论机电一体化系统的构成 机电一体化系统的构成及工作原理

　　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?
　　中图分类号：TS941.562 文献标识码：A??
　　
　　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。?
　　
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　　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。
　　
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　　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.

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