毕业论文-机电一体化的发展趋势及其应用领域.doc

机电一体化的发展趋势 及其应用领域 毕业论文 1 摘要摘要 作为机电系的一名学生，将来工作学习都会以机电为主，所以必须掌握好各种机电的专业知识。我会 本着认真的态度对待专业课的学习，提高自己的专业素养.接下来我将介绍一下我对机电一体化技术发展 史的认识 关键词：机电一体化 发展趋势 微型计算机 前景 2 目 录 论文摘要 .1 目录2 第 1 章机电一体化的概要4 1.1 基本概念 .4 1.2 机电一体化的发展状况 .4 1.3 机电一体化的优点 .5 1.4 机电一体化的意义 .5 第 2 章机电一体化技术的应用和发展趋势 6 2.1 机电一体化的核心技术 .6 2.1.1 机械本体技术 6 2.1.2 传感技术 7 2.1.3 信息处理技术 7 2.1.4 驱动技术 7 2.1.5 接口技术 7 2.1.6 软件技术 7 2.2 机电一体化技术的发展前景 .7 2.2.1 数字化 7 2.2.2 智能化 8 2.2.3 模块化 8 2.2.4 网络化 8 2.2.5 人性化 8 2.2.6 微型化 8 2.2.7 集成化 8 2.2.8 带源化 8 2.2.9 绿色化 9 2.2.10 光机电一体化 .9 2.3 机电一体化技术的主要应用领域 .9 2.3.1 数控机床 .9 2.3.2 计算机集成制造系统（cims） 9 2.3.3 柔性制造系统（fms） 10 2.3.4 工业机器人 .10 第 3 章机电一体化系统的智能化 .10 3.1 智能控制的理论 10 3.1.1 智能控制理论的理论基础 .10 3.1.2 智能控制系统的基本结构 .11 3.2 机电一体化的智能化应用. .11 3.2.1 国内外数控机床的发展状况 .12 3.2.2 数控机床的智能化 .12 第 4 章探索柔性制造系统是计算机化 plc 在机电一体化中的重要作用 .12 4.1 plc 的主要功能及技术指标 13 3 4.2 plc 与继电器控制逻辑的比较 13 4.3 plc 与单板机比较 14 第 5 章 浅议计算机以及机电一体化技术的整合 15 5.1 机电一体化与计算机整合的必然性 15 5.2 计算机技术对机电一体化发展的推动过程 16 5.3 计算机与机电一体化技术整合的表现 16 5.4 计算机与机电一体化技术整合的特点 17 第 6 章 机电一体化中继电器保护的现状与发展 18 6.1 继电保护发展现状 .18 6.2 继电保护的未来发展 .19 6.2.1 计算机化 19 第 7 章 我国“机电一体化”面临的形势及任务与其相应对策 20 7.1 形势 20 7.2 任务 21 7.3 对策 21 7.3.1 加强统筹安排，协调发展计划 .21 7.3.2 强化行业管理，发挥“协会”作用 .21 7.3.3 优化发展环境、增大支持力度 .21 7.3.4 突出发展重点，兼顾“两个层次” .22 总语 .22 致谢 .23 参考文献 .24 4 第第 1 章章 机电一体化的慨要机电一体化的慨要 1.1 基本概念 机电一体化最早（1971 年）起源于日本。它取英语 mechanics（机械学）的前半部和 electronics（电子学）的后半部拼合而成，字面上表示机械学和电子学两个学科的综合，在 我国通常称为机电一体化或机械电子学。但是机电一体化并不是机械技术和电子技术的简单 叠加，而是有着自身体系的新型学科。 目前，人们对机电一体化存在不同的认识，随着生产和科学技术的发展，机电一体化本身 的含义还在赋予新的内容。因此，机电一体化这一术语尚无统一的定义，其基本概念和函义 可概括为：机电一体化是在微型计算机为代表的微电子技术，信息技术迅速发展，向机械工 业领域迅猛渗透，机械电子技术深度结合的现代工业的基础上，综合应用机械技术、微电子 技术、信息技术、自动控制技术、传感测试技术、电力电子技术、接口技术和软件编程技术 等群体技术，从系统的观点出发，根据系统功能目标和优化组织结构目标。以智能动力、结 构、运动和感知组成要素为基础，对各组成要素及其间的信息处理、接口耦合、运动传递、 物质运动、能量变换机处理进行研究使得整个系统有机结合与综合集成，并在系统程序和微 电子电路的有序信息流控制下，形成物质和能量的有规则运动，在高功能、高质量高精度、 高可靠性、低能耗意义上实现多种技术功能复合的最佳功能价值系统工程技术。 机电一体化的产生与迅速发展的根本原因在于社会的发展和科学技术的进步。系统工程、 控制论和信息论是机电一体化的理论基础，也是机电一体化技术的方法论。微电子技术的发 展，半导体大规模集成电路制造技术的进步，则为机电一体化技术奠定了物质基础。