機電一體化技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用

1、新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計（論文）題目機電一體化技術(shù)的應(yīng)用及其發(fā)展教學系學生姓名 學 號*專業(yè)名稱 指導教師機電一體化技術(shù)*年* 月 * 日機電一體化技術(shù)的應(yīng)用及其發(fā)展摘要：機電一體化是一種復合技術(shù)，是機械技術(shù)與微電子技術(shù)、信息技術(shù)互相滲透的產(chǎn)物， 是機電工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。本文簡述了機電一體化技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)組成和主要應(yīng)用領(lǐng)域，并指 出其發(fā)展趨勢?，F(xiàn)代科學技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動了不同學科的交叉與滲透，導致了工程領(lǐng)域的技術(shù)革 命與改造。在機械工程領(lǐng)域，由于微電子技術(shù)和計算機技術(shù)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(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生

2、 了巨大變化，使工業(yè)生產(chǎn)由“機械電氣化”邁入了“機電一體化”為特征的發(fā)展階段關(guān)鍵詞：機械工業(yè)、機電一體化、數(shù)控、模塊化一、機電一體化概要機電一體化是指在機構(gòu)得主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進電 子技術(shù)，將機械裝置與電子化設(shè)計及軟件結(jié)合起來所構(gòu)成的系統(tǒng)的總稱。機電一體化發(fā)展至今也已成為一門有著自身體系的新型學科，隨著科學技術(shù)的不但發(fā)展，還將被賦予新的內(nèi)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(shù)、微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)、傳 感測控技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)、信息變換技術(shù)以及軟件編程技術(shù)等群體技術(shù)， 根據(jù)系統(tǒng)功能目標和優(yōu)化組織目

3、標，合理配置與布局各功能單元，在多功能、高質(zhì)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(shù)。 由此而產(chǎn)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(chǎn)品。因此，“機電一體化”涵蓋“技術(shù)”和“產(chǎn)品”兩個方面。只是，機電一體化技 術(shù)是基于上述群體技術(shù)有機融合的一種綜合技術(shù)，而不是機械技術(shù)、微電子技術(shù)以及 其它新技術(shù)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(shù)有純技術(shù)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力。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

4、能賦予許多新的功能，如自動檢測、自動處理信 息、自動顯示記錄、自動調(diào)節(jié)與控制自動診斷與保護等。即機電一體化產(chǎn)品不僅是人 的手與肢體的延伸，還是人的感官與頭腦的眼神，具有智能化的特征是機電一體化與 機械電氣化在功能上的本質(zhì)區(qū)別。二、機電一體化技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域（一）數(shù)控機床數(shù)控機床及相應(yīng)的數(shù)控技術(shù)經(jīng)過 40年的發(fā)展，在結(jié)構(gòu)、功能、操作和控制精度 上都有迅速提高，具體表現(xiàn)在：1、總線式、模塊化、緊湊型的結(jié)構(gòu)，即采用多 CPU多主總線的體系結(jié)構(gòu)。2、開放性設(shè)計，即硬件體系結(jié)構(gòu)和功能模塊具有層次性、兼容性、符合接口標 準，能最大限度地提高用戶的使用效益。3、WO技術(shù)和智能化。系統(tǒng)能提供面向車間的編程技

5、術(shù)和實現(xiàn)二、 三維加工過程 的動態(tài)仿真，并引入在線診斷、模糊控制等智能機制。4、大容量存儲器的應(yīng)用和軟件的模塊化設(shè)計，不僅豐富了數(shù)控功能，同時也加 強了 CNC系統(tǒng)的控制功能。5、能實現(xiàn)多過程、多通道控制，即具有一臺機床同時完成多個獨立加工任務(wù)或 控制多臺和多種機床的能力，并將刀具破損檢測、物料搬運、機械手等控制都集成到 系統(tǒng)中去。6、系統(tǒng)的多級網(wǎng)絡(luò)功能，加強了系統(tǒng)組合及構(gòu)成復雜加工系統(tǒng)的能力。7、以單板、單片機作為控制機，加上專用芯片及模板組成結(jié)構(gòu)緊湊的數(shù)控裝置。（二）計算機集成制造系統(tǒng)（CIMSCIMS的實現(xiàn)不是現(xiàn)有各分散系統(tǒng)的簡單組合， 而是全局動態(tài)最優(yōu)綜合。它打破 原有部門之間的界線，

