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机电一体化技术在工业中的应用
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浅谈MPS在机电一体化专业实践教学中的应用
内容简介：浅谈MPS在机电一体化专业实践教学中的应用&&&&&&
机电一体化是机械制造中采用电子技术，以实现对机械的动力功能、信息与控制等功能的控制，由机械制造与微电子技术、计算机技术有机组合而成的一种新兴生产制造技术。而面对新的就业形势和社会需求，高校应该要培养什么样的机电一体化人
机电一体化是机械制造中采用电子技术，以实现对机械的动力功能、信息与控制等功能的控制，由机械制造与微电子技术、计算机技术有机组合而成的一种新兴生产制造技术。而面对新的就业形势和社会需求，高校应该要培养什么样的机电一体化人才才能适应社会经济发展需求?这一直是我们不断探索与改进的问题。在机电一体化的教学中，传统教学模式即教师讲，学生听与看的教学模式已完全不适于机电行业对人才知识广度和深度的需要。针对传统教学存在的缺陷，通过采用MPS模块化教学实验设备进行实践教学，使学生掌握引领制造工业发展的光机电液气一体化核心技术，改善理论教学和实践教学相分离的局面。
MPS(ModularProductionSystem)，即模块化生产制造系统。我院引进了由博创科技研制的UPMPS模块化工业生产制造系统，它是一套模拟实际工业自动化生产制造系统中产品生产流水线的教学培训设备。这套系统有多个相互独立又彼此联系的单元，主要由供料检测、次品处理、加工检验、表面处理、分拣、装配、机械臂、六轴机器人、冲压、产品标记、立体仓储、工业视觉、带式输送、AGV和总控共15个模块组成。
2MPS的特点
2.1工艺引导
MPS模块化生产制造系统包含了实际工业生产线从原料到产品的主要工艺节点，包含坯料供料、加工、检测、装配、仓储等工艺流程，模拟了实际工业生产线的工艺流程，每个模块完成不同的工艺过程，引导学生对产品生产制造过程的工艺有一个直观地认识。
MPS系统具有统一标准化设计的接口，能够自由组合相关模块，构成不同工艺过程的生产线。各模块采用西门子S7-200系列PLC来实现时序控制，可单机/联机运行，满足联机协同和单模块平台训练多种教学需求，便于进行创新实践。
该系统结合工艺需求特点，分别采用不同的功能原理和技术实现方式。它集成了自动供料、原料检测、柔性加工、半成品检验、表面处理、柔性装配、产品标记、智能仓储等多个产品生产工艺;技术构成涵盖了机械、电气、计算机信息、传感器、液压、气动、真空等多学科领域;运用了带传动、齿轮传动、涡轮蜗杆、凸轮、连杆、槽轮等多种机构运动方式以及步进电机控制、直流电机控制、三相交流电机变频控制、伺服控制等多种电机拖动方式。
3MPS在机电一体化专业教学中的必要性
UP-MPS模块化工业生产制造系统为学生提供了一个半开放式的学习环境，基本涵盖了加工、组装、检测工件和仓储的全部流程，涉及了多种技术知识，如气动控制技术、机械技术(机械传动、机械连接等)、工业机器人、电工电子技术、传感器应用技术、PLC控制技术、组态控制技术和信息技术等。学生运用所学的理论知识，在各个固定组成单元结构的基础上，对设备各个执行机构的动作执行顺序、各个单元的配合关系、整个MPS要模拟的生产加工控制过程以及作为一条自动化生产流水线MPS的操作运行模式进行相应的PLC控制程序设计，实现一个最符合实际的自动控制过程。利用该系统进行教学和实训，学生不仅可以进行单学科知识的学习和实践，还可以为学生提供一个类似真实工业环境的操作平台，真正做到了将专业理论知识运用到生产实践中去。查字典【】
4MPS在机电一体化专业教学中的应用
MPS模块化生产制造系统综合了机电一体化专业中的多门专业技术，不但可以为掌握单一专业技术提供实验平台，还能进行多种专业技术结合的专业综合实训。
4.1单一专业技术实训
(1)气动技术实训该系统采用了多种气缸、气动手爪、电磁阀、真空发生器、真空吸盘等气动执行元件、气动控制元件和气动辅助元件，通过设计一些气缸原理及特性实验、气缸运动控制及速度调节实验等，加深学生气动元件的认识，掌握各气动元件与其他元件之间的应用，并根据执行机构的动作设计各个模块的气动回路图，从而更好地掌握气动技术的知识。
