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机电一体化技术的应用及发展趋势 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。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 发展趋势 应用目录第1章机电一体化的核心技术3第2章机电一体化技术的发展趋势2.1机电一体化技术的发展现状42.2机电一体化技术的发展趋势42.3机电一体化典型产品的发展趋势62.4机电一体化技术的发展前景8第3章 机电一体化技术的应用3.1钢铁企业中的应用93.2汽车和工业机器人中的应用9第4章我国机电一体化技术面临的形势及任务与其相应对策4.1形势104.2任务114.3对策11参考文献13机电一体化技术的应用及发展趋势 第1章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，耍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。第2章 机电一体化技术的发展趋势随着机电一体化技术的更深层次的革新与发展，它现在已经到达了跨学科的技术水平上了，它是机械技术、微电子技术、信息技术和控制技术等多方面技术的有机整理和融合、相互渗透的效果，就其发展形式而言，已经是很迅猛了。2.1机电一体化技术的发展现状 当今世界工业国家数控机床拥有量就直接反映了这个国家的经济实力。就目前我国而言，我们是拥有机床最多的国家，大约有300万台，但是我国的机床数控化的占有率就只有1.9%左右，然而西方工业国家一般的都能达到20%,这就可以知道我们国家和别个国家在智能化上的差距是多么的巨大的。对于这样的问题，我国已经采取了相应的措施来改善现有的问题，希望能够重点支持数控系统、设备和技术方面的一系列问题的解决，使其能够有更多种类产品出现的繁荣景象。但是在信息化和工业化的关系上，我国对于机电一体化技术有两种极端的观点 ：一种观点认为：我国的工业化水平相对其他国家来说不是很高，离开了工业基础谈这种问题只能是空中楼阁，信息化这种新经济现象是发达国家的事。由于我国工业化的完成率很低，所以我们必须坚守传统产业，把注意力放在工业化上。另一种观点认为：信息化与工业化没有必然联系。我们必须紧跟时代步伐，放弃夕阳工业，大力发展信息产业这种朝阳产业。这种观点是“放弃跨越论”，即放弃传统产业，在信息产业领域实现全方位的跨越。2.2机电一体化技术的发展趋势 20世纪90年代后期，各发达国家开始了向智能化方向发展机电一体化技术这方 面迈进。一方面，光学、通信技术等进入了机电一体化行业，微细加工技术也在其中 有了更深层次的发展， 于是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。从现在来看未来的机电一体化技术的发展方向大致有以下几个方面：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。目前, 专家系统、模糊 系统、神经网络以及遗传算法, 是机电一体化产品（系统） 实现智能化的4种主要 技术，它们各自独立发展又彼此相互渗透。随着制造自动化程度的不断提高, 将会出 现智能制造系统控制器来模拟人类专家的智能制造活动, 并会对制造中出现的问题 进行分析、判断、推理、构思和决策 。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 模糊数学、神经网络、灰色理论、心理学、生理学和混沌动力学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。二、模块化模块化也是机电一体化产品的一个发展趋势, 也是一项重要而又艰巨的任务。简单的来说就是将各种接口或单元标准化，有点像机械咀的标准件，由于机电一体化产品种类和生产厂家都比较多，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。从而避免利益的冲突，并能使之标准化、系列化。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，这样更利于制定标准，以便各部件、单元的匹配和接口。 三、微型化微型化是指机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。它是一个新兴的、多学科交叉的高科技领域，面临许多课题，涉及许多关键技术。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。微型机械加工技术作为微型机械的最关键技术，也必将有一个大的发展。硅加工、LIGA加工和准LIGA加工正向着更复杂、更高深度适合各种要求的材料特性和表面特性的微结构以及制作不同材料特别是功能材料微结构，更易于与电路集成的方向发展，多种加工技术结合也是其重要方向。