機電一體化論文 (2).doc

吉林大學遠程教育 2011 屆?？飘厴I(yè)設計（論文） 第 1 頁 共 12 頁 吉林大學遠程教育 專?？瓶粕叜厴I(yè)業(yè)論論文文 （設設計計） 中中文文題題目目 機機電電一一體體化化技技術術現(xiàn)現(xiàn)狀狀和和發(fā)發(fā)展展趨趨勢勢 學學生生姓姓名名 朱朱洪洪波波 專專業(yè)業(yè) 機機電電一一體體化化 層層次次年年 級級 高高起起專專 學學號號 1 11 10 02 21 15 50 01 12 26 60 00 00 04 4 指指導導教教師師 張張世世玉玉 職職稱稱 助助 教教 學學習習 中中心心 長長 春春 商商 校校 成成績績 2012 年年 4 月月 25 日日 摘摘 要要 吉林大學遠程教育 2011 屆專科畢業(yè)設計（論文） 第 2 頁 共 12 頁 機電一體化是現(xiàn)代科學技術發(fā)展的必然結果。此簡述機電一體 化技術的基本情況和發(fā)展背景,綜述國內外機電一體化技術的現(xiàn)狀,分 析機電一體化技術的發(fā)展趨勢。在機械工程領域,由于微電子技術和 計算機技術的迅速發(fā)展及其向機械工業(yè)的滲透所形成的機電一體化, 使機械工業(yè)的技術結構、產品結構、功能與構成、生產方式及管理 體系發(fā)生了巨大變化,使工業(yè)生產由“機械電氣化”邁入以“機電一 體化 ”為特征的發(fā)展階段。 關鍵詞關鍵詞: 機電一體化 技術 現(xiàn)狀 發(fā)展趨勢 目目 錄錄 吉林大學遠程教育 2011 屆?？飘厴I(yè)設計（論文） 第 3 頁 共 12 頁 機電一體化技術現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢機電一體化技術現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 .4 1 機電一體化概述4 2 機電一體化的發(fā)展狀況5 3 國內機電一體化發(fā)展現(xiàn)狀6 3.1 數(shù)控技術方面6 4 機電一體化的發(fā)展趨勢6 4.1 智能化7 4.2 模塊化7 4.3 網絡化7 4.4 微型化7 4.5 環(huán)保化8 4.6 系統(tǒng)化8 4.7 綠色化8 4.8 帶源化8 4.9智能化趨勢.8 參考文獻.10 致 謝11 機電一體化技術現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢機電一體化技術現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 現(xiàn)代科學技術的不斷發(fā)展,極大地推動了不同學科的交叉與滲透,工程領域的 吉林大學遠程教育 2011 屆?？飘厴I(yè)設計（論文） 第 4 頁 共 12 頁 技術改造與革命。在機械工程領域,由于微電子技術和計算機技術的迅速發(fā)展及 其向機械工業(yè)的滲透所形成的機電一體化,使機械工業(yè)的技術結構、產品結構、 功能與構成、生產方式及管理體系發(fā)生了巨大變化,使工業(yè)生產由“機械電氣化” 邁入以“機電一體化 ”為特征的發(fā)展階段。 機電一體化是一個新興的邊緣學科，正處于發(fā)展階段，代表著機械工業(yè)技 術革命的發(fā)展方向。一般認為，機電一體化技術是一門跨學科的綜合性高技術， 是由微電子技術、計算機技術、信息技術、機械技術及其他技術相融合而構成 的一門獨立的交叉學科。美國 ieee/asme 曾于 1996 年給出了一個較為全面的 意義:我們對機電一體化初步定義為在工業(yè)產品和過程的設計和制造中，機械 工程和電子與智能計算機控制的協(xié)同集成，包括以下 11 個方面：（1）成型和 設計；（2）系統(tǒng)集成；（3）執(zhí)行器和傳感器；（4）智能控制；（5）機器人； （6）制造；（7）運動控制；（8）振動和噪聲控制；（9）微器件和光電子系 統(tǒng)；（10）汽車系統(tǒng)；（11）其他應用。 目前，國際上普遍采用日本機械振興協(xié)會的定義：“機電一體化是在機械的 主功能、動力功能、信息功能和控制功能上引進微電子技術，并將機械裝置與 電子裝置用相關軟件有機結合而構成的系統(tǒng)的總稱，涉及機械制造技術、電子 技術、信息處理技術、測試和傳感器技術、控制技術、接口技術、計算機技術、 伺服驅動等多種技術。