專題一　機電行業認知

學習目標

1.認識機電行業；

2.了解機電行業的主要技術；

3.了解機電行業的行業情況；

4.認識機電行業的就業前景；

5.了解職業成長道路。

隨著科學技術的發展，當今的機電產品，朝著機電一體化產品方向發展。其機械、電氣及其相互之間的融合，都不同于傳統的機械和電氣，它們都發生了根本性的革命，形成了精密機械，電子技術（含電力電子、計算機），自動控制技術等多門學科交叉融合而成的一門高新技術，即機電一體化技術。

在我國工業領域，無論從產品的種類、產值、從業人員、出口總量上看，機電行業是最大的行業，是我國國民經濟的支柱行業。

機電一體化技術是當前發展最快的技術之一，它是先進制造技術的主要組成部分。它的發展推動了當前制造技術的迅速更新換代，使產品向“高、精、快”迅速邁進，使勞動生產率迅速提高。

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

機電一體化技術在20世紀60年代萌芽于美國。機電一體化產品涉及工業生產、科學研究、人民生活、醫療衛生等各個領域，如自動生產線、空中客車、打印機、自動洗衣機等。空中客車、數控機床等都是機電一體化的典型產品，如圖1-1所示。

機電一體化技術突飛猛進地發展是70年代中期以后的事情。日本技術和經濟迅速崛起并躍居世界先進水平的過程就是在技術上引進、消化、發展、創新機電一體化技術的過程。

由于我國逐漸成為世界制造業基地，加之傳統企業面臨大規模的技術改造與設備更新，國內急需大量先進制造技術專業人才。

在20世紀80年代初，日本名古屋大學最早設置了機電一體化專業。如今在本科，一般稱為“機械電子工程”專業；在高職高專院校則仍沿用機電一體化專業名稱。

一、機電行業主要技術

目前，純機械產品（如自行車）越來越少，一般都由電氣系統控制著機械動作，完成相應功能，并朝著自動化、智能化方向發展。因而，機電行業的機械產品大多為機電一體化產品，如汽車、飛機、生產線、機電設備等。

歸納起來，“機電一體化技術”主要包括精密機械技術、電子技術和自動控制技術三個方面。

1.精密機械技術

機械，是機電產品造型和完成規定動作的基礎，相當于人的骨骼、手與腳，起支撐、造型和完成動作等作用。與普通機械相比，機電一體化系統中的機械部分精度要求更高，可靠性更好，稱為精密機械技術。依靠傳統的機械，不能自動加工出高精度的產品，使用精密機械加工出的產品如圖1-2所示。

在精密機械技術中，有許多新的功能部件和技術用于其中。例如，對結構進行優化設計，采用新型復合材料，采用精密滾珠絲杠、高精度導軌、高精度主軸軸承和高精度齒輪等。

滾珠絲杠副是精密機械技術的產物之一，為數控機床中的精密傳動部件。其作用是將旋轉運動轉化為直線運動。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，傳動精度高，傳動平穩，工作壽命長，不易發生故障等優點，如圖1-3所示，有很高的定位精度和重復定位精度，可用于高精度機械和數控機床。而傳統的普通絲杠也是將旋轉運動轉化為直線運動，但絲杠與螺母之間存在較大的間隙，只能用在普通機械中，如圖1-4所示。

高精度主軸是一種精密機械部件，由高精度主軸軸承、動平衡、冷卻、材料與熱處理、磨削、裝配等技術作為支撐。主軸旋轉速度可達數萬轉。主軸旋轉時的跳動在0.003mm以內，其噪聲一般控制在70（dB）以內、溫升小于30℃，如圖1-5所示。

由于加工產品的精度越來越高，因而，機械技術的發展趨勢之一是精密化。機械設備的運動精度越來越精密（一般用途的機械精度為0.01mm級，精密加工的機械精度為0.001mm級，超精密加工的機械精度為0.0001mm級），對機械的技術要求越來越高。

一般來說，一個企業由若干個車間組成，在一個車間里，由若干個機電設備（或流水線）組成。某汽車零部件生產企業的一個車間如圖1-6所示，這個車間里的某臺設備如圖1-7所示。

某設備的總體機械結構如圖1-8所示。該設備含有三個電機。沒有電機，其機械部分就不能工作。

某設備其中一個部件的結構如圖1-9所示。其內部由一些機械零件組成，如齒輪、花鍵軸、撥叉等，如圖1-10所示。

在機電產品的設計、制造過程中，必須使用設計圖紙。這些圖紙是用國家規定的方法繪制的，如圖1-11所示。在今后也要學習相關的機械制圖等課程。通過學習，就能讀懂繪制好的機械圖紙，也可以設計一般的機械圖紙。