机电一 体化技术的发展有一个从自发状况向自为方向发展的过程。早在机电一体化这一概念出现之 前，世界各国从事机械总体设计、控制功能设计和生产加工的科技工作者，已为机械与电子 的有机结合自觉不自觉的做了许多工作，目前人们对机电一体化的认识早已不是机械技术、 微电子技术以及其它新技术的简单组合，而是有机的相互结合与融合，是有其客观规律的。 以汽车工业为例，20 世纪 60 年代开始研究在汽车产品中应用电子技术，20 世纪 70 年代前后 实现了充电机电调压器和点火装置的集成电路化以及电子控制的燃料喷射装置。20 世纪 70 年代后期，由于计算机的发展，使汽车产品的机电一体化进入实用阶段。从汽车发动机系统 看，安装在汽车上的微型计算机可以通过各个传感器检测出曲轴位置、气缸负压、冷却水温 度、发动机转速、吸入空气量、排气中的氧浓度等参量，然后计算并发出最佳控制信号，控 制执行机构调整发动机燃油与空气的混合比例、点火时间等，使发动机获得最佳技术经济性 能。微电子控制是汽车工业的产品技术改造的重要领域，电子技术和产品将会越来越广泛的 应用到汽车发动机、悬架、转向、制动等各个部位，机电一体化技术将在高速、安全可靠、 操作方便、乘坐舒适、低油耗、少污染及易于维修等方面大幅度提高现代汽车的技术性能。 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 3 个阶段。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 5 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。 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 术和产品给以很大的关注和支持。 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。这些研究，将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成 完整的科学体系。 我国是从 20 世纪 80 年代初才开始在这方面研究和应用。国务院成立了机电一体化领导小 组并将该技术列为“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 1.3 机电一体化的优点 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 其涵盖“技术”和“产品” 两个方面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、微电子技术以 及其它新技术的简单组合、拼凑这是机电一体化与机械+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机械发展到机械电气化仍属传统机械其主要功能依然是代 替和放大的体力 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 功能外还能赋予许多新的功能，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 即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 脑的眼神。机电一体化与机械电气化在功能上的本质区别是智能化 机电一体化产品的典型例 子有：数控加工中心、机器人以及具有检测控制性能的数码相机等。总之一个机电一体化 的系统主要是由机械装置、执行装置、动力源、传感器、计算机这五个要素构成。 1.4 机电一体化的意义 机电一体化技术可以用来设计新型的机电一体化产品，改造旧的机电产品，使机电产品的 面貌大大改观，达到功能增强、体积减小、重量减轻、可靠性提高、性能价格比大大改善的 目的。实施机电一体化通常可以获得以下一些效果： （1）功能增强。机电一体化产品的显著特征是具有多种复合功能，例如，数控加工中心可 以将多台普通机床的多道工序在一次装卡中完成，并能自动检测工件和刀具的精度，显示刀 具动态轨迹，以及故障自诊断等极强的复合功能。 （2）提高精度。机电一体化技术简化了机构，减少了传动部件，从而使机械磨损、配合间 6 隙及受力变形等所引起的误差大大减小，同时由于采用计算机检测与控制技术补偿和校正因 各种干扰造成的动态误差，从而达到单纯采用机械技术所无法实现的工作精度。 （3）结构简化。由于机电一体化技术采用内装的微处理器、大规模集成电路、电力电子 器件代替原有的笨重的电器控制柜和传动装置，使机电一体化产品体积变小、零部件的数量 减少，结构得到简化。