机电一体化技术发展及趋势

机电一体化技术发展及趋势

专业：机械制造及其自动化

姓名：侯国强

学号：2013125026

完成时间：2013-12-4

机电一体化技术发展及趋势

现代科学技术的不断发展,极大地推动了不同学科的交叉与渗透,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、产品结构、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”迈入以“机电一体化”为特征的发展阶段。

1 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。

机电一体化是一个综合的概念，含盖了产品两方面的内容。它首先是指机电一体化技术，其次是指机电一体化产品。机电一体化技术是指包括技术基础、技术原理在内的、使机电一体化产品得以实现、使用和发展的技术。机电一体化产品是指采用机电一体化技术，在机械产品基础上创造出来的新一代机电产品。

机电一体化又是一个复杂的系统工程。“系统”这个名词，使用非常广泛。大多定义为：由相互作用和依赖的若干组成部分按一定规律结合成的、具有特定功能的有机整体。系统一般具有如下特征：①“集合性”，系统是许多元素的集合；②“关联

性”，系统的各个组成部分之间是互相联系和互相制约的;③“目的性”，系统总是具有特定的功能，特别是人所创造或改造的系统，总是具有一定的目的性；④“环境适应性”，系统问题存在并活动于一个特定的环境中，与环境不断进行物质、能量、信息的交换，系统必须适应环境。从系统的观点出发，我们总可以把我们所设计的各种简单和复杂的设备或产品看成一个系统，因而可用系统工程的方法去分析和设计。机电一体化系统设计就是应用系统工程的方法设计出产品和设备。其突出的特点是，构成机电一体化系统的要素一般包括机、电、仪、液、气、磁、光，通过将这些要素进行有机地组织与结合，以实现该系统功能的整体最佳化。

机电一体化系统的实体部分，主要是机械部分与电子部分，又通过信息技术把这些部分有机结合在一起，从而构成更为先进的产品。按照系统分析的观点，机电一体化系统在设计过程中，是将机械部分与电子部分整合在一起进行通盘考虑的，哪些应采用机械部分，哪些应采用电子部分或其他更恰当的部分，例如液、气、磁、光、等部分，然后通过信息传输与处理技术将这些部分有机的结合起来。因而，可以说，机电一体化系统设计是系统工程学在机械电子领域中的具体应用；机电一体化系统正是这种应用的效果；它对改造传统老产品有着“妙手回春”的作用，对于新产品的开发研制也效果显著。

2 机电一体化的发展

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70—80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。但与日本等先进国家相比,仍有相当差距。

机电一体化占据主导地位是制造产业发展的必然趋势，而制造产业是整个科学技术和国家经济发展的基础工业，因而机电一体化在当前激烈的国际政治、军事、经济竞争中有举足轻重的作用，受到各工业国家的极大重视，并给予资金支持和必要的政策优惠。日本将智能传感器，计算机芯片制造技术，具有视频、触觉和人一机对话能力的人工智能工业机器人，发展柔性制造系统等，列为高技术领域的重大研究课题。西欧提出五大关键技术领域24个重点攻关项目作为欧洲高技术发展战略目标，广泛合作研究计算机辅助设计、制造、生产、管理的柔性系统，实现工厂全面自动化等机电一体化。美国在制造业方面，加速产品推广，缩短产品生产周期，增加柔性和实现设计-生产-质量控制-一体化技术。

作为发展中国家，我国与发达国家相比工业技术水平存在一定差距，但有广阔的机电一体化应用空间。改革开放以来，特别是近年来，受国际金融危机影响，面临国际市场经济激烈竞争形势的挑战，国家和企业充分认识到机电一体化技术对我国经济发展的战略意义，机电一体化技术的研究、应用和产业化受到了前所未有的重视和发展。完成了《我国机电一体化发展途径与对策》研究，探讨我国机电一体化发展战略，提出了数控机床、工业自动化控制仪表等15个机电一体化优先发展领域和6项共性关键技术的研究方向和课题。我国已研制成功了一大批机电一体化科研成果，以数控技术为例，我国的数控技术经过“六五”、“七五”、“八五”和“九五”的20年的发展，基本上掌握了关键技术，建立了数控开发、生产基地，培养了一批数控人才，初步形成了自己的数控产业，到2010年我国机床的数控化率将达到16.5%～19.27%。这些成果的取得为我国在制造业机电一体化的研究和应用方面积累了宝贵的经验，必将推动我国机电一体化技术取得更大的进步和发展。

3 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：

3.1 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。

3.2 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。

3.3 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。

3.4 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一传感器一电机三位一体的伺服驱动单元。

3.5 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。

3.6 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。

4 机电一体化技术的主要应用领域

4.1 数控机床

数控机床及相应的数控技术经过4O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)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。