6、以制造為基干來控制“物流”和“信息流”，實現(xiàn)從經(jīng)營決策、產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)準備、生產(chǎn)實驗到生產(chǎn)經(jīng)營管理的有機結(jié)合。企業(yè)集成度的提高可以 使各種生產(chǎn)要素之間的配置得到更好的優(yōu)化，各種生產(chǎn)要素的潛力可以得到更大的發(fā) 揮。（三）柔性制造系統(tǒng)（FMS柔性制造系統(tǒng)是計算機化的制造系統(tǒng)，主要由計算機、數(shù)控機床、機器人、料 盤、自動搬運小車和自動化倉庫等組成。它可以隨機地、實時地、按量地按照裝配部門的要求，生產(chǎn)其能力范圍內(nèi)的任何工件，特別適于多品種、中小批量、設(shè)計更改頻 繁的離散零件的批量生產(chǎn)。（四）工業(yè)機器人第1代機器人亦稱示教再現(xiàn)機器人，它們只能根據(jù)示教進行重復運動，對工作環(huán)境和作業(yè)對象的變化缺乏適應(yīng)性和靈

7、活性； 第2代機器人帶有各種先進的傳感元件， 能獲取作業(yè)環(huán)境和操作對象的簡單信息，通過計算機處理、分析，做出一定的判斷， 對動作進行反饋控制，表現(xiàn)出低級智能，已開始走向?qū)嵱没?；?代機器人即智能機器人，具有多種感知功能，可進行復雜的邏輯思維、判斷和決策，在作業(yè)環(huán)境中獨立 行動，與第5代計算機關(guān)系密切。三、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 3個階段。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(shù)的初步成果來完 善機械產(chǎn)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(chǎn)品與電子技術(shù) 的結(jié)合，這些機電結(jié)合的軍用技術(shù)，戰(zhàn)后轉(zhuǎn)為民用，

8、對戰(zhàn)后經(jīng)濟的恢復起了積極的作 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(shù)的發(fā)展尚未達到 一定水平，機械技術(shù)與電子技術(shù)的結(jié)合還不可能廣泛和深入發(fā)展，已經(jīng)開發(fā)的產(chǎn)品也 無法大量推廣。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(shù)、 控制技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，為機電一體化的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。大規(guī)模、超大規(guī) 模集成電路和微型計算機的迅猛發(fā)展，為機電一體化的發(fā)展提供了充分的物質(zhì)基礎(chǔ)。 這個時期的特點是：mechatronics 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(nèi)得到比較廣泛的承認；機電一體化技術(shù)和產(chǎn)品得到了極大發(fā) 展；各國均開

9、始對機電一體化技術(shù)和產(chǎn)品給以很大的關(guān)注和支持。20世紀90年代后期，開始了機電一體化技術(shù)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(shù)等進入了機電一體化，微細加工 技術(shù)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(shè)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，由于人工智能技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及光纖技術(shù)等領(lǐng)域取得的巨大進步，為機電一體化技術(shù)開辟了發(fā)展的廣闊天地。這些研究，將促使機 電一體化進一步建立完整的基礎(chǔ)和逐漸形成完整的科學體系。我國是從20世紀80年代初才開始在這方面研究和應(yīng)