(2)传感器技术实训根据MPS系统中所使用的传感器，在介绍传感器的概念、种类和工作原理等知识的基础上，让学生亲自体验系统中每一个传感器的功能以及其在相应模块中发挥的作用，如在供料检测站点中，色标传感器通过辨别颜色来达到分离不合格原材料的目的。基于这种功能，开设色标传感器的颜色检测试验，加深对传感器的认识，使其在实际工业生产制造系统中能灵活应用。
(3)工业机器人实训MPS系统中六轴机器人由机器人本体、机器人控制器、示教单元和编程及仿真系统组成，实现多个工位点的物料传递、辅助装配等功能。可进行六自由度垂直关节工业机器人的工作空间分析实验、工业机器人的电气接口实验以及编程实验等，深刻理解工业机器人的基础知识，如自由度、作业范围、运动速度、定位精度等，并利用工业机器人示教盒进行示教编程，使学生对工业机器人应用技术从软件、硬件等方面有全面的认识和理解。
(4)PLC技术实训各站点控制系统选用的是西门子S7-200系列的小型可编程控制系统，学生根据每个站点要完成的动作来设计PLC控制程序，并对所设计的程序进行调试，学生通过实训可以掌握PLC控制程序的设计要领与编程技巧，为学习PLC的各方面知识提供了条件。
4.2多种专业技术结合的综合实训
MPS模块化生产制造系统中各模块既可以独立自成系统，又可以实现模块的柔性组合。可根据学生对专业知识和技术的掌握程度，自由组合模块，进行设计、装配、编程和操作等多方面的训练，从模仿开始逐步提升学生的创新能力，将机电一体化专业的多学科知识进行充分的综合运用，为今后就业、适应社会需求打下了坚实的基础。
在机电一体化专业的实践教学中引入MPS模块化生产制造系统，为教师和学生提供了一套模拟实际生产的教学实验平台。实践教学中从基础理论到综合应用、从知识的学习到能力的培养，循序渐进，使学生能运用基础理论知识和实验技能以提高分析问题和解决问题的能力，进一步提升学生机电一体化技术的综合应用能力。
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鼠标点击输入框显示 &&& &试论机电一体化在生产中的应用；机电2011陈皆朋；摘要:机电一体化技术是将机械技术、电工电子技术、；Abstract:Mechanicalandel；关键词:机电一体化生产中应用；Keywords:；Mechanicalandelectricali；1．机电一体化技术发展；机电一体化是机械、微电子、控制、计算机、信息处理；1.1数字化；微控制器及其发展奠定了
试论机电一体化在生产中的应用
摘 要: 机电一体化技术是将机械技术、电工电子技术、微电子技术、信息机电一体化技术、传感器技术、接口技术、信号变换技术等多种技术进行有机地结合，并综合应用到实际中去的综合技术。是现代化的自动生产设备几乎可以说都是机电一体化的设备。本文就机电一体化应用技术进行叙述。
Abstract: Mechanical and electrical integration technology is mechanical technology, electrical and electronic technology, microelectronics technology, mechanical and electrical integration of information technology, sensor technology, interface technology, signal conversion technology and other technologies are organically combined, and the practical application of technology of the integration. Is a modern automatic production equipment almost can say is electromechanical Integration equipment. In this paper, the electromechanical integration technology application in narration.