例如，无换向电刷，简化了电机结构，缩小了电机的体积，减轻了重 量，提高了电机的使用寿命，改善了电机运行特性。 （4）可靠性提高。近年来，集成电路的集成度越来越高，可靠性不断增强，使机电一体化 产品故障率极低，同时许多机电一体化产品都具有自诊断、安全连锁控制、过负荷及失控保 护、停电对策等功能，从而提高了机电一体化产品的安全可靠性。 （5）改善操作。机电一体化产品采用计算机程序控制实现了自动化，且具有良好的人机界 面，减少了操作按钮及手柄，从而改善了设备的操作性能，减少了培训操作人员的时间。 （6）提高柔性。所谓柔性，即可以利用软件来改变机器的工作程序，以满足不同的工具， 通过改变控制程序改变运动轨迹和运动姿态，以适应不同的作业要求；数控机床、fms 或 fmc 可以通过改变控制程序来适应不同零件的加工工艺。 有些机电一体化设备对环境变化具有一定的主动适应能力，即智能化的机电一体化设备，体 现了机电一体化设备的另一种柔性功能。 第 2 章 机电一体化技术的应用和发展趋势 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。 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。 2.1、机电一体化的核心技术、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： 2.1.1 机械本体技术机械本体技术 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 7 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。 2.1.2 传感技术传感技术 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。 2.1.3 信息处理技术信息处理技术 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。 2.1.4 驱动技术驱动技术 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。 2.1.5 接口技术接口技术 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。 2.1.6 软件技术软件技术 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。 2.2 机电一体化技术的发展前景 机电一体化是机械、微电子、控制、计算机、信息处理等多学科的交叉融合，其发展和 进步有赖于相关技术的进步与发展，其主要发展方向有数字化、智能化、模块化、网络化、 人性化、微型化、集成化、带源化和绿色化。 2.2.1 数字化 8 微控制器及其发展奠定了机电产品数字化的基础，如不断发展的数控机床和机器人；而 计算机网络的迅速崛起，为数字化设计与制造铺平了道路，如虚拟设计、计算机集成制造等。 数字化要求机电一体化产品的软件具有高可靠性、易操作性、可维护性、自诊断能力以及友 好人机界面。数字化的实现将便于远程操作、诊断和修复。 2.2.22.2.2 智能化智能化 即要求机电产品有一定的智能,使它具有类似人的逻辑思考、判断推理、自主决策等能力。 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。随着模糊控制、神经网络、灰色理论、小波理论、混沌与分岔 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。 2.2.32.2.3 模块化模块化 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、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。 2.2.4 网络化网络化 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使家用电器网络化成为可能，利用家庭 网络把各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家用电器系统，使人们在家里可充 分享受各种高技术带来的好处，因此，机电一体化产品无疑应朝网络化方向发展。 