机电一体化系统中传感器技术的运用

一、传感器、机电一体化的定义
1) 传感器。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
2) 机电一体化。所谓的机电一体化是将机械技术、电工电子技术、微电子技术、信息技术、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，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。
研究将电子器件的信息处理和控制功能附加或融合在机械装置中的一种复合化技术。
二、机电一体化系统中的组成要素
机械技术是机电一体化的基础，机械技术的着眼点在于如何与机电一体化技术相适应，利用其它高、新技术来更新概念，实现结构上、材料上、性能上的变更，满足减小重量、缩小体积、提高精度、提高刚度及改善性能的要求。在机电一体化系统制造过程中，经典的机械理论与工艺应借助于计算机辅助技术，同时采用人工智能与专家系统等，形成新一代的机械制造技术。
传感检测技术是系统的感受器官，是实现自动控制、自动调节的关键环节。其功能越强，系统的自动化程序就越高。现代工程要求传感器能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境的考验，它是机电一体化系统达到高水平的保证。
一个机电一体化系统中一般由结构组成要素、动力组成要素、运动组成要素、感知组成要素、职能组成要素五大组成要素有机结合而成。机械本体（结构组成要素）是系统的所有功能要素的机械支持结构，一般包括有机身、框架、支撑、联接等。动力驱动部分（动力组成要素）依据系统控制要求，为系统提供能量和动力以使系统正常运行。测试传感部分（感知组成要素）对系统的运行所需要的本身和外部环境的各种参数和状态进行检测，并变成可识别的信号，传输给信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的控制信息。控制及信息处理部分（职能组成要素）将来之测试传感部分的信息及外部直接输入的指令进行集中、存储、分析、加工处理后，按照信息处理结果和规定的程序与节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的的运行。执行机构（运动组成要素）；根据控制及信息处理部分发出的指令，完成规定的动作和功能。
三、机电一体化系统中传感器技术的应用
1.传感技术在机械加工中的应用
数控机床是现代高科技发展的产物，每当一批零件开始加工时，有大量的检测需要完成，包括夹具和零件的装卡，找正，零件编程点的测定、工序间检测及加工完毕检测等。
将检测技术融于数控加工的内容之中，采用在线测量的方式，能使操作者及时发现工件存在的问题，并反馈给数控系统。在线检测技术应用于数控系统，提高了测量精度，更好地保证了机床的加工质量，促进加工测量一体化的发展。
2.传感技术在汽车行业中的应用
检测传感技术在汽车中的应用很广泛，例如：为使汽车安全行驶，研制的电子防滑控制装置与电子变速控制装置。为防止排气污染，大力研制的电子燃料喷射装置、排气再循环装置等。
要使汽车停车，应该根据汽车轮胎与地面的状态求出最有效的滑移率，使制动压力接近这种最佳状态。然而，对于实际的电子防滑控制装置来说，采用电气方式检测路面状态和汽车对地的速度是非常困难的。所以，一般都是只检测车轮的旋转速度。从车轮的旋转速度与时间的关系计算出车轮的减速度。在超出预先设定的基准减速度情况下，与驾驶员踩制动器的力无关，而由制动器压力控制装置自动减弱制动器的压力，防止打滑。
然后，根据其处理信息，控制在燃料喷射用的注油器上所安装的脉冲电流计的时刻与加电流的时间长短，使发动机内的燃烧始终保持最佳状态。
由此可见，随着传感器技术和其他新技术的应用，现代化汽车工业进入了全新时期。汽车的机电一体化要求，用自动控制系统取代纯机械式控制部件，这不仅体现在发动机上，为更全面地改善汽车性能，增加人性化服务功能，降低油耗，减少排气污染，提高行驶安全性、可靠性、操作方便和舒适性，先进的检测和控制技术已扩大应用到汽车全身。在其所有重点控制系统中，必不可少地使用曲轴位置传感器、吸气及冷却水温度传感器、压力传感器、气敏传感器等各种传感器。
3.检测传感技术在机器人中的应用
在手工操作的复杂工作中，就使用了机器人。在这种情况下，机器人必须具备高度信息处理能力的大脑以及相当于人的手足的操作机构。工业机器人之所以能够准确操作，是因为它能够通过各种传感器来准确感知自身、操作对象及作业环境的状态，包括：其自身状态信息的获取通过内部传感器（位置、位移、速度、加速度等）来完成，操作对象与外部环境的感知通过外部传感器来实现，这个过程非常重要，足以为机器人控制提供反馈信息[3]。
通常微动开关、光电开关、电涡流等传感器安装在机器人的每个关节上进行零位和极限位置的检测，前者保证机器人的重复定位精度和轨迹精度，后者则起保护机器人和安全动作的作用。
四、发展趋势
随着工业数字化、智能化发展，传感器在机械加工，温度监测，可穿戴设备、智能家居、智慧交通中得到了广泛的应用。传感器技术水平在一定程度上反映了一个国家科技现代化的水平，传感器在实现自动化控制及测试控制中发挥着重要的作用。传感器技术在近些年来发展迅速，与计算机技术和通信技术一起被称为信息技术的三大支柱，近年来，我国传感器市场发展比较迅猛，但是我国传感器技术并不成熟，在国际竞争中并不占优势，传感器市场被德国、美国、日本等工业国家所主导。根据传感器技术的发展趋势，它将由简单的传感器系统向智能化、集成化、微型化、网络化、多样化的复杂传感器系统方向发展。近年来我国传感器产业快速增长，应用模式也日渐成熟。传感器的重要性可说是不言而喻的，它在机械加工，可穿戴设备、智能家居、智能交通等各个领域都有着极为重要的应用。传感器在智能可穿戴设备、智能家居和智能交通的最新应用，以及目前传感器的市场前景、现代科技中，自动化与智能化己经成为新的发展方向，传感器作为自动测量与控制中的关键环节，在社会的生产生活中应用十分广泛，且具有巨大的发展空间。
五、推荐设备的举例

