机电一体化技术发展历程及应用(毕业论文)abqh.docx

扬州高等职业技术学校毕业论文课题名称：机电一体化发展历程及应用 专 业 系: 数控技术与应用 班 级: 0709 姓 名: 陈伟伟 指 导 教师: 刘玲 完 成 日期: 2012-04-15目录摘要.3关键词.3第一章 绪论.3第二章 机电一体化技术概要.42.1 什么是机电一体化技术.42.2 机电一体化技术发展历程42.3 机电一体化技术发展前景.5第三章 机电一体化技术的主要应用领域.63.1 数控机床.73.2 计算机集成制造系统.73.3 柔性制造系统.73.4 工业机器人.7第四章 机电一体化技术的应用.74.1 数控技术.74.2 钢铁企业中应用.9结束语.11参考文献.12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，导致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。关键词：发展 历程 应用第一章 绪论 进入80年代以来，关于检点一体化技术的研究和应用已成为全球性的课题，可以说，从军事到经济、从生产到生活、从简单的日用消费品生产到复杂的社会生产和管理系统。机电一体化技术几乎达到无所不在、无孔不入的地步。然而，“什么是机电一体化？”，“机电一体化技术都包括哪些特征？”，“机电一体化技术在各应用领域中的发展状况如何？”等问题却很难令人回答。这一方面是因为机电一体化技术的研究不断向深度持续发展，所采用的技术手段越来越先进，无法通过定义来界定其发展潜力；另一方面是因为机电一体化技术的应用领域不断向深度扩展，也无法通过定义来界定其应用范围。 第二章 机电一体化技术概要2.1 什么是机电一体化技术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、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标和优化组织目标，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。2.2 机电一体化技术的发展历程自电子技术一问世，电子技术与机械技术的结合就开始了，只是出现了半导体集成电路，尤其是出现了以微处理器为代表的大规模集成电路以后，“机电一体化”技术之后有了明显进展，引起了人们的广泛注意。“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，如典型的汽车的电子遥控系统。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、震动控制和保险气袋等方面获得广泛应用。关于“机电一体化“这个名词的起源，说法很多。早在1971年，日本机械设计杂志副刊就提出了”mechatronics”这一名词，它是取“mechanics”(机械学)的前部分和”electronics”(电子学)的后部分组合而成，融合机械技术、电子技术、信息技术等多种技术为一体的新兴技术。采用机电一体化技术设计和制造出的产品，称之为机电一体化产品。从系统科学的观点来看，机电一体化产品又可称之为机电一体化系统，它是集机械元件和电子元件于一体的复合系统。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，与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。2.3 机电一体化技术应用前景机电一体化技术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。数字化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。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。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。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又前途的工作。如研制具有集减速、变频调速机电一体的动力驱动单元；如具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的机电一体控制单元等。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。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。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只能、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。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、卫星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。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和复合，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性的柔性。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。带源化是机电一体化产品的发展方向之一。绿色化为实现可持续发展，绿色产品概念应运而生。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境和人类健康的要求，产品寿命结束时，产品可分解和再生利用。第三章 机电一体化技术的主要应用领域3.1 数控机床（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）智能化设计。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；（4）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，并将都具破损检测、物料搬运、机械手等控制都集成到系统中去；（5）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。