专题一　机电行业认知

学习目标

1.认识机电行业；

2.了解机电行业的主要技术；

3.了解机电行业的行业情况；

4.认识机电行业的就业前景；

5.了解职业成长道路。

随着科学技术的发展，当今的机电产品，朝着机电一体化产品方向发展。其机械、电气及其相互之间的融合，都不同于传统的机械和电气，它们都发生了根本性的革命，形成了精密机械，电子技术（含电力电子、计算机），自动控制技术等多门学科交叉融合而成的一门高新技术，即机电一体化技术。

在我国工业领域，无论从产品的种类、产值、从业人员、出口总量上看，机电行业是最大的行业，是我国国民经济的支柱行业。

机电一体化技术是当前发展最快的技术之一，它是先进制造技术的主要组成部分。它的发展推动了当前制造技术的迅速更新换代，使产品向“高、精、快”迅速迈进，使劳动生产率迅速提高。

“机电一体化”一词最早是日本提出的，他们根据英文的Mechanics（机械学）和Electronics（电子学）两词，组合出Mechatronics一词，其表意汉字为“机电一体化”，Mechatronics一词从学科角度可以翻译为“机械电子学”，我国科技界也经常直接使用“机电一体化”作为汉语的表达词汇。

机电一体化技术在20世纪60年代萌芽于美国。机电一体化产品涉及工业生产、科学研究、人民生活、医疗卫生等各个领域，如自动生产线、空中客车、打印机、自动洗衣机等。空中客车、数控机床等都是机电一体化的典型产品，如图1-1所示。

机电一体化技术突飞猛进地发展是70年代中期以后的事情。日本技术和经济迅速崛起并跃居世界先进水平的过程就是在技术上引进、消化、发展、创新机电一体化技术的过程。

由于我国逐渐成为世界制造业基地，加之传统企业面临大规模的技术改造与设备更新，国内急需大量先进制造技术专业人才。

在20世纪80年代初，日本名古屋大学最早设置了机电一体化专业。如今在本科，一般称为“机械电子工程”专业；在高职高专院校则仍沿用机电一体化专业名称。

一、机电行业主要技术

目前，纯机械产品（如自行车）越来越少，一般都由电气系统控制着机械动作，完成相应功能，并朝着自动化、智能化方向发展。因而，机电行业的机械产品大多为机电一体化产品，如汽车、飞机、生产线、机电设备等。

归纳起来，“机电一体化技术”主要包括精密机械技术、电子技术和自动控制技术三个方面。

1.精密机械技术

机械，是机电产品造型和完成规定动作的基础，相当于人的骨骼、手与脚，起支撑、造型和完成动作等作用。与普通机械相比，机电一体化系统中的机械部分精度要求更高，可靠性更好，称为精密机械技术。依靠传统的机械，不能自动加工出高精度的产品，使用精密机械加工出的产品如图1-2所示。

在精密机械技术中，有许多新的功能部件和技术用于其中。例如，对结构进行优化设计，采用新型复合材料，采用精密滚珠丝杠、高精度导轨、高精度主轴轴承和高精度齿轮等。

滚珠丝杠副是精密机械技术的产物之一，为数控机床中的精密传动部件。其作用是将旋转运动转化为直线运动。精密滚珠丝杠与螺母之间（滚珠丝杠副）没有间隙，具有摩擦阻力小，传动精度高，传动平稳，工作寿命长，不易发生故障等优点，如图1-3所示，有很高的定位精度和重复定位精度，可用于高精度机械和数控机床。而传统的普通丝杠也是将旋转运动转化为直线运动，但丝杠与螺母之间存在较大的间隙，只能用在普通机械中，如图1-4所示。

高精度主轴是一种精密机械部件，由高精度主轴轴承、动平衡、冷却、材料与热处理、磨削、装配等技术作为支撑。主轴旋转速度可达数万转。主轴旋转时的跳动在0.003mm以内，其噪声一般控制在70（dB）以内、温升小于30℃，如图1-5所示。

由于加工产品的精度越来越高，因而，机械技术的发展趋势之一是精密化。机械设备的运动精度越来越精密（一般用途的机械精度为0.01mm级，精密加工的机械精度为0.001mm级，超精密加工的机械精度为0.0001mm级），对机械的技术要求越来越高。

一般来说，一个企业由若干个车间组成，在一个车间里，由若干个机电设备（或流水线）组成。某汽车零部件生产企业的一个车间如图1-6所示，这个车间里的某台设备如图1-7所示。