10、用。 國務(wù)院成立了機電一體 化領(lǐng)導小組并將該技術(shù)列為“ 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(guān)于機電一體化技術(shù)的發(fā)展動向 四、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(guān)技術(shù)的發(fā)展和進步。因此，機電一體化的主要發(fā)展方 向如下：（一）智能化智能化是21世紀機電一體化技術(shù)發(fā)展的一個重要發(fā)展方向。人工智能在機電一 體化建設(shè)者的研究日益得到重視，機器人與數(shù)控機床的智能化就是重要應(yīng)用。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(chǔ)上，吸收人工智能、運籌 學、計算機科學、模糊數(shù)學

11、、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，使它具有判斷推理、邏輯思維、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(chǎn)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、高速的微處理器使機電一體化產(chǎn)品賦有低級智能或人的部分智能，則 是完全可能而又必要的。（二）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(chǎn)品種類和生產(chǎn)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、環(huán)境接口的機電一體化產(chǎn)品單元 是一項十分復雜但又是非常重要的事。如研制集減速、智能調(diào)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

12、種能完成典型操 作的機械裝置。這樣，可利用標準單元迅速開發(fā)出新產(chǎn)品，同時也可以擴大生產(chǎn)規(guī)模。 這需要制定各項標準，以便各部件、單元的匹配和接口。由于利益沖突，近期很難制 定國際或國內(nèi)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(chǎn)品的標準化、系列化帶來的好處可以肯定，無論是對生產(chǎn)標準機電一體化單元的企業(yè) 還是對生產(chǎn)機電一體化產(chǎn)品的企業(yè)，規(guī)?；瘜⒔o機電一體化企業(yè)帶來美好的前程。（三）網(wǎng)絡(luò)化20世紀90年代，計算機技術(shù)等的突出成就是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的興起和飛速發(fā)展給科學技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)、政治、軍事、教育義舉人么日常生活都帶來了巨大的變 革。各種網(wǎng)絡(luò)將全球經(jīng)濟、生產(chǎn)連成一片，企業(yè)間的競

13、爭也將全球化。機電一體化新 產(chǎn)品一旦研制出來，只要其功能獨到，質(zhì)量可靠，很快就會暢銷全球。由于網(wǎng)絡(luò)的普 及，基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠程控制和監(jiān)視技術(shù)方興未艾，而遠程控制的終端設(shè)備本身就是 機電一體化產(chǎn)品?，F(xiàn)場總線和局域網(wǎng)技術(shù)是家用電器網(wǎng)絡(luò)化已成大勢，禾U用家庭網(wǎng)絡(luò) （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)（computerin tegrated applia nee system, CIAS），使人們在家里分享各種高技術(shù)帶來的便利與快樂。因此，機電一體化產(chǎn)品無疑朝著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。（四）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(lǐng)域發(fā)展 的

14、趨勢。國外稱其為微電子機械系統(tǒng)（MEME，泛指幾何尺寸不超過1cm3的機電一 體化產(chǎn)品，并向微米、納米級發(fā)展。微機電一體化產(chǎn)品體積小、耗能少、運動靈活， 在生物醫(yī)療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優(yōu)勢。微機電一體化發(fā)展的瓶頸在于 微機械技術(shù)，微機電一體化產(chǎn)品的加工采用精細加工技術(shù)，即超精密技術(shù)，它包括光 刻技術(shù)和蝕刻技術(shù)兩類。（五）綠色化工業(yè)的發(fā)達給人們生活帶來了巨大變化。一方面，物質(zhì)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(chǎn)品概念在這種呼聲下應(yīng)運而生，綠色化是時代的趨勢。綠色產(chǎn)品在其設(shè)計、制 造、使用和銷毀的生命過程中，符合特定

15、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(shè)計綠色的機電一體化產(chǎn)品，具有遠大的發(fā)展前 途。機電一體化產(chǎn)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。（六）系統(tǒng)化系統(tǒng)化的表現(xiàn)特征之一就是系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進一步采用開放式和模式化的總線結(jié) 構(gòu)。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(diào)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 DC從格 化。未來的機電一體化更加注重產(chǎn)品與人的關(guān)系，機電一體化的人格化有兩層含義。 一層是，機電一體化產(chǎn)品的最終使用對象是人，如何賦予機電一體化產(chǎn)品人的智能、 情感、人性顯

