机电一体化技术的应用研究毕业论文.doc
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1、摘 要 随着科学技术日益走向整体化、交叉化和数字化以及微电子技术信息技术的迅速发展, 机电一体化技术的应用也越来越广泛。机电一体化技术是跨学科技术,其发展趋势是光机电 一体化、柔性化、智能化、仿生物系统化、微型化。其产品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。 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
2、段。 关键词关键词 :机电一体化技术;发展趋势;产品功能;协调和综合 目 录 第一章 机电一体化的基本概念 .1 1.1 基本概念 1 1.2 机电产品的优越性 1 1.3 机电产品的分类 2 第二章 机电化产品的构成及特点 .4 第三章 机电一体化技术的发展趋势 .5 3.1 机电一体化技术的发展历程 5 3.2 机电一体化技术的发展方向 5 3.3 机电一体化技术的应用 6 3.4 机电一体化产品的发展趋势 7 3.5 典型机电一体化产品的发展趋势 9 第四章 我国机电产品概况 11 4.1 缺乏核心技术 .11 4.2 技术壁垒是新拦路虎 .11 4.3 升值对出口企业的影响 .12 4
3、.4 缺乏专业信息平台 .12 4.5 我国技术法规体系 .12 第五章 总结 14 参考文献 15 谢辞 16 1 第一章 机电一体化的基本概念 1.1 基本概念 机电一体化又称机械电子学,英语称为 Mechatronics,它是由英文机械学 Mechanics 的前半部分与电子学 Electronics 的后半部分组合而成。机电一体化最早出现 在 1971 年日本杂志机械设计的副刊上,随着机电一体化技术的快速发展,机电一体 化的概念被我们广泛接受和普遍应用。随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用,机电一体 化技术获得前所未有的发展。现在的机电一体化技术,是机械和微电子技术紧密集合的 一门技术,
4、他的发展使冷冰冰的机器有了人性化,智能化。机电一体化是在以机械、电 子技术和计算机科学为主的多门学科相互渗透、相互结合过程中逐渐形成和发展起来的 一门新兴边缘技术学科,而机电一体化产品是在机械产品的基础上,采用微电子技术和 计算机技术生产出来的新一代产品。机电一体化技术同时也是工程领域不同种类技术的 综合及集合,它是建立在机械技术、微电子技术、计算机和信息处理技术、自动控制技 术、电力电子技术、伺服驱动技术以及系统总体技术基础之上的一种高新技术。 1.2 机电产品的优越性 与传统的机电产品相比,机电一体化产品具有下述优越性: 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
5、、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性。 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
6、 倍。 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 2 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。 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
7、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。 5.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
8、 中出现的故障自动采取措施,使工作恢复正常。 1.3 机电产品的分类 机电一体化技术和产品的应用范围非常广泛,涉及到工业生产过程的所有领域,因 此,机电一体化产品的种类很多,而且还在不断地增加。按照机电一体化产品的功能, 可以将其分成下述几类: 1. 数控机械类 主要产品包括数控机床、机器人、发动机控制系统以及全自动洗衣机等。这类产品 的特点是执行机构为机械装置。 2. 电子设备类 主要产品包括电火花加工机床、线切割机、超声波加工机以及激光测量仪等。这类 产品的特点是执行机构为电子装置。 3.机电结合类 产品包括自动探伤机、形状自动识别装置、CT 扫描诊断机以及自动售货机等。这类 产品的特点是
9、执行机构为电子装置和机械装置的有机结合。 4.电液伺服类 主要产品为机电液一体化的伺服装置, 如电子伺服万能材料试验机。这类产品的特 点是执行机构为液压驱动的机械装置,控制机构是接受电信号的液压伺服阀。 5.信息控制类 包括传真机、磁盘存储器、磁带录像机、录音机、复印机等。这类产品的主要特点 3 是执行机构的动作由所接收的信息类信号来控制。除此之外,机电一体化产品还可根据 机电技术的结合程度分为功能附加型、功能替代型和机电融合型三类。 4 第二章 机电化产品的构成及特点 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
10、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。 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。 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.传感与检测系统 传感器的作
11、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。 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。 5.执行机构 执行机构在控制信
