略论机电一体化技术及其发展

本科毕业论文(设计)材料册姓名:黄凯彬学号:017609110557年级:2008级所在系名称:继续教育学院专业名称:机电一体化指导教师姓名:魏跃庆指导教师职称:副教授略论机电一体化技术及其发展【摘要】机电一体化是多学科的交叉综合，是机械技术与微电子技术、信息技术等互相渗透的产物，是机电工业发展的必然趋势。文章简述了机电一体化技术的概念、基本结构组成、目前发展状况,并对发展趋势进行了分析。【关键词】机电一体化；核心技术；发展状况引言机电一体化是现代科学技术发展的必然结果，既是振兴传统机电工业的新鲜血液和源动力，又是开启机电行业产品结构、产业结构调整的大门钥匙。机电一体化技术机电一体化的概要机电一体化是指在机构的主体功能、动力功能、信息处理功能、控制功能上引进电子技术，将机械装置与电子化设计及软件结合起来构成系统的总称。机电一体化发展至今已成为一门有着自身体系的新型学科，并将随着科学技术的发展，被赋予新的内容；但其基本特征可概括为：机电一体化是从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术、软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标和优化组织目标，合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值，并使整个系统最优化的系统工程技术。由此而产生的功能系统，则成为一个机电一体化系统或机电一体化产品。因此，机电一体化涵盖技术和产品两个方面。只是，机电一体化技术是基于上述群体技术有机融合的综合技术，而不是机械技术、微电子技术、其它新技术的简单组合拼凑。这是机电一体化与机械加电气的机械电气化在概念上的根本区别。机械工程技术由纯技术发展到机械电气化，仍属传统机械，其主要功能依然是代替和放大的体现。但是发展到机电一体化后，其中的微电子装置除可取代某些机械部件的原有功能外，还能赋予许多新的功能，例如自动检测、自动处理信息、自动显示记录、自动调节与控制、自动诊断与保护等。机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸，还是人的感官与头脑的延伸，具有智能化的特征，这是机电一体化与机械电气化在功能上的本质区别。机电一体化的核心技术机电一体化包括软件和硬件两方面技术。其中硬件是由机械本体、传感器、信息处理单元、驱动单元等组成［1］。为加速推进机电一体化的发展，须从以下方面着手。1）机械本体技术：机械本体必须从改善性能、减轻重量、提高精度等方面考虑。现代机械产品多以钢铁材料为主，为了减轻重量除在结构上加以改进，还应考虑利用非金属复合材料。只有机械本体减轻了重量，才有可能实现驱动系统的小型化，进而在控制方面改善快速响应特性，减少能量消耗，提高效率。2）传感技术：传感器的问题集中在提高可靠性、灵敏度、精确度方面，提高可靠性与防干扰有着直接的关系。为避免电干扰，目前有用光纤电缆传感器的趋势。对外部信息传感器来说，目前主要发展非接触型检测技术。3）信息处理技术：机电一体化与微电子学的显著进步和信息处理设备的普及应用紧密相连。为进一步发展机电一体化，必须提高信息处理设备的可靠性，包括模/数转换设备的可靠性和分时处理的输入输出的可靠性，进而提高处理速度，并解决抗干扰及标准化问题。4）驱动技术：电机作为驱动机构已被广泛采用，但在快速响应和效率等方面还存在一些问题。目前，正在积极发展内部装有编码器的电机及控制专用组件-传感器-电机三位一体的伺服驱动单元［2］。5）接口技术：为与计算机通信，须使数据传递的格式标准化、规格化。接口采用同一标准规格不仅有利于信息传递和维修，而且可以简化设计。目前，技术人员正致力于开发低成本、高速串行的接口，来解决信号电缆非接触化、光导纤维、光藕器的大容量化、小型化、标准化等问题。6）软件技术：软件与硬件必须协调一致地发展。为了减少软件的研制成本、提高生产维修的效率，需要逐步推行软件标准化，包括程序标准化、程序模块化、软件程序的固化、推行软件工程等。机电一体化的发展机电一体化的发展状况机电一体化的发展，大体分为3个阶段。世纪60年代以前为第一阶段，称为初级阶段。这一时期，人们自觉不自觉地利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。第二次世界大战期间，战争刺激了机械产品与电子技术的结合，这些机电结合的军用技术，战后转为民用，对战后经济的恢复起了积极的作用。那时的研制和开发，从总体上看还处于自发状态。由于当时电子技术的发展尚未达到一定水平，机械技术与电子技术的结合还不可能广泛和深入发展，已经开发的产品也无法大量推广。世纪70~80年代为第二阶段，称为蓬勃发展阶段。这一时期，计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展奠定了技术基础。大规模、超大规模集成电路和微型计算机的迅猛发展，为机电一体化的发展提供了充分的物质基础。20世纪90年代后期，开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段，机电一体化进入深入发展时期。一方面，光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支；另一方面，对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋势都有了深入研究。