机械制造及自动化专业机电一体化技术的未来发展趋势深析

1、合 肥 通 用 职 业 技 术 学 院毕 业 设 计 论 文题 目： 机电一体化技术的未来发展趋势深析 系 别： 机 械 工 程 系 专 业： 机 械 制 造 与 自 动 化 学 制： 三 年 姓 名： 王 伟 学 号： 29100147 指导教师： 张 文 群 二零一三 年五月四日指导教师评语及成绩：指导教师： 2013年 月 日摘要 机电一体化是一项将系统技术、计算机信息处理技术、伺服传动技术、自动控制技术、检测传感技术和机械技术等多项技术相互结合的系统工程。本文首先回顾了机电一体化技术的发展历程，明确了机电一体化技术对于机械制造业的整体行业发展所拥有的重要影响，并阐明了机电一体化技术在未

2、来社会朝着智能化、系统化以及轻量、微型化的方向发展。关键词： 智能 机电一体化 先进制造技术 机械设计 计算模式目录摘要1第1章机电一体化技术发展历程31.1 机电一体化 的发展历程31.1.1初级阶段31.1.2蓬勃发展阶段31.1.2深入发展时期3第2章机电一体化技术的主要应用领域52.1 数控机床52.2计算机集成制造系统（cims）52.3柔性制造系统（fms）52.4工业机器人6第3章 机电一体化产品的构成及优势73.1机电一体化产品的构成73.1.1机械系统73.1.2动力系统73.1.3传感与检测系统73.1.4信息处理及控制系统83.1.5执行机构83.2机电一体化产品的优势8

3、3.2.1使用安全性和可靠性提高83.2.2生产能力和工作质量提高83.2.3使用性能改善93.2.4具有复合功能并且适用面广93.2.5调整和维护方便9第4章 机电一体化技术的发展前景10 4.1光机电一体化10 4.2 自律分配系统化10 4.3 全息系统化10 4.4 生物软件化11 4.5 微型机电化11 4.6 网络化11 4.7 虚拟化11 4.8自动化12 4.9智能化12 4.10敏捷化12 4.11 绿色化12参考文献14第1章机电一体化技术发展历程 1.1 机电一体化 的发展历程机电一体化的发展大体可以分为三个阶段:1.1.1初级阶段20世纪60年代以前为第一阶段,这一阶段

4、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。 1.1.2蓬勃发展阶段 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

5、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。1.1.2深入发展时期 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

6、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。 第2章机电一体化技术的主要应用领域 2.1 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：（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，并引入在线诊断、模

7、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，加上专用芯片及模板组成结构紧凑的数控装置。2.2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，以制造为基干来控制“物流”和“信流”，实现从经营决策、产品

8、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。2.3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。2.4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

9、对象的简单信息，通过计算机处理，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3章 机电一体化产品的构成及优势3.1机电一体化产品的构成机电一体化产品的功能是通过其内部各组成部分功能的协调和综合来共同实现的。从其结构来看，机电一体化产品具有自动化、智能化和多功能的特性，而实现这种多功能一般需要机电一体化产品具备五种内部功能，即主功能、动力功能、检测功能、控制功能和执行功能，而实现这些功能的各个组成部分及其技术就构成了机电一体化产品的总体或系统。

10、 3.1.1机械系统 机电一体化产品的机械系统包括机身、框架、机械传动和联接等机械部分。这部分是实现产品功能的基础， 因此对机械结构提出了更高的要求， 需在结构、材料、工艺加工及几何尺寸等方面满足机电一体化产品高效、多功能、可靠、节能和小型轻量等要求。 3.1.2动力系统 动力系统为机电一体化产品提供能量和动力功能，去驱动执行机构工作以完成预定的主功能。动力系统包括电、液、气等动力源。机电一体化产品以电能利用为主，包括电源、电动机及驱动电路等。 3.1.3传感与检测系统 传感器的作用是将机电一体化产品在运行过程中所需要的自身和外界环境的各种参数转换成可以测定的物理量，同时利用检测系统的功能对这