機電一體化技術對現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展有巨大的推動力，因 此世界各國都在大力推廣機電一體化技術。 1 機電一體化概述機電一體化概述 機電一體化是指在機構的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上 引進電子技術,將機械裝置與電子化設計及軟件結合起來所構成的系統(tǒng)的總稱。 機電一體化發(fā)展至今已經成為一門有著自身體系的新型學科,隨著科學技術 的不斷發(fā)展,還將被賦予新的內容。但其基本特征可概括為:機電一體化是從系統(tǒng) 的觀點出發(fā),綜合運用機械技術、微電子技術、自動控制技術、計算機技術、信 息技術、傳感測控技術及電力電子技術,根據(jù)系統(tǒng)功能目標要求,合理配置與布局 各功能單元,在多功能、高質量、高可靠性、低能耗的意義上實現(xiàn)特定功能價值, 并使整個系統(tǒng)最優(yōu)化的系統(tǒng)工程技術。由此而產生的功能系統(tǒng),則成為一個機電 一體化系統(tǒng)或機電一體化產品。因此,“機電一體化”涵蓋“技術”和“產品” 兩個方面。機電一體化技術是基于上述群體技術有機融合的一種綜合技術,而不 是機械技術、微電子技術及其它新技術的簡單組合、拼湊。這是機電一體化與 機械加電氣所形成的機械電氣化在概念上的根本區(qū)別。機械工程技術由純技術 發(fā)展到機械電氣化,仍屬傳統(tǒng)機械,其主要功能依然是代替和放大的體系。但是, 發(fā)展到機電一體化后,其中的微電子裝置除可取代某些機械部件的原有功能外,還 被賦予許多新的功能,如自動檢測、自動處理信息、自動顯示記錄、自動調節(jié)與 控制、自動診斷與保護等。也就是說,機電一體化產品不僅是人的手與肢體的延 伸,還是人的感官與頭腦的延伸,智能化特征是機電一體化與機械電氣化在功能上 的本質區(qū)別。 吉林大學遠程教育 2011 屆?？飘厴I(yè)設計（論文） 第 5 頁 共 12 頁 2 機電一體化的發(fā)展狀況機電一體化的發(fā)展狀況 機電一體化的發(fā)展大體可以分為三個階段:(1)20 世紀 60 年代以前為第一階 段,這一階段稱為初級階段。在這一時期,人們自覺不自覺地利用電子技術的初步 成果來完善機械產品的性能。特別是在第二次世界大戰(zhàn)期間,戰(zhàn)爭刺激了機械產 品與電子技術的結合,這些機電結合的軍用技術,戰(zhàn)后轉為民用,對戰(zhàn)后經濟的恢 復起到了積極的作用。那時,研制和開發(fā)從總體上看還處于自發(fā)狀態(tài)。由于當時 電子技術的發(fā)展尚未達到一定水平,機械技術與電子技術的結合還不可能廣泛和 深入發(fā)展,已經開發(fā)的產品也無法大量推廣。(2)20 世紀 7080 年代為第二階段, 可稱為蓬勃發(fā)展階段。這一時期,計算機技術、控制技術、通信技術的發(fā)展,為機 電一體化的發(fā)展奠定了技術基礎。大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路和微型計算機的 出現(xiàn),為機電一體化的發(fā)展提供了充分的物質基礎。這個時期的特點是: mechatronics 一詞首先在日本被普遍接受,大約到 20 世紀 80 年代末期在世界范 圍內得到比較廣泛的承認;機電一體化技術和產品得到了極大發(fā)展;各國均開始對 機電一體化技術和產品給予很大的關注和支持。(3)20 世紀 90 年代后期,開始了 機電一體化技術向智能化方向邁進的新階段,機電一體化進入深入發(fā)展時期。一 方面,光學、通信技術等進入機電一體化,微細加工技術也在機電一體化中嶄露頭 腳,出現(xiàn)了光機電一體化和微機電一體化等新分支;另一方面,對機電一體化系統(tǒng) 的建模設計、分析和集成方法,機電一體化的學科體系和發(fā)展趨勢都進行了深入 研究。同時,人工智能技術、神經網絡技術及光纖技術等領域取得的巨大進步,為 機電一體化技術開辟了發(fā)展的廣闊天地。這些研究,使機電一體化進一步建立了 堅實的基礎,并且逐漸形成完整的學科體系。 我國是從 20 世紀 80 年代初才開始進行這方面的研究和應用。