yōu)點(diǎn)，如圖1-3所示，有很高的定位精度和重復(fù)定位精度，可用于高精度機(jī)械和數(shù)控機(jī)床。而傳統(tǒng)的普通絲杠也是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，但絲杠與螺母之間存在較大的間隙，只能用在普通機(jī)械中，如圖1-4所示。

高精度主軸是一種精密機(jī)械部件，由高精度主軸軸承、動(dòng)平衡、冷卻、材料與熱處理、磨削、裝配等技術(shù)作為支撐。主軸旋轉(zhuǎn)速度可達(dá)數(shù)萬轉(zhuǎn)。主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的跳動(dòng)在0.003mm以內(nèi)，其噪聲一般控制在70（dB）以內(nèi)、溫升小于30℃，如圖1-5所示。

由于加工產(chǎn)品的精度越來越高，因而，機(jī)械技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之一是精密化。機(jī)械設(shè)備的運(yùn)動(dòng)精度越來越精密（一般用途的機(jī)械精度為0.01mm級(jí)，精密加工的機(jī)械精度為0.001mm級(jí)，超精密加工的機(jī)械精度為0.0001mm級(jí)），對(duì)機(jī)械的技術(shù)要求越來越高。

一般來說，一個(gè)企業(yè)由若干個(gè)車間組成，在一個(gè)車間里，由若干個(gè)機(jī)電設(shè)備（或流水線）組成。某汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)的一個(gè)車間如圖1-6所示，這個(gè)車間里的某臺(tái)設(shè)備如圖1-7所示。

某設(shè)備的總體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1-8所示。該設(shè)備含有三個(gè)電機(jī)。沒有電機(jī)，其機(jī)械部分就不能工作。

某設(shè)備其中一個(gè)部件的結(jié)構(gòu)如圖1-9所示。其內(nèi)部由一些機(jī)械零件組成，如齒輪、花鍵軸、撥叉等，如圖1-10所示。

在機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造過程中，必須使用設(shè)計(jì)圖紙。這些圖紙是用國家規(guī)定的方法繪制的，如圖1-11所示。在今后也要學(xué)習(xí)相關(guān)的機(jī)械制圖等課程。通過學(xué)習(xí)，就能讀懂繪制好的機(jī)械圖紙，也可以設(shè)計(jì)一般的機(jī)械圖紙。

學(xué)生不但要能繪制機(jī)械圖，還要繪制得合理，例如要滿足一定的傳動(dòng)要求、強(qiáng)度和剛度要求，使受力變形、受熱變形盡量小等。這就需要機(jī)械設(shè)計(jì)方面的理論，在今后的課程中也會(huì)學(xué)習(xí)到一部分相關(guān)內(nèi)容，即機(jī)械原理。圖1-12為零件的變形示意圖。

機(jī)械零件通常是經(jīng)過機(jī)械切削加工而成的，即怎樣將一個(gè)零件由毛坯加工成符合圖紙要求的零件，這就是工藝。車間里工人的生產(chǎn)過程，是按照技術(shù)人員設(shè)計(jì)的加工工藝進(jìn)行的。機(jī)械零件加工工藝這方面的知識(shí)也會(huì)有所涉及。

機(jī)械零件的加工主要涉及加工設(shè)備、刀具類型及刀具參數(shù)、切削參數(shù)、零件定位與夾具等知識(shí)。機(jī)械零件加工示意圖如圖1-13所示，刀具參數(shù)示意如圖1-14所示。

2.微電子技術(shù)

微電子技術(shù)在機(jī)械裝置中的廣泛應(yīng)用，已經(jīng)引發(fā)了革命性的變革，使得現(xiàn)代機(jī)械裝置的面貌發(fā)生了根本性的變化。“機(jī)電一體化”這一術(shù)語較為貼切地概括出了這一變革的內(nèi)在性質(zhì)。

