機電一體化系統的構成
機電一體化系統的構成【1】
摘要：本文以工業電腦繡花機為例，通過分析其設備組成、結構特點、自控原理，闡明了一個完整的機電一體化產品必須具備的五大結構要素及其對應的功能。
關鍵詞：電腦繡花機;機電一體化系統;功能;結構要素
電腦繡花機是隨著電子、計算機、精密機械的發展和應用而產生并成熟起來的一種高自動化、高生產效率的光、機、電相結合的機電一體化的刺繡設備。
其廣泛用于刺繡、服裝、鞋帽、襪業、床上用品、窗簾、臺布及針織等行業。
現以工業電腦繡花機為例，通過分析其設備組成、結構特點、自控原理，從理論上闡明，一個完整的機電一體化產品必須具備的五大結構要素及其對應的功能。
1 電腦繡花機的工作原理及主要機構
1.1 工作原理
工業電腦繡花機按用戶所需的圖案，通過編程打版，將圖案變成能為電腦識別的信息，通過磁碟將信息傳輸給電腦繡花機，從而完成對織物的刺繡。
其工作原理框圖見圖1。
電腦繡花機工作時，主電機通過針桿帶動繡線作上下刺布運動，固定在繡花框內的繡品隨步進電機作X、Y方向的移動。
兩者的配合在繡品上完成繡花圖案的刺繡。
電腦繡花機主要機構有三大部分組成：機械系統、傳動系統、電控系統。
1.2 機械系統
機械系統主要由機架部件、箱體部件、刺布機構、挑線機構、換色機構、夾線機構、送布機構、繡花框部件、手拉開關箱部件等組成，在此不作詳細介紹。
1.3 傳動系統
主電機為交流滑差電機，根據繡花圖案針距的長短變化調節電機的轉速。
為保證繡花精度，主電機帶有電磁剎車裝置。
主電機通過同步齒形帶帶動下軸，下軸通過鏈輪傳動上軸，上軸帶動刺布機構和挑線機構運動。
下軸又通過錐齒輪傳動旋梭及剪線機構運動，從而完成繡花底線和面線的鎖套，在織物上形成繡花線跡。
受主控板控制的X方向及Y方向的步進電機，分別帶動幾組同步齒形帶運動，并由齒形夾板帶動繡花框在繡花機臺面上，以一定速度沿X、Y方向移動，保證織物上繡出與繡花圖案完全一致的花型。
換色電機帶動針桿箱移動，替換繡花面線的顏色。
工業電腦繡花機主傳動系統如圖2所示。
1.4 自控系統
電控系統由電源箱、控制箱、操作鍵盤箱、外圍控制板及執行部件組成。
自動控制系統框圖如圖3所示。
2 機電一體化產品系統的構成
2.1 機電一體化產品的功能構成
任何一種產品都是為了滿足人們的某種需要而開發和生產的，即產品應具有相應的目的功能。
產品不同其目的功能也不同，但所有的機電一體化產品的功能都是要對三大工業要素――輸入的物質、能量和信息進行基本處理，輸出具有所需形式或所需特性的物質、能量和信息。如圖4所示。
產品的目的功能是通過其內部功能實現的。
機電一體化產品一般具備五種內部功能，即主功能、動力功能、計測功能、控制功能和構造功能。
每一種功能又由產品中具體的功能部件加以實現。
而傳統的機械產品一般不完全具備上述五種內部功能。
2.2 機電一體化產品的五大基本結構要素
由以上分析可知，機電一體化系統是由下述五個基本結構要素構成：
機械本體：包括機身、框架、機械聯接等在內的產品支持結構，屬于基礎部件，實現產品的構造功能。
要盡量采用新結構、新材料、新工藝，以適應機電一體化產品的要求。
動力源：向系統提供能量，并將輸入的能量轉換成需要的形式，實現動力功能。
要求動力源效率高、可靠性好。
檢測與傳感裝置：包括各種傳感器及其信號檢測電路，用于對產品運行時的內部狀態和外部環境進行檢測，提供運行控制所需的各種信息，實現計測功能。
