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机电一体化的发展和应用论文


机 电 一 体 化 的 发 展 和 应 用

【内容摘要】现代科学技术的发展极大地推动了不同学科的交叉与渗透,引起了 内容摘要】 工程领域的技术改造与革命。在机械工程领域,由于微电子技术和计算机技术的 迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化,使机械工业的技术结构、 产品机构、 功能与构成、 生产方式及管理体系发生了巨大变化,使工业生产由 “机 械电气化

”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。其发展和进步有赖于相关 技术的进步与发展,其主要发展方向有数字化、智能化、模块化、网络化、人性 化、微型化、集成化、带源化和绿色化。 【关键词】机电一体化、历史 、核心技术、应用和发展、对策 关键词】

机电一体化的历史

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 息变换技术以及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。在知识大爆炸的今天, 科学技术日新月异,新材料、新设备、新工艺和新技术不断涌现,极大的推动了 机械工业领域的发展和革命。由于微电子技术和计算机技术的飞速发展,以及其 向机械工业领域的不断、渗透,机电一体化技术应运而生。

机电一体化”这个词是日本安川电机公司在上世纪 60 年代末作商业注册时最 先创用的。当时及 70 年代,人们一直把机电一体化看作是机械与电子的结合。 国内早期将“机电一体化技术”与“机械电子学”并用, 近年来“机电一体化”更流行使 用。 80 年代,信息技术崭露头角。微处理机的性能提高,为更高级的机电一体 化产品所采用,典型的机电一体化产品如数控机床、工业机器人和汽车的电子控 制系统等。微机作为关键技术引入了飞行器系统后,使机械—电子系统在高度控

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制、排气控制、振动控制和保险气袋等方面获得广泛应用。 信息技术驱使机械系统在不同程度上利用数据库, 连洗衣机和其他消费品也 用上了数据库驱动系统。这样,对机电一体化的系统设计方法的探索、成型和系 统集成以及并行工程设计和控制的实施日显重要。此外,光学也进入了机电一体 化,产生了“光机电一体化”的新领域。 进入 90 年代,通信技术进入了机电一体化,机器可像机器人系统那样遥控 和虚拟现实多媒体等技术紧密联系的计算机控制的网络化机电一体化日益普及。 有些机电一体化机械可两用,有的在性能上更是多用途的,尤其是微传感器和执 行器技术的发展, 和半导体技术以光刻为基础的方法以及和传统机电一体化微型 化方法的结合,开创了以精密工程和系统集成为特点的机电一体化新分支“微机 电一体化”。虽然微加工方法尚未成熟,但将逐渐成为集成控制系统的一个组成 部分。之后,机电一体化随着自动化技术的发展而日益发展,稳步进入了 21 世 纪。 机电一体化的核心技术 虽然可以把机电一体化技术作为一个独立的学科, 但它涉及和包含了其他多 门学科。可以说,机电一体化技术的发展是建立在其他学科发展的基础之上的, 是其他相关技术的融合和最优化。 下面介绍与机电一体化技术密切相关的几项核 心技术。 (1)机械技术 机械技术是机电一体化技术的基础。机械技术在不断发展更新的同时,也要 与计算机技术和电子技术相适应和组合,从而最大限度发挥机械技术的优点,实 现结构上、材料上、性能上的最优化,满足减小重量、缩小体积、提高精度、提 高刚度及改善性能等要求。 机电一体化技术的应用机电一体化技术之所以能够得 到这么迅猛的发展,很大程度上是由于它有着广阔的应用空间。从数控机床,到 计算机集成制造系统, 再到交流传动技术, 机电一体化都发挥着至关重要的作用。 (2)数控机床 作为机电一体化技术应用的一个重要方面, 数控机床及相应的数控技术已经 取得了令人瞩目的成绩。经过40 多年的蓬勃发展,数控机床和相应的数控技术

