机电一体化系统的构成

机电一体化系统的构成

　　机电一体化系统的构成【1】

　　摘要：本文以工业电脑绣花机为例，通过分析其设备组成、结构特点、自控原理，阐明了一个完整的机电一体化产品必须具备的五大结构要素及其对应的功能。

　　关键词：电脑绣花机;机电一体化系统;功能;结构要素

　　电脑绣花机是随着电子、计算机、精密机械的发展和应用而产生并成熟起来的一种高自动化、高生产效率的光、机、电相结合的机电一体化的刺绣设备。

　　其广泛用于刺绣、服装、鞋帽、袜业、床上用品、窗帘、台布及针织等行业。

　　现以工业电脑绣花机为例，通过分析其设备组成、结构特点、自控原理，从理论上阐明，一个完整的机电一体化产品必须具备的五大结构要素及其对应的功能。

　　1 电脑绣花机的工作原理及主要机构

　　1.1 工作原理

　　工业电脑绣花机按用户所需的图案，通过编程打版，将图案变成能为电脑识别的信息，通过磁碟将信息传输给电脑绣花机，从而完成对织物的刺绣。

　　其工作原理框图见图1。

　　电脑绣花机工作时，主电机通过针杆带动绣线作上下刺布运动，固定在绣花框内的绣品随步进电机作X、Y方向的移动。

　　两者的配合在绣品上完成绣花图案的刺绣。

　　电脑绣花机主要机构有三大部分组成：机械系统、传动系统、电控系统。

　　1.2 机械系统

　　机械系统主要由机架部件、箱体部件、刺布机构、挑线机构、换色机构、夹线机构、送布机构、绣花框部件、手拉开关箱部件等组成，在此不作详细介绍。

　　1.3 传动系统

　　主电机为交流滑差电机，根据绣花图案针距的长短变化调节电机的转速。

　　为保证绣花精度，主电机带有电磁刹车装置。

　　主电机通过同步齿形带带动下轴，下轴通过链轮传动上轴，上轴带动刺布机构和挑线机构运动。

　　下轴又通过锥齿轮传动旋梭及剪线机构运动，从而完成绣花底线和面线的锁套，在织物上形成绣花线迹。

　　受主控板控制的X方向及Y方向的步进电机，分别带动几组同步齿形带运动，并由齿形夹板带动绣花框在绣花机台面上，以一定速度沿X、Y方向移动，保证织物上绣出与绣花图案完全一致的花型。

　　换色电机带动针杆箱移动，替换绣花面线的颜色。

　　工业电脑绣花机主传动系统如图2所示。

　　1.4 自控系统

　　电控系统由电源箱、控制箱、操作键盘箱、外围控制板及执行部件组成。

　　自动控制系统框图如图3所示。

　　2 机电一体化产品系统的构成

　　2.1 机电一体化产品的功能构成

　　任何一种产品都是为了满足人们的某种需要而开发和生产的，即产品应具有相应的目的功能。

　　产品不同其目的功能也不同，但所有的机电一体化产品的功能都是要对三大工业要素――输入的物质、能量和信息进行基本处理，输出具有所需形式或所需特性的物质、能量和信息。如图4所示。