要求傳感裝置體積小、檢測精度高、抗干擾、受環境影響小、安裝與聯接方便。
控制與信息處理裝置：根據產品的功能和性能要求及對傳感器的反饋信息，進行處理、運算和決策，對產品運行施以相應的控制，實現控制功能。
要求可靠性高、柔性和智能性好。
執行機構：包括機械傳動與操作機構，在控制信息作用下完成要求的動作，實現產品的主功能，是實現產品目的功能的直接參與者。
機電一體化產品的五大其本要素及其功能有對應關系如圖6所示。
3 結束語
從電腦繡花機這一典型的機電一體化產品的淺析中，不難看出任何一個完整的機電一體化系統必須具備五大結構要素，而這五大基本結構要素之間并非彼此無關或是簡單拼湊。
在結構上，各結構要素通過各種接口與相關軟件的有機結合，構成一個內部合理匹配、外部效能最佳的完整產品。
從系統外部看，機電一體化產品的輸入/輸出是與人、自然及其他系統之間的接口;從系統內部看機電一體化產品是由許多接口將系統構成要素的輸入/輸出聯系為一體的系統。
在系統工作時，這五大結構要素必須各司其職，互相補充、互相協調，才能共同完成該產品所規定的目的功能。
即在機械本體的支持下，由傳感器檢測產品的運行狀態及環境變化，將信息反饋給控制及信息處理裝置，通過對各種信息的處理，按系統要求控制動力源驅動執行機構工作。
參考文獻
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光機電一體化實訓項目的設計與實踐【2】
摘 要：針對電子實訓課程中項目單一情況，設計了一套可用4種方法實現的，光機電一體的直流電機調速控制實訓項目，項目設計主要包括單片機、功率驅動、轉速測量、LED顯示保護電路及傳動機構6部分，每部分均可用多種方案實現，在教學實踐中激發了學生的興趣和激情，切實提高了學生的工程設計能力和解決工程問題的能力，起到了四兩撥千斤的效果。
關鍵詞：工程實訓;光機電一體化;電機調速
引言
工程訓練課程是高等教育的一個重要環節，在培養學生的工程實踐能力、專業綜合能力和創新能力等方面有著其它課程不可代替的作用。
但實訓內容較為單一刻板存在著照本宣科，依葫蘆畫瓢的現象，多數情況下學生只是跟著教學進度進行練習而已，學生個人的想象力和直覺思維沒有開發出來，不善于質疑、批判并超越教師和書本。
為主動適應當代社會對人才的需求，主動銜接“卓越工程師教育培養計劃”，本文通過多年教學實踐，試圖從電子工程實訓項目的內容出發，設計了一種集光、機、電技術于一體的直流電機調速控制實訓項目。
項目內容豐富，合理并具有層次性，注重經典與先進性相結合，有較好的靈活性和拓展性，為培養學生的工程意識和工程綜合能力提供了一個行之有效的載體。
1 項目的基本工作原理與設計
1.1 PWM直流調速原理
我們知道直流電動機轉速n可表示如下：
n=(U-IR)/kφ (1)
式(1)中U為電樞端電壓，I為電樞電流，R為電樞電路總電阻，φ為每級磁通量， k為電動機結構參數。
從式中可知，改變U、φ、R等變量都可達到電機調速的目的，但最方便有效的調速方法是對電樞電壓U進行控制。
本文采用經典的脈寬調制PWM直流控制技術，利用晶體管的開關特性對電壓進行調制，按一個固定的周期來接通與斷開功率晶體管，并根據外加控制信號來改變一個周期內“接通”和“斷開”時間的長短，使加在電動機電樞的電壓占空比改變，即改變電樞兩端平均電壓大小，從而達到控制PWM信號。
在實訓過程中，產生PWM信號有4種方法可供學生選擇：