國務院成立 了機電一體化領導小組,并將該技術列入“863 計劃”中。在制定“九五”規(guī)劃 和 2010 年發(fā)展綱要時充分考慮了國際上關于機電一體化技術的發(fā)展動向和由此 可能帶來的影響。許多大專院校、研究機構及一些大中型企業(yè)對這一技術的發(fā) 展及應用做了大量的工作,取得了一定成果。但與日本等先進國家相比,仍有相當 差距。 機電一體化產品得以迅猛發(fā)展，主要表現(xiàn)在以下四個方面: （1）機電一體化產品幾乎遍及所有制造業(yè)領域機電一體化產品幾乎遍及所有制造業(yè)領域 在工業(yè)發(fā)達國家，數(shù)控機床占機床總數(shù)的 30%40%。工業(yè)機器人正向智 能化和智能系統(tǒng)的方向發(fā)展，數(shù)量在未來十年將以 25%30%的速度增長。智 能機器人將逐步進入辦公、管理、娛樂、家庭等各個領域。 （2）機電一體化從單機向整個制造業(yè)的集成化過渡。 計算機集成制造系統(tǒng)(cims)是當今世界制造業(yè)發(fā)展的總趨勢,它打破原有部 門之間的界線以制造為基干來控制“物流”和“信息流”,實現(xiàn)從經營決策、產品開 發(fā)、生產準備、生產實驗到生產經營管理的有機結合。cims 的實現(xiàn)是全局動 態(tài)的最優(yōu)綜合。 （3）激光技術進入機電一體化領域。 光機電一體化是激光技術與機械、電子技術相結合,不僅大大擴展了機電一 體化的應用領域,而且使一些行業(yè)出現(xiàn)重大變革，是當今信息業(yè)與制造業(yè)的最佳 結合點。 （4）微細加工技術與設備發(fā)展迅猛。 微電子技術及其產業(yè)的高速發(fā)展,帶動了大量高新技術的興起,微細加工技術 吉林大學遠程教育 2011 屆?？飘厴I(yè)設計（論文） 第 6 頁 共 12 頁 和裝備不僅支持了電子產業(yè)的發(fā)展,而且對微機械的誕生和發(fā)展也起了決定性的 作用。 3 國內機電一體化發(fā)展現(xiàn)狀國內機電一體化發(fā)展現(xiàn)狀 我國從 20 世紀 80 年代初開始進行機電一體化的研究和應用，國務院成立 了機電一體化領導小組并將其列為“863 計劃”。在制定“九五”規(guī)劃和 2010 年發(fā) 展綱要時充分考慮了國際上關于機電一體化技術的發(fā)展動向和由此可能帶來的 影響，許多大專院校、研究機構及一些大中型企業(yè)對這一技術的發(fā)展及應用做 了大量的工作。雖然目前國內機電一體化技術與日本、歐美等先進國家相比仍 有一定差距，但隨著新技術革命的迅猛發(fā)展，我國加大了機電一體化技術的研 究力度，并將其確定為國家高技術重點研究領域，給予優(yōu)先支持，并取得了一 定的成績。 3.1 數(shù)控技術方面。 我國數(shù)控技術起步于 1958 年，在“九五”末期,國產數(shù)控機床的國內市場占 有率達 50%,配國產數(shù)控系統(tǒng)(普及型)也達到了 10%?？v觀我國數(shù)控技術近 50 年 的發(fā)展歷程,特別是經過 4 個 5 年計劃的攻關,總體來看取得了很好成績。目前, 已具有年產數(shù)控系統(tǒng) 3000 多套、主軸與進給裝置 5000 多套的生產能力。近十 年來,普通級數(shù)控機床的加工精度已由 10m 提高到 5m,精密級加工中心則從 35m,提高到 11.5m,并且超精密加工精度已開始進入納米級(0.01m) 我國 1986 年將機器人的研究開發(fā)列入國家科技計劃,現(xiàn)已掌握了機器人操 作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)和軟件編程技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術,生產 了部分機器人的關鍵元器件,并進入實用化階段，開發(fā)出弧焊、點焊、噴漆、裝 配、搬運、注塑、沖壓及能前后行走、爬墻、水下作業(yè)的多種機器人。目前， 國內相關科研機構和企業(yè)已掌握了工業(yè)機器人操作機的優(yōu)化制造技術，解決了 工業(yè)機器人控制、驅動系統(tǒng)的設計技術，機器人軟件的設計和編程等關鍵技術， 還掌握弧焊、點焊及大型機器人自動生產線（工作站）與周邊配套設備的開發(fā) 和制備技術。