二、機電一體化系統分析

（一）組成與分類

機電一體化系統是由機電一體化控制系統（或控制裝置）與其控制對象所構成的，它是一種實現機械運動控制的工程系統。分析機電一體化系統的組成與功能只有從控制對象入手，才能對機電一體化系統的組成有清晰的認識，如果只是對系統的功能要素與構成要素泛泛而談，容易導致概念的模糊。

1.機電一體化系統的組成

機電一體化系統的規模可大可小、功能有多有少。一般而言，機電一體化產品中的每一具有運動特性的控制對象都對應著一個“子系統”，因此，大型、復雜的機電一體化系統往往包含有若干個子系統，子系統有時還可能包含下級子系統，這些子系統在中央控制器的組織與管理下有序工作，各自實現其功能。然而，不論將一個系統分解為多少子系統，都必須具備以下基本要素，才能稱之為“機電一體化系統”，否則它只是一種控制裝置或部件。

① 控制對象。機電一體化產品的控制對象應是具有運動特性的機械裝置。機械裝置是任何機電產品的基本構成要素，它所涵蓋的范圍非常廣，既包括機械運動部件，又包括與系統分析無關的產品機體或機架、外殼、安裝連接件等附屬裝置。機電一體化系統的控制對象特指機械運動部件（包括與運動相關的連接件、傳動件）；那些只是為了外觀造型、部件支撐、安裝運輸等目的而設計的機體或機架、外殼等附屬裝置雖是機電一體化產品的構成要素，但不屬于機電一體化系統的范疇。

② 控制裝置。控制裝置是信息處理與發出控制命令的部分，它是機電一體化控制系統的核心，系統根據控制裝置的控制命令有序運行。

③ 驅動裝置。驅動裝置是進行控制命令的轉換與功率放大的裝置，它為執行裝置的動作提供所需的能量與動力。

④ 執行裝置。執行裝置是機械運動的動作實施與執行者，是機電一體化控制系統的輸出，執行裝置所產生的運動可以直接變換為機械部件的運動。

以上4部分是一個機電一體化控制系統的最低要求，如果系統需要根據對象的實際動作進行自動調節，則還需要檢測運動部件的速度與位置等相關參數的檢測裝置。

2.機電一體化系統的分類

根據機械裝置的運動特點與要求機電一體化系統可分為順序控制系統與連續控制系統兩大類。

順序控制系統是實現機械裝置的動作順序控制的自動控制系統。一般而言，此類系統的執行裝置為電磁閥、接觸器等通/斷控制電器件；機械裝置的運動由電機、氣動或液壓系統驅動，定位點固定不變；系統所使用的檢測裝置通常也是只能判斷位置到達與否的檢測開關。順序控制系統的輸入、輸出以開關量為主，機械裝置的運動不連續，故又稱“開關量控制系統”或“斷續控制系統”。

連續控制系統是以機械裝置的連續位移、速度為控制對象的自動控制系統。控制系統包括了傳統意義上的伺服驅動系統與電氣傳動系統兩方面，前者以位置控制為主要目的，也稱位置隨動系統；后者以速度控制為主要目的，也稱調速系統。運動控制系統需要進行速度、位置的連續控制，屬于連續控制系統的范疇。

（二）系統分析

弄清控制對象是分析機電一體化系統的前提條件。為了便于理解，下面分別以全自動洗衣機與數控機床為例，來說明機電一體化系統的分析方法。

【例0-1】 全自動洗衣機控制系統分析。

在全自動洗衣機的控制系統中，控制對象有進水閥、排水閥、洗衣缸3部分。洗衣缸需在“漂洗”“脫水”時以不同轉速、轉向旋轉，它是具有運動特性的機械部件，是系統的構成要素之一。進水與排水閥的控制對象是水位，它不是機械運動部件，因此只是機電一體化系統的輔助控制部分，不能構成機電一體化子系統。