　　产品的目的功能是通过其内部功能实现的。

　　机电一体化产品一般具备五种内部功能，即主功能、动力功能、计测功能、控制功能和构造功能。

　　每一种功能又由产品中具体的功能部件加以实现。

　　而传统的机械产品一般不完全具备上述五种内部功能。

　　2.2 机电一体化产品的五大基本结构要素

　　由以上分析可知，机电一体化系统是由下述五个基本结构要素构成：

　　机械本体：包括机身、框架、机械联接等在内的产品支持结构，属于基础部件，实现产品的构造功能。

　　要尽量采用新结构、新材料、新工艺，以适应机电一体化产品的要求。

　　动力源：向系统提供能量，并将输入的能量转换成需要的形式，实现动力功能。

　　要求动力源效率高、可靠性好。

　　检测与传感装置：包括各种传感器及其信号检测电路，用于对产品运行时的内部状态和外部环境进行检测，提供运行控制所需的各种信息，实现计测功能。

　　要求传感装置体积小、检测精度高、抗干扰、受环境影响小、安装与联接方便。

　　控制与信息处理装置：根据产品的功能和性能要求及对传感器的反馈信息，进行处理、运算和决策，对产品运行施以相应的控制，实现控制功能。

　　要求可靠性高、柔性和智能性好。

　　执行机构：包括机械传动与操作机构，在控制信息作用下完成要求的动作，实现产品的主功能，是实现产品目的功能的直接参与者。

　　机电一体化产品的五大其本要素及其功能有对应关系如图6所示。

　　3 结束语

　　从电脑绣花机这一典型的机电一体化产品的浅析中，不难看出任何一个完整的机电一体化系统必须具备五大结构要素，而这五大基本结构要素之间并非彼此无关或是简单拼凑。

　　在结构上，各结构要素通过各种接口与相关软件的有机结合，构成一个内部合理匹配、外部效能最佳的完整产品。

　　从系统外部看，机电一体化产品的输入/输出是与人、自然及其他系统之间的接口;从系统内部看机电一体化产品是由许多接口将系统构成要素的输入/输出联系为一体的系统。

　　在系统工作时，这五大结构要素必须各司其职，互相补充、互相协调，才能共同完成该产品所规定的目的功能。

　　即在机械本体的支持下，由传感器检测产品的运行状态及环境变化，将信息反馈给控制及信息处理装置，通过对各种信息的处理，按系统要求控制动力源驱动执行机构工作。

　　参考文献

　　[1]赵延雯.绣花工艺与设备[J].武汉科技学院，2000，(2).

　　[2]郑堤，唐可洪.机电一体化设计基础[M].北京：机械工业出版社，1997.

　　光机电一体化实训项目的设计与实践【2】

　　摘 要：针对电子实训课程中项目单一情况，设计了一套可用4种方法实现的，光机电一体的直流电机调速控制实训项目，项目设计主要包括单片机、功率驱动、转速测量、LED显示保护电路及传动机构6部分，每部分均可用多种方案实现，在教学实践中激发了学生的兴趣和激情，切实提高了学生的工程设计能力和解决工程问题的能力，起到了四两拨千斤的效果。

　　关键词：工程实训;光机电一体化;电机调速

　　引言

　　工程训练课程是高等教育的一个重要环节，在培养学生的工程实践能力、专业综合能力和创新能力等方面有着其它课程不可代替的作用。

　　但实训内容较为单一刻板存在着照本宣科，依葫芦画瓢的现象，多数情况下学生只是跟着教学进度进行练习而已，学生个人的想象力和直觉思维没有开发出来，不善于质疑、批判并超越教师和书本。

　　为主动适应当代社会对人才的需求，主动衔接“卓越工程师教育培养计划”，本文通过多年教学实践，试图从电子工程实训项目的内容出发，设计了一种集光、机、电技术于一体的直流电机调速控制实训项目。

　　项目内容丰富，合理并具有层次性，注重经典与先进性相结合，有较好的灵活性和拓展性，为培养学生的工程意识和工程综合能力提供了一个行之有效的载体。

　　1 项目的基本工作原理与设计

　　1.1 PWM直流调速原理

　　我们知道直流电动机转速n可表示如下：

　　n=(U-IR)/kφ (1)

　　式(1)中U为电枢端电压，I为电枢电流，R为电枢电路总电阻，φ为每级磁通量， k为电动机结构参数。

　　从式中可知，改变U、φ、R等变量都可达到电机调速的目的，但最方便有效的调速方法是对电枢电压U进行控制。

　　本文采用经典的脉宽调制PWM直流控制技术，利用晶体管的开关特性对电压进行调制，按一个固定的周期来接通与断开功率晶体管，并根据外加控制信号来改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，使加在电动机电枢的电压占空比改变，即改变电枢两端平均电压大小，从而达到控制PWM信号。