a、分立元件組成的PWM信號發生器。
成本低、原理清晰，但電路復雜、調試難度大。
b、采用專用PWM集成電路，電路簡單、性能好，但成本較高。
c、軟件模擬法，利用8051單片機的I/O口，通過軟件對該引腳輸出高低電平來實現PWM波。
這種方法需占用CPU的大量資源，編程復雜，使得單片機的工作效率大為降低。
d、利用新一代單片機自帶的PWM口，通過控制單片機的初始化設置，使其自動產生占空比可變的PWM，只有在改變脈沖寬度時，CPU才進行干預，該方法控制直流電動機轉速簡單、可靠。
2.2項目的整體結構與設計
我們以自帶PWM口的P87LPC768單片機為核心部件進行闡述，光機電一體化直流電動機調速控制實訓項目的整體結構如圖1所示。
(1)單片機
選用P87LPC768，由于單片機只有20個引腳，既要控制電機的速度，又要顯示轉速，還要連接四個按鈕開關。
I/O口線比較緊張，因此采用了片內振蕩和內部復位，使其對應的3個引腳可作為I/O口線使用。
單片機的PWM0(P0.1)口作為PWM輸出口。
本實訓項目主要采用P87LPC768的一路PWM輸出，PWM輸出主要由一個10位的輸出頻率相關寄存器CNSW及一個10位的脈沖寬度寄存器CPSW組成。
根據需要設置CNSW的值，可得到PWM的輸出頻率：
fPWM=fc/(CNSW+1) (2)
設置CPSW的值，可得到PWM的脈沖寬度。
對運行的電機而言，各種不同的CPSW值就是各種不等的電壓。
(2)轉速檢測電路
采用光電傳感器測速電路。
即在電機的轉軸上加裝一個圓盤，沿圓盤周邊均勻開一圈小孔，再通過對射型光電傳感器。
當電機帶動圓盤轉動時，對射型光電傳感器上的發射單元發射的光線通過圓盤上的透光孔，交替地照射到接收單元，完成光電轉換，經放大整形可得相同頻率的連續脈沖，將脈沖信號送到CPU的計數器T1，計算出電機的實際轉速。
(3)功率驅動電路
功率驅動采用單電源可逆控制方式，一般采用由功率開關器件組成的H型橋式電路。
有以下幾種選擇：a.采用功率場效應管，開關性能好，但價格較高;b.采用大功率三極管，但因直流放大系數hFE太小，需驅動的功率較大;c.采用中、小功率的三極管連接成達林頓結構，hFE較大，驅動功率較小，可由單片機直接驅動，且價格適中。
電路如圖2所示，其特點是在一個周期內V12、V13與V23、V24和V21、V22與V15、V16兩組達林頓管交替導通，改變一個周期內兩組達林頓管導通時間的長短，就可實現對電機轉速和轉動方向的控制，開關頻率可調至25kHz左右。
(4)LED顯示電路
數碼管顯示電路設計4位數碼管來顯示設定轉速和動態轉速，采用動態掃描顯示方式，主要采用軟件掃描，占用了11條I/O口線。
其中7根線用于段碼的選擇，4根用于位選擇，LED采用共陰極接法。
(3)按鈕開關
電機的運行根據需要由四個按鈕開關進行控制，單片機采用中斷掃描方法讀取按鈕信號，它們的功能分別是啟動/停止鍵、正轉/反轉鍵、定時鍵、轉向鍵。
其中轉向鍵還可以使電機循環定時轉向。
本項目采用樂高(LEGO)機器人傳動結構組件構建減速齒輪，曲柄連桿等機械機構安裝在電機轉軸上進行動態演示。
至于對過電壓、欠電壓和過電流保護電路的實現方法，相關文獻介紹較多，在此不作贅述。
3 教學實踐
3.1教學思路
根據電子實訓課程教學大綱的要求，我們在教學實踐中始終堅持重基礎知識，重基本理論，重基本技能的教育，實現了基礎與前沿，經典與現代，課外與課內的有機結合(4)。