MYN-236B 机电一体化自动化生产流水线实训设备

一、机电一体化自动化生产流水线实训设备,机电一体化实验设备介绍：

本装置是为提高学生实践技能而设计生产的一套实用性实验系统，该设备被广泛的用于可编程控制系统设计师的培训考核，该系统由多个相互关联的工作站组成。其显著特点是：仿真企业自动化生产过程，涉及到气动、PLC、传感器、电机、变频器、触摸屏、RS485等多种技术。给学生提供一个全真的综合实训环境，通过一定的实际训练提高操作技能，快速适应企业岗位的能力需求。适合大、中专院校、培训机构、企业对学生进行培训及技能鉴定。
二、机电一体化自动化生产流水线实训设备,机电一体化实验设备装置功能：该实训设备中每个工作站都是有一套独立的控制系统，既可以拆分程独立的工作站，又可以组合成一个集成系统。当系统拆分成独立工作站时适合于初、中级的培训；当系统组合成一个集成系统时，能提供一个学习复杂和大型控制系统的平台，可应用于高级及以上的培训。每个工作站都可适用不同品牌的PLC进行控制，各站可联网运行，学习复杂的控制、编程、装配、和调试技术，使独立的各工作站能相互交换信息，模拟实现自动化生产流程控制。
三、机电一体化自动化生产流水线实训设备,机电一体化实验设备装置组成：实训设备由安装在铝合金导轨式实训台上的上料检测单元、搬运单元、加工单元、流水线单元、传输单元、装配搬运单元、分类仓储单元7个单元组成。其中，每一工作单元都可自成一个独立的系统，同时也是一个机电一体化相关技术的训练系统。在MYN-236B设备上应用了多种类型的传感器，分别用于判断物体的运动位置、物体通过的状态、物体的颜色及材质等。在控制方面采用了基于RS485串行通信的PLC网络控制方案，即每一工作单元由一台PLC承担其控制任务，各PLC之间通过RS485串行通讯实现互连的分布式控制方式。根据需要选择不同厂家的PLC及其所支持的RS485通信模式，组建成一个小型的PLC网络。
1、上料检测单元：上料检测单元是MYN-236B中的起始单元，在整个系统中，起着向系统中的其他单元提供原料的作用。
供料单元的主要组成：主要包括物料盘，顶料气缸，磁性开关，物料检测传感器部件，安装支架平台,材料检测装置部件等组成。
2、搬运单元：搬运单元是MYN-236B中将上料机构的物料搬运到加工单元的物料盘上的枢纽部分，主要搬运作用。
2.1）搬运部分的主要组成：主要包括机械手，相对应的驱动气缸，磁性开关，电磁阀组件等组成。
3、加工单元：加工单元是MYN-236B中对工件处理单元之一，在整个系统中，起着对上料检测单元送来工件进行模拟冲孔处理或工件冲压等作用。
3.1）加工单元的主要组成：主要包括物料台，模拟冲头,模拟钻头，相应的传感器，电磁阀组件等组成。
4、流水线单元：流水线单元是MYN-236B中完成物料加工的重要部分，组要起加工物料工位传输的作用。
4.1）流水线单元的主要组成：主要包括物料转台，旋转电机，传感器等组件组成。
5、传输单元：传输单元是MYN-236B中对加工好的物料进行传递的介质，主要器物料传输作用，同时有识别物料颜色的功能。
5.1）传输单元的主要组成：主要包括传送带，取料气缸，颜色分辨传感器，三相电机，磁性开关，电磁阀组件等组成。