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、系统化系统可以灵活组态，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。 它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R S232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以及模仿生物机理等方面的产品。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。 五、自源化自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，自带动力源具有独特的好处。 六、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、使用和销毁的生命过程中，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，具有远大的发展前景。2.3机电一体化典型产品的发展趋势 一、数控机床 数控机床是计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工，是发电、船舶、航天航空、模具、高精密仪器等民用工业和军工部门迫切需要的关键加工设备。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。由于高速加工技术的普及，机床普遍提高了各方面的速度。例如，车床主轴现在采用的是电主轴，主轴的转速最高可达200 000r/min；进给速度是指快速移动速度高速化和切削进给速度的高速化；微处理器的使用，大大提高了数控系统的运算速度；最后就是换刀速度得到很到提升，高达0.5s。 2、高精度化。精密加工化是为了适应高新技术发展的需要。数控机床的定位精度已由以前的0.02mm提高到现在的0.008mm；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的数控系统和机床已问世。这样的发展很明显体现了高精度的发展迅猛。3、使用各种高效特殊功能的刀具。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。4、数控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。二 、 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。例如：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在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。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的批量生产。四、计算机集成制造系统(CIMS) 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。五、工业机器人 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;第2代机器人带有各种先进的传感元件,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。2.4机电一体化技术的发展前景以微电子技术、软件技术、计算机技术及通信技术为核心而引发的数字化、网络化、综合化、个性化信息技术革命，不仅深刻地影响着全球的科技、经济、社会和军事的发展，而且也深刻影响着机电一体化的发展趋势。专家预测，机电一体化技术将向以下几个方向发展： 1、光机电一体化方向一般机电一体化系统是由传感系统、能源（动力）系统、信息处理系统、机械结构等部件组成。引进光学技术，利用光学技术的先天特点，就能有效地改进机电一体化系统的传感系统、能源系统和信息处理系统。2、柔性化方向 未来机电一体化产品，控制和执行系统有足够的“冗余度”，有较强的“柔性”，能较好地应付突发事件，被设计成“自律分配系统”。在这系统中，各子系统是相互独立工作的，子系统为总系统服务，同时具有本身的“自律性”，可根据不同环境条件做出不同反应。其特点是子系统可产生本身的信息并附加所给信息，在总的前提下，具有“行动”是可以改变的。这样，既明显地增加了系统的能力，又不因某一子系统的故障而影响整个系统。3、仿生物系统化方向 今后的机电一体化装置对信息的依赖性很大，并且往往在结构上处于“静态”时不稳定，但在动态时却是稳定的。这有点类似于活的生物：当控制系统停止工作时，生物便“死亡”，而当控制系统工作时，生物就很有活力。就目前情况看，机电一体化产品虽然有仿生物系统化方向发展的趋势，但还有一段很漫长的道路要走。第3章 机电一体化技术的应用随着机电一体化技术的发展，各种产品与装置实现了机电一体化，有利实现整体优化，提高产品质量和生产效率，缩短开发新产品的生产准备周期，加速科技成果向商品转化，有利推动传统产业发生深刻变革。