　　在实训过程中，产生PWM信号有4种方法可供学生选择：

　　a、分立元件组成的PWM信号发生器。

　　成本低、原理清晰，但电路复杂、调试难度大。

　　b、采用专用PWM集成电路，电路简单、性能好，但成本较高。

　　c、软件模拟法，利用8051单片机的I/O口，通过软件对该引脚输出高低电平来实现PWM波。

　　这种方法需占用CPU的大量资源，编程复杂，使得单片机的工作效率大为降低。

　　d、利用新一代单片机自带的PWM口，通过控制单片机的初始化设置，使其自动产生占空比可变的PWM，只有在改变脉冲宽度时，CPU才进行干预，该方法控制直流电动机转速简单、可靠。

　　2.2项目的整体结构与设计

　　我们以自带PWM口的P87LPC768单片机为核心部件进行阐述，光机电一体化直流电动机调速控制实训项目的整体结构如图1所示。

　　(1)单片机

　　选用P87LPC768，由于单片机只有20个引脚，既要控制电机的速度，又要显示转速，还要连接四个按钮开关。

　　I/O口线比较紧张，因此采用了片内振荡和内部复位，使其对应的3个引脚可作为I/O口线使用。

　　单片机的PWM0(P0.1)口作为PWM输出口。

　　本实训项目主要采用P87LPC768的一路PWM输出，PWM输出主要由一个10位的输出频率相关寄存器CNSW及一个10位的脉冲宽度寄存器CPSW组成。

　　根据需要设置CNSW的值，可得到PWM的输出频率：

　　fPWM=fc/(CNSW+1) (2)

　　设置CPSW的值，可得到PWM的脉冲宽度。

　　对运行的电机而言，各种不同的CPSW值就是各种不等的电压。

　　(2)转速检测电路

　　采用光电传感器测速电路。

　　即在电机的转轴上加装一个圆盘，沿圆盘周边均匀开一圈小孔，再通过对射型光电传感器。

　　当电机带动圆盘转动时，对射型光电传感器上的发射单元发射的光线通过圆盘上的透光孔，交替地照射到接收单元，完成光电转换，经放大整形可得相同频率的连续脉冲，将脉冲信号送到CPU的计数器T1，计算出电机的实际转速。

　　(3)功率驱动电路

　　功率驱动采用单电源可逆控制方式，一般采用由功率开关器件组成的H型桥式电路。

　　有以下几种选择：a.采用功率场效应管，开关性能好，但价格较高;b.采用大功率三极管，但因直流放大系数hFE太小，需驱动的功率较大;c.采用中、小功率的三极管连接成达林顿结构，hFE较大，驱动功率较小，可由单片机直接驱动，且价格适中。

　　电路如图2所示，其特点是在一个周期内V12、V13与V23、V24和V21、V22与V15、V16两组达林顿管交替导通，改变一个周期内两组达林顿管导通时间的长短，就可实现对电机转速和转动方向的控制，开关频率可调至25kHz左右。

　　(4)LED显示电路

　　数码管显示电路设计4位数码管来显示设定转速和动态转速，采用动态扫描显示方式，主要采用软件扫描，占用了11条I/O口线。

　　其中7根线用于段码的选择，4根用于位选择，LED采用共阴极接法。

　　(3)按钮开关

　　电机的运行根据需要由四个按钮开关进行控制，单片机采用中断扫描方法读取按钮信号，它们的功能分别是启动/停止键、正转/反转键、定时键、转向键。

　　其中转向键还可以使电机循环定时转向。

　　本项目采用乐高(LEGO)机器人传动结构组件构建减速齿轮，曲柄连杆等机械机构安装在电机转轴上进行动态演示。

　　至于对过电压、欠电压和过电流保护电路的实现方法，相关文献介绍较多，在此不作赘述。

　　3 教学实践

　　3.1教学思路

　　根据电子实训课程教学大纲的要求，我们在教学实践中始终坚持重基础知识，重基本理论，重基本技能的教育，实现了基础与前沿，经典与现代，课外与课内的有机结合(4)。

　　光机电一体化直流电机调速控制实训项目是可供学生自主选择的知识覆盖面较全面的项目之一，学生利用这一实训项目综合运用模拟和数字电路，单片机原理及接口技术，传感器技术和电力传动控制技术，机械机构设计等课程的知识，对其进行综合论证、设计、组装和调试，达到培养学生的综合设计和创新能力为主线的教学指导思想。

