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机电一体化技术的应用及其发展趋势


机电一体化技术的应用及其发展趋势

摘要:机电一体化是一种复合技术,是机械技术与微电子技术、信息技术互相
渗透的产物,是机电工业发展的必然趋势。本文简述了机电一体化技术的基本结 构组成和主要应用领域,并指出其发展趋势。

关键词:机电一体化 技术 应用 发展趋势
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。

一、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。硬件是由机械本体、传感器、信息 处理单元和驱动单元等部分组成。因此,为加速推进机电一体化的发展,必须从 以下几方面着手:

(一)

机械本体技术

机械本体必须从改善性能、减轻质量和提高精度等几方面考虑。现代机械产 品一般都是以钢铁材料为主,为了减轻质量除了在结构上加以改进,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。

(二)

传感技术

传感器的问题集中在提高可靠性、灵敏度和精确度方面,提高可靠性与防干 扰有着直接的关系。为了避免电干扰,目前有采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。

(三)

信息处理技术

机电一体化与微电子学的显著进步、信息处理设备(特别是微型计算机)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。

(四)

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以及控制专用组件-传感器-电机 三位一体的伺服驱动单元。

(五)

接口技术

为了与计算机进行通信,必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、光导纤维以 及光藕器的大容量化、小型化、标准化等问题。

(六)

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,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。

二、机电一体化技术的主要应用领域
(一) 数控机床

数控机床及相应的数控技术经过 40 年的发展,在结构、功能、操作和控制 精度上都有迅速提高,具体表现在: 1、 构。 2、 开放性设计,即硬件体系结构和功能模块具有层次性、兼容性、符合 接口标准,能最大限度地提高用户的使用效益。 总线式、模块化、紧凑型的结构,即采用多 CPU、多主总线的体系结

3、 WOP 技术和智能化。系统能提供面向车间的编程技术和实现二、三维 加工过程的动态仿真,并引入在线诊断、模糊控制等智能机制。 4、 大容量存储器的应用和软件的模块化设计,不仅丰富了数控功能,同时也 加强了 CNC 系统的控制功能。 5、 能实现多过程、多通道控制,即具有一台机床同时完成多个独立加工 任务或控制多台和多种机床的能力,并将刀具破损检测、物料搬运、机械手等控 制都集成到系统中去。 6、 系统的多级网络功能,加强了系统组合及构成复杂加工系统的能力。

7、 以单板、单片机作为控制机,加上专用芯片及模板组成结构紧凑的数 控装置。

(二)

计算机集成制造系统(CIMS)

计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System 简称 CIMS)是随着计算机辅助设计与制造的发展而产生的。它是在信息技术自动化技 术与制造的基础上, 通过计算机技术把分散在产品设计制造过程中各种孤立的自 动化子系统有机地集成起来,形成适用于多品种、小批量生产,实现整体效益的 集成化和智能化制造系统。 CIMS 的实现不是现有各分散系统的简单组合,而是全局动态最优综合。它 打破原有部门之间的界线,以制造为基干来控制“物流”和“信息流” ,实现从 经营决策、产品开发、生产准备、生产实验到生产经营管理的有机结合。企业集 成度的提高可以使各种生产要素之间的配置得到更好的优化, 各种生产要素的潜 力可以得到更大的发挥。

(三)

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。它可以随机地、实时地、按量地按照 装配部门的要求,生产其能力范围内的任何工件,特别适于多品种、中小批量、 设计更改频繁的离散零件的批量生产。 FMS 兼有加工制造和部分生产管理两种功能,因此能综合地提高生产效 益。FMS 的工艺范围正在不断扩大,可以包括毛坯制造、机械加工、装配和 质量检验等。80 年代中期投入使用的 FMS,大都用于切削加工,也有用于 冲压和焊接的。

采用 FMS 的主要技术经济效果是:能按装配作业配套需要,及时安排 所需零件的加工,实现及时生产,从而减少毛坯和在制品的库存量,及相 应的流动资金占用量,缩短生产周期;提高设备的利用率,减少设备数量 和厂房面积;减少直接劳动力,在少人看管条件下可实现昼夜 24 小时的连 续“无人化生产”;提高产品质量的一致性。

(四)