機(jī)電一體化系統(tǒng)中常采用現(xiàn)代的控制電子設(shè)備，如可編程控制器、變頻器、單片機(jī)、工業(yè)控制機(jī)、數(shù)控系統(tǒng)等，進(jìn)行信息的交換、存取、運(yùn)算、判斷與決策處理。

（1）可編程控制器。可編程控制器的產(chǎn)生是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和汽車工業(yè)的發(fā)展而產(chǎn)生的。1968年美國通用汽車公司（GM）為了適應(yīng)汽車型號(hào)的不斷更新、生產(chǎn)工藝不斷變化的需要，實(shí)現(xiàn)小批量、多品種生產(chǎn)，提出一種新型工業(yè)控制器的設(shè)想，從而盡可能減少重新設(shè)計(jì)和變換繼電器控制系統(tǒng)帶來的麻煩，以降低成本，縮短周期。基于上述要求，從而在世界上產(chǎn)生了可編程控制器（PLC），汽車生產(chǎn)流水線如圖1-15所示，可編程控制器如圖1-16所示。

PLC的工作原理是通過輸入端子接收外部信號(hào)（如要求電機(jī)正轉(zhuǎn)的信號(hào)），經(jīng)過內(nèi)部程序的運(yùn)算結(jié)果，通過輸出端子控制負(fù)載的運(yùn)行與停止（如電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行或停止）。PLC工作原理示意如圖1-17所示。

目前，PLC已廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類：

①開關(guān)量的邏輯控制。這是PLC最基本和最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它改革傳統(tǒng)的繼電器電路，實(shí)現(xiàn)邏輯控制、順序控制。既可方便地用于單臺(tái)設(shè)備的控制，也可用于多機(jī)群控及自動(dòng)化流水線的控制。

在PLC產(chǎn)生之前，如圖1-18所示的繼電器控制電路不足為奇。如此復(fù)雜的控制電路，給電氣人員進(jìn)行電路的安裝、調(diào)試、修改、故障排除等都帶來了極大的困難。PLC的應(yīng)用，已經(jīng)使如此復(fù)雜和凌亂的電氣控制線路不復(fù)存在了。

②模擬量控制。在工業(yè)控制中，不只是對(duì)開關(guān)量的邏輯控制，還有不少場(chǎng)合存在連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、液位和速度等，稱為模擬量。例如，蔬菜大棚的恒溫控制、居民小區(qū)供水的恒壓控制、養(yǎng)魚池的水面深度恒定控制、主軸旋轉(zhuǎn)速度的恒定控制等。

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展與普及，在現(xiàn)代控制、通信及檢測(cè)等領(lǐng)域，對(duì)信號(hào)的處理廣泛采用了計(jì)算機(jī)技術(shù)。由于系統(tǒng)的實(shí)際對(duì)象往往都是一些模擬量（如溫度、壓力、位移、圖像等），要使計(jì)算機(jī)或數(shù)字儀表能夠識(shí)別，這些信號(hào)，必須首先將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；而經(jīng)計(jì)算機(jī)分析處理后，輸出的數(shù)字量往往需要將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬信號(hào)，用來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因而，為了使可編程控制器處理模擬量，必須實(shí)現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Digital）之間的A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換。

A/D轉(zhuǎn)換，顧名思義，就是把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。但在A/D轉(zhuǎn)換前，輸入A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)必須經(jīng)各種傳感器把各種物理量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換后，輸出的數(shù)字信號(hào)可以有8位、10位、12位和16位等。A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理主要有以下三種方法：逐次逼近法、雙積分法和電壓頻率轉(zhuǎn)換法。A/D轉(zhuǎn)換四步驟為：采樣、保持、量化和編碼。

D/A轉(zhuǎn)換則是把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。

PLC廠家都生產(chǎn)配套的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。

③運(yùn)動(dòng)控制。PLC可以用于圓周運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)的控制。PLC通過專用的運(yùn)動(dòng)控制模塊，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或伺服電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，廣泛用于各種機(jī)械、機(jī)床、機(jī)器人、電梯等場(chǎng)合。

