1.2 机电一体化系统的基本结构和功能

1.2.1 机电一体化系统的基本结构

机电一体化系统（或装置）主要由机械部分、控制及信息处理部分、动力部分、传感检测部分、驱动部分等五个部分（或系统）组成（图1-5）。

1.传感检测部分——传感检测系统

传感检测部分主要是指传感器及其处理装置。对系统在运行过程中的内、外参数及状态进行检测，并转换成信息或信号，传输到信息处理器，经过分析、处理后产生相应的控制信息。

2.控制及信息处理部分——电子信息处理系统

控制及信息处理部分主要为计算机系统（硬件和软件）。控制及信息处理部分是机电一体化系统的核心部分。它将来自各种传感器及其处理装置送来的检测信息和外部输入的指令进行存储、分析、运算、处理等，并根据处理结果，发出相应的控制信号，送往驱动执行部分，从而控制整个系统正常地、稳定地运行，并能达到预期的效果。

3.驱动部分——驱动系统

驱动部分有电动式、液压式和气动式三种。电动式主要是交、直流电动机或特殊电动机。驱动部分根据控制及信息处理部分送来的控制信息和指令驱动各种执行元件（如普通电动机或特殊电动机或电磁阀）完成所规定的各种动作和功能。

4.机械部分——机械系统、机械机构

机械部分内各种机械零部件按照一定的空间和时间关系安置在一定位置上，在驱动部分作用下，完成相应的传递任务。

5.动力部分——动力系统、动力源

动力部分主要是提供动力或能量的来源。它根据系统的控制要求，向系统提供能量和动力以确保系统能正常运行，并用尽可能小的动力输入以获得尽可能大的能量和动力输出。

【例1-2】 平面关节型机械手。

机械手的结构由执行机构、驱动-传动机构、控制系统、智能系统、检测系统等部分组成（图1-6）。

机械手的控制系统通常采用可编程序控制器（PLC）控制、微型计算机控制等控制方式。

机械手的驱动-传动机构是机械手的重要组成部分。根据动力源的不同，机械手的驱动-传动机构可分为液压、气动、电动、机械驱动和复合式等五类。

机械手的执行机构由手部、腕部、臂部等部分组成。

①手部——是直接与工件接触的部分，一般是采用回转型或平动型。手部为两指或多指。根据需要手部又分为外抓式和内抓式两种，也可以采用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于吸光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。

②腕部——是连接手部和臂部的部件。通过调节被抓工件的方位，扩大机械手的动作范围。手腕有独立的自由度（关节），可实现回转运动、上下摆动、左右摆动等。通常，腕部设置回转运动及上下摆动即可满足一般的工作要求。

③臂部——是支撑腕部和手部（包括夹具）及带动它们做空间运动的部件。

臂部运动的目的是把手部送到空间运动范围内任意一点；若要改变手部的姿态（方位），则通过腕部的自由度（关节）加以实现。通常，臂部必须具备三个自由度（关节）才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。

平面关节型机械手是应用最为广泛的机械手类型之一。平面关节型机械手的外观如图1-7所示，结构示意图如图1-8所示。

平面关节型机械手主要有下列结构。

执行机构：主要包括3个旋转关节（分别控制机械大臂和小臂旋转以及手爪张合）和1个移动关节（控制手腕伸缩）。

驱动-传动机构：各关节均采用直流电动机（电动式）作为驱动装置，在机械大臂和小臂的旋转关节上还装配有增量式光电编码器，提供半闭环控制所需的反馈信号。

控制系统：各关节直流电动机的运动控制均采用PLC—单片机—运动控制芯片的控制方式。操作程序从PLC输入，通过PLC机和单片机之间的双向通信实现位置或速度命令的输送，运动控制芯片接收来自单片机的位置、速度或加速度指令，经过内部运算，读取速度、加速度等数值并输出，输出信号经功率放大后控制直流电动机的正、反转和停止。因此，只要编制了能满足运动控制要求的软件（或程序），就可实现对机械手的速度、位置以及四关节的联动控制。单个关节直流电动机伺服驱动控制系统如图1-9所示。

检测系统：检测系统采用增量式光电编码器。由增量式光电编码器检测直流电动机的实际位置，其输出信号经位置检测进行解码后，形成位置反馈值，反馈值与指令值的比较经运动控制芯片运算，其差值作为输出信号驱动直流电动机运动到指定的位置，直至差值为零。另外，在进行位置控制的同时，还需对速度进行控制。