工业机器人

工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人。 工业机器 人是自动执行工作的机器装置, 是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种 机器。它可以接受人类指挥,也可以按照预先编排的程序运行,现代的工业机器 人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。 第 1 代机器人亦称示教再现机器人,它们只能根据示教进行重复运动,对工 作环境和作业对象的变化缺乏适应性和灵活性; 2 代机器人带有各种先进的传 第 感元件,能获取作业环境和操作对象的简单信息,通过计算机处理、分析,做出 一定的判断,对动作进行反馈控制,表现出低级智能,已开始走向实用化;第 3 代机器人即智能机器人,具有多种感知功能,可进行复杂的逻辑思维、判断和决 策,在作业环境中独立行动,与第 5 代计算机关系密切。 自从 20 世纪 60 年代初人类创造了第一台工业机器人以后, 机器人就显示出 它极大的生命力,在短短 40 多年的时间中,机器人技术得到了迅速的发展,工 业机器人已在工业发达国家的生产中得到了广泛的应用。目前,工业机器人已广 泛应用于汽车及汽车零部件制造业、机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料 工业、食品工业、木材与家具制造业等领域中。在工业生产中,弧焊机器人、点 焊机器人、分配机器人、装配机器人、喷漆机器人及搬运机器人等工业机器人都 已被大量采用。

三、机电一体化技术的发展前景
纵观国内外机电一体化的发展现状和高新技术的发展动向, 机电一体化将朝 着以下几个方向发展:

(一)

智能化

智能化是机电一体化与传统机械自动化的主要区别之一,也是 21 世纪机电 一体化的发展方向。近几年,处理器速度的提高和微机的高性能化、传感器系统 的集成化与智能化为嵌入智能控制算法创造了条件, 有力地推动着机电一体化产 品向智能化方向发展。智能机电一体化产品可以模拟人类智能,具有某种程度的 判断推理、逻辑思维和自主决策能力,从而取代制造工程中人的部分脑力劳动。

(二)

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,进行任意的剪裁和组合,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大大加强,一般除 RS232 等常用通 信方式外,实现远程及多系统通信联网需要的局部网络正逐渐被采用。未来的机 电一体化更加注重产品与人的关系, 如何赋予机电一体化产品以人的智能、 情感、 人性显得越来越重要。 机电一体化产品还可根据一些生物体优良的构造研究某种 新型机体,使其向着生物系统化方向发展。

(三)

微型化

微型机电一体化系统高度融合了微机械技术、微电子技术和软件技术,是机 电一体化的一个新的发展方向。国外称微电子机械系统的几何尺寸一般不超过 1cm3,并正向微米、纳米级方向发展。由于微机电一体化系统具有体积小、耗能 小、运动灵活等特点,可进入一般机械无法进入的空间并易于进行精细操作,故 在生物医学、航空航天、信息技术、工农业乃至国防等领域,都有广阔的应用前 景。目前,利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术,在实验室中已制造出亚微米 级的机械元件。

(四)

模块化

模块化也是机电一体化产品的一个发展趋势,是一项重要而艰巨的工程。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、电气接 口、动力接口、信息接口的机电一体化产品单元是一项复杂而重要的事,它需要 制订一系列标准,以便各部件、单元的匹配和接口。机电一体化产品生产企业可 利用标准单元迅速开发新产品,同时也可以不断扩大生产规模。

(五)

网络化

网络技术的飞速发展对机电一体化有重大影响,使其朝着网络化方向发展。 机电一体化产品的种类很多,面向网络的方式也不同。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。

(六)

绿色化

工业的发达使人们物质丰富、生活舒适的同时也使资源减少,生态环境受到 严重污染,于是绿色产品应运而生。绿色化是时代的趋势,其目标是使产品从设 计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期中,对生态环境无危害 或危害极小,资源利用率极高。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,报废时能回收利用。绿色制造业是现代制造业的可持续发展模式。 综上所述,机电一体化技术是众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。它促使机械工业发生战略性的变革,使传统的机械设计 方法和设计概念发生着革命性的变化。大力发展新一代机电一体化产品,不仅是 改造传统机械设备的要求,而且是推动机械产品更新换代和开辟新领域、发展与 振兴机械工业的必由之路。

【参考文献】 :
1、 2、 3、 李运华.机电控制[M].北京航空航天大学出版社,2003. 芮延年.机电一体化系统设计[M].北京机械工业出版社,2004. 王中杰,余章雄,柴天佑.智能控制综述[J].基础自动化,2006(6).

4 、 章 浩 , 张 西 良 , 周 士 冲 . 机 电 一 体 化 技 术 的 发 展 与 应 用 [J]. 农 机 化 研 究,2006(7). 5、 梁俊彦,李玉翔.机电一体化技术的发展及应用[J].科技资讯,2007(9).


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