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在结构、功能、操作和控制精度上都有迅速提高。目前的数控机床采用多CPU多 主总线的体系结构,功能更强大,结构更加紧凑。而且现在的数控机床设计更加 开放,更加智能化,能最大限度地满足用户的需求,提高用户的使用效益。并且 现在的数控系统能够实现动态仿真、在线诊断、模糊控制等功能,极大地丰富了 数控系统的功能,同时也极大提高了系统的控制能力。此外,多过程、多通道控 制以及网络功能等, 使数控机床能够满足人们日益提高的对复杂系统和曲面的加 工要求。 (3)柔性制造系统( FMS) 柔性制造系统是计算机化的制造系统,主要由计算机、数控机床、机器人料 盘、 自动搬运小车和自动化仓库等组成。 FMS 的最大优点就是可以按照生产要求, 随机、 实时、 按规定数量生产其能力范围内的任何工件, 因此特别适用于多品种、 中小批量、设计更改频繁的离散零件的批量生产。

机电一体化的发展 机电一体化的发展 机电一体化是机械、 微电子、 控制、 计算机、 信息处理等多学科的交叉融合, 其发展和进步有赖于相关技术的进步与发展, 其主要发展方向有数字化、 智能化、 模块化、网络化、人性化、微型化、集成化、带源化和绿色化. (1)数字化 微控制器及其发展奠定了机电产品数字化的基础, 如不断发展的数控机床和 机器人;而计算机网络的迅速崛起,为数字化设计与制造铺平了道路,数字化要 求机电一体化产品的软件具有高可靠性、易操作性、可维护性、自诊断能力以及 友好人机界面。数字化的实现将便于远程操作、诊断和修复。 (2)智能化 要求机电产品有类似人的逻辑思考、判断推理、自主决策等能力。例如在 CNC数控机床上增加人机对话功能,设置智能I/O接口和智能工艺数据库,会给 使用、操作和维护带来极大的方便。随着模糊控制、神经网络、灰色理论、小波 理论、混沌与分岔等人工智能技术的进步与发展,为机电一体化技术发展开辟了 广阔天地。智能控制是现代机电一体化系统中运用最多的控制方式,其凭借“高 性能、高效率、高水平”的控制优势正在逐渐取代传统的控制方法。

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(3) 模块化 由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多,研制和开发具有标准机械接口、 动力接口、环境接口的机电一体化产品单元模块是一项复杂而有前途的工作。如 研制具有集减速、变频调速电机一体的动力驱动单元;具有视觉、图像处理、识 别和测距等功能的电机一体控制单元等。这样,在产品开发设计时,可以利用这 些标准模块化单元迅速开发出新的产品。 (4) 网络化 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 用电器网络化成为可能, 利用家庭网络把各种家用电器连接成以计算机为中心的 计算机集成家用电器系统,使人们在家里可充分享受各种高技术带来的好处,因 此,机电一体化产品无疑应朝网络化方向发展。 (5) 人性化 机电一体化产品的最终使用对象是人,如何给机电一体化产品赋予人的智 能、情感和人性显得愈来愈重要,机电一体化产品除了完善的性能外,还要求在 色彩、造型等方面与环境相协调,使用这些产品,对人来说还是一种艺术享受, 如家用机器人的最高境界就是人机一体化。 (6) 微型化 微型化是精细加工技术发展的必然,也是提高效率的需要。微机电系统 (Micro Electronic Mechanical Systems,简称 MEMS)是指可批量制作的,集微型 机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路,直至接口、通信和电 源等于一体的微型器件或系统。 (7) 集成化 集成化既包含各种技术的相互渗透、相互融合和各种产品不同结构的优化 与复合,又包含在生产过程中同时处理加工、装配、检测、管理等多种工序。首 先可将系统分解为若干层次, 使系统功能分散, 并使各部分协调而又安全地运转, 然后再通过软、硬件将各个层次有机地联系起来,使其性能最优、功能最强。 (8) 带源化 是指机电一体化产品自身带有能源,如太阳能电池、燃料电池和大容量电 池。由于在许多场合无法使用电能,因而对于运动的机电一体化产品,自带动力

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源具有独特的好处。带源化是机电一体化产品的发展方向之一。