关键词: 机电一体化
Mechanical and electrical integration
production
applications
1 ． 机电一体化技术发展
机电一体化是机械、微电子、控制、计算机、信息处理等多学科的交叉融合。其发展和进步有赖于相关技术的进步与发展。其主要发展 方向有数字化、智能化、模块化、网络化、微型化、集成化、带源化和绿色化。
1.1 数字化
微控制器及其发展奠定了机电产品数字化的基础。如不断发展的数控机床和
机器人： 而计算机网络的迅速崛起。为数字化设计与制造铺平了道路。如虚拟设计、计算机集成制造等。数字化要求机电一体化产品的软件具有高可靠性、易操作性、可维护性、自诊断能力以及友好人机界面。数字化的实现将便于远程操作、诊断和修复。
即要求机电产品有一定的智能。使它具有类似人的逻辑思考、判断推理、自主决策等能力。例如在CNC数控机床上增加人机对话功能，设置智能Ｉ/Ｏ接口和智能工艺数据库，会给使用、操作和维护带来极大的方便。随着模糊控制、神经网络、灰色理论、小波理论、混沌与分岔等人工智能技术的进步与发展。为机电一体化技术发展开辟了广阔天地 。
1.3 模块化
由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多。研制和开发具有标准机械接口、 动力接口、环境接口的机电一体化产品单元模块是一项复杂而有前途的工作。如研制具有集减速、变频调速电机一体的动力驱动单元：具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的电机一体控制单元等。这样，在产品开发设计时。可以利用这些标准模块化单元迅速开发出新的产品。
由于网络的普及。基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾。而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品，现场总线和局域网技术使家用电器网络化成为可能。利用家庭网络把各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家用电器系统。使人们在家里可充分享受各种高技术带来的好处。因此，机电一体化产品无疑应朝网络化方向发展。
1.5 微型化
微型化是精细加工技术发展的必然，也是提高效率的需要。微机电系统( Mi c r o
E 1 e c t r o n i c
Me c h a n i c a l
S y s t e ms 。简称MEMS ) 是指可批量 制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路。直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。自 1 9 8 6年美国斯坦福大学研制出第一个医用微探针。1 9 8 8年美国加州大学B e r k e l e v分校研制出第一个微电机以来，国内外在ME MS工艺、材料以及微观机理研究方面取得了很大进展。开发出各种 ME MS器件和系统。如各种微型传感器(压力传感器、微加速度计、微触觉传感器) ，各种微构件(微膜、微粱、微探针、微连杆、微齿轮、微轴承、微泵、微弹簧以及微机器人等)。
1.6 集成化
集成化既包含各种技术的相互渗透、相互融合和各种产品不同结构的优化与复合，又包含在生产过程中同时处理加工、装配，检测、管理等多种工序。为了实现多品种、小批量生产的自动化与高效率，应使系统具有更广泛的柔性。首先可将系统分解为若干层次。使系统功能分散，并使各部分协调而又安全地运转， 然后再通过软、 硬件将各个层次有机地联系起来， 使其性能最优、功能最强。