11、些物理量进行测定，为机电一体化产品提供运行控制所需的各种信息。传感与检测系统的功能一般由测量仪器或仪表来实现，对其要求是体积小、便于安装与联接、检测精度高、抗干扰等。 3.1.4信息处理及控制系统 根据机电一体化产品的功能和性能要求，信息处理及控制系统接收传感与检测系统反馈的信息，并对其进行相应的处理、运算和决策，以对产品的运行施以按照要求的控制，实现控制功能。机电一体化产品中，信息处理及控制系统主要是由计算机的软件和硬件以及相应的接口所组成。3.1.5执行机构 执行机构在控制信息的作用下完成要求的动作，实现产品的主功能。机电一体化产品的执行机构一般是运动部件，常采用机械、电液、气动等机构。执

12、行机构因机电一体化产品的种类和作业对象不同而有较大的差异。执行机构是实现产品目的功能的直接执行者，其性能好坏决定着整个产品的性能，因而是机电一体化产品中最重要的组成部分。机电一体化产品的五个组成部分在工作时相互协调，共同完成所规定的目的功能。在结构上，各组成部分通过各种接口及其相应的软件有机地结合在一起，构成一个内部匹配合理、外部效能最佳的完整产品。3.2机电一体化产品的优势3.2.1使用安全性和可靠性提高 机电一体化产品一般都具有自动监视、报警、自动诊断、自动保护等功能。在工作过程中，遇到过载、过压、过流、短路等电力故障时，能自动采取保护措施，避免和减少人身和设备事故，显著提高设备的使用安全

13、性。 3.2.2生产能力和工作质量提高 机电一体化产品大都具有信息自动处理和自动控制功能，其控制和检测的灵敏度、精度以及范围都有很大程度的提高，通过自动控制系统可精确地保证机械的执行机构按照设计的要求完成预定的动作，使之不受机械操作者主观因素的影响，从而实现最佳操作，保证最佳的工作质量和产品的合格率。同时，由于机电一体化产品实现了工作的自动化，使得生产能力大大提高。例如，数控机床对工件的加工稳定性大大提高，生产效率比普通机床提高5 6 倍。 3.2.3使用性能改善 机电一体化产品普遍采用程序控制和数字显示，操作按钮和手柄数量显著减少，使得操作大大简化并且方便、简单。机电一体化产品的工作过程根据

14、预设的程序逐步由电子控制系统指挥实现，系统可重复实现全部动作。高级的机电一体化产品可通过被控对象的数学模型以及外界参数的变化随机自寻最佳工作程序，实现自动最优化操作。 3.2.4具有复合功能并且适用面广 机电一体化产品跳出了机电产品的单技术和单功能限制，具有复合技术和复合功能，使产品的功能水平和自动化程度大大提高。机电一体化产品一般具有自动化控制、自动补偿、自动校验、自动调节、自动保护和智能化等多种功能，能应用于不同的场合和不同领域，满足用户需求的应变能力较强。例如，电子式空气断路器具有保护特性可调、选择性脱扣、正常通过电流与脱扣时电流的测量、显示和故障自动诊断等功能，使其应用范围大为扩大。

15、3.2.5调整和维护方便 机电一体化产品在安装调试时，可通过改变控制程序来实现工作方式的改变，以适应不同用户对象的需要以及现场参数变化的需要。这些控制程序可通过多种手段输入到机电一体化产品的控制系统中，而不需要改变产品中的任何部件或零件。对于具有存储功能的机电一体化产品，可以事先存入若干套不同的执行程序，然后根据不同的工作对象，只需给定一个代码信号输入，即可按指定的预定程序进行自动工作。机电一体化产品的自动化检验和自动监视功能可对工作过程中出现的故障自动采取措施，使工作恢复正常。 第4章 机电一体化技术的发展前景 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