2.2.5 人性化人性化 机电一体化产品的最终使用对象是人，如何给机电一体化产品赋予人的智能、情感和人 性显得愈来愈重要，机电一体化产品除了完善的性能外，还要求在色彩、造型等方面与环境 相协调，使用这些产品，对人来说还是一种艺术享受，如家用机器人的最高境界就是人机一 体化。 2.2.6 微型化微型化 微型化是精细加工技术发展的必然，也是提高效率的需要。微机电系统(micro electronic mechanical systems，简称 mems)是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、 微型执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。 自 1986 年美国斯坦福大学研制出第一个医用微探针，1988 年美国加州大学 berkeley 分校研 制出第一个微电机以来，国内外在 mems 工艺、材料以及微观机理研究方面取得了很大进展， 开发出各种 mems 器件和系统，如各种微型传感器（压力传感器、微加速度计、微触觉传感器） ，各种微构件（微膜、微粱、微探针、微连杆、微齿轮、微轴承、微泵、微弹簧以及微机器 人等）。 2.2.7 集成化集成化 集成化既包含各种技术的相互渗透、相互融合和各种产品不同结构的优化与复合，又包 含在生产过程中同时处理加工、装配、检测、管理等多种工序。为了实现多品种、小批量生 产的自动化与高效率，应使系统具有更广泛的柔性。首先可将系统分解为若干层次，使系统 功能分散，并使各部分协调而又安全地运转，然后再通过软、硬件将各个层次有机地联系起 来，使其性能最优、功能最强。 9 2.2.8 带源化带源化 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。带源 化是机电一体化产品的发展方向之一。 2.2.9 绿色化绿色化 科学技术的发展给人们的生活带来巨大变化，在物质丰富的同时也带来资源减少、生态 环境恶化的后果。所以，人们呼唤保护环境，回归自然，实现可持续发展，绿色产品概念在 这种呼声中应运而生。绿色产品是指低能耗、低材耗、低污染、舒适、协调而可再生利用的 产品。在其设计、制造、使用和销毁时应符合环保和人类健康的要求，机电一体化产品的绿 色化主要是指在其使用时不污染生态环境，产品寿命结束时，产品可分解和再生利用。 2.2.10 光机电一体化光机电一体化. 一般的机电一体化系统是由传感系统、能源系统、信息处理系统、机械结构等部件组成的.因 此,引进光学技术,实现光学技术的先天优点是能有效地改进机电一体化系统的传感系统、能 源(动力)系统和信息处理系统.光机电一体化是机电产品发展的重要趋向. 2.3 机电一体化技术的主要应用领域 2.3.1 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: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。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。 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。 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。 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。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。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。 2.3.2 计算机集成制造系统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 10 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。 2.3.3 柔性制造系统柔性制造系统(fms) 制造系统是柔性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。 2.3.4 工业机器人工业机器人 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。 第第 3 章章 机电一体化系统的智能化机电一体化系统的智能化 具有人工智能或能模拟人类智能的系统称之为智能系统。它能对一个过程或其所处环境 各种固有的信息和知识进行归纳, 也可将获得的知识用于估计、分析、处理和控制, 使系统 处于最优状态。