科学技术的发展给人们的生活带来巨大变化。在物质丰富的同时也带来资源减少、生态环境恶化的后果。所以，人们呼唤保护环境，回归自然，实现可持续发展。绿色产品概念在这种呼声中应运而生。绿色产品是指低能耗、低材耗、低污染、舒适、协调而可再生利用的产品。在其设计、制造、使用和销毁时应符合环保和人类健康的要求，机电一体化产品的绿色化主要是指在其使用时不污染生态环境。产品寿命结束时产品可分解和再生利用。
2.机电一体化在生产中的应用
DCS系统作为现代大型的工业生产自动化综合控制系统，其系统功能与集中式的控制系统区别并不大，可在系统功能实现方式上就存在着很大区别，DCS系统基础及核心为系统网络，它对整个DCS系统可靠性、实时性及可扩充性具有关键决定作用，并且DCS系统中的系统网络具备很强的网络在线重构的功能;DCS系统还能对现场输入/输出进行处理，并实现了数字控制的功能，通常一套DCS系统需要设置现场输入/输出控制站，从而分担整个系统控制功能及输入/输出功能，可有效预防因一个站点失效致使整个系统失效情况的发生，加强系统可靠性，并让各站点能够分担数据的采集与控制功能，有效提高了整个系统性能;DCS系统的工程站能对DCS系统实施离线配置、在线监督、控制及维护等，和集中式的控制系统不同点就是DCS具有系统的组态功能。
2.2智能化控制技术fIC
由于工业具有大型化、高速化和连续化的特点，传统的控制技术遇到了难以克服的困难。因此非常有必要采用智能控制技术智能控制技术主要包括专家系统、模糊控制和神经网络等。智能控制技术广泛应用于钢铁企业的产品设计、生产、控制、设备与产品质量诊断等各个方面。
2.3开放式控制系统( O C S ）
开放控制系统（ 0 p e n
C o n t r o l
S y s t e m）是目前计算机技术发展所引出的新的结构体系概念。“ 开放” 意味着对一种标准的信息交换规程的共识和支持。按此标准设计的系统。可以实现不同厂家产品的兼容和互换。且资源共享。开放控制系统通过工业通信网络使各种控制设备、管理计算机互联，实现控制与经营、管理、决策的集成，通过现场总线使现场仪表与控制室的控制设备互联，实现测量与控制一体化。
2.4现场总线技术( F B T )
现场总线技术( F i e d
T e c h h o l o ) 是连接设置在现场的仪表与设置在控制室内的控制设备之间的数字式、双向、多站通信链路。采用现场总线技术取代现行的信号传输技术(如4 ～ 2 0 m A，D C直流传输)就能使更多的信息在智能化现场仪表装置与更高一级的控制系统之间在共同的通信媒体上进行双向传送 通过现场总线连接可省去 6 6 ％或更多的现场信号连接导线。现场总线的引入导致DC S的变革和新一代围绕开放自动化系统的现场总线化仪表。如智能
变送器、智能执行器、现场总线化检测仪表、 现场总线化P L C ( P r o g r a mma b l e
C o n t mll e r )和现场就地控制站等的发展。
2 ． 5交流传动技术
传动技术工业中起作至关重要的作用。随着电力电子技术和微电子技术的发展。交流调速技术的发展非常迅速。由于交流传动的优越性，电气传动技术在不久的将来由交流传动全面取代直流传动。数字技术的发展。使复杂的矢量控制技术实用化得以实现。交流调速系统的调速I生能已达到和超过直流调速水平现在无论大容量电机或中小容量电机都可以使用同步电机或异步电机实现可逆平滑调速。交流传动系统在轧钢生产中一出现就受到用户的欢迎，应用不断扩大。交流传动技术传动技术工业中起作至关重要的作用。随着电力电子技术和微电子技术的发展。交流调速技术的发展非常迅速。由于交流传动的优越性，电气传动技术在不久的将来由交流传动全面取代直流传动。数字技术的发展。使复杂的矢量控制技术实用化得以实现。交流调速系统的调速l 生能已达到和超过直流调速水平 现在无论大容量电机或中小容量电机都可以使用同步电机或异步电机实现可逆平滑调速。交流传动系统在轧钢生产中一出现就受到用户的欢迎，应用不断扩大。
2 ． 6热电偶、液位计、界面计
