二、机电一体化系统分析

（一）组成与分类

机电一体化系统是由机电一体化控制系统（或控制装置）与其控制对象所构成的，它是一种实现机械运动控制的工程系统。分析机电一体化系统的组成与功能只有从控制对象入手，才能对机电一体化系统的组成有清晰的认识，如果只是对系统的功能要素与构成要素泛泛而谈，容易导致概念的模糊。

1.机电一体化系统的组成

机电一体化系统的规模可大可小、功能有多有少。一般而言，机电一体化产品中的每一具有运动特性的控制对象都对应着一个“子系统”，因此，大型、复杂的机电一体化系统往往包含有若干个子系统，子系统有时还可能包含下级子系统，这些子系统在中央控制器的组织与管理下有序工作，各自实现其功能。然而，不论将一个系统分解为多少子系统，都必须具备以下基本要素，才能称之为“机电一体化系统”，否则它只是一种控制装置或部件。

① 控制对象。机电一体化产品的控制对象应是具有运动特性的机械装置。机械装置是任何机电产品的基本构成要素，它所涵盖的范围非常广，既包括机械运动部件，又包括与系统分析无关的产品机体或机架、外壳、安装连接件等附属装置。机电一体化系统的控制对象特指机械运动部件（包括与运动相关的连接件、传动件）；那些只是为了外观造型、部件支撑、安装运输等目的而设计的机体或机架、外壳等附属装置虽是机电一体化产品的构成要素，但不属于机电一体化系统的范畴。

② 控制装置。控制装置是信息处理与发出控制命令的部分，它是机电一体化控制系统的核心，系统根据控制装置的控制命令有序运行。

③ 驱动装置。驱动装置是进行控制命令的转换与功率放大的装置，它为执行装置的动作提供所需的能量与动力。

④ 执行装置。执行装置是机械运动的动作实施与执行者，是机电一体化控制系统的输出，执行装置所产生的运动可以直接变换为机械部件的运动。

以上4部分是一个机电一体化控制系统的最低要求，如果系统需要根据对象的实际动作进行自动调节，则还需要检测运动部件的速度与位置等相关参数的检测装置。

2.机电一体化系统的分类

根据机械装置的运动特点与要求机电一体化系统可分为顺序控制系统与连续控制系统两大类。

顺序控制系统是实现机械装置的动作顺序控制的自动控制系统。一般而言，此类系统的执行装置为电磁阀、接触器等通/断控制电器件；机械装置的运动由电机、气动或液压系统驱动，定位点固定不变；系统所使用的检测装置通常也是只能判断位置到达与否的检测开关。顺序控制系统的输入、输出以开关量为主，机械装置的运动不连续，故又称“开关量控制系统”或“断续控制系统”。

连续控制系统是以机械装置的连续位移、速度为控制对象的自动控制系统。控制系统包括了传统意义上的伺服驱动系统与电气传动系统两方面，前者以位置控制为主要目的，也称位置随动系统；后者以速度控制为主要目的，也称调速系统。运动控制系统需要进行速度、位置的连续控制，属于连续控制系统的范畴。

（二）系统分析

弄清控制对象是分析机电一体化系统的前提条件。为了便于理解，下面分别以全自动洗衣机与数控机床为例，来说明机电一体化系统的分析方法。

【例0-1】 全自动洗衣机控制系统分析。

在全自动洗衣机的控制系统中，控制对象有进水阀、排水阀、洗衣缸3部分。洗衣缸需在“漂洗”“脱水”时以不同转速、转向旋转，它是具有运动特性的机械部件，是系统的构成要素之一。进水与排水阀的控制对象是水位，它不是机械运动部件，因此只是机电一体化系统的辅助控制部分，不能构成机电一体化子系统。

由此可见，洗衣机控制系统是以洗衣缸体为控制对象、电动机为执行装置、电机调速器为驱动装置、程序控制器为控制装置的顺序控制系统。洗衣机一般没有检测缸体实际旋转的装置，即使缸体被卡住而停转，洗衣机依然按固定的程序执行“漂洗”“脱水”等动作，这是一个开环系统。

【例0-2】 数控机床控制系统分析。

图0-1.2所示的数控机床是由若干子系统所构成的复杂机电一体化系统，可以从控制对象入手进行系统分析。

① 控制对象。数控机床中的机械运动部件较多，它包括图0-1.2所示的工作台（刀具）的运动、主轴的回转运动、刀具自动交换以及冷却、润滑、切屑自动传送等（图中未画出）。

② 系统分析。以上控制对象中，工作台（刀具）的运动、主轴的回转运动、刀具自动交换、切屑自动传送具有机械运动特性，但切屑传送（排屑电机的正反转）只需要用接触器等非微电子装置进行控制，故不是机电一体化系统。而冷却、润滑的最终控制对象非机械运动，同样只是控制系统的辅助部分。

因此，数控机床的机电一体化系统可分为工作台（刀具）运动系统、主轴运动系统、刀具自动交换系统3个一级子系统。

1.刀具运动系统

数控机床的刀具运动是多维的，图0-1.2所示的卧式加工中心其刀具运动由X、Y、Z轴3个基本坐标轴与工作台回转轴B合成，因此，刀具运动系统又可分为X、Y、Z、B轴4个子系统，其控制对象分别为刀具左右移动的X轴（立柱）、刀具上下移动的Y轴（主轴箱）、刀具前后移动的Z轴（安装高速主轴单元的滑枕）与刀具绕Y轴回转的B轴。4个二级子系统除控制对象不同外，其他组成部件相同，其执行装置分别为X/Y/Z/B轴伺服电机，驱动装置分别为X/Y/Z/B轴伺服驱动器，控制装置同为 CNC（数控装置）。由于交流伺服驱动系统必须进行速度与位置的闭环控制，因此，子系统还包含了各自的速度与位置检测装置——编码器或光栅。

2.主轴运动系统

图0-1.2所示的卧式加工中心只有单一的主轴，没有子系统。主轴运动系统的控制对象为主轴的回转运动（速度、转向与位置），执行装置为主轴电机，驱动装置为主轴驱动器，控制装置为CNC。由于数控机床的主轴一般需要闭环控制，故它也包含了主轴速度与位置检测的编码器。

3.刀具自动交换系统

该系统包括刀库旋转（选刀）、刀具装卸（换刀）两部分，可分为“选刀控制”与“换刀控制”两个子系统。

选刀控制系统是一个以刀库回转定位为控制对象的运动控制系统，其执行装置为刀库回转电机，驱动装置为刀库调速器（一般为变频器），控制装置为接受CNC控制的二级控制器PLC。选刀只需要定点定位，它是一个顺序控制系统，通常使用接近开关或编码器等作为检测装置。

如果数控机床所采用的是液压或气动式机械手换刀装置，则换刀控制子系统的控制对象为机械手，运动包括机械手伸缩、手臂回转、刀具的松开与夹紧等；系统的执行装置为电磁阀，驱动装置为气缸或液压缸等，控制装置为接受 CNC 控制的二级控制器 PLC。如机床的换刀采用机械联动凸轮换刀装置，那么，其执行装置为换刀电机，驱动装置为换刀调速器（变频器等），控制装置同为PLC。换刀控制是对运动部件动作顺序的控制，也是一个顺序控制系统，需要使用接近开关等检测装置。

以上各级系统在 CNC 这一中央控制器的管理与控制下有序运动，便构成了完整的机电一体化系统。至于数控机床的床身、底座、立柱、防护罩等不具有运动特性，它们只是产品（机床）的附属部件，而不是机电一体化系统的构成要素。