PLC是綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展而來的一種新型工業(yè)控制裝置。它具有結(jié)構(gòu)簡單、編程方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于工業(yè)過程和位置的自動(dòng)控制中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，可編程控制器是工業(yè)自動(dòng)化裝置中應(yīng)用最多的一種設(shè)備，可編程控制器將成為今后工業(yè)控制的主要手段和重要的基礎(chǔ)設(shè)備之一。

PLC、機(jī)器人、CAD/CAM（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助制造）將成為工業(yè)生產(chǎn)的三大支柱。

在日常生活中，在空調(diào)、洗衣機(jī)、冰箱等家電產(chǎn)品中也得到了廣泛的應(yīng)用。

（2）變頻器。變頻器是現(xiàn)代機(jī)電一體化系統(tǒng)中又一種常見的控制電子設(shè)備，用于改變電源的頻率，實(shí)現(xiàn)機(jī)電轉(zhuǎn)速的變化。圖1-19為一個(gè)使用變頻器控制三相異步電動(dòng)機(jī)的電氣控制電路板，電路板中右邊為變頻器。

現(xiàn)以三相異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速原理，介紹變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理。

三相交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為：

式中：f——異步電動(dòng)機(jī)定子繞組上交流電源的頻率，Hz；

p——電動(dòng)機(jī)定子繞組的磁極對(duì)數(shù)；

s——轉(zhuǎn)差率；

n——異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min。

由式（1-1）可知，在轉(zhuǎn)差率s變化不大的情況下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n大致隨電源的頻率f呈正比關(guān)系。可以認(rèn)為，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)定子電源頻率f，則可以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，這就是三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的基本工作原理。

變頻器的種類和型號(hào)很多。現(xiàn)以FR-E700三菱變頻器為例對(duì)變頻器進(jìn)行介紹。

①名稱和銘牌。FR-E7500三菱變頻器的外觀如圖1-20所示。

②操作面板。不同的變頻器，操作面板的布局各不相同，E700的操作面板如圖1-21所示。

操作面板上各個(gè)按鍵的功能見表1-1：

表1-1　三菱變頻器操作面按鍵功能表

續(xù)表

③外部接線。FR-E700三菱變頻器的接線方法如圖1-22所示。

在學(xué)習(xí)PLC與變頻器技術(shù)時(shí)，主要學(xué)習(xí)如何應(yīng)用方面的技能。圖1-23和圖1-24為學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中自己動(dòng)手設(shè)計(jì)和安裝的控制系統(tǒng)。

（3）伺服驅(qū)動(dòng)。如今，數(shù)控機(jī)床已在我國廣泛使用。它能按照操作者編制的程序自動(dòng)完成操作者設(shè)計(jì)的動(dòng)作。

下面為數(shù)控機(jī)床自動(dòng)加工的一個(gè)簡單實(shí)例。

待加工的零件如圖1-25所示。現(xiàn)需要用數(shù)控機(jī)床自動(dòng)加工三個(gè)孔，即刀具下降后加工出第一個(gè)孔后，自動(dòng)將刀具提起，再自動(dòng)下降，加工出第二個(gè)孔，直至加工出第三個(gè)孔。

加工時(shí)使用的加工設(shè)備為數(shù)控銑床，如圖1-26所示。

本項(xiàng)目所需工具、設(shè)備及材料如表1-2所示。

表1-2　項(xiàng)目所需工具、設(shè)備

在設(shè)計(jì)程序時(shí)，以左上角為工件坐標(biāo)原點(diǎn)，操作人員需要編制如下程序，如表1-3所示。

表1-3　數(shù)控加工程序

在數(shù)控機(jī)床工作時(shí)，控制機(jī)床自動(dòng)運(yùn)行的是數(shù)控系統(tǒng)，如圖1-27所示，是電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。

數(shù)控機(jī)床看似是一種非常神奇的事物。通過學(xué)習(xí)電氣技術(shù)、電子技術(shù)、PLC技術(shù)、變頻技術(shù)等知識(shí)，便會(huì)懂得其中的原理其實(shí)并不復(fù)雜。

