機電一體化系統中傳感器技術的運用

一、傳感器、機電一體化的定義
1) 傳感器。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。
2) 機電一體化。所謂的機電一體化是將機械技術、電工電子技術、微電子技術、信息技術、傳感器技術、接口技術、信號變換技術等多種技術進行有機地結合，并綜合應用到實際中去的綜合技術，現代化的自動生產設備幾乎可以說都是機電一體化的設備。
研究將電子器件的信息處理和控制功能附加或融合在機械裝置中的一種復合化技術。
二、機電一體化系統中的組成要素
機械技術是機電一體化的基礎，機械技術的著眼點在于如何與機電一體化技術相適應，利用其它高、新技術來更新概念，實現結構上、材料上、性能上的變更，滿足減小重量、縮小體積、提高精度、提高剛度及改善性能的要求。在機電一體化系統制造過程中，經典的機械理論與工藝應借助于計算機輔助技術，同時采用人工智能與專家系統等，形成新一代的機械制造技術。
傳感檢測技術是系統的感受器官，是實現自動控制、自動調節的關鍵環節。其功能越強，系統的自動化程序就越高。現代工程要求傳感器能快速、精確地獲取信息并能經受嚴酷環境的考驗，它是機電一體化系統達到高水平的保證。
一個機電一體化系統中一般由結構組成要素、動力組成要素、運動組成要素、感知組成要素、職能組成要素五大組成要素有機結合而成。機械本體（結構組成要素）是系統的所有功能要素的機械支持結構，一般包括有機身、框架、支撐、聯接等。動力驅動部分（動力組成要素）依據系統控制要求，為系統提供能量和動力以使系統正常運行。測試傳感部分（感知組成要素）對系統的運行所需要的本身和外部環境的各種參數和狀態進行檢測，并變成可識別的信號，傳輸給信息處理單元，經過分析、處理后產生相應的控制信息。控制及信息處理部分（職能組成要素）將來之測試傳感部分的信息及外部直接輸入的指令進行集中、存儲、分析、加工處理后，按照信息處理結果和規定的程序與節奏發出相應的指令，控制整個系統有目的的運行。執行機構（運動組成要素）；根據控制及信息處理部分發出的指令，完成規定的動作和功能。
三、機電一體化系統中傳感器技術的應用
1.傳感技術在機械加工中的應用
數控機床是現代高科技發展的產物，每當一批零件開始加工時，有大量的檢測需要完成，包括夾具和零件的裝卡，找正，零件編程點的測定、工序間檢測及加工完畢檢測等。
將檢測技術融于數控加工的內容之中，采用在線測量的方式，能使操作者及時發現工件存在的問題，并反饋給數控系統。在線檢測技術應用于數控系統，提高了測量精度，更好地保證了機床的加工質量，促進加工測量一體化的發展。
2.傳感技術在汽車行業中的應用
檢測傳感技術在汽車中的應用很廣泛，例如：為使汽車安全行駛，研制的電子防滑控制裝置與電子變速控制裝置。為防止排氣污染，大力研制的電子燃料噴射裝置、排氣再循環裝置等。
要使汽車停車，應該根據汽車輪胎與地面的狀態求出最有效的滑移率，使制動壓力接近這種最佳狀態。然而，對于實際的電子防滑控制裝置來說，采用電氣方式檢測路面狀態和汽車對地的速度是非常困難的。所以，一般都是只檢測車輪的旋轉速度。從車輪的旋轉速度與時間的關系計算出車輪的減速度。在超出預先設定的基準減速度情況下，與駕駛員踩制動器的力無關，而由制動器壓力控制裝置自動減弱制動器的壓力，防止打滑。
然后，根據其處理信息，控制在燃料噴射用的注油器上所安裝的脈沖電流計的時刻與加電流的時間長短，使發動機內的燃燒始終保持最佳狀態。
由此可見，隨著傳感器技術和其他新技術的應用，現代化汽車工業進入了全新時期。汽車的機電一體化要求，用自動控制系統取代純機械式控制部件，這不僅體現在發動機上，為更全面地改善汽車性能，增加人性化服務功能，降低油耗，減少排氣污染，提高行駛安全性、可靠性、操作方便和舒適性，先進的檢測和控制技術已擴大應用到汽車全身。在其所有重點控制系統中，必不可少地使用曲軸位置傳感器、吸氣及冷卻水溫度傳感器、壓力傳感器、氣敏傳感器等各種傳感器。
3.檢測傳感技術在機器人中的應用
在手工操作的復雜工作中，就使用了機器人。在這種情況下，機器人必須具備高度信息處理能力的大腦以及相當于人的手足的操作機構。工業機器人之所以能夠準確操作，是因為它能夠通過各種傳感器來準確感知自身、操作對象及作業環境的狀態，包括：其自身狀態信息的獲取通過內部傳感器（位置、位移、速度、加速度等）來完成，操作對象與外部環境的感知通過外部傳感器來實現，這個過程非常重要，足以為機器人控制提供反饋信息[3]。
通常微動開關、光電開關、電渦流等傳感器安裝在機器人的每個關節上進行零位和極限位置的檢測，前者保證機器人的重復定位精度和軌跡精度，后者則起保護機器人和安全動作的作用。
四、發展趨勢
隨著工業數字化、智能化發展，傳感器在機械加工，溫度監測，可穿戴設備、智能家居、智慧交通中得到了廣泛的應用。傳感器技術水平在一定程度上反映了一個國家科技現代化的水平，傳感器在實現自動化控制及測試控制中發揮著重要的作用。傳感器技術在近些年來發展迅速，與計算機技術和通信技術一起被稱為信息技術的三大支柱，近年來，我國傳感器市場發展比較迅猛，但是我國傳感器技術并不成熟，在國際競爭中并不占優勢，傳感器市場被德國、美國、日本等工業國家所主導。根據傳感器技術的發展趨勢，它將由簡單的傳感器系統向智能化、集成化、微型化、網絡化、多樣化的復雜傳感器系統方向發展。近年來我國傳感器產業快速增長，應用模式也日漸成熟。傳感器的重要性可說是不言而喻的，它在機械加工，可穿戴設備、智能家居、智能交通等各個領域都有著極為重要的應用。傳感器在智能可穿戴設備、智能家居和智能交通的最新應用，以及目前傳感器的市場前景、現代科技中，自動化與智能化己經成為新的發展方向，傳感器作為自動測量與控制中的關鍵環節，在社會的生產生活中應用十分廣泛，且具有巨大的發展空間。
五、推薦設備的舉例