3.2 计算机集成制造系统计算机集成制造系统打破原有部门之间的界限，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。3.3 柔性制造系统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。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。3.4 工业机器人，目前，被广泛应用的为第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。第四章 机电一体化技术的应用4.1 数控技术数控机床电气控制系统综述：(1) 数据输入装置将指令信息和各种应用数据输入数控系统的必要装置。它可以是穿孔带阅读机，3.5in软盘驱动器，cnc键盘（一般输入操作），数控系统配备的硬盘及驱动装置（用于大量数据的存储保护）、磁带机、pc计算机等。(2) 数控系统数控机床的中枢，它将接到的全部功能指令进行解码、运算，然后有序地发出各种需要的运动指令和各种机床功能的控制指令，直至运动和功能结束。数控系统都有很完善的自诊断能力，日常使用中更多地是要注意严格按照规定操作，而日常的维护则主要是对硬件使用环境的保护和防止系统软件的破坏。(3) 可编程逻辑控制器是机床各项功能的逻辑控制中心。它将来自cnc的各种运动及功能指令进行逻辑排序，使它们能够准确地、协调有序地安全运行；同时将来自机床的各种信息及工作状态传送给cnc，使cnc能及时准确地发出进一步的控制指令，如此实现对整个机床的控制。(4) 主轴驱动系统接受来自cnc的驱动指令，经速度与转矩（功率）调节输出驱动信号驱动主电动机转动，同时接受速度反馈实施速度闭环控制。它还通过plc将主轴的各种现实工作状态通告cnc用以完成对主轴的各项功能控制。(5) 进给伺服系统接受来自cnc对每个运动坐标轴分别提供的速度指令，经速度与电流（转矩）调节输出驱动信号驱动伺服电机转动，实现机床坐标轴运动，同时接受速度反馈信号实施速度闭环控制。它也通过plc与cnc通信，通报现时工作状态并接受cnc的控制。(6) 电器硬件电路随着plc功能的不断强大，电器硬件电路主要任务是电源的生成与控制电路、隔离继电器部分及各类执行电器(继电器、接触器)，很少还有继电器逻辑电路的存在。(7) 机床（电器部分）包括所有的电动机、电磁阀、制动器、各种开关灯。它们是实现机床各种动作的执行者和机床各种现实的报告员。(8) 速度测量通常由集装于主轴和进给电动机中的测速机来完成。它将电动机实际转速匹配成电压值送回伺服驱动系统作为速度反馈信号，与指令速度电压值相比较，从而实现速度的精确控制。(9) 位置测量较早期的机床使用直线或圆形同步感应器或者旋转变压器，而现代机床多采用栅尺和数字脉冲编码器作为位置测量元件。它们对机床坐标轴在运行中的实际位置进行直接或间接的测量，将测量值反馈到cnc并与指令位移相比较直至坐标轴达到指令位置，从而实现对位置的精确控制。（10） 外部设备一般指pc计算机，打印机等输出设备，多数不属于机床的基本配置。使用中的主要问题与输入装置一样，是匹配问题。4.2 钢铁企业中应用（1）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。（2）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。分布式控制系统可以是两级的、三级的或更多级的。利用计算机对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制。随着测控技术的发展，分布式控制系统的功能越来越多。不仅可以实现生产过程控制，而且还可以实现在线最优化、生产过程实时调度、生产计划统计管理功能，成为一种测、控、管一体化的综合系统。dcs具有特定控制功能多样化、操作简便、系统可以扩展、维护方便、可靠性高等特点。dcs是监视集中控制分散，故障影响面小，而且系统具有联锁保护功能，采用了系统故障人工手动控制操作措施，使系统可靠性。分布式控制系统与集中型控制系统相比，其功能更强，具有更高的安全性，是当前大型机电一体化系统的主要潮流。（3）开放式控制系统（ocs）开放性控制系统（open control system）是目前计算机技术发展所引出的新的结构体系概念。“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、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。（4）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，用以实现从原理进厂，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。目前钢铁企业已基本实现了过程自动化，但这种“自动化孤岛”式的单机自动化缺乏信息资源的共享和生产过程的统一管理，难以适应现代钢铁生产的要求。未来钢铁企业竞争的焦点是多品种、小批量生产，质优价廉，及时交货。为了提高生产率、节能降耗、减少人员及现有库存，加速资金周转，实现生产、经营、管理整体优化，关键就是加强管理，获取必须的经济效益，提高了企业的竞争力。美国、日本等一些大型的钢铁企业在20世纪80年代已广泛实现cims化。（5）现场总线技术（fbt）现场总线技术（field bus technology）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（如420ma,dc直流传输）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。通过现场总线连接可省去66%或更多的现场信号连接导线。现场总线的引入导致dcs的变革和新一代围绕开放自动化系统的现场总线化仪表，如智能变送器、智能执行器、现场总线化检测仪表、现场总线化plc(programmable logic controller)和现场就地控制站等的发展。（6）交流传动技术传动技术在钢铁工业中起至关重要的作用。随着电力电子技术和微电子技术