學生不但要能繪制機械圖，還要繪制得合理，例如要滿足一定的傳動要求、強度和剛度要求，使受力變形、受熱變形盡量小等。這就需要機械設計方面的理論，在今后的課程中也會學習到一部分相關內容，即機械原理。圖1-12為零件的變形示意圖。

機械零件通常是經過機械切削加工而成的，即怎樣將一個零件由毛坯加工成符合圖紙要求的零件，這就是工藝。車間里工人的生產過程，是按照技術人員設計的加工工藝進行的。機械零件加工工藝這方面的知識也會有所涉及。

機械零件的加工主要涉及加工設備、刀具類型及刀具參數、切削參數、零件定位與夾具等知識。機械零件加工示意圖如圖1-13所示，刀具參數示意如圖1-14所示。

2.微電子技術

微電子技術在機械裝置中的廣泛應用，已經引發了革命性的變革，使得現代機械裝置的面貌發生了根本性的變化。“機電一體化”這一術語較為貼切地概括出了這一變革的內在性質。

機電一體化系統中常采用現代的控制電子設備，如可編程控制器、變頻器、單片機、工業控制機、數控系統等，進行信息的交換、存取、運算、判斷與決策處理。

（1）可編程控制器。可編程控制器的產生是隨著計算機技術和汽車工業的發展而產生的。1968年美國通用汽車公司（GM）為了適應汽車型號的不斷更新、生產工藝不斷變化的需要，實現小批量、多品種生產，提出一種新型工業控制器的設想，從而盡可能減少重新設計和變換繼電器控制系統帶來的麻煩，以降低成本，縮短周期。基于上述要求，從而在世界上產生了可編程控制器（PLC），汽車生產流水線如圖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（如要求電機正轉的信號），經過內部程序的運算結果，通過輸出端子控制負載的運行與停止（如電動機的運行或停止）。PLC工作原理示意如圖1-17所示。

目前，PLC已廣泛應用于各個行業，使用情況大致可歸納為如下幾類：

①開關量的邏輯控制。這是PLC最基本和最廣泛的應用領域，它改革傳統的繼電器電路，實現邏輯控制、順序控制。既可方便地用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線的控制。

在PLC產生之前，如圖1-18所示的繼電器控制電路不足為奇。如此復雜的控制電路，給電氣人員進行電路的安裝、調試、修改、故障排除等都帶來了極大的困難。PLC的應用，已經使如此復雜和凌亂的電氣控制線路不復存在了。

②模擬量控制。在工業控制中，不只是對開關量的邏輯控制，還有不少場合存在連續變化的量，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、居民小區供水的恒壓控制、養魚池的水面深度恒定控制、主軸旋轉速度的恒定控制等。

隨著信息技術的飛速發展與普及，在現代控制、通信及檢測等領域，對信號的處理廣泛采用了計算機技術。由于系統的實際對象往往都是一些模擬量（如溫度、壓力、位移、圖像等），要使計算機或數字儀表能夠識別，這些信號，必須首先將這些模擬信號轉換成數字信號；而經計算機分析處理后，輸出的數字量往往需要將其轉換為相應的模擬信號，用來控制執行機構。因而，為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現模擬量（Analog）和數字量（Digital）之間的A/D轉換及D/A轉換。

A/D轉換，顧名思義，就是把模擬信號轉換成數字信號。但在A/D轉換前，輸入A/D轉換器的輸入信號必須經各種傳感器把各種物理量轉換成電壓信號。A/D轉換后，輸出的數字信號可以有8位、10位、12位和16位等。A/D轉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換法。A/D轉換四步驟為：采樣、保持、量化和編碼。

D/A轉換則是把數字信號轉換成模擬信號。

PLC廠家都生產配套的A/D和D/A轉換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。

③運動控制。PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。PLC通過專用的運動控制模塊，驅動步進電動機或伺服電動機的驅動器，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。

PLC是綜合了計算機技術、自動控制技術和通信技術發展而來的一種新型工業控制裝置。它具有結構簡單、編程方便、可靠性高等優點，已廣泛用于工業過程和位置的自動控制中。據統計，可編程控制器是工業自動化裝置中應用最多的一種設備，可編程控制器將成為今后工業控制的主要手段和重要的基礎設備之一。

PLC、機器人、CAD/CAM（計算機輔助設計/計算機輔助制造）將成為工業生產的三大支柱。

在日常生活中，在空調、洗衣機、冰箱等家電產品中也得到了廣泛的應用。

（2）變頻器。變頻器是現代機電一體化系統中又一種常見的控制電子設備，用于改變電源的頻率，實現機電轉速的變化。圖1-19為一個使用變頻器控制三相異步電動機的電氣控制電路板，電路板中右邊為變頻器。