由此可見，洗衣機控制系統是以洗衣缸體為控制對象、電動機為執行裝置、電機調速器為驅動裝置、程序控制器為控制裝置的順序控制系統。洗衣機一般沒有檢測缸體實際旋轉的裝置，即使缸體被卡住而停轉，洗衣機依然按固定的程序執行“漂洗”“脫水”等動作，這是一個開環系統。

【例0-2】 數控機床控制系統分析。

圖0-1.2所示的數控機床是由若干子系統所構成的復雜機電一體化系統，可以從控制對象入手進行系統分析。

① 控制對象。數控機床中的機械運動部件較多，它包括圖0-1.2所示的工作臺（刀具）的運動、主軸的回轉運動、刀具自動交換以及冷卻、潤滑、切屑自動傳送等（圖中未畫出）。

② 系統分析。以上控制對象中，工作臺（刀具）的運動、主軸的回轉運動、刀具自動交換、切屑自動傳送具有機械運動特性，但切屑傳送（排屑電機的正反轉）只需要用接觸器等非微電子裝置進行控制，故不是機電一體化系統。而冷卻、潤滑的最終控制對象非機械運動，同樣只是控制系統的輔助部分。

因此，數控機床的機電一體化系統可分為工作臺（刀具）運動系統、主軸運動系統、刀具自動交換系統3個一級子系統。

1.刀具運動系統

數控機床的刀具運動是多維的，圖0-1.2所示的臥式加工中心其刀具運動由X、Y、Z軸3個基本坐標軸與工作臺回轉軸B合成，因此，刀具運動系統又可分為X、Y、Z、B軸4個子系統，其控制對象分別為刀具左右移動的X軸（立柱）、刀具上下移動的Y軸（主軸箱）、刀具前后移動的Z軸（安裝高速主軸單元的滑枕）與刀具繞Y軸回轉的B軸。4個二級子系統除控制對象不同外，其他組成部件相同，其執行裝置分別為X/Y/Z/B軸伺服電機，驅動裝置分別為X/Y/Z/B軸伺服驅動器，控制裝置同為 CNC（數控裝置）。由于交流伺服驅動系統必須進行速度與位置的閉環控制，因此，子系統還包含了各自的速度與位置檢測裝置——編碼器或光柵。

2.主軸運動系統

圖0-1.2所示的臥式加工中心只有單一的主軸，沒有子系統。主軸運動系統的控制對象為主軸的回轉運動（速度、轉向與位置），執行裝置為主軸電機，驅動裝置為主軸驅動器，控制裝置為CNC。由于數控機床的主軸一般需要閉環控制，故它也包含了主軸速度與位置檢測的編碼器。

3.刀具自動交換系統

該系統包括刀庫旋轉（選刀）、刀具裝卸（換刀）兩部分，可分為“選刀控制”與“換刀控制”兩個子系統。

選刀控制系統是一個以刀庫回轉定位為控制對象的運動控制系統，其執行裝置為刀庫回轉電機，驅動裝置為刀庫調速器（一般為變頻器），控制裝置為接受CNC控制的二級控制器PLC。選刀只需要定點定位，它是一個順序控制系統，通常使用接近開關或編碼器等作為檢測裝置。

如果數控機床所采用的是液壓或氣動式機械手換刀裝置，則換刀控制子系統的控制對象為機械手，運動包括機械手伸縮、手臂回轉、刀具的松開與夾緊等；系統的執行裝置為電磁閥，驅動裝置為氣缸或液壓缸等，控制裝置為接受 CNC 控制的二級控制器 PLC。如機床的換刀采用機械聯動凸輪換刀裝置，那么，其執行裝置為換刀電機，驅動裝置為換刀調速器（變頻器等），控制裝置同為PLC。換刀控制是對運動部件動作順序的控制，也是一個順序控制系統，需要使用接近開關等檢測裝置。

以上各級系統在 CNC 這一中央控制器的管理與控制下有序運動，便構成了完整的機電一體化系統。至于數控機床的床身、底座、立柱、防護罩等不具有運動特性，它們只是產品（機床）的附屬部件，而不是機電一體化系統的構成要素。