论机电一体化技术以及发展趋势.doc
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1、论机电一体化技术以及发展趋势内容提要:机电一体化技术是广泛利用机械、电子等相关技术,实现系统或产品整体最优化的一门跨学科的综合性技术。本文主要介绍机电一体化技术的发展历程、基本特征、系统组成结构及其关键技术,并且指出了21世纪机电一体化技术的发展趋势。结合近年来机电一体化技术发展迅速的特点,认为其发展趋势是光机电一体化、人性化、带源化、集成化、柔性化、仿生物系统化、网络化、智能化、模块化、微型化、绿色化。一、机电一体化技术的历史发展在20世纪后期,一方面随着一系列新技术的兴起,主要包括电子技术(尤其是微电子技术)、计算机技术、现代通信技术、现代控制技术、激光技术、新能源技术、新材料技术、航天技
2、术等;另一方面新技术之间以及新技术与传统技术之间互相渗透彼此融合,形成多种复合技术。其中,起主导地位的是:电子技术的快速发展并与其他技术的紧密结合。特别是电子技术与机械技术不断深入的融合使机电一体化技术的产生和发展成为必然。将机械技术与电子技术结合起来的思想和实践由来已久。1952年美国研制成功了数控铣床,1959年第一台可编程机器人诞生。一直到20世纪60年代末期是机电一体化技术发展的准备阶段。进入20世纪70年代以后,大规模、超大规模集成电路和微型计算机的飞速发展积极推动了机电一体化技术的产生和发展。从1971年日本人提出Mechatronics一词为标志直到20世纪80年代末期是机电一体
3、化技术发展的初级发展阶段。20世纪90年代以后,随着Mechatronics一词在世界范围内得到广泛认可,世界各国纷纷开始有计划的积极推动和发展机电一体化技术和产品,机电一体化技术的发展步入深入发展阶段。机电一体化技术逐渐形成一个完整的技术学科体系。总的来说我们可以将机电一体化的发展大体分为3个阶段:第一阶段:20世纪60年代以前。这一时期,人们自觉或不自觉地利用电子技术的初步成果来完善一些机械产品的性能。二战时期,由于战争的原因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,战后逐渐转为民用,对战后经济的恢复起了一定的作用。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
4、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。第二阶段:20世纪70-80年代。这一时期是机电一体化技术的蓬勃发展阶段,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。这个时期Mechatronics一词在世界范围内得到比较广泛的承认,机电一体化技术和产品得到了极大发展。第三阶段:20世纪90年代后期。机电一体化技术逐渐向智能化方向发展,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
5、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进行了深入研究。同时,由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步,为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。二、机电一体化技术具体内容机电一体化技术是一个技术群体的总称。其关键技术有:机械技术、计算机信息技术、系统技术、自动控制技术、传感检测技术、伺服驱动技术、先进制造技术等。(一)机械技术:机械技术是机电一体化的基础,机械技术的着眼点在于如何与机电一体化技术相适应,利用其它高、新技术来更新概念,实现结构上、材料上、性能上的变更,满足重量小、体积小、精度高、刚度高及性能完善的要求。在机电一体化系统制造过程中,经
6、典的机械理论与工艺应借助于计算机辅助技术,同时采用人工智能与专家系统等,形成新一代的机械制造技术。(二)计算机信息技术:其中信息交换、存取、运算、判断与决策、人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术均属于计算机信息处理技术。信息处理技术包括信息的交换、传递、存储和处理,主要工具就是计算机。计算机及信息处理系统是整个系统(或产品)的信息处理中心,充分利用计算机超强的信息处理能力以及丰富的软件资源,增强了系统的功能,提高了系统的柔性、可靠性,使系统具有了一定的智能。(三)系统技术:系统技术即以整体的概念组织应用各种相关技术,从全局角度和系统目标出发,将总体分解成相互关联的若干功能单元,接口技术是系
7、统技术中一个重要方面,它是实现系统各部分有机连接的保证。系统总体技术包括系统的总体设计和接口技术,是用跨学科的思维能力来进行综合集成的技术。系统总体设计是以系统整体的概念组织应用各种相关技术,从全局角度和系统目标出发,将系统整体分解成相互联系的若干功能单元,再对功能单元进行二次分解,最终确定一个可行的技术方案。(四)自动控制技术:其范围很广,在控制理论指导下,进行系统设计,设计后的系统仿真,现场调试,控制技术包括如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿、再现、检索等。自动控制技术是在自动控制原理的指导下,结合计算机技术对具体的控制装置和控制系统进行设计、仿真、调试,最终实现机电
