机电一体化的现状与发展趋势.doc
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1、机电一体化的现状与发展趋势 目 录第1章 机电一体化概述 11.1机电一体化的核心技术 11.2 机电一体化的发展状况2第2章 典型的机电一体化产品32.1 数控机床42.2 自动机与自动生产线4第3章 我国发展“机电一体化”面临的形势、任务和对策53.1 我国“机电一体化”工作面临的形势53.2 我国“机电一体化”工作的任务53.3 我国发展“机电一体化”的对策6第4章 机电一体化的发展趋势74.1智能化74.2 模块化74.3 网络化84.4 微型化84.5 环保化84.6 系统化9结论 10参考文献 11致谢 121 机电一体化概述机电一体化是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控
2、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所构成的系统的总称。机电一体化发展至今已经成为一门有着自身体系的新型学科,随着科学技术的不断发展,还将被赋予新的内容。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、传感测控技术及电力电子技术,根据系统功能目标要求,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。机电一体化技术是基于
3、上述群体技术有机融合的一种综合技术,而不是机械技术、微电子技术及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所形成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系。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,还被赋予许多新的功能,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。也就是说,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,智能化特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质区别。1.1机电一体化的核心技术 1. 机械技术:是机电一体化
4、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,利用其高、新技术来更新概念,实现结构上、材料上、性能上变更,满足减小重量、缩小体积、提高精度、提高刚度及改善性能要求。 2. 计算机与信息技术: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。 3. 系统技术:即以整体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,接口技术是系统技术中一个重要方面,是实现系统各部分有机连接的保证。 4. 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
5、位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿、再现、检索等。 5. 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。 6. 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。1.2 机电一体化的发展状况机电一体化的发展大体可以分为三个阶段:(1)20世纪60年代以前为第一阶段,这一阶段称为初级阶段。在这一时期,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。特别是在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
6、机电结合的军用技术,战后转为民用,对战后经济的恢复起到了积极的作用。那时,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。(2)20世纪7080年代为第二阶段,可称为蓬勃发展阶段。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出现,为机电一体化的发展提供了充分的物质基础。这个时期的特点是:mechatronics一词首先在日本被普遍接受,大约到20世纪80年代末期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
7、到了极大发展;各国均开始对机电一体化技术和产品给予很大的关注和支持。(3)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进行了深入研究。同时,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。这些研究,使机电一体化进一步建立了坚实的基础,并且逐渐形成完整的学科体系。我国是从20世纪80年代初才开始
8、进行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、研究机构及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,取得了一定成果。具体有如下几个比较突出的方面。1.2.1计算机数控机床计算机数控机床(CNC)是一种由计算机或专用电子计算装置控制的高效自动化机床。它综合应用了计算机、自动控制、精密测量和机械设计等方面的最新技术,是机床发展的必然趋势。数控机床发展至今,已经经历了从电子管数控、晶体管数控、集成电路数控、计算机数控、微型计算机数控
9、等五代演变。当前计算机数控机床已经成为促进国民经济发展的重要产品。1.2.2工业机器人工业机器人(IR)一般应由机械系统、驱动系统、控制系统、检测传感系统和人工智能系统等组成。是一种能模拟人的手、譬的部分动作,按照程序、轨迹及其它要求,实现抓取、手动工件或操作工具的自动化装置,是具有发展前途的机电一体化典型产品,将在实现柔性自动化生产,提高产品质量,代替人在恶劣环境条件下工作中发挥重大作用。1.2.3 汽车的机电一体化汽车的机电一体化的中心内容是以微机为中心的自动控制改善汽车的性能,增加汽车的功能,实现汽车降低油耗,减少排汽污染,提高汽车行驶的安全性,可靠性,操作方便和舒适性。近几十年,国际各
10、大汽车公司都加大了对汽车机电一体化的研究,使汽车发展有了质的飞跃.1.2.4 智能控制系统智能控制是由人工智能与自动控制两部分组成,目标就是使计算机去做那些只有人才能做具有智能的工作。近年来,智能控制技术在工程上的应用有了很大突破,各种机电设备和建设工程的智能化控制广泛普及。2 典型机电一体化产品2.1 数控机床目前我国是全世界机床拥有量最多的国家(近320万台),但数控机床只占约5且大多数是普通数控(发达国家数控机床占10)。近些年来数控机床为适应加工技术的发展,在以下几个技术领域都有巨大进步。1高速化。由于高速加工技术普及,机床普遍提高了各方面的速度。车床主轴转速有30004000r/mi
11、n提高到800010000r/min;铣床和加工中心主轴转速由40008000r/min提高到1200040000r/min以上;快速移动速度由过去的1020m/min提高到48m/min,60m/mni,80m/min,120m/min;在提高速度的同时要求提高运动部件起动的加速度,由过去一般机床的0.5G(重力加速度)提高到1.5G2G,最高可达15G;直线电机在机床上开始使用,主轴上大量采用内装式主轴电机。2高精度化。数控机床的定位精度已由一般的0.010.02mm提高到0.008左右;亚微米级机床达到0.0005mm左右;纳米级机床达到0.0050.01um;最小分辨率为1nm(0.0
12、00001mm)的数控系统和机床已问世。数控中两轴以上插补技术大大提高,纳米级插补使两轴联动出的圆弧都可以达到1u的圆度,插补前多程序预读,大大提高了插补质量,并可进行自动拐角处理等。3复合加工,新结构机床大量出现。如5轴5面体复合加工机床,5轴5联动加工各类异形零件。同时派生出各种新颖的机床结构,包括6轴虚拟轴机床,串并联绞链机床等,采用特殊机械结构,数控的特殊运算方式,特殊编程要求。4使用各种高效特殊功能的刀具使数控机床“如虎添翼”。如内冷转头由于使高压冷却液直接冷却转头切削刃和排除切屑,在转深孔时大大提高效率。加工刚件切削速度能达1000m/min,加工铝件能达5000m/min。5数控
13、机床的开放性和联网管理。数控机床的开放性和联网管理已是使用数控机床的基本要求,它不仅是提高数控机床开动率、生产率的必要手段,而且是企业合理化、最佳化利用这些制造手段的方法。因此,计算机集成制造、网络制造、异地诊断、虚拟制造、并行工程等等各种新技术都在数控机床基础上发展起来,这必然成为21世纪制造业发展的一个主要潮流。2.2 自动机与自动生产线 在国民经济生产和生活中广泛使用的各种自动机械、自动生产线及各种自动化设备,是当前机电一体化技术应用的又一具体体现。如:200080000瓶/h的啤酒自动生产线;18000120000瓶/h的易拉罐灌装生产线;各种高速香烟生产线;各种印刷包装生产线;邮政信
14、函自动分捡处理生产线;易拉罐自动生产线;FEBOPP型三层共挤双向拉伸聚丙烯薄膜生产线等等,这些自动机或生产线中广泛应用了现代电子技术与传感技术。如可编程序控制器,变频调速器,人机界面控制装置与光电控制系统等。我国的自动机与生产线产品的水平,比10多年前跃升了一大步,其技术水平已达到或超过发达国家上一世纪80年代后期的水平。使用这些自动机和生产线的企业越来越多,对维护和管理这些设备的相关人员的需求也越来越多。3 我国发展“机电一体化”面临的形势、任务和对策 机电一体化工作主要包括两个层次:一是用微电子技术改造传统产业,其目的是节能、节材,提高工效,提高产品质量,把传统工业的技术进步提高一步;二
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