迄今为止它的应用领域也十分广阔啦。从现在的发展来看，主要应用的领域有以下几个方面。3.1钢铁企业中的应用1、计算机集成制造系统(CIMS)。钢铁企业的CIMS是将人与生产经营、生产管理以及过程控制连成一体，用以实现从原料进厂，生产加工到产品发货的整个生产过程全局和过程一体化控制。2、智能化控制技术(IC)。由于钢铁工业具有大型化、高速化和连续化的特点，传统的控制技术遇到了难以克服的困难，因此非常有必要采用智能控制技术。智能控制技术主要包括专家系统、模糊控制和神经网络等，智能控制技术广泛应用于钢铁企业的产品设计、生产、控制、设备与产品质量诊断等各个方面，如高炉控制系统、电炉和连铸车间、轧钢系统、炼钢连铸轧钢综合调度系统、冷连轧等。 3、交流传动技术。随着电力电子技术和微电子技术的发展，交流调速技术的发展非常迅速。由于交流传动的优越性，电气传动技术在不久的将来由交流传动全面取代直流传动，数字技术的发展，使复杂的矢量控制技术实用化得以实现，交流调速系统的调速性能已达到和超过直流调速水平。交流传动系统在轧钢生产中一出现就受到用户的欢迎，应用不断扩大。4、 开放式控制系统 。“开放”意味着对一种标准的信息交换规程的共识和支持，按此标准设计的系统，可以实现不同厂家产品的兼容和互换，且资源共享。开放控制系统通过工业通信网络使各种控制设备、管理计算机互联，实现控制与经营、管理、决策的集成，通过现场总线使现场仪表与控制室的控制设备互联，实现测量与控制一体化。3.2汽车和工业机器人中的应用当今汽车产品市场的激烈竞争，实质上就是汽车制造 家自动化生产发展的直接动因，因此面向市场的生产自动化的目的，不仅仅在于节省大量的劳动力和改善人们的劳动条件，更主要的目的是在于提高汽车制造业的竞争能力，即提高对市场变化的响应速度，包括提高生产效率优化控制过程，提高产品质量和保持产品质量的一致性和降低产品的成本、缩短制造周期，加速产品的更新换代。从而使现代化的、高质量优性能、多品种、低成本的汽车源源不断地生产出来，并牢牢地占领市场。第一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;第二代机器人带有各种先进的传感元件,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;第三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,与第五代计算机关系密切。第4章我国机电一体化技术面临的形势及任务与其相应对策4.1形势我国用微电子技术改造传统工业的工作量大而广，有难度我国用机电一体化技术加速产品更新换代，提高市场占有率的呼声高，有压力。 我国用机电一体化产品取代技术含量和附加值低，耗能、耗水、耗材高，污染、扰民产品的责任重，有意义。在我国工业系统中，能耗、耗水大户，对环境污染严重的企业还占相当大的比重。近年来我国的工业结构、产品结构虽然几经调整，但由于多种原因，成效一直不够明显。这里面固然有上级领导部门的政出多门问题，有企业的“故土难离”“死守故业”问题，但不可否认也有优化不出理想的产业，优选不出中意的产品问题。上佳的答案早就摆在了这些企业的面前，这就是发展机电一体化，开发和生产有关的机电一体化产品。机电一体化产品功能强、性能好、质量高、成本低，且具有柔性，可根据市场需要和用户反映时产品结构和生产过程做必要的调整、改革，而无须改换设备。这是解决机电产品多品种、少批量生产的重要出路。同时，可为传统的机械工业注入新鲜血液，带来新的活力，把机械生产从繁重的体力劳动中解脱出来，实现文明生产。另外，从市场需求的角度看，由于我国研制、开发机电一体化产品的历史不长，差距较大，许多产品的品种、数量、档次、质量都不能满足需求，每年进口量都比较大，因此急需发展。4.2任务 我国在机电一体化方面的任务可以概括为两句话：一句话是广泛深入地用机电一体化技术改造传统产业；另一句话是大张旗鼓地开发机电一体化产品，促进机电产品的更新换代。总的目的是促进机电一体产业的形成、为我国产业结构和产品结构调整作贡献。 总之，机电一体化技术既是振兴传统机电工业的新鲜血液和源动力，又是开启我国机电行业产品结构、产业结构调整大门的钥匙。4.3对策 一、 加强统筹安排，协调发展计划 目前，我国从事机电一体化技术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！二、强化行业管理，发挥“协会”作用 目前，我国机电一体化技术较热，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、招标工作参考文献1机电一体化技术M 李建勇科学出版社，2004； 2机电控制M李运华 北京航空航天大学出版社，2003； 3机电一体化系统设计M芮延年北京机械工业出版社，2004； 4智能控制综述J王中杰，余章雄，柴天佑基础自动化，2006； 5机电一体化技术的发展与应用J章浩，周士冲农机化研究，2006； 6 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。