8、一体化系统的整体性能最优化。(五)传感检测技术:传感检测技术是系统的感受器官,是实现自动控制、自动调节的关键环节。其功能越强,系统的自动化程序就越高。现代工程要求传感器能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境的考验,它是机电一体化系统达到高水平的保证。传感与检测技术关键元件就是传感器。传感器是整个机电一体化系统(或产品)的环境接口,是自动化、信息化以及智能化应用和发展的关键技术。传感器的水平反映了一个国家的科技发达程度,特别是新型高科技传感器的研究和开发世界各国都非常重视,比如多功能集成传感器、智能传感器、仿生传感器等。(六)伺服传动技术:包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置,伺服系统是实现
9、电信号到机械动作的转换装置与部件、对系统的动态性能、控制质量和功能有决定性的影响。伺服驱动技术是系统直接执行操作的技术,其目的是从动力学角度分析系统行为,保证系统整体运行的最优化。伺服驱动装置包括电动、气动、液压等各种类型,按照控制指令将电信号转换成流体能或机械能驱动运功机构,对整个系统的动态特性、控制质量和功能具有决定性的影响。(七)先进制造技术:先进制造技术是机电一体化发展的必然产物,是机电一体化技术的基础。先进制造技术保障系统(或产品)构造功能的最优化。先进制造技术采用具有柔性操作的先进制造设备:机械加工中心(MC)、CNC机床、工业机器人等机电一体化产品,实行先进的组织管理,组成柔性制
10、造单元(FMC)和柔性制造系统(FMS),提高制造作业及制造系统的柔性和生产率,以满足机电一体化系统(或产品)的需要,满足社会发展的需要。三、机电一体化技术的基本特征(一)广而强的应用性:机电一体化技术是以机械为母体,以实践机电产品开发和机电过程控制为基础的技术,是可以渗透到所用机械系统和产品的普遍应用性技术,几乎不受行业限制。(二)多层次的系统化:机电一体化是将工业产品和过程利用各种技术综合成一个完整的系统,强调各种技术(特别是微电子技术与精密机械技术)的协同和集成,强调层次化和系统化。无论从单参数、单级控制到多参数、多级控制,还是从单件单品生产工艺到柔性及自动化生产线,直到整个系统工程设计
11、,机电一体化技术都体现在系统各个层次的开发和应用中。(三)整体的最优化:从系统工程观点出发,充分利用新技术及其相互交叉融合的优势,实现机电一体化系统(或产品)的高附加值、高效率、高性能、省材料、省能源、低损耗、低污染等等。采用数控机床、柔性生产线、工业机器人和计算机管理等高科技机电一体化技术和系统以后,各企业就可以根据社会需求及时调整产品结构和生产过程,几乎不需要重新设计制造工艺设备,大大缩短了整个生产周期。(四)使用简易化:机电一体化技术主要包括技术原理和使机电一体化系统和产品得以实现、使用和发展的技术群体。这就需要开发人员不仅具有扎实的理论基础,而且具有广博的技术知识,还要不断的学习和更新
12、相关知识。四、机电一体化系统的组成结构机电一体化系统是由若干具有特定功能的机械和电子要素组成的有机整体,具有满足人们使用要求的最佳功能。所以从功能分析上来看,要求系统能对输入的物质、能量和信息进行某种目的性的处理,从而输出所需要的物质、能量和信息。机电一体化系统的总功能一般由目的功能(通常为运动执行功能)、驱动功能、传动功能、传感检测功能、控制功能和辅助功能单元组成。我们可以把机电一体化系统(或产品)看作一个“人”。那么机械系统相当于人的躯干躯体,是使构成系统的子系统及元、部件维持时间和空间上的相互关系所必须的;传感与检测系统犹如人的感觉器官,能感知各种信号和信息;控制及信息处理系统相当于人的
13、大脑和神经系统,能根据系统内部和外部信息对整个系统进行控制;执行元件系统就如同人的四肢,完成系统要求的各种动作;动力系统就是提供和转换能量,机械电子装置主要靠电能供给能量,电能则要由电力电子装置变换以后才能使用。并且,各个组成要素或子系统之间通过接口构成一个有机的整体,才能使系统正常运转,最终实现目的功能。五、机电一体化产品的基本组成部分总的来说机电一体化产品的基本组成部分主要包括以下几个部分:(一)机械部分:它是机电一体化产品实现其使用功能的母体,精密机械制造技术仍是机电一体化技术的基础。比如典型的机电一体化产品数控机床。(二)信息处理部分:这部分的主要任务是对外部输入的程序指令或(和)从多
14、个传感器传来的数字信号进行处理和运算,然後输出各种控制指令去控制伺服机构和其他执行机构以完成所需的动作。此项任务目前主要由微计算机及相关软件来完成,是机电一体化产品最富活力的部分。(三)传感测量部分:对实际工况以及周围环境的变化,必须通过传感器来感知,这部分就像机电一体化产品的“感官”。首先传感器要能灵敏地感受被测量信息并精确地转换成电信号。当前正重解决传感器的智能化问题,重点是把传感器感知的模拟量信号就地转化为标准的数字量信号,并就地完成基本判断与推理。机电一体化已成为一门有着自身体系的新型学科,随着科学技术的不但发展,还将被赋予新的内容。(四)基本特征:机电一体化是从系统的观点出发,综合运
15、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。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。六、典型的机电一体化产品机电一体化产品分系统(整机)和基础元、部件两大类。典型的机电一体化系统有:数控机床、机器人、汽车电子化产品、智能化仪器仪表、电子排版印刷系统、CADCAM系统等。典型的机电一体化元、部件有:电力电子器件及装置、可编程序控制
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