現以三相異步電動機的變頻調速原理，介紹變頻調速技術的基本原理。

三相交流異步電動機的轉速為：

式中：f——異步電動機定子繞組上交流電源的頻率，Hz；

p——電動機定子繞組的磁極對數；

s——轉差率；

n——異步電動機的轉速，r/min。

由式（1-1）可知，在轉差率s變化不大的情況下，電動機的轉速n大致隨電源的頻率f呈正比關系。可以認為，調節電動機定子電源頻率f，則可以調節電動機的轉速，這就是三相異步電動機變頻調速的基本工作原理。

變頻器的種類和型號很多。現以FR-E700三菱變頻器為例對變頻器進行介紹。

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。

在學習PLC與變頻器技術時，主要學習如何應用方面的技能。圖1-23和圖1-24為學生在學習過程中自己動手設計和安裝的控制系統。

（3）伺服驅動。如今，數控機床已在我國廣泛使用。它能按照操作者編制的程序自動完成操作者設計的動作。

下面為數控機床自動加工的一個簡單實例。

待加工的零件如圖1-25所示。現需要用數控機床自動加工三個孔，即刀具下降后加工出第一個孔后，自動將刀具提起，再自動下降，加工出第二個孔，直至加工出第三個孔。

加工時使用的加工設備為數控銑床，如圖1-26所示。

本項目所需工具、設備及材料如表1-2所示。

表1-2　項目所需工具、設備

在設計程序時，以左上角為工件坐標原點，操作人員需要編制如下程序，如表1-3所示。

表1-3　數控加工程序

在數控機床工作時，控制機床自動運行的是數控系統，如圖1-27所示，是電子技術和計算機技術發展的產物。

數控機床看似是一種非常神奇的事物。通過學習電氣技術、電子技術、PLC技術、變頻技術等知識，便會懂得其中的原理其實并不復雜。

機電一體化技術專業的學習內容，一般都涉及電氣控制技術和電子技術。

電氣控制技術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，按鈕實物及其工作原理見圖1-28。

通過學習控制電路的原理，例如基本控制電路（電動機的正、反轉控制電路，制動控制電路等），不但能看懂電氣原理圖，還能自己設計一定復雜程度的電氣控制原理圖，也能對電氣控制系統進行安裝與調試。因而，也將能對數控機床、自動化流水線進行安裝、調試、維護等。

例如，為什么只要按下機床控制面板中向右的按鈕，機床刀具就會向右運行？機床控制面板如圖1-29所示，X、Y、Z軸的正、負向移動的電氣原理圖如圖1-30所示。

X、Y、Z軸正、負向移動的輸入信號地址如表1-4所示。

表1-4　輸入地址表

當選擇X、Y、Z中任意一鍵，即通過對應的信號告知數控系統，由數控系統控制對應的移動軸正向或反向移動。

學生進行電氣控制系統安裝與調試時的情景如圖1-31所示。

電氣控制系統安裝實例如圖1-32所示。

在進行電氣控制系統設計的學習過程中，還將學習可編程序控制器、變頻器、單片機等技術，學習其基本組成、工作原理、程序編寫方法、參數設定方法等，并通過實際項目的實施，掌握其應用的基本技能。

3.自動控制技術

自動控制技術是在控制指令的作用下，進行高精度位置控制、速度控制、自適應控制、自診斷校正、補償等。自動控制對象為各種伺服傳動裝置，包括電動、氣動、液壓等各種類型的傳動器件。常見的伺服裝置有電液電動機、脈沖油缸、步進電動機、交流伺服電動機等。這些器件在計算機控制下，帶動機械部件回轉、直線或其他復雜運動。

圖1-33中左邊為普通的三相異步電動機，右邊為交流伺服電動機及其驅動器。三相異步電動機只要接入規定電壓值的交流電壓（額定電壓），電動機就會按照額定轉速旋轉，但是，三相異步電動機卻不能控制其旋轉的度數。伺服電動機在其驅動器的控制下做旋轉運動。伺服電動機卻可以控制其旋轉的度數值，例如可以使伺服電動機旋轉100°就準確地停下來。這就是機電一體化技術發展而產生的新技術之一。伺服電動機在機電一體化產品中得到了廣泛應用。

作為機電一體化技術專業的學生，重點是學會應用這些新型裝置，對其結構和原理只要了解即可。

自動控制主要是解決如何提高產品的精度、提高加工效率、提高設備的有效利用率，從而實現機電一體化的目標最優化。