16、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，研制各種機電一體花產(chǎn)品。事實上，許多機電一體化產(chǎn)品都是 受動物的啟發(fā)研制出來的。五、典型的機電一體化產(chǎn)品機電一體化產(chǎn)品分系統(tǒng)（整機）和基礎(chǔ)元、部件兩大類。典型的機電一體化系統(tǒng)有：數(shù)控機床、機器人、汽車電子化產(chǎn)品、智能化儀器儀表、電子排版印刷系統(tǒng)、CADKCAM系統(tǒng)等。典型的機電一體化元、部件有：電力電子器件及裝置、可編程序控制器、模糊控制器、微型電機、傳感器、專用集成電路、伺服機構(gòu)等。這些典型的機電一體化產(chǎn)品的技術(shù)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢、市場前景分析從略。六、我國發(fā)展“機電一體化”的對策（一）加強統(tǒng)籌安排，協(xié)調(diào)發(fā)展計劃

17、目前，我國從事“機電一體化”研究開發(fā)及生產(chǎn)的單位很多。各自都有一套自己 的發(fā)展策略。各單位的計劃由于受各自立足點、 著眼點的限制，難免只考慮局部利益， 各主管部門的有關(guān)計劃和規(guī)劃，也有統(tǒng)一考慮不足，統(tǒng)籌安排不夠的問題，同時缺少 綜觀全局的有權(quán)威性的發(fā)展計劃和戰(zhàn)略規(guī)劃。因此，建議各主管部門責成有關(guān)單位在 進行深入調(diào)查研究、科學分析的基礎(chǔ)上，制定出統(tǒng)管全局的“機電一體化”研究、開 發(fā)、生產(chǎn)計劃和規(guī)劃，避免開發(fā)上重復，生產(chǎn)上撞車 ?。ǘ娀袠I(yè)管理，發(fā)揮“協(xié)會”作用目前，我國“機電一體化”較熱，而按目前的行業(yè)劃分方法和管理體制，“政出 多門”是難哆的。因此，我國有必要明確一個“機電一體化”行業(yè)的統(tǒng)

18、管機構(gòu)，根據(jù) 目前國家政治體制改革和經(jīng)濟體制改革的精神， 以及機電一體化行業(yè)特點，我們建議, 盡快加強北京機電一體化協(xié)會的建設(shè)，賦予其行業(yè)管理職能?！皡f(xié)會”要進一步擴大 領(lǐng)導機構(gòu)一一理事會的代表層面和復蓋面，要加強辦公室、秘書處的建設(shè)；要通過其 精明干練的辦事機構(gòu)、經(jīng)濟實體，組織“行業(yè)”發(fā)展計劃、戰(zhàn)略規(guī)劃的擬制；指導行 業(yè)布點布局的調(diào)整，進行發(fā)展突破口的選擇，抓好重點工程的試點和有關(guān)項目的發(fā)標、 招標工作（三）優(yōu)化發(fā)展環(huán)境、增大支持力度優(yōu)化發(fā)展環(huán)境指通過宣傳群眾，造成一種社會上下、企業(yè)內(nèi)外都重視、支持“機 電一體化”發(fā)展的氛圍，如盡快為外商到我國投資發(fā)展“機電一體化”產(chǎn)業(yè)提供方 便；盡可能為興辦開發(fā)、生產(chǎn)機電一體化產(chǎn)品的高新技術(shù)企業(yè)開綠燈；盡力為開發(fā)、 生產(chǎn)機電一體化產(chǎn)品調(diào)配好資源要素等。增大支持力度，在技術(shù)政策上，要嚴格限制耗電、耗水、耗材高的傳統(tǒng)產(chǎn)品的發(fā) 展，對未采用機電一體化技術(shù)落后產(chǎn)品限制強制淘汰；大力提倡用機電一體化技術(shù)對 傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)進行改造，對有關(guān)機電一體化技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)乾地改造，對