而人工智能系统是一个知识处理系统, 它包括知识表示、知识利用和知识获 取三个基本问题, 其最终的目标是模拟人的问题求解、推理、学习。 人工智能在机电一体化技术中的研究日益受到重视, 从智能机器人到数控机床的智能化, 无不体现了智能化的重要性。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, 并会对制造中出现问题进行分析、判断、推理、构思和决策。 3.1 智能控制的理论智能控制的理论 3.1.1 智能控制理论的理论基础智能控制理论的理论基础 智能控制的研究领域是十分广泛的, 一个智能系统一般都离不开控制, 因此, 在这个意 义上说智能系统都是智能控制系统2。模拟人类模糊逻辑思维的模糊集合论、模拟人的电脑 神经系统的结构和功能的神经网络理论, 以及模拟人的感知一行动的进化论等, 都是研 究智能控制理论的新学科基础的组成部分。 智能控制理论是建立在被控动态过程的特征模式识别, 基于知识、经验的推理及智能决策 11 基础上的控制, 是在如何控制上下功夫。因此, 相对于传统控制的“模型论”, 智能控制可 称之为控制论。模式识别体现智能特征, 基于知识、经验的推理及智能决策更表现智能行为。 因此, 智能控制是以模拟智能为核心的控制, 它的研究重点不再是被控对象, 而是控制器本 身。 3.1.2 智能控制系统的基本结构智能控制系统的基本结构 智能控制系统的结构可以根据被控对象及环境复杂性和不确定性的程度、性能指标要求 等划分为具有不同的结构, 本文主要介绍了基本结构形式如图 1 所示。该结构把智能控制系 统分为智能控制器和外部环境两大部分。智能控制器是由感知信息与处理、数据库、规划与 控制决策、认知学习、控制知识库、评价机构 6 部分组成。外部环境是由广义被控对象、传 感器和执行器组成, 还包括外部各种干扰等不确定性因素。智能控制系统有很多优势: 无模 型参考、强鲁棒性、自学习能力、自适应性、超协调性、满意型最优等, 这使得智能控制被 广泛应用在多个领域。 数据库认知知识 控制 知识库 通知信息 与处理 评价机构规划与 控制决策 传感器 图 1 智能控制系统的结构 3.2 机电一体化的智能化应用机电一体化的智能化应用 目前机电一体化的智能化应用已成为趋势, 智能机器人和数控机床就是例子。智能机器 人是通过视觉、触觉和听觉等各类传感器检测工作状态, 根据实际变化过程反馈信息并做出 判断与决定。数控机床的智能化体现在各类传感器对切削加工前后和加工过程中的各种参数 进行监测, 并通过计算机系统做出判断, 自动对异常现象进行调整与补偿, 以保证加工过程 的顺利进行, 并保证加工出合格的产品。 执行器 广义对象 12 3.2.1 国内外数控机床的发展状况国内外数控机床的发展状况 在现代制造系统中, 各发达国家提出了新的模式, 他们认为: 数控技术是关键技术, 它集 微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体。它具有高精度、高效 率、柔性自动化等特点, 对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。 目前, 在集成化基础上, 数控系统实现了超薄型、超小型化; 在智能化基础上, 综合了计算 机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术。数控系统实现了高速、高精、高效控制, 加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数, 实现了在线诊断和智能化故障处理。 长期以来, 我国的数控系统仍为传统的封闭式体系结构, 加工过程变量根据经验以固定参 数形式事先设定, 加工程序在实际加工前用手工方式或自动编程系统进行编制。在复杂环境 以及多变条件下, 加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切 削深度、步长、加工余量等加工参数, 无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态 调整, 影响工作效率和产品加工质量。因此, 对数控技术实行变革势在必行。 3.2.2 数控机床的智能化数控机床的智能化 在数控机床中得到广泛应用的数控技术, 是一种采用计算机对机械加工过程中各种控制 信息进行数字化运算、处理, 并通过高性能的驱动单元对机械执行构件进行自动化控制的高 新技术。当前已有大量机械加工装备采用了数控技术, 其中最典型而应用面最广的是数控机 床。