16、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：4.1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 光机电一体化 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势。4.2 自律分配系统化 未来的机电一体化产品，控制和执行系统有柔性化。 柔性化足够的“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”。在自律分配系统中，各个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

17、据不同的环境条件作出不同反应。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，具体“行动”是可以 改变的。这样，既明显地增加了系统的适应能力（柔性），又不因某一子系统的故障而影响整个系统。4.3 全息系统化 今后的机电一体化产品“全息”特征越来越明显，智能化智能化水平越来越高。这主要收益于模糊技术、信息技术（尤其是软件及芯片技 术）的发展。除此之外，其系统的层次结构，也变简单的“从上到下”的形势而为复杂的、有较多冗余度的双向联系。4.4 生物软件化 今后的机电一体化装置对信息的依赖性很大，并且往往在结构上是处于“静态”时不稳定，但在动态（工作）时却是稳定的。这有点类似于活的生物：

18、当控制系统（大脑）停止工作时，生物便“死亡”，而当控制系统（大脑）工作时，生物就很有活力。仿生学研究领域中已发现的一 些生物体优良的机构可为机电一体化产品提供新型机体，但如何使这些新型机体 具有活的“生命”还有待于深入研究。这一研究领域称为“生物软件”或“生物 系统”，而生物的特点是硬件（肌体）软件（大脑）一体，不可分割。看来，机电一体化产品虽然有向生物系统化发展趋，但有一段漫长的道路要走。4.5 微型机电化 目前，利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术，微型化在实验室中已制造出亚微米级的机械元件。当将这一成果用于实际产品时，就没 有必要区分机械部分和控制器了。届时机械和电子完全可以“融合”，机体

19、、执行 机构、传感器、cpu 等可集成在一起，体积很小，并组成一种自律元件。4.6 网络化 网络通讯技术的迅速发展和普及，给企业的生产和经营活动带来了革命性的变革。产品设计、物料选择、零件制造、市场开拓与产品销售都 可以异地或跨越国界进行。此外，网络通讯技术的快速发展，加速技术信息的交 流、加强产品开发的合作和经营管理的学习，推动了企业向着既竞争又合作的方向发展。4.7 虚拟化 制造过程中的虚拟技术是指面向产品生产过程的模拟和检验。检验产品的可加工性、加工方法和工艺的合理性，以优化产品的制造工艺、 保证产品质量、生产周期和最低成本为目标，进行生产过程计划、组织管理、车间调度、供应链及物流设计的

20、建模和仿真。虚拟化的核心是计算机仿真，通过仿 真软件来模拟真实系统，以保证产品设计和产品工艺的合理性，保证产品制造的 成功和生产周期，发现设计、生产中不可避免的缺陷和错误。4.8自动化 自动化是一个动态概念，目前它的研究主要表现在制造系统 中的集成技术和系统技术、人机一体化制造系统、制造单元技术、制造过程的计 划和调度、柔性制造技术和适应现化生产模式的制造环境等方面。4.9智能化 智能制造系统可被理解为由智能机械和人类专家共同组成 智能化的人机一体化智能系统，该系统在制造过程中能进行智能活动，如分析、推理、 判断、构思、决策等。在智能系统中，“智能”主要体现在系统具有极好的“软” 特性。在设计和制造过程中，采用模块化方法，使之具有较大的柔性；对于人，智能制造强调安全性和友好性；对于环境，要求作到无污染，省能源和资源充分回收；对于社会，提倡合理协作与竞争。4.10敏捷化 敏捷制造是以竞争力和信誉度为基础，选择合作者组成虚拟公司，分工合作，为同一目标共同努力来增强整体竞争能力，对用户需求做 出快速反应，以满足用户的需要。为了达到快速应变能力，虚拟企业的建立是关键技术，其核心是虚拟制造技术，即敏捷制造是以虚拟制造技术为基础的。4.11 绿色化绿色制造则通过绿色生产过程 、绿色设计、绿色材料