某设备的总体机械结构如图1-8所示。该设备含有三个电机。没有电机，其机械部分就不能工作。

某设备其中一个部件的结构如图1-9所示。其内部由一些机械零件组成，如齿轮、花键轴、拨叉等，如图1-10所示。

在机电产品的设计、制造过程中，必须使用设计图纸。这些图纸是用国家规定的方法绘制的，如图1-11所示。在今后也要学习相关的机械制图等课程。通过学习，就能读懂绘制好的机械图纸，也可以设计一般的机械图纸。

学生不但要能绘制机械图，还要绘制得合理，例如要满足一定的传动要求、强度和刚度要求，使受力变形、受热变形尽量小等。这就需要机械设计方面的理论，在今后的课程中也会学习到一部分相关内容，即机械原理。图1-12为零件的变形示意图。

机械零件通常是经过机械切削加工而成的，即怎样将一个零件由毛坯加工成符合图纸要求的零件，这就是工艺。车间里工人的生产过程，是按照技术人员设计的加工工艺进行的。机械零件加工工艺这方面的知识也会有所涉及。

机械零件的加工主要涉及加工设备、刀具类型及刀具参数、切削参数、零件定位与夹具等知识。机械零件加工示意图如图1-13所示，刀具参数示意如图1-14所示。

2.微电子技术

微电子技术在机械装置中的广泛应用，已经引发了革命性的变革，使得现代机械装置的面貌发生了根本性的变化。“机电一体化”这一术语较为贴切地概括出了这一变革的内在性质。

机电一体化系统中常采用现代的控制电子设备，如可编程控制器、变频器、单片机、工业控制机、数控系统等，进行信息的交换、存取、运算、判断与决策处理。

（1）可编程控制器。可编程控制器的产生是随着计算机技术和汽车工业的发展而产生的。1968年美国通用汽车公司（GM）为了适应汽车型号的不断更新、生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，提出一种新型工业控制器的设想，从而尽可能减少重新设计和变换继电器控制系统带来的麻烦，以降低成本，缩短周期。基于上述要求，从而在世界上产生了可编程控制器（PLC），汽车生产流水线如图1-15所示，可编程控制器如图1-16所示。

PLC的工作原理是通过输入端子接收外部信号（如要求电机正转的信号），经过内部程序的运算结果，通过输出端子控制负载的运行与停止（如电动机的运行或停止）。PLC工作原理示意如图1-17所示。

目前，PLC已广泛应用于各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类：

①开关量的逻辑控制。这是PLC最基本和最广泛的应用领域，它改革传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制。既可方便地用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线的控制。

在PLC产生之前，如图1-18所示的继电器控制电路不足为奇。如此复杂的控制电路，给电气人员进行电路的安装、调试、修改、故障排除等都带来了极大的困难。PLC的应用，已经使如此复杂和凌乱的电气控制线路不复存在了。

②模拟量控制。在工业控制中，不只是对开关量的逻辑控制，还有不少场合存在连续变化的量，如温度、压力、液位和速度等，称为模拟量。例如，蔬菜大棚的恒温控制、居民小区供水的恒压控制、养鱼池的水面深度恒定控制、主轴旋转速度的恒定控制等。

随着信息技术的飞速发展与普及，在现代控制、通信及检测等领域，对信号的处理广泛采用了计算机技术。由于系统的实际对象往往都是一些模拟量（如温度、压力、位移、图像等），要使计算机或数字仪表能够识别，这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号；而经计算机分析处理后，输出的数字量往往需要将其转换为相应的模拟信号，用来控制执行机构。因而，为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。

A/D转换，顾名思义，就是把模拟信号转换成数字信号。但在A/D转换前，输入A/D转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。A/D转换后，输出的数字信号可以有8位、10位、12位和16位等。A/D转换器的工作原理主要有以下三种方法：逐次逼近法、双积分法和电压频率转换法。A/D转换四步骤为：采样、保持、量化和编码。

D/A转换则是把数字信号转换成模拟信号。

PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。

③运动控制。PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。PLC通过专用的运动控制模块，驱动步进电动机或伺服电动机的驱动器，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

PLC是综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展而来的一种新型工业控制装置。它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。据统计，可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备，可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一。

PLC、机器人、CAD/CAM（计算机辅助设计/计算机辅助制造）将成为工业生产的三大支柱。

在日常生活中，在空调、洗衣机、冰箱等家电产品中也得到了广泛的应用。

（2）变频器。变频器是现代机电一体化系统中又一种常见的控制电子设备，用于改变电源的频率，实现机电转速的变化。图1-19为一个使用变频器控制三相异步电动机的电气控制电路板，电路板中右边为变频器。