由于机械加工工艺的多样性和加工零件的复杂性, 使数控机床的规格、品种多样, 性能 差异极大, 控制参数复杂, 调试操作繁琐, 因此, 在将不断飞速发展的通用计算机技术及其 体系结构、现代自动控制理论及现代的电力电子技术应用于新一代数控机床时, 我们希望它 能够实现智能化。 所谓智能化数控系统, 是指具有模拟人智能的特征, 在数控系统中具有模拟、延伸、扩 展的智能行为的知识处理动能, 如自学习、自适应、自组织、自寻优、自镇定、自识别、自 规划、自修复、自繁殖等。智能数控系统可以对影响加工精度和效率的物理量进行检测、建 模、提取特征、自动感知加工系统的内部状态及外部环境, 快速做出实现最佳目标的智能决 策, 对进给速度、切削深度、坐标移动、主轴转速等工艺参数进行实时控制, 使机床的加工 过程处于最佳状态。当前数控系统所需要的功能将不只是高的性能( 高速、高精度、高可靠 性) , 而且还包括许多智能 功能, 如加工运动规划、推理、决策能力以及加工环境的感知能力、制造网络通信能力( 包 括与人的交互) 、智能编程、智能数据库、智能监控等。 实践证明, 上述的“智能化”技术, 在 21 世纪还要应用于新一代数控机床的调整、使 用与维修等各个环节, 使人工参与大为简化, 要应用“智能化”技术, 对人机界面进行包装, 要充分利用自然语言、视窗界面和简单化的人工运作, 使机床的调整、使用与维修趋于现代 化。 综上所述, 智能化是机电一体化技术与传统机械自动化技术的主要区别之一, 也是 21 世纪机电一体化技术发展的主要方向, 必将会为系统科学的研究提供新的思路 13 第 4 章 探索 plc 在机电一体化中的重要作用 可编程序控制器(programmable log controller)简称 plc，是采用微电脑技术制造的通用 自动控制设备。它是一种带有指令存储器、数字或模拟的输入输出接口，以运算为主能完成 逻辑顺序、定时、计数和算术运算等功能，用以机器或生产过程自动控制和监视的装置。它 以优越的功能，良好的控制精度和高可靠性，在工业自动化控制中独领风骚。程序控制技术 是工业自动化中重要的基础技术。plc 既能控制开关量，也能控制模拟量，用于替代继电器 控制逻辑、二极管矩阵逻辑以及便于接线的数字逻辑。由于 plc 是专门为工业自动化控制设 计的一种工业用微电脑，所以在工业自动化控制中，plc 比单板机、微型计算机的使用更可 靠。 4.1.plc 的主要功能及技术指标 plc 是控制技术和计算机技术的结晶，但是对于熟悉机电控制技术的工程人员来说，在 使用 plc 时没有必要完全了解计算机的深层次技术问题，只需要把 plc 看作机电控制技术人 员熟悉的继电器计时器和计数器的集合即可，所以 plc 的实际使用简单方便，适应普通的机 电控制技术人员。 1plc 的主要功能 plc 的主要功能有：条件控制。plc 具有逻辑运算功能，它设置了 与(and)、或(or)、非(not)等逻辑运算指令，能处理继电器接点的串联、并联、串并联以及 并串联等各种连接；限时控制。plc 具有定时控制功能，它可以提供若干个定时器，并设 置了定时指令，调用修改灵活方便；计数控制。plc 具有计数控制功能，它可以提供若干 个计数器，设置了计数指令，计数器的计数值可以在运行时读出，也可以在运行时修改； 步进控制。 plc 具有步进控制功能，可以在一道工序完成后，再进行下一步工序，并且设置了移位 寄存器；模数和数模转换功能。有些 plc 具有模数和数模转换功能，能完成对模拟量的控 制和调节；通信和联网。有些 plc 采用了通信技术，可以进行远程的 i0 控制，即 plc 之 间同位链接或由一台计算机和若干台 plc 构成集中管理，分散控制的分布式控制网络。 2plc 的主要技术指标单台 plc 可控制成千上万个点，多台 plc 的同位链接可控制更多 个点，平均每个点的处理速度从 10 s 一 1 8，编程容量从几 k 字节上百 k 字节，平均无故 障时间为 3105h 而且编程语言是电气控制技术人员熟悉的梯形图语言，还配置了较强的监 控功能，它能记忆某些异常情况，在发生异常情况时自动终止运行。在控制系统中，操作人 员通过监控命令可以监视有关部分的运行状态，随时调整定时、计数等设定值，为调试和维 护提供了较强的手段。 4.2.plc 与继电器控制逻辑的比较 继电器控制逻辑自 2o 世纪 20 年代问世以来一直是机电顺序控制的主流，由于它的结构 简单，使用方便，价格低廉，所以使用范围甚广。其缺点是动作速度慢，可靠性差，采用微 电脑技术的 plc 的出现，使得继电器控制逻辑更加逊色，比较如下： 14 1控制逻辑继电器控制采用硬接线逻辑，它利用继电器接点的串连、并联，利用延时继 电器的滞后动作组合成控制逻辑，连线复杂，体积大，功耗也大，当一个控制系统研制成功 以后，要想再做修改就困难了。