光機電一體化直流電機調速控制實訓項目是可供學生自主選擇的知識覆蓋面較全面的項目之一，學生利用這一實訓項目綜合運用模擬和數字電路，單片機原理及接口技術，傳感器技術和電力傳動控制技術，機械機構設計等課程的知識，對其進行綜合論證、設計、組裝和調試，達到培養學生的綜合設計和創新能力為主線的教學指導思想。
3.2教學安排和實施過程
學生選擇本實訓項目后，老師把學生分成若干個小組，每組人數3~4人，若發現優生和差生有扎堆現象，需做出適當調整，以促進學生互相學習和項目的完成。
項目分為必修和選修兩部分，必修部分是電機轉速閉環PWM控制和功率驅動電路以及轉速檢測電路，其它為選修部分。
對于必修部分，老師從電動機轉速閉環PWM控制原理入手，從轉速檢測(FG)，頻率/電壓轉換器(f/v)，基準三角波發生器，PWM調速以及功率驅動電路的組成、工作原理和設計思想進行詳盡的講解和解剖，電路組成如圖3所示。
實訓過程中，著重啟發學生利用基礎專業課程中學過的元器件知識，并結合查閱相關資料完成設計，力求拓展學生的視野，教師的工作是努力促成學生從知識積累向綜合能力的轉化。
無論是必修部分還是選修部分，每一個功能電路都可以用不同的方案去進行設計，把學生的興趣愛好置于核心地位，鼓勵主動探究，為其個性發展創造條件，使得不同層次，不同基礎的學生都可以找到自己的角色。
學生實訓成績評定，主要依據在設計和制作本項目的過程中，能做出多少功能電路，方案設計的先進性及合理性，是否具有獨到創新之處，電路布局規范程度，測試數據和波形的準確性，實習報告是否全面完整，先由各組學生自評和互評，最終由老師綜合考評確定實訓成績。
3.3解決問題實例
在設計功率驅動電路時有的學生決定采用H型可逆雙極性控制方案，使用了如圖2所示的電路，但在通電調試過程中，屢屢發生三極管被擊穿冒煙的情況，這是由于三極管工作在開關狀態，集電極電流的變換滯后于基極電壓的變化，三極管內部存在結電容效應而造成的。
我們啟發學生，在上面三極管導通時，如何保證下面三極管截止，反之亦然。
大家開動腦筋，反復琢磨，終于有了方案，引入如圖2所示的XY和NM兩條導線，其原理是，當三極管V12和V15的基極為高電平時，V12和V13飽和導通，V15和V16截止，V15的發射極電位比基極高0.7V，反之亦然，從而保證了在同一時刻上下兩組三極管只能有一組導通，相當于自鎖。
問題解決后，電機運行始終正常，使學生對三極管的特性有了更加深刻的理解。
領悟到了基礎理論的重要性。
整個教學過程中我們始終強調工程設計，處理方法以及工程實踐中實際問題的解決。
同學們感悟頗深，從課堂上學來的知識往往不是很深刻，只有從實踐中帶著問題學到的東西才說得上記憶深刻，真知灼見。
結語
工程訓練實踐教學中的實訓項目不應是固定的、單一的、封閉的，而應是多元的、開放的。
學生通過實踐開闊了視野，活躍了思路，激發了靈感，養成了實事求是的態度，一絲不茍的嚴謹作風，勇于面對失敗和挫折，積極進取的探索精神，實現了學生綜合素質和創新能力的全面提高。
工程實訓內容應與現代技術發展的應用水平保持同步，并不斷更新，動態調整，以適應卓越工程師教育培養的教學改革，適應國家經濟發展、技術進步的需要。
參考文獻
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充分利用光機電一體化實訓裝置培養學生綜合能力思考【3】