機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)的學(xué)習(xí)內(nèi)容，一般都涉及電氣控制技術(shù)和電子技術(shù)。

電氣控制技術(shù)一般包括常用低壓電器元件，如常見的按鈕、熔斷器、斷路器等，按鈕實(shí)物及其工作原理見圖1-28。

通過學(xué)習(xí)控制電路的原理，例如基本控制電路（電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)控制電路，制動(dòng)控制電路等），不但能看懂電氣原理圖，還能自己設(shè)計(jì)一定復(fù)雜程度的電氣控制原理圖，也能對(duì)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行安裝與調(diào)試。因而，也將能對(duì)數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化流水線進(jìn)行安裝、調(diào)試、維護(hù)等。

例如，為什么只要按下機(jī)床控制面板中向右的按鈕，機(jī)床刀具就會(huì)向右運(yùn)行？機(jī)床控制面板如圖1-29所示，X、Y、Z軸的正、負(fù)向移動(dòng)的電氣原理圖如圖1-30所示。

X、Y、Z軸正、負(fù)向移動(dòng)的輸入信號(hào)地址如表1-4所示。

表1-4　輸入地址表

當(dāng)選擇X、Y、Z中任意一鍵，即通過對(duì)應(yīng)的信號(hào)告知數(shù)控系統(tǒng)，由數(shù)控系統(tǒng)控制對(duì)應(yīng)的移動(dòng)軸正向或反向移動(dòng)。

學(xué)生進(jìn)行電氣控制系統(tǒng)安裝與調(diào)試時(shí)的情景如圖1-31所示。

電氣控制系統(tǒng)安裝實(shí)例如圖1-32所示。

在進(jìn)行電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)過程中，還將學(xué)習(xí)可編程序控制器、變頻器、單片機(jī)等技術(shù)，學(xué)習(xí)其基本組成、工作原理、程序編寫方法、參數(shù)設(shè)定方法等，并通過實(shí)際項(xiàng)目的實(shí)施，掌握其應(yīng)用的基本技能。

3.自動(dòng)控制技術(shù)

自動(dòng)控制技術(shù)是在控制指令的作用下，進(jìn)行高精度位置控制、速度控制、自適應(yīng)控制、自診斷校正、補(bǔ)償?shù)取Ｗ詣?dòng)控制對(duì)象為各種伺服傳動(dòng)裝置，包括電動(dòng)、氣動(dòng)、液壓等各種類型的傳動(dòng)器件。常見的伺服裝置有電液電動(dòng)機(jī)、脈沖油缸、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)等。這些器件在計(jì)算機(jī)控制下，帶動(dòng)機(jī)械部件回轉(zhuǎn)、直線或其他復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。

圖1-33中左邊為普通的三相異步電動(dòng)機(jī)，右邊為交流伺服電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器。三相異步電動(dòng)機(jī)只要接入規(guī)定電壓值的交流電壓（額定電壓），電動(dòng)機(jī)就會(huì)按照額定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，但是，三相異步電動(dòng)機(jī)卻不能控制其旋轉(zhuǎn)的度數(shù)。伺服電動(dòng)機(jī)在其驅(qū)動(dòng)器的控制下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。伺服電動(dòng)機(jī)卻可以控制其旋轉(zhuǎn)的度數(shù)值，例如可以使伺服電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)100°就準(zhǔn)確地停下來。這就是機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展而產(chǎn)生的新技術(shù)之一。伺服電動(dòng)機(jī)在機(jī)電一體化產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用。

作為機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)的學(xué)生，重點(diǎn)是學(xué)會(huì)應(yīng)用這些新型裝置，對(duì)其結(jié)構(gòu)和原理只要了解即可。

自動(dòng)控制主要是解決如何提高產(chǎn)品的精度、提高加工效率、提高設(shè)備的有效利用率，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的目標(biāo)最優(yōu)化。