現(xiàn)在，我國從事機器人研發(fā)的單位有 200 多家，專門從事機器人 產業(yè)開發(fā)的企業(yè)有 50 家以上，中國市場上總共擁有近萬臺工業(yè)機器人，其中完 全國產的工業(yè)機器人（行業(yè)內規(guī)模比較大的前三家工業(yè)機器人企業(yè)）行業(yè)集中 度占 30%左右。 我國經過多年的理論和技術準備,cims 已經有了較 快發(fā)展。 目前,已在清華大學建成國家 cims 工程研究中心,在著名高校和研究單位建 立了 7 個 cims 單元技術實驗室和 8 個 cims 培訓中心9。2000 年,全國已有 20 多個省市、10 多個行業(yè)、200 多家不同規(guī)模和類型的企業(yè)通過實施 cims 應 用示范工程,取得了巨大的經濟效益。當前,cims 的進一步試點推廣應用已經擴 展到機械、電子、航空、航天、輕工、紡織、冶金、石油化工等諸多領域,正得 到各行各業(yè)越來越多的關注和投入. 4 機電一體化的發(fā)展趨勢機電一體化的發(fā)展趨勢 機電一體化是集機械、電子、光學、控制、計算機、信息等多學科的交叉 綜合,它的發(fā)展和進步依賴并促進相關技術的發(fā)展。機電一體化的主要發(fā)展方向 大致有以下幾個方面: 吉林大學遠程教育 2011 屆?？飘厴I(yè)設計（論文） 第 7 頁 共 12 頁 4.1 智能化 智能化是 21 世紀機電一體化技術的一個重要發(fā)展方向。人工智能在機電一 體化的研究中日益得到重視,機器人與數(shù)控機床的智能化就是重要應用之一。這 里所說的“智能化”是對機器行為的描述,是在控制理論的基礎上,吸收人工智能、 運籌學、計算機科學、模糊數(shù)學、心理學、生理學和混沌動力學等新思想、新 方法,使它具有判斷推理、邏輯思維及自主決策等能力,以求得到更高的控制目標。 誠然,使機電一體化產品具有與人完全相同的智能,是不可能的,也是不必要的。 但是,高性能、高速度的微處理器使機電一體化產品賦有低級智能或者人的部分 智能,則是完全可能而且必要的。 4.2 模塊化 模塊化是一項重要而艱巨的工程。由于機電一體化產品種類和生產廠家繁 多,研制和開發(fā)具有標準機械接口、電氣接口、動力接口和環(huán)境接口等的機電一 體化產品單元是一項十分復雜但又非常重要的事情。如研制集減速、智能調速、 電機于一體的動力單元,具有視覺、圖像處理、識別和測距等功能的控制單元,以 及各種能完成典型操作的機械裝置等。有了這些標準單元就可迅速開發(fā)出新產 品,同時也可以擴大生產規(guī)模。為了達到以上目的,還需要制定各項標準,以便于 各部件、單元的匹配。由于利益沖突,近期很難制定出國際或國內這方面的標準, 但可以通過組建一些大企業(yè)逐漸形成。顯然,從電氣產品的標準化、系列化帶來 的好處可以肯定,無論是對生產標準機電一體化單元的企業(yè),還是對生產機電一體 化產品的企業(yè),模塊化將給機電一體化企業(yè)帶來美好的前程。 4.3 網絡化 20 世紀 90 年代,計算機技術等的突出成就是網絡技術。網絡技術的興起和 飛速發(fā)展給科學技術、工業(yè)生產、政治、軍事、教育等日常生活都帶來了巨大 的變革。各種網絡將全球經濟、生產連成一片,企業(yè)間的競爭也將全球化。機電 一體化新產品一旦研制出來,只要其功能獨到、質量可靠,很快就會暢銷全球。由 于網絡的普及,基于網絡的各種遠程控制和監(jiān)視技術方興未艾,而遠程控制的終端 設備本身就是機電一體化產品?，F(xiàn)場總線和局域網技術的應用使家用電器網絡 化已成大勢,利用家庭網絡(home net)將各種家用電器連接成以計算機為中心的 計算機集成家電系統(tǒng)(computer integrated appliance system,cias),能使人們呆在家 里就可分享各種高技術帶來的便利與快樂。因此,機電一體化產品無疑將朝著網 絡化方向發(fā)展。 4.4 微型化 微型化興起于 20 世紀 80 年代末,指的是機電一體化向微型機器和微觀領域 發(fā)展的趨勢。國外稱其為微電子機械系統(tǒng)(mems),泛指幾何尺寸不超過 1cm3 的 機電一體化產品,并向微米、納米級發(fā)展。微機電一體化產品體積小,耗能少,運 動靈活,在生物醫(yī)療、軍事、信息等方面具有無可比擬的優(yōu)勢。