摘 要：隨著全球微電子和計算機等相關技術的快速發展，促使其自動化程度得到大幅度提高，開始運用到機電一體化領域上來，這使得機械與技術很好地進行融合，進而提升了機械的性能、質量和可靠性。
這也需要利用光機電一體化實訓裝置將學生進行有效培養，不單單使學生的專業技能進行了培養，還使得學生的表達、協作及創新能力都有所提高，進而使學生的綜合能力有所提升，增加了學生的社會競爭能力。
關鍵詞：利用;光機電一體化;實訓裝置;培養;學生;綜能力
引言：光機電一體化實訓裝置主要是將學生從最初始的自動化生產流程到機電設備中進行安裝、調試、維護、檢測、銷售、技術管理及售后服務等相關專業技術工作的開展。
在實踐光機電設備時，所涉及到多種專業知識的融合，這也說明了所需要的人才要具備一定的復合能力。
而高職學生在實訓后，所面臨的是企業在進行生產、服務及管理的流程工作。
這也說明了只有充分的利用光機電一體化實訓裝置，才能將學生的綜合能力進行培養。
一、光機電一體化實訓裝置的重要性
高職院校的學生想要將綜合能力進行培養，最重要的方式及方法就是進行實踐教學，而想要將實踐教學落實，更需要實訓裝置進行支撐，這樣才能使學生的實踐能力及創新能力都進行了培養。
在這種情況下，許多院校也購買了大批量的光機電一體化實訓裝置，但是并沒有進行充分利用，導致沒有取得一定的效果。
只有充分的利用光機電一體化實訓裝置，才能更好地為學生提供更加完善的實踐平臺【1】。
二、光機電一體化實專業技能的培養
(一)學生的氣壓傳動培養
企業傳動技術主要是運用空氣壓縮機械作為動力源，并且其中的工作介質是壓縮空氣，進而將能量或信號進行傳輸的技術。
企業傳�蛹際躋彩墻�生產過程實現機械自動化的有效方式之一，其優點不單單不為環境帶來污染，有效的將資源進行節約，還可以將成本進行減低的同時將效率進行提升，并且所需要的構造較為簡單，又有著較高的安全可靠性，現階段已經在工業部門的許多領域中都有越來越廣泛的應用。
光機電一體化實訓裝置主要配備了眾多元器件，并且組合成多種系統。
這就需要在了解各種結構及院里的基礎上，還可以對其組成及應用有著相關知識了解。
主要說明了此項實訓，主要包含對元器件的基礎認別、設計出氣動基礎的回路及機械手氣動控制系統的安裝、調試、應用及維護等。
(二)學生的傳感器技能培養
工業自動化的控制離不開傳感器的技能進行支撐，這也說明工程技術人員要將傳感器技能進行掌握是最為基礎的技能。
傳感器裝置所配備有多種開關及傳感器，這也使得許多材質物品都可以被檢測。
這也需要學士要培養對傳感器技能的認知，使其更好的了解結構組成、工作原理、運用場所及接線方法【2】。
三、運用行動教學方式進行能力培養
(一)培養學生的社會能力
學生所擁有的社會能力主要包含：獨立工作、團隊協作及溝通、書面及口頭表達、良性競爭及自我調整的幾方面能力。
在進行行動教學模式下的培養中，一般對采取將學生進行分組進行，首先可以將班級同學分為若干組員，并且隊伍中要有以下成員：組長、副組長、軟件及硬件設計師和質檢員等。
這也需要在所有項目中，所有成員都要將自己的責任進行擔任，并且所有的身份可以進行輪流交換。
在進行能力培養時，首先要清楚，組長所承擔的承擔的責任及日常工作的內容，主要包含：對所用組員進行明確分工，并且將設計方案進行組織討論，并且將程序進行相關設計，然后將運行的設備進行一定的調試，最后還要將日常考核落到實處。
在無特殊情況下，組長要保證所有組員都要參入到實訓過程中，并且要取得相關實訓能力。