在化工生产企业中，热电偶、液位计、界面计等现场仪表。他们相当于内操的眼睛，能随时观察看到，并通过调节阀来实现远程控制，在实现自动化企业中已经成为必不可少的操作方式。
2 ． 7机泵
化工生产中机泵作为流体输送机械，他担任进料、强制循环、出料、回流、喷淋等作用。而机泵本身利用叶轮的高速转动，把叶轮里的液体排出，实现局部真空，把液体吸上，一次循环。平时在维护方面，一个就是油位，他是保证机泵能正常运行的重要因素，润滑大多都靠它。第二个就是轴承运行是不是正常有异声，希望我们中国在机泵上面发展快一点，让它更稳定、更简单。
3.机电一体化在生产中技术应用
3.1在现代机械制造业中的应用
传统机械制造业是建立在规模经济的基础上，靠企业规模、生产批量、产品结构和重复性来获得竞争优势的，它强调资源的有效利用，以低成本获得高质量和高效率，其生产盈利是靠机器取代人力，靠复杂的专业加工取代人的技能来获取的。先进的机械制造业是以信息为主导，采用先进生产模式、先进制造系统、先进制造技术和先进组织管理形式的全新的机械制造业，其特征是全球化、网络
化、虚拟化、智能化以及环保协调的绿色制造。现代制造业集成了现代科学技术的发展，充分利用电子计算机技术，使制造技术提高到新的高度。近年来，制造工程领域的新技术相继诞生，如计算机数字控制、现代集成制造系统、柔性制造技术、敏捷制造，虚拟制造、并行工程等。
3.2在工业生产流水线中的应用
机电一体化技术是当今发展最快、应用前景最为广泛的技术之一机电一体化技术在工业设备生产流水线中的开发、设计和制造过程中的应用。不仅使单机的自动化程度大大提高，而且使整条生产线的自动化控制水平、生产能力得到很大提高，使其竞争能力远远超过传统的机械控制的同类设备。可以大幅度改善生产的产品质量，提高其国内、国际竞争能力 。
3.3钢铁企业中应用
在钢铁企业中，机电一体化系统是以微处理机为核心把微机、工控机、数据通讯、显示装置、仪表等技术有机的结合起来，采用组装合并方式，为实现工程大系统的综合一体化创造有力条件，增强系统控制精度、质量和可靠性。智能控制技术广泛应用于钢铁企业的产品设计、生产、控制、设备与产品质量诊断等各个方面，如高炉控制系统电炉和连铸车间、轧钢系统、炼钢一连铸一轧钢综合调度系统、冷连轧等。钢铁企业的 C I MS是将人与生产经营、生产管理以及过程控制连成一体，用以实现从原料进厂，生产加工到产品发货的整个生产过程全局和过程一体化控制。
4、机电一体化技术发展的方向
机电一体化已发展成综合运用机械电子技术、自动控制技术、计算机技术、光电技术、数据传输技术等群体技术，工业生产已由“机械电气化”迈入了“ 机电一体化” 为特征的发展阶段。机电一体化产品的各个组成部分在工作时相互协调，共同完成所规定的目的功能。在结构上，各组成部分通过各种接口及其相应的软件有机地结合在一起，构成一个内部匹配合理、外部效能最佳的完整产品。机电一体化朝着以下几个方向发展。
4.1光机电一体化方向
一般机电一体化系统是由传感系统、 能源( 动力) 系统、 信息处理系统、 机械结构等部件组成。引进光学技术，利用光学技术的先天特点，就能有效地改进机电一体化系统的传感系统、能源系统和信息处理系统 。
4.2柔性化方向
未来机电一体化产品，控制和执行系统有足够的“ 冗余度”，有较强的“柔性”，能较好地应付突发事件，被设计成“ 自律分配系统”。在这系统中，各子系统是相互独立工作的，子系统为总系统服务，同时具有本身的“ 自律性” ， 可根据不同环境条件做出不同反应。其特点是子系统可产生本身的信息并附加所给信息， 在总的前提下，具有“ 行动” 是可以改变的。这样，既明显地增加了系统的能力( 柔性) ，又不因某一子系统的故障而影响整个系统。
4.3智能化方向
包含各类专业文献、文学作品欣赏、外语学习资料、幼儿教育、小学教育、各类资格考试、试论机电一体化在生产中的应用04等内容。　
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