这是因为任何控制逻辑的修改都随着现场连线的改动而改动， 特别是想增加一些控制逻辑时就更加困难了。 因此，继电器控制逻辑的灵活性和扩展性较差。而 plc 采用存储逻辑，除了输入输出端 以外不与现场连接，控制逻辑以程序的方式存储在 plc 的内存当中，控制逻辑复杂则程序就 会长一一些，因此连线少体积小，plc 是由大、中规模集成电路组装而成的，功耗也小。由 于控制逻辑只与程序有关，当需要对控制逻辑进行修改时，只要修改程序就行了，而不需要 修改连线，因此灵活性和扩展性强。 2控制速度继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作来实现的，工作频率低，触点的开闭 动作一般在几十毫秒数量级。而且使用的继电器越多，反应速度越慢，还容易出现触点抖动 问题。而 plc 是由程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度相当快，一般一条用户指令 的执行时间在微秒数量级，由于 plc 内部有严格的同步，不会出现抖动问题。 3限时控制继电器控制逻辑利用时间继电器的滞后动作进行限时控制，时间继电器一般 分为空气阻尼式，电磁式等，还有半导体时间继电器，用时间继电器实现定时控制会出现定 时的精度不够，定时时间易受环境变化的影响和时间调整困难等问题。有些特殊的时间继电 器结构复杂、维护不便。而 plc 使用半导体集成电路作为定时器，时基脉冲由晶体振荡器产 生精度相当高，定时器的定时范围一般在 01 秒至若干秒、若干分甚至更长。定时值可根据 实际需要在程序中设定，定时精度小于 10ms，定时时间不受环境的影响，一旦调好，不会改 变。plc 还能完成计数功能，而继电器控制逻辑一般没有计数功能。 4可靠性和可维护性继电器控制逻辑使用了大置的机械触点，连线多，触点在开闭时会 受到电弧的损坏，寿命短，因此可靠性和可维护性差。而 plc 采用微电子技术，大量的开关 动作由无触点的半导体电路完成，体积小，功耗小，寿命长，可靠性高。plc 还配备了自检 和监控功能，能检查出自身故障，并随时显示出来还能动态地监视控制程序的执行情况，为 现场调试和维护提供了方便。 5逻辑电路的设计和完成使用继电器控制逻辑完成一项控制工程，设计、施工、调试必 须顺序进行，周期长，而且修改困难。 控制逻辑越复杂，这一缺点就越突出。而 plc 完成一项控制工程，在系统设计完成以后， 现场电路连接和逻辑的设计(包括继电器梯形图和程序设计)可以同时进行，周期短，调试和 修改都很方便。 4.3.plc 与单板机比较 1不如 plc 容易掌握使用单板机来实现自动控制，一般要使用微处理机的机器指令进行 编程。这就要求设计者具有一定的计算机硬件和软件知识，对于那些只熟悉机电控制的技术 人员来说，需要进行相当一段时间的系统学习才能掌握。而 plc 虽然是微电脑系统。由 cpu、rom、ram 固件和 i0 接口等构成，但它提供给使用者的却是电气控制技术人员所熟悉 的梯形图语言，使用的术语仍然是继电器这一技术术语，大部分指令与继电器接点的串联、 并联、串并联、并串联等相对应，这就使得那些熟悉机电控制的工程技术人员一目了然，对 于使用者来说，不必去关心微电脑的一些深层次技术问题，而只要用较短的时间去熟悉 plc 的指令系统及操作方法即可。 15 2不如 plc 使用简单使用单板机来实现自动控制，一般要在输入输出接口上做大量的工 作，如要考虑工程现场与单板机的连接，输出驱动，接口的扩展，接口的工作方式等，除了 要进行控制程序的设计，还要在单板机的外围进行很多的硬件和软件的工作才能与控制现场 连接起来，调试也比较繁琐。而 plc 的输入输出接口已经做好，输人接口可以与无电压开关 直接连接，非常方便，输出接口具有一定的驱动能力，如用继电器输出，输出的触点容量可 达 220v、2a，能适应一般的控制要求，而且在输入接口有光电耦合环节，使现场的干扰信号 不容易进人 plc。 3不如 plc 可靠使用单板机进行工业自动控制，最突出的问题是抗干扰性能差，工作环 境条件要求高。而 plc 是专门用于工业自动化控制的，在设计和制造过程中采用了抗干扰措 施，稳定性和可靠性高。如 plc 具有较强的自诊断功能，保证在硬件(如 cpu、ram、io 总 线等)都正常的情况下才执行控制程序，一旦出现硬件故障则立即给出信号，并停止控制程序 的执行，等待修复。有些高档的 plc 具有 cpu 并行操作，一旦某个 cpu 出现故障，系统仍能 正常工作并给出带病工作信号，要求修复出现故障的 cpu，这就更增加了 plc 的可靠性。