這也需要組長對所有隊員有著一定的要求，使其可以將實訓日志進行每天書寫，并且還要將組員進行書寫任務的安排，并且保障項目實施情況有相關的工作日志進行記錄。
在進行實訓課程是，剛剛開始上課后，教師可以在進行完實訓任務布置后，可以將講解及演示進行簡單展示，然后就要進行分組實訓。
在其過程中，小組對實訓人員進行一定的討論，然后找尋相關的資料，使其項目的解決方案可以被提出，并設計出相關的接線圖及控制程序，并可以在實訓裝置進行調試，一直到項目設計要求可以達到滿足。
當完成實訓后，就可以實訓內容進行問題答辯。
首先，要求組長負責監督，使每位組員都要針對實訓內容將設計方案及操作步驟進行闡述及講解。
在保障每位組員都進行闡述后，指導教師可以根據項目具體內容進行相關問題的提問，并且還可以指定組員根據實訓出的過程進行一定的答辯，指導教師可以根據各個方面對整體學生做出一定的評價。
這種情況下，學生在進行實訓及答辯過程中，不單單使其各項能力都得到提升，還促使了學生的競爭意識及集體榮譽感都得到了增加。
而實訓報告及日記的書寫，也可以使學生在書寫能力進行鍛煉。
并且隨著所擔任的職責的不斷變化，也使得所有學生的能力都可以得到完整的培訓。
進而學生的綜合能力得到提升。
(二)培養學生的創新能力
創新能力的培養主要是學士需要在已有的知識基礎上，再加上自身獨有的創造性思維，將可以應用的資源進行運用，并提出更將創新的方案。
在高職院校的最后一個環節中，就是畢業時進行的實訓環節，這更是對學生進行創新能力的培訓，并且將理論知識進行綜合的實訓的重要環節。
現階段，學校充分的利用光機電一體化實訓裝置，并且將科研課題、真實項目及競賽項目都轉變為畢業時所需要的實訓題目這使得學生綜合能力得到更好的提升。
在進行學生的畢業實訓課題分配時，首先教師要進項一定的調查及思考，并且使學生選擇相應的實訓內容。
并且，指導教師可以依照學生所呈現出的興趣及愛好將所實訓的課題進行一定的修改，爭取給學生一個實訓的優質空間，學生更好的在知識的海洋中去探索及求知【3】。
在進行實訓時，學生要依據教師給提出的實訓題目的任務及要求，實際出相應的方案，并且依照此方案找出解決的方式，并且將相關資料進行自主找尋，并且可以購買相關材料及輔導設備。
這也使得相關產品及創造都可以自主進行，這也促使學生的自主能力進行有效的提高。
這也要求教師在整個實訓過程，為了學生的過度依賴，只能起到一定的引號作用。
只有在最開始時，將學生在進行畢業時進行一定的指引，進而學生才能在整體實訓中，體驗出不一樣的過程，這樣才能使學生的創新能力有所提高。
另外，在進行實訓的整體設計時期，指導老師需要在一定時間內與學生進行有效的溝通，使學生在設計中可能出現的任意問題進行一定討論。
這樣使得指導教師可以將所有學生的特點及實訓設計的進展進行有效的了解及掌控，才能促使學生的綜合能力進行一定的提升。
結束語：
綜上所述，要想充分利用關機點一體化實訓裝置更好的培養學生綜合能力，首先要清楚的認識到光機電一體化實訓裝置的重要性，進而從光機電一體化實專業技能方面著手，將光機電一體化實訓裝置進行充分的利用，并選擇適合的教學方式進行，才能既是學生在專業理論上有著一定的提升，又將學生的綜合能力進行提高，使其更好的適應相應的崗位，進而為我國經濟建設作出巨大貢獻。
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