6、装配搬运单元：装配搬运单元是MYN-236B中对加工好的物件进行装配和传输的部分，主要起着装配和传输的作用。
6.1）装配单元的主要组成：主要包括吸盘机械手，配件出料系统，推料气缸，传感器，电磁阀，磁性开关组件等组成。
7、分类仓储单元：分类仓储单元是MYN-236B中的最后一个单元，主要的作用是将生产完成的产品进行分类储存。
7.1）分类储存单元的主要组成：主要包括立体仓储系统，步进电机，驱动控制器，丝杆堆垛机，推料气缸，电磁阀磁性传感器组件等组成。
四、机电一体化自动化生产流水线实训设备,机电一体化实验设备技术指标:
1、实验桌：采用铝合金型材制成，该实训考核装置PLC模块的I/O 端子、变频器的接线端子、各常用模块与PLC的连接端子，均与安全插座连接，使用带安全插头的导线进行电路连接；各指令开关、光电开关、传感器和指示元件的电路，则通过端子排进行连接。插拔线连接电路与端子排连接电路相结合，既保证学生基本技能的训练、形成和巩固，又保证电路连接的快速、安全和可靠，本接线端子采用高低压区分设计，避免高低压接线错误。
2、实验桌尺寸：长×宽×高=3450mm×800mm×840mm;
3、电脑桌尺寸：长×宽×高=600mm×550mm×1100mm;
4、交流电源：三相AC380V±10% 50Hz：
5、工作温度： -10℃～40℃；
6、环境湿度：≤85%（25℃）；
7、整机消耗功率：≤1.5KW;
8、气源工作压力：最小1.8Mbar，最大2.4Mbar。
9、安全保护措施：具有接地保护、漏电保护功能，安全性符合相关的国家标准。采用高绝缘的安全型插座及带绝缘护套的高强度安全型实验导线。
五、机电一体化自动化生产流水线实训设备,机电一体化实验设备培训的内容：
1、传感器培训
2、气动技术培训
3、PLC 技术培训
4、电气控制系统培训
5、工业控制网络系统培训
6、机械系统安装调试培训
7、系统维护和故障检测技术培训
六、实验项目：
1、气动元件学习
2、传感器实验
3、机械安装调试实验
4、电气回路实验
5、PLC基本指令学习和实际应用实验
6、系统故障检测实验
7、485联网程序控制实验
8、上料程序控制实验
9、多工位工作台程序控制实验
10、流水线程序控制实验
11、工件安装程序控制实验
12、工件搬运程序控制实验
13、工件分类程序控制实验
14、交流电机变频控制实验
15、步进电机驱动控制实验
16、位置控制技术实验
六、机电一体化系统中传感器技术结语
随着机器人技术转向微型化、智能化，以及应用领域从工业结构环境拓展至深海、空间和其他人类难以进入非结构环境，使得机器人传感器技术的研究与微电子机械系统、虚拟现实技术有更密切的联系。做为机器人感知系统重要组成部分的接近觉传感器也应该顺应这个发展趋势。但是，目前国内的研究水平与国外的相比还有一定的差距，为解决这一问题，我们认为现阶段应该跟踪国外技术的新动向，加强新原理、新材料、新工艺的研究。开展多传感器融合技术的研究，进一步增强接近觉传感器的多功能化、智能化。

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