　　3.2教学安排和实施过程

　　学生选择本实训项目后，老师把学生分成若干个小组，每组人数3~4人，若发现优生和差生有扎堆现象，需做出适当调整，以促进学生互相学习和项目的完成。

　　项目分为必修和选修两部分，必修部分是电机转速闭环PWM控制和功率驱动电路以及转速检测电路，其它为选修部分。

　　对于必修部分，老师从电动机转速闭环PWM控制原理入手，从转速检测(FG)，频率/电压转换器(f/v)，基准三角波发生器，PWM调速以及功率驱动电路的组成、工作原理和设计思想进行详尽的讲解和解剖，电路组成如图3所示。

　　实训过程中，着重启发学生利用基础专业课程中学过的元器件知识，并结合查阅相关资料完成设计，力求拓展学生的视野，教师的工作是努力促成学生从知识积累向综合能力的转化。

　　无论是必修部分还是选修部分，每一个功能电路都可以用不同的方案去进行设计，把学生的兴趣爱好置于核心地位，鼓励主动探究，为其个性发展创造条件，使得不同层次，不同基础的学生都可以找到自己的角色。

　　学生实训成绩评定，主要依据在设计和制作本项目的过程中，能做出多少功能电路，方案设计的先进性及合理性，是否具有独到创新之处，电路布局规范程度，测试数据和波形的准确性，实习报告是否全面完整，先由各组学生自评和互评，最终由老师综合考评确定实训成绩。

　　3.3解决问题实例

　　在设计功率驱动电路时有的学生决定采用H型可逆双极性控制方案，使用了如图2所示的电路，但在通电调试过程中，屡屡发生三极管被击穿冒烟的情况，这是由于三极管工作在开关状态，集电极电流的变换滞后于基极电压的变化，三极管内部存在结电容效应而造成的。

　　我们启发学生，在上面三极管导通时，如何保证下面三极管截止，反之亦然。

　　大家开动脑筋，反复琢磨，终于有了方案，引入如图2所示的XY和NM两条导线，其原理是，当三极管V12和V15的基极为高电平时，V12和V13饱和导通，V15和V16截止，V15的发射极电位比基极高0.7V，反之亦然，从而保证了在同一时刻上下两组三极管只能有一组导通，相当于自锁。

　　问题解决后，电机运行始终正常，使学生对三极管的特性有了更加深刻的理解。

　　领悟到了基础理论的重要性。

　　整个教学过程中我们始终强调工程设计，处理方法以及工程实践中实际问题的解决。

　　同学们感悟颇深，从课堂上学来的知识往往不是很深刻，只有从实践中带着问题学到的东西才说得上记忆深刻，真知灼见。

　　结语

　　工程训练实践教学中的实训项目不应是固定的、单一的、封闭的，而应是多元的、开放的。

　　学生通过实践开阔了视野，活跃了思路，激发了灵感，养成了实事求是的态度，一丝不苟的严谨作风，勇于面对失败和挫折，积极进取的探索精神，实现了学生综合素质和创新能力的全面提高。

　　工程实训内容应与现代技术发展的应用水平保持同步，并不断更新，动态调整，以适应卓越工程师教育培养的教学改革，适应国家经济发展、技术进步的需要。

　　参考文献

　　[1]浦龙梅，杨增强。

　　单片机控制的PWM调速装置的研究[J].电子技术，2006，(2):37-39.

　　[2]包松，鲍可进，余景华，基于单片机PID算法的直流电机测控系统[J].微机发展，2003,13(8):72-74.

　　[2]曹琳琳，曹巧媛，单片机原理及接口技术[M].长沙：国防科技大学出版社，2000.

　　[3]项俊等。

　　生物学实验室课程创新体系的探索[J].实验室研究与探索，2008，27(10):80-82.

　　[4]郑清春等，基于乐高机器人系统的创新设计实验室开放实践探索[J].实验室研究与探索，2008，27(10):22-39.