现以三相异步电动机的变频调速原理，介绍变频调速技术的基本原理。

三相交流异步电动机的转速为：

式中：f——异步电动机定子绕组上交流电源的频率，Hz；

p——电动机定子绕组的磁极对数；

s——转差率；

n——异步电动机的转速，r/min。

由式（1-1）可知，在转差率s变化不大的情况下，电动机的转速n大致随电源的频率f呈正比关系。可以认为，调节电动机定子电源频率f，则可以调节电动机的转速，这就是三相异步电动机变频调速的基本工作原理。

变频器的种类和型号很多。现以FR-E700三菱变频器为例对变频器进行介绍。

①名称和铭牌。FR-E7500三菱变频器的外观如图1-20所示。

②操作面板。不同的变频器，操作面板的布局各不相同，E700的操作面板如图1-21所示。

操作面板上各个按键的功能见表1-1：

表1-1　三菱变频器操作面按键功能表

续表

③外部接线。FR-E700三菱变频器的接线方法如图1-22所示。

在学习PLC与变频器技术时，主要学习如何应用方面的技能。图1-23和图1-24为学生在学习过程中自己动手设计和安装的控制系统。

（3）伺服驱动。如今，数控机床已在我国广泛使用。它能按照操作者编制的程序自动完成操作者设计的动作。

下面为数控机床自动加工的一个简单实例。

待加工的零件如图1-25所示。现需要用数控机床自动加工三个孔，即刀具下降后加工出第一个孔后，自动将刀具提起，再自动下降，加工出第二个孔，直至加工出第三个孔。

加工时使用的加工设备为数控铣床，如图1-26所示。

本项目所需工具、设备及材料如表1-2所示。

表1-2　项目所需工具、设备

在设计程序时，以左上角为工件坐标原点，操作人员需要编制如下程序，如表1-3所示。

表1-3　数控加工程序

在数控机床工作时，控制机床自动运行的是数控系统，如图1-27所示，是电子技术和计算机技术发展的产物。

数控机床看似是一种非常神奇的事物。通过学习电气技术、电子技术、PLC技术、变频技术等知识，便会懂得其中的原理其实并不复杂。

机电一体化技术专业的学习内容，一般都涉及电气控制技术和电子技术。

电气控制技术一般包括常用低压电器元件，如常见的按钮、熔断器、断路器等，按钮实物及其工作原理见图1-28。

通过学习控制电路的原理，例如基本控制电路（电动机的正、反转控制电路，制动控制电路等），不但能看懂电气原理图，还能自己设计一定复杂程度的电气控制原理图，也能对电气控制系统进行安装与调试。因而，也将能对数控机床、自动化流水线进行安装、调试、维护等。

例如，为什么只要按下机床控制面板中向右的按钮，机床刀具就会向右运行？机床控制面板如图1-29所示，X、Y、Z轴的正、负向移动的电气原理图如图1-30所示。

X、Y、Z轴正、负向移动的输入信号地址如表1-4所示。

表1-4　输入地址表

当选择X、Y、Z中任意一键，即通过对应的信号告知数控系统，由数控系统控制对应的移动轴正向或反向移动。

学生进行电气控制系统安装与调试时的情景如图1-31所示。

电气控制系统安装实例如图1-32所示。

在进行电气控制系统设计的学习过程中，还将学习可编程序控制器、变频器、单片机等技术，学习其基本组成、工作原理、程序编写方法、参数设定方法等，并通过实际项目的实施，掌握其应用的基本技能。

3.自动控制技术

自动控制技术是在控制指令的作用下，进行高精度位置控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿等。自动控制对象为各种伺服传动装置，包括电动、气动、液压等各种类型的传动器件。常见的伺服装置有电液电动机、脉冲油缸、步进电动机、交流伺服电动机等。这些器件在计算机控制下，带动机械部件回转、直线或其他复杂运动。

图1-33中左边为普通的三相异步电动机，右边为交流伺服电动机及其驱动器。三相异步电动机只要接入规定电压值的交流电压（额定电压），电动机就会按照额定转速旋转，但是，三相异步电动机却不能控制其旋转的度数。伺服电动机在其驱动器的控制下做旋转运动。伺服电动机却可以控制其旋转的度数值，例如可以使伺服电动机旋转100°就准确地停下来。这就是机电一体化技术发展而产生的新技术之一。伺服电动机在机电一体化产品中得到了广泛应用。

作为机电一体化技术专业的学生，重点是学会应用这些新型装置，对其结构和原理只要了解即可。

自动控制主要是解决如何提高产品的精度、提高加工效率、提高设备的有效利用率，从而实现机电一体化的目标最优化。