从 以上的比较可以看出，plc 是一种用于工业自动化控制的微电脑，具有结构简单，抗干扰能 力强，环境适应范围广，控制可靠性高，易于学习和掌握，控制逻辑修改容易，调试方便等 优点，它在现代机电技术一体化中占有重要的地位和作用。 第第 5 5 章章 计算机以及机电一体化技术的整合计算机以及机电一体化技术的整合 5.1.机电一体化与计算机整合的必然性 20 世纪 6o 年代，以微电子技术为主导，自动化技术、信息技术、生物技术、新材料技 术、新能源技术、激光与红外技术等高新技术逐步形成，引发了第四次技术革命。在这场新 技术革命的冲击下，作为传统产业之一的机械工业的产品结构和生产系统结构发生了质的飞 跃。通过微电子技术、计算机技术等信息技术与机械装置和动力设备有机结合，一方面极大 的提高了机电产品性能和竞争性；另一方面又极大的提高了生产系统的生产效率和企业的竞 争能力，促使机械工业开始了一场大规模的技术革命，产生了机电一体化技术。 20 世纪 90 年代国际机器与机构理论联合会 rilleinternafionm federation for the theory of machines and mechanism一 mm)成立了机电一体化技术委员会(technical committee onmechatronics)，它给出的定义是：机电一体化是精密机械工程、电子控制和系 统思想在产品设计和制造过程中的协同结合。 1996 年 3 月国际电气与电子工程师学会(ieee)与美国机械工程师学会(asme)联合创刊的 机电一体化学报)(ieeeasmetransactions on mechatronics)，在第一卷 1 期编者的话中， 将机电一体化定义为：在工业产品和过程的设计与制造中，机械工程与电子和智能计算机控 制的协同整合。 我们从中可以看到机电一体化技术是多种技术融合的产物。它是在信息论、控制论和系 统论的基础上，在计算机、传感器和软件技术三者的支撑下发展起来的。实际上，机电一体 16 化技术己经不仅仅局限于机械与电子技术的有机结合，而是融合检测传感技术、信息处理技 术、自动控制技术、伺服驱动技术、精密机械技术、计算机技术和系统总体技术等多种技术 于一体的交叉学科与综合技术。其中，信息处理技术是机电一体化技术中必不可少的部分， 以微电子技术和计算机技术为龙头的信息处理技术是使机电一体化产品具有自动化、数字化 和智能化的关键所在。 5.2 计算机技术对机电一体化发展的推动过程 纵观机电一体化技术的发展历程可以发现，它是一个以机电整合为主，同时综合整合其 他各类学科技术的过程，尤其是以计算机技术为代表的信息技术极大的促进了机电一体化的 发展。可以说，机电一体化的发展过程正是与计算机技术整合的过程。 机电一体化技术的发展历程，大体上可以分为三个阶段： 20 世纪 60 年代以前为第一阶段，称其为萌芽阶段。在这一时期，人们自觉或不自觉的 利用电子技术的初步成果来代替机械产品的性能。特别是在二次世界大战期间，战争刺激了 机械产品与电子技术的结合，出现了许多性能相当优良的军事用途的机电产品。这些机电结 合的军用技术，在战后转为民用，对经济的恢复和技术的进步起到了积极的作用。 20 世纪 70 年代到 80 年代为第二阶段。称其为蓬勃发展阶段。在这一时期，人们自觉地、 主动地利用 3c 技术的巨大成果创造新的机电一体化产品。在这一阶段，应该特别指出的是， 日本在推动机电一体化技术的发展方面起了主导作用。日本政府于 1971 年 3 月颁布了特定 电子工业和特定机械工业振兴临时措施法 ，要求企业界应特别注意促进为机械配备电子计算 机和其他电子设备，从而实现控制的自动化和机械产品的其他功能。这就是日本政府在机械 产品中贯彻精益求精思想的檄文。显然，这里有其商业意图。但是，日本的企业界为了生存， 竭尽全力实施了政府的这一法规。经过短短几年的努力，出现了日本经济奇迹。这是大家都 知道的事实。因而，机电一体化一词由日本人创造也就不足为奇了。 从 20 世纪 90 年代后期开始为第三阶段，称其为智能化阶段，机电一体化技术向智能化 新阶段迈进。由于人工智能技术及网络技术等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟 了广阔的发展天地。大量的智能化机械产品不断涌现。现在，模糊控制技术已经相当普遍， 甚至还出现了混沌控制的产品。可以说，以智能化为内核可以称作机电一体化在 2l 世纪最突 出的特征。 5.3 计算机与机电一体化技术整合的表现 纵观机电一体化的发展过程可以发现，它是同时综合整合其他各类学科技术的过程。计 算机技术为代表的信息技术极大地促进了机电体化。 早