　　充分利用光机电一体化实训装置培养学生综合能力思考【3】

　　摘 要：随着全球微电子和计算机等相关技术的快速发展，促使其自动化程度得到大幅度提高，开始运用到机电一体化领域上来，这使得机械与技术很好地进行融合，进而提升了机械的性能、质量和可靠性。

　　这也需要利用光机电一体化实训装置将学生进行有效培养，不单单使学生的专业技能进行了培养，还使得学生的表达、协作及创新能力都有所提高，进而使学生的综合能力有所提升，增加了学生的社会竞争能力。

　　关键词：利用;光机电一体化;实训装置;培养;学生;综能力

　　引言：光机电一体化实训装置主要是将学生从最初始的自动化生产流程到机电设备中进行安装、调试、维护、检测、销售、技术管理及售后服务等相关专业技术工作的开展。

　　在实践光机电设备时，所涉及到多种专业知识的融合，这也说明了所需要的人才要具备一定的复合能力。

　　而高职学生在实训后，所面临的是企业在进行生产、服务及管理的流程工作。

　　这也说明了只有充分的利用光机电一体化实训装置，才能将学生的综合能力进行培养。

　　一、光机电一体化实训装置的重要性

　　高职院校的学生想要将综合能力进行培养，最重要的方式及方法就是进行实践教学，而想要将实践教学落实，更需要实训装置进行支撑，这样才能使学生的实践能力及创新能力都进行了培养。

　　在这种情况下，许多院校也购买了大批量的光机电一体化实训装置，但是并没有进行充分利用，导致没有取得一定的效果。

　　只有充分的利用光机电一体化实训装置，才能更好地为学生提供更加完善的实践平台【1】。

　　二、光机电一体化实专业技能的培养

　　(一)学生的气压传动培养

　　企业传动技术主要是运用空气压缩机械作为动力源，并且其中的工作介质是压缩空气，进而将能量或信号进行传输的技术。

　　企业传�蛹际跻彩墙�生产过程实现机械自动化的有效方式之一，其优点不单单不为环境带来污染，有效的将资源进行节约，还可以将成本进行减低的同时将效率进行提升，并且所需要的构造较为简单，又有着较高的安全可靠性，现阶段已经在工业部门的许多领域中都有越来越广泛的应用。

　　光机电一体化实训装置主要配备了众多元器件，并且组合成多种系统。

　　这就需要在了解各种结构及院里的基础上，还可以对其组成及应用有着相关知识了解。

　　主要说明了此项实训，主要包含对元器件的基础认别、设计出气动基础的回路及机械手气动控制系统的安装、调试、应用及维护等。

　　(二)学生的传感器技能培养

　　工业自动化的控制离不开传感器的技能进行支撑，这也说明工程技术人员要将传感器技能进行掌握是最为基础的技能。

　　传感器装置所配备有多种开关及传感器，这也使得许多材质物品都可以被检测。

　　这也需要学士要培养对传感器技能的认知，使其更好的了解结构组成、工作原理、运用场所及接线方法【2】。

　　三、运用行动教学方式进行能力培养

　　(一)培养学生的社会能力

　　学生所拥有的社会能力主要包含：独立工作、团队协作及沟通、书面及口头表达、良性竞争及自我调整的几方面能力。

　　在进行行动教学模式下的培养中，一般对采取将学生进行分组进行，首先可以将班级同学分为若干组员，并且队伍中要有以下成员：组长、副组长、软件及硬件设计师和质检员等。

　　这也需要在所有项目中，所有成员都要将自己的责任进行担任，并且所有的身份可以进行轮流交换。

　　在进行能力培养时，首先要清楚，组长所承担的承担的责任及日常工作的内容，主要包含：对所用组员进行明确分工，并且将设计方案进行组织讨论，并且将程序进行相关设计，然后将运行的设备进行一定的调试，最后还要将日常考核落到实处。