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，并能引入在线诊断、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，加上专用芯片及模块组成结构紧凑的数控装置。

4.2 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，以制造为基于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。

4.3 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。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。

4.4 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。

5 机电一体化的发展趋势

机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合,它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展。机电一体化的主要发展方向大致有以下几个方面:

5.1 智能化

智能化是21世纪机电一体化技术的一个重要发展方向。人工智能在机电一体化的研究中日益得到重视,机器人与数控机床的智能化就是重要应用之一。这里所说的“智

能化”是对机器行为的描述,是在控制理论的基础上,吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法,使它具有判断推理、逻辑思维及自主决策等能力,以求得到更高的控制目标。诚然,使机电一体化产品具有与人完全相同的智能,是不可能的,也是不必要的。但是,高性能、高速度的微处理器使机电一体化产品赋有低级智能或者人的部分智能,则是完全可能而且必要的。

5.2 模块化

模块化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、动力接口和环境接口等的机电一体化产品单元是一项十分复杂但又非常重要的事情。如研制集减速、智能调速、电机于一体的动力单元,具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的控制单元,以及各种能完成典型操作的机械装置等。有了这些标准单元就可迅速开发出新产品,同时也可以扩大生产规模。为了达到以上目的,还需要制定各项标准,以便于各部件、单元的匹配。由于利益冲突,近期很难制定出国际或国内这方面的标准,但可以通过组建一些大企业逐渐形成。显然,从电气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定,无论是对生产标准机电一体化单元的企业,还是对生产机电一体化产品的企业,模块化将给机电一体化企业带来美好的前程。

5.3 网络化

20世纪90年代,计算机技术等的突出成就是网络技术。网络技术的兴起和飞速发展给科学技术、工业生产、政治、军事、教育等日常生活都带来了巨大的变革。各种网络将全球经济、生产连成一片,企业间的竞争也将全球化。机电一体化新产品一旦研制出来,只要其功能独到、质量可靠,很快就会畅销全球。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。现场总线和局域网技术的应用使家用电器网络化已成大势,利用家庭网络(home net)将各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电系统(computer integrated appliance system,CIAS),能使人们呆在家里就可分享各种高技术带来的便利与快乐。因此,机电一体化产品无疑将朝着网络化方向发展。

5.4 微型化

微型化兴起于20世纪80年代末,指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。国外称其为微电子机械系统(MEMS),泛指几何尺寸不超过1cm3的机电一体化产品,并向微米、纳米级发展。微机电一体化产品体积小,耗能少,运动灵活,在生物医疗、军事、信息等方面具有无可比拟的优势。微机电一体化发展的瓶颈在于微机械技术。微机电一体化产品的加工采用精细加工技术,即超精密技术,它包括光刻技术和蚀刻技术两类。

5.5 环保化

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。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,报废后能回收利用。

5.6 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。表现之二是通信功能的大大加强。一般除RS232外,还有RS485等智能化通信接口。未来的机电一体化更加注重产品与人的关系,机电一体化的人格化有两层含义:一层是如何赋予机电一体化产品人的智能、情感、人性等等,显得越来越重要,特别是对家用机器人,其高层境界就是人机一体化;另一层是模仿生物机理,研制出各种机电一体化产品。事实上,许多机电一体化产品都是受动物的启发而研制出来的。

6 结束语

综上所述,机电一体化技术是建立在精密机械技术、微电子技术、计算机和信息处理技术、自动控制技术、传感与测试技术、电力电子技术、伺服驱动技术、系统总体技术等现代高新技术群体基础之上的一种高新技术，已形成了“机械+电气+计算机”三分天下的实际格局，机电一体化技术的突出特点在于它在机械产品中注入了过去所没有的新技术，把电子器件的信息处理和自动控制等功能“揉和“到机械装置中去，从而获得了过去单靠某一种技术而无法实现的功能和效果。机电一体化技术的重要实质是应用系统工程的观点和方法来分析和研究机电一体化产品或系统，综合运用各种现代高新技术设计与开发，通过各种技术的有机结合，实现产品内部各组成部分的合理匹配和外部的整体效能最佳。机电一体化产品是具有高技术含量的产品，其技术附加值随机电结合程度的加深而提高。在当代产品中，单纯机械技术的附加值含量越来越少，而微电子技术的附加值含量却越来越多。附着时代的发展，这种趋势还将不断增加。但这并不等于说，微电子技术可以脱离机械技术而在机械领域获得更大的经济效益，而是意味着，机械技术只有同微电子技术相结合、传统的机械产品只有向机电一体化产品方向发展，才是机械工业发展的唯一出路。

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