(9) 绿色化 绿色产品是指低能耗、低材耗、低污染、舒适、协调而可再生利用的产品。 在其设计、制造、使用和销毁时应符合环保和人类健康的要求,机电一体化产品 的绿色化主要是指在其使用时不污染生态环境,产品寿命结束时,产品可分解和 再生利用。 由于机电一体化技术的巨大优点, 如今世界各国都在大力推广这一技术在生 产生活中的应用。它不仅影响着全球各国的科技、经济、社会和军事的发展,而 且也逐渐成为一个国家综合国力的体现和象征。从20 世纪90 年代以后,各主要 发达国家已经将其推向了智能化方向发展的新阶段。 我国机电一体化技术起步较 晚,相关人才短缺,传统工业系统落后,所以我国机电一体化技术现状和国外发 达国家相比还有一定差距。主要体现在以下几个方面: ( 1) 起步较晚,发展时间较短,所以技术本身还不够成熟。 ( 2) 传统工业系统庞大,改造任务量大,由于经济、技术等条件的限制大 部分企业和单位的机电一体化改造任务无法完成, 已经完成的改造任务量还未到 需要量的一半。 ( 3) 传统设备多,普通机床、工业炉窑、风机电泵等利用电子信息技术进 行改造的任务繁重。 ( 4) 工业系统CAD 应用。目前,美、日等国的工业设计CAD 应用率已超过 85%,我国工业系统CAD 应用率和世界发达国家相比差距较大,CAD 应用的覆盖 率也不及发达国家。

我国发展“机电一体化” 我国发展“机电一体化”的对策

(1)加强统筹安排,协调发展计划

目前,我国从事“机电一体化”研究开发及生产的单位很多。各自都有一套 自己的发展策略。各单位的计划由于受各自立足点、着眼点的限制,难免只考虑 局部利益,各主管部门的有关计划和规划,也有统一考虑不足,统筹安排不够的 问题,同时缺少综观全局的有权威性的发展计划和战略规划。因此,建议各主管
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部门责成有关单位在进行深入调查研究、科学分析的基础上,制定出统管全局的 “机电一体化”研究、开发、生产计划和规划,避免开发上重复,生产上撞车。

(2)强化行业管理,发挥“协会”作用

目前, 我国“机电一体化”较热, 而按目前的行业划分方法和管理体制, “政 出多门”是难哆的。 因此, 我国有必要明确一个“机电一体化”行业的统管机构, 根据目前国家政治体制改革和经济体制改革的精神,以及机电一体化行业特点, 我们建议, 尽快加强北京机电一体化协会的建设, 赋予其行业管理职能。 “协会” 要进一步扩大领导机构——理事会的代表层面和复盖面,要加强办公室、秘书处 的建设;要通过其精明干练的办事机构、经济实体,组织“行业”发展计划、战 略规划的拟制;指导行业布点布局的调整,进行发展突破口的选择,抓好重点工 程的试点和有关项目的发标、招标工作。

(3)优化发展环境、增大支持力度

优化发展环境指通过宣传群众,造成一种社会上下、企业内外都重视、支持 “机电一体化”发展的氛围, 如尽快为外商到我国投资发展“机电一体化”产业 提供方便;尽可能为兴办开发、生产机电一体化产品的高新技术企业开绿灯;尽 力为开发、生产机电一体化产品调配好资源要素等。

增大支持力度,在技术政策上,要严格限制耗电、耗水、耗材高的传统产品 的发展,对未采用机电一体化技术落后产品限制强制淘汰;大力提倡用机电一体 化技术对传统产业进行改造,对有关机电一体化技术对传统产业乾地改造,对有 关技术开发、应用项目优先立项、优先支持,对在技术开发、应用中做出贡献的 单位领导、科技人员进行表彰奖励等。

(4)突出发展重点,兼顾“两个层次”

机电一体化产业复盖面非常广,而我们的财力、人力和物力是有限的,因此 我们在抓机电一体化产业发展时不能面面俱到、平铺直叙,而应分清主次,大胆 取舍,有所为,有所不为。要注意抓两个层次上的工作。第一个层次是“面上”

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的工作,即用电子信息技术对传统产业进行改造,在传统的机电设备上植入或嫁 接上微电子(计算机)装置,使“机械”和“电子”技术在浅层次上结合。第二个 层次是“提高”工作,即在新产品设计之初,就把“机械”与“电子”统一起来 进行考虑,使“机械”与“电子”密不可分,深度结合,生产出来的新产品起码 正做到机电一体化。

基于机电一体化的出现不是孤立的,它是许多科学技术发展的结晶,是社会 生产力发展到一定阶段的必然要求。当然,与机电一体化相关的技术还有很多并 且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 术的广阔发展前景也将越来越光明。

参考文献: 参考文献:
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