12、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。 5 第三章 机电一体化技术的发展趋势 机电一体化技术是面向应用的跨学科的技术,它是机械技术、微电子技术、信息技 术和
13、控制技术等有机融合、相互渗透的结果。今天机电一体化技术发展飞速,机电一体 化产品更新日新月异。 3.1 机电一体化技术的发展历程 “机电一体化”这个词是日本安川电机公司在上世纪 60 年代末作商业注册时最先创 用的。当时及 70 年代,人们一直把机电一体化看作是机械与电子的结合。国内早期将 “机电一体化技术”与“机械电子学”并用,近年来“机电一体化”更流行使用。 80 年代,信息技术崭露头角。微处理机的性能提高,为更高级的机电一体化产品所 采用,典型的机电一体化产品如数控机床、工业机器人和汽车的电子控制系统等。微机 作为关键技术引入了飞行器系统后,使机械电子系统在高度控制、排气控制、振动控 制
14、和保险气袋等方面获得广泛应用。 信息技术驱使机械系统在不同程度上利用数据库,连洗衣机和其他消费品也用上了 数据库驱动系统。这样,对机电一体化的系统设计方法的探索、成型和系统集成以及并 行工程设计和控制的实施日显重要。此外,光学也进入了机电一体化,产生了“光机电 一体化”的新领域。 进入 90 年代,通信技术进入了机电一体化,机器可像机器人系统那样遥控和虚拟现 实多媒体等技术紧密联系的计算机控制的网络化机电一体化日益普及。有些机电一体化 机械可两用,有的在性能上更是多用途的,尤其是微传感器和执行器技术的发展,和半 导体技术以光刻为基础的方法以及和传统机电一体化微型化方法的结合,开创了以精密 工程
15、和系统集成为特点的机电一体化新分支“微机电一体化” 。虽然微加工方法尚未成熟, 但将逐渐成为集成控制系统的一个组成部分。之后,机电一体化随着自动化技术的发展 而日益发展,稳步进入了 21 世纪。 3.2 机电一体化技术的发展方向 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
16、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。 6 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(柔性) ,又不因某一子系统的故障而 影响整个系统。 3.智能化方向 今后的机电一体化产品“全息”特征越来越明显,智能化水
17、平越来越高。这主要得 益于模糊技术与信息技术(尤其是软件及芯片技术)的发展。 4.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(工作)时却是稳定的。这有点类似于活的生物: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。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。 5.微型化方向 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。当这一成果用于实际产品时,就没有必要再区分机械部分和控制器部分了。那 时,机械和
18、电子完全可以“融合”机体,执行结构、传感器、CPU 等可集成在一起,体积 很小,并组成一种自律元件。这种微型化是机电一体化的重要发展方向。 3.3 机电一体化技术的应用 1. 在现代机械制造业中的应用 传统机械制造业是建立在规模经济的基础上,靠企业规模、生产批量、产品结构和 重复性来获得竞争优势的,它强调资源的有效利用,以低成本获得高质量和高效率,其 生产盈利是靠机器取代人力,靠复杂的专业加工取代人的技能来获取的。先进的机械制 造业是以信息为主导,采用先进生产模式、先进制造系统、先进制造技术和先进组织管 理形式的全新的机械制造业,其特征是全球化、网络化、虚拟化、智能化以及环保协调 的绿色制造。
19、现代制造业集成了现代科学技术的发展,充分利用电子计算机技术,使制 造技术提高到新的高度。近年来,制造工程领域的新技术相继诞生,如计算机数字控制、 现代集成制造系统、柔性制造技术、敏捷制造、虚拟制造、并行工程等。 2. 在饮料行业中的应用 机电一体化技术是当今发展最快、应用前景最为广泛的技术之一。机电一体化技术 7 在食品、饮料包装机械的开发、设计和制造过程中的应用。不仅使单机的自动化程度大 大提高,而且使整条包装生产线的自动化控制水平、生产能力得到很大提高,使其竞争 能力远远超过传统的机械控制的同类设备。可以大大改善食品饮料包装生产设备产品的 质量,提高其国内、国际竞争能力。 3. 在钢铁企业
20、中的应用 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。 现场总线技术(FBT) 现场总线技术是连接设置在现场的仪表与设置在控制室内的 控制设备之间的数字式、双向、多站通信链路。采用现场总线技术取代现行的信号传输 技术就能使更多的信息在智能化现场仪表装置与更高一级的控制系统之间在共同的通信 媒体上进行双向传送。 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
21、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。 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。 分布式控制系统(DCS) 分布式控制系统采用一台中央计算机指挥若干台面向控制 的现场测控计算机和智能控制单元。利用计算机对生
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