　　在无特殊情况下，组长要保证所有组员都要参入到实训过程中，并且要取得相关实训能力。

　　这也需要组长对所有队员有着一定的要求，使其可以将实训日志进行每天书写，并且还要将组员进行书写任务的安排，并且保障项目实施情况有相关的工作日志进行记录。

　　在进行实训课程是，刚刚开始上课后，教师可以在进行完实训任务布置后，可以将讲解及演示进行简单展示，然后就要进行分组实训。

　　在其过程中，小组对实训人员进行一定的讨论，然后找寻相关的资料，使其项目的解决方案可以被提出，并设计出相关的接线图及控制程序，并可以在实训装置进行调试，一直到项目设计要求可以达到满足。

　　当完成实训后，就可以实训内容进行问题答辩。

　　首先，要求组长负责监督，使每位组员都要针对实训内容将设计方案及操作步骤进行阐述及讲解。

　　在保障每位组员都进行阐述后，指导教师可以根据项目具体内容进行相关问题的提问，并且还可以指定组员根据实训出的过程进行一定的答辩，指导教师可以根据各个方面对整体学生做出一定的评价。

　　这种情况下，学生在进行实训及答辩过程中，不单单使其各项能力都得到提升，还促使了学生的竞争意识及集体荣誉感都得到了增加。

　　而实训报告及日记的书写，也可以使学生在书写能力进行锻炼。

　　并且随着所担任的职责的不断变化，也使得所有学生的能力都可以得到完整的培训。

　　进而学生的综合能力得到提升。

　　(二)培养学生的创新能力

　　创新能力的培养主要是学士需要在已有的知识基础上，再加上自身独有的创造性思维，将可以应用的资源进行运用，并提出更将创新的方案。

　　在高职院校的最后一个环节中，就是毕业时进行的实训环节，这更是对学生进行创新能力的培训，并且将理论知识进行综合的实训的重要环节。

　　现阶段，学校充分的利用光机电一体化实训装置，并且将科研课题、真实项目及竞赛项目都转变为毕业时所需要的实训题目这使得学生综合能力得到更好的提升。

　　在进行学生的毕业实训课题分配时，首先教师要进项一定的调查及思考，并且使学生选择相应的实训内容。

　　并且，指导教师可以依照学生所呈现出的兴趣及爱好将所实训的课题进行一定的修改，争取给学生一个实训的优质空间，学生更好的在知识的海洋中去探索及求知【3】。

　　在进行实训时，学生要依据教师给提出的实训题目的任务及要求，实际出相应的方案，并且依照此方案找出解决的方式，并且将相关资料进行自主找寻，并且可以购买相关材料及辅导设备。

　　这也使得相关产品及创造都可以自主进行，这也促使学生的自主能力进行有效的提高。

　　这也要求教师在整个实训过程，为了学生的过度依赖，只能起到一定的引号作用。

　　只有在最开始时，将学生在进行毕业时进行一定的指引，进而学生才能在整体实训中，体验出不一样的过程，这样才能使学生的创新能力有所提高。

　　另外，在进行实训的整体设计时期，指导老师需要在一定时间内与学生进行有效的沟通，使学生在设计中可能出现的任意问题进行一定讨论。

　　这样使得指导教师可以将所有学生的特点及实训设计的进展进行有效的了解及掌控，才能促使学生的综合能力进行一定的提升。

　　结束语：

　　综上所述，要想充分利用关机点一体化实训装置更好的培养学生综合能力，首先要清楚的认识到光机电一体化实训装置的重要性，进而从光机电一体化实专业技能方面着手，将光机电一体化实训装置进行充分的利用，并选择适合的教学方式进行，才能既是学生在专业理论上有着一定的提升，又将学生的综合能力进行提高，使其更好的适应相应的岗位，进而为我国经济建设作出巨大贡献。

　　参考文献：

　　[1]方贵盛，孙平. 充分利用光机电一体化实训装置培养学生综合能力[J]. 实验室研究与探索，2015，11(11)：194-198.

　　[2]阳兴见，雷菊华. 光机电一体化实训装置的传感器应用分析――以亚龙YL-235A为例[J]. 电子制作，2015，03(18)：163-169.

　　[3]刘小明，何线萍. 亚龙YL―235A型光机电一体化实训考核装置的教学初探[J]. 科技视界，2016，07(20)：187-190.

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