微機電一體化發(fā) 吉林大學遠程教育 2011 屆?？飘厴I(yè)設計（論文） 第 8 頁 共 12 頁 展的瓶頸在于微機械技術。微機電一體化產品的加工采用精細加工技術,即超精 密技術,它包括光刻技術和蝕刻技術兩類。 4.5 環(huán)?；?工業(yè)的發(fā)達給人們生活帶來巨大變化。一方面,物質豐富,生活舒適;另一方 面,資源減少,生態(tài)環(huán)境受到嚴重污染。于是,人們呼吁保護環(huán)境資源,回歸自然。 綠色產品概念在這種呼聲下應運而生,綠色化是時代的趨勢。綠色產品在其設計、 制造、使用和銷毀的生命過程中,符合特定的環(huán)境保護和人類健康的要求,對生態(tài) 環(huán)境無害或危害極少,資源利用率極高。設計綠色的機電一體化產品,具有遠大的 發(fā)展前景。機電一體化產品的綠色化主要是指,使用時不污染生態(tài)環(huán)境,報廢后能 回收利用。 4.6 系統(tǒng)化 系統(tǒng)化的表現(xiàn)特征之一就是系統(tǒng)體系結構進一步采用開放式和模式化的總 線結構。系統(tǒng)可以靈活組態(tài),進行任意剪裁和組合,同時尋求實現(xiàn)多子系統(tǒng)協(xié)調控 制和綜合管理。表現(xiàn)之二是通信功能的大大加強。一般除 rs232 外,還有 rs485 等智能化通信接口。未來的機電一體化更加注重產品與人的關系,機電一體化的 人格化有兩層含義:一層是如何賦予機電一體化產品人的智能、情感、人性等等, 顯得越來越重要,特別是對家用機器人,其高層境界就是人機一體化;另一層是模 仿生物機理,研制出各種機電一體化產品。事實上,許多機電一體化產品都是受動 物的啟發(fā)而研制出來的。 4.7 綠色化 科學技術的發(fā)展給人們的生活帶來巨大變化在物質豐富的同時也帶來了資 源的浪費、生態(tài)環(huán)境的惡化等問題。所以，人們呼喚保護環(huán)境、回歸自然、實 現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，綠色產品概念在這種呼聲中應運而生。綠色產品是指低能耗、 低材耗、低污染、舒適、協(xié)調和可再生利用的產品。在設計、制造等方面應符 合環(huán)保和人類健康的要求，使用時不污染生態(tài)環(huán)境，產品可分解和再生利用。 4.8 帶源化 帶源化是指機電一體化產品自身帶有能源如，太陽能電池、燃料電池和大 容量電池。由于在許多場合無法使用電能，因而，對于運動的機電一體化產品， 自帶動力源具有獨特的好處。帶源化是機電一體化產品的發(fā)展方向之一。 4.9 智能化趨勢。 智能化是 21 世紀機電一體化技術發(fā)展的一個重要方向，即，要求機電產 品具有類似人的邏輯思考、判斷推理、自主決策等能力。所謂的“智能化”是對 機器行為的描述，是在控制理論的基礎上，吸收人工智能、運籌學、計算機科 吉林大學遠程教育 2011 屆專科畢業(yè)設計（論文） 第 9 頁 共 12 頁 學、模糊數(shù)學、心理學、生理學和混沌動力學等新思想、新方法，模擬人類智 能，以求得到更高的控制目標。 綜上所述,機電一體化的出現(xiàn)不是孤立的,它是許多科學技術發(fā)展的結晶,是 社會生產力發(fā)展到一定階段的必然要求和產物。當然,與機電一體化相關的技術 還有很多,并且隨著科學技術的發(fā)展,各種技術相互融合的趨勢將越來越明顯,機 電一體化技術的發(fā)展前景也將越來越光明。 吉林大學遠程教育 2011 屆?？飘厴I(yè)設計（論文） 第 10 頁 共 12 頁 參考文獻參考文獻 1李建勇.機電一體化技術m.北京:科學出版社,2004. 2李運華.機電控制m.北京:北京航空航天大學出版社,2003. 3機械設計 （第 7 版）濮良玉等，高等教育出版社 4理論力學 （上下冊）哈工大理力教研室編，高等教育出版社 5控制工程基礎張旺，北京理工大學出版社 吉林大學遠程教育 2011 屆?？飘厴I(yè)設計（論文） 第 11 頁 共 12 頁 致致 謝謝 本論文是在我的指導老師張世玉老師的親切關懷與細心指導下完成的。從 課題的選擇到論文的最終完成，張世玉老師始終都給予了細心的指導和不懈的 支持，并且在耐心指導論文之余，張世玉老師仍不忘拓展我們的文化視野，讓 我們感受到了論文的美妙與樂趣。