同时，由于人工智能技术、神经网络技术、光纤技术等取得巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。这些研究，将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。我国是从20世纪80年代初，才开始这方面的研究和应用。国务院成立了机电一体化领导小组，并将该技术列入863计划中。在制定九五规划和2010年发展纲要时，充分考虑了国际上关于机电一体化技术的发展动向和由此可能带来的影响。许多大专院校、研究机构、一些大中型企业，对这一技术的发展及应用做了大量的工作，取得了一定的成果，但与日本等先进国家相比，仍有相当差距。机电一体化的发展趋势机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合，它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。因此，机电一体化的主要发展方向如下。7）智能化：智能化是21世纪机电一体化技术的一个重要发展方向。人工智能在机电一体化建设研究中得到日益重视，机器人与数控机床的智能化就是重要应用。这里所说的智能化是对机器行为的描述，是在控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学等新思想新方法，模拟人类智能，使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力，以求达到更高的控制目标。诚然，要使机电一体化产品具有与人完全相同的智能，是不可能的，也是不必要的。但是，高性能、高速的微处理器使机电一体化产品赋有低级智能或人的部分智能，则是完全可能的和必要的。8）模块化：模块化是一项重要而艰巨的工程。由于机电一体化产品的种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元是一项十分复杂和非常重要的事。例如研制集减速、智能调速、电机于一体的动力单元，具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的控制单元，以及各种能完成典型操作的机械装置。若能利用标准单元迅速开发出新产品，也可扩大生产规模。但这需要制定各项标准，以便各部件、单元的匹配和接口。由于利益冲突，近期很难制定国际或国内的标准，但可通过组建一些大企业逐渐形成。显然，从电气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定，无论是对生产标准机电一体化单元的企业还是对生产机电一体化产品的企业，规模化将给机电一体化企业带来美好的前程。9）网络化：20世纪90年代，计算机技术等的突出成就是网络技术。网络技术的兴起和发展给科学技术、工业生产、政治、军事、教育、人们日常生活，都带来了巨大变革。各种网络将全球经济和生产连成一片，企业间的竞争也将全球化。机电一体化新产品一旦研制出来，只要其功能独到，质量可靠，很快就会畅销全球。由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾，而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。现场总线和局域网技术使家用电器网络化已成大势，利用家庭网络，将各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电系统，使人们在家里分享各种高技术带来的便利和快乐。因此，机电一体化产品无疑应朝着网络化方向发展。10）微型化：微型化兴起于20世纪80年代末，机电一体化有向微型机器和微观领域发展的趋势。国外称其为微电子机械系统，泛指几何尺寸不超过的机电一体化产品，并向微米、纳米级发展。微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活，在生物医疗、军事、信息等方面具有显著优势。微机电一体化发展的瓶颈在于微机械技术，微机电一体化产品的加工采用精细加工技术（即超精密技术），它包括光刻技术和蚀刻技术两类。11）绿色化：工业的发达给人们生活带来巨大变化。一方面，物质丰富，生活舒适；另一方面，资源减少，生态环境受到严重污染。于是，人们呼吁保护环境资源，回归自然；绿色产品概念在这种呼声下应运而生，绿色化是时代的趋势。绿色产品在其设计、制造、使用、销毁的生命过程中，符合特定的环境保护和人类健康的要求，对生态环境无害或危害极少，资源利用率极高。设计绿色的机电一体化产品，具有远大的发展前途。机电一体化产品的绿色化，主要是指使用时不污染生态环境，报废后能回收利用。12）系统化：系统化的表现特征之一就是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构。系统可以灵活组态，进行任意剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。表现特征之二是通信功能的大大加强，一般除RS232外，还有RS485、DCS人格化。未来的机电一体化更加注重产品与人的关系，机电一体化的人格化有两层含义：(1)机电一体化产品的最终使用对象是人，如何赋予机电一体化产品人的智能、情感、人性显得越来越重要，特别是对家用机器人，其高层境界就是人机一体化。(2)模仿生物机理，研制各种机电一体化产品。事实上，许多机电一体化产品都是受动物的启发研制出来的。综上所述，机电一体化技术是众多科学技术发展的结晶，随着科学技术的发展，各种技术相互融合的趋势将越来越明显，机电一体化技术的发展前景也将越来越广阔。