MYN-236B 機電一體化自動化生產流水線實訓設備

一、機電一體化自動化生產流水線實訓設備,機電一體化實驗設備介紹：

本裝置是為提高學生實踐技能而設計生產的一套實用性實驗系統，該設備被廣泛的用于可編程控制系統設計師的培訓考核，該系統由多個相互關聯的工作站組成。其顯著特點是：仿真企業自動化生產過程，涉及到氣動、PLC、傳感器、電機、變頻器、觸摸屏、RS485等多種技術。給學生提供一個全真的綜合實訓環境，通過一定的實際訓練提高操作技能，快速適應企業崗位的能力需求。適合大、中專院校、培訓機構、企業對學生進行培訓及技能鑒定。
二、機電一體化自動化生產流水線實訓設備,機電一體化實驗設備裝置功能：該實訓設備中每個工作站都是有一套獨立的控制系統，既可以拆分程獨立的工作站，又可以組合成一個集成系統。當系統拆分成獨立工作站時適合于初、中級的培訓；當系統組合成一個集成系統時，能提供一個學習復雜和大型控制系統的平臺，可應用于高級及以上的培訓。每個工作站都可適用不同品牌的PLC進行控制，各站可聯網運行，學習復雜的控制、編程、裝配、和調試技術，使獨立的各工作站能相互交換信息，模擬實現自動化生產流程控制。
三、機電一體化自動化生產流水線實訓設備,機電一體化實驗設備裝置組成：實訓設備由安裝在鋁合金導軌式實訓臺上的上料檢測單元、搬運單元、加工單元、流水線單元、傳輸單元、裝配搬運單元、分類倉儲單元7個單元組成。其中，每一工作單元都可自成一個獨立的系統，同時也是一個機電一體化相關技術的訓練系統。在MYN-236B設備上應用了多種類型的傳感器，分別用于判斷物體的運動位置、物體通過的狀態、物體的顏色及材質等。在控制方面采用了基于RS485串行通信的PLC網絡控制方案，即每一工作單元由一臺PLC承擔其控制任務，各PLC之間通過RS485串行通訊實現互連的分布式控制方式。根據需要選擇不同廠家的PLC及其所支持的RS485通信模式，組建成一個小型的PLC網絡。
1、上料檢測單元：上料檢測單元是MYN-236B中的起始單元，在整個系統中，起著向系統中的其他單元提供原料的作用。
供料單元的主要組成：主要包括物料盤，頂料氣缸，磁性開關，物料檢測傳感器部件，安裝支架平臺,材料檢測裝置部件等組成。
2、搬運單元：搬運單元是MYN-236B中將上料機構的物料搬運到加工單元的物料盤上的樞紐部分，主要搬運作用。
2.1）搬運部分的主要組成：主要包括機械手，相對應的驅動氣缸，磁性開關，電磁閥組件等組成。
3、加工單元：加工單元是MYN-236B中對工件處理單元之一，在整個系統中，起著對上料檢測單元送來工件進行模擬沖孔處理或工件沖壓等作用。
3.1）加工單元的主要組成：主要包括物料臺，模擬沖頭,模擬鉆頭，相應的傳感器，電磁閥組件等組成。
4、流水線單元：流水線單元是MYN-236B中完成物料加工的重要部分，組要起加工物料工位傳輸的作用。
4.1）流水線單元的主要組成：主要包括物料轉臺，旋轉電機，傳感器等組件組成。
5、傳輸單元：傳輸單元是MYN-236B中對加工好的物料進行傳遞的介質，主要器物料傳輸作用，同時有識別物料顏色的功能。
5.1）傳輸單元的主要組成：主要包括傳送帶，取料氣缸，顏色分辨傳感器，三相電機，磁性開關，電磁閥組件等組成。
6、裝配搬運單元：裝配搬運單元是MYN-236B中對加工好的物件進行裝配和傳輸的部分，主要起著裝配和傳輸的作用。
6.1）裝配單元的主要組成：主要包括吸盤機械手，配件出料系統，推料氣缸，傳感器，電磁閥，磁性開關組件等組成。
7、分類倉儲單元：分類倉儲單元是MYN-236B中的最后一個單元，主要的作用是將生產完成的產品進行分類儲存。
7.1）分類儲存單元的主要組成：主要包括立體倉儲系統，步進電機，驅動控制器，絲桿堆垛機，推料氣缸，電磁閥磁性傳感器組件等組成。
四、機電一體化自動化生產流水線實訓設備,機電一體化實驗設備技術指標:
1、實驗桌：采用鋁合金型材制成，該實訓考核裝置PLC模塊的I/O 端子、變頻器的接線端子、各常用模塊與PLC的連接端子，均與安全插座連接，使用帶安全插頭的導線進行電路連接；各指令開關、光電開關、傳感器和指示元件的電路，則通過端子排進行連接。插拔線連接電路與端子排連接電路相結合，既保證學生基本技能的訓練、形成和鞏固，又保證電路連接的快速、安全和可靠，本接線端子采用高低壓區分設計，避免高低壓接線錯誤。
2、實驗桌尺寸：長×寬×高=3450mm×800mm×840mm;
3、電腦桌尺寸：長×寬×高=600mm×550mm×1100mm;
4、交流電源：三相AC380V±10% 50Hz：
5、工作溫度： -10℃～40℃；
6、環境濕度：≤85%（25℃）；
7、整機消耗功率：≤1.5KW;
8、氣源工作壓力：最小1.8Mbar，最大2.4Mbar。
9、安全保護措施：具有接地保護、漏電保護功能，安全性符合相關的國家標準。采用高絕緣的安全型插座及帶絕緣護套的高強度安全型實驗導線。
五、機電一體化自動化生產流水線實訓設備,機電一體化實驗設備培訓的內容：
1、傳感器培訓
2、氣動技術培訓
3、PLC 技術培訓
4、電氣控制系統培訓
5、工業控制網絡系統培訓
6、機械系統安裝調試培訓
7、系統維護和故障檢測技術培訓
六、實驗項目：
1、氣動元件學習
2、傳感器實驗
3、機械安裝調試實驗
4、電氣回路實驗
5、PLC基本指令學習和實際應用實驗
6、系統故障檢測實驗
7、485聯網程序控制實驗
8、上料程序控制實驗
9、多工位工作臺程序控制實驗
10、流水線程序控制實驗
11、工件安裝程序控制實驗
12、工件搬運程序控制實驗
13、工件分類程序控制實驗
14、交流電機變頻控制實驗
15、步進電機驅動控制實驗
16、位置控制技術實驗
六、機電一體化系統中傳感器技術結語
隨著機器人技術轉向微型化、智能化，以及應用領域從工業結構環境拓展至深海、空間和其他人類難以進入非結構環境，使得機器人傳感器技術的研究與微電子機械系統、虛擬現實技術有更密切的聯系。做為機器人感知系統重要組成部分的接近覺傳感器也應該順應這個發展趨勢。但是，目前國內的研究水平與國外的相比還有一定的差距，為解決這一問題，我們認為現階段應該跟蹤國外技術的新動向，加強新原理、新材料、新工藝的研究。開展多傳感器融合技術的研究，進一步增強接近覺傳感器的多功能化、智能化。

上一篇：中央空調系統制冷過程與能耗分析
下一篇：工業自動化中PLC控制技術的應用研究

彩人间

機電一體化系統中傳感器技術的運用

MYN-236B 機電一體化自動化生產流水線實訓設備

我們的優勢：