机电一体化论文.doc

吉林大学远程教育 2011 届专科毕业设计（论文） 第 1 页 共 12 页 吉林大学远程教育 专专科科生生毕毕业业论论文文 （设设计计） 中中文文题题目目 机机电电一一体体化化技技术术现现状状和和发发展展趋趋势势 学学生生姓姓名名 朱朱洪洪波波 专专业业 机机电电一一体体化化 层层次次年年 级级 高高起起专专 学学号号 1 11 10 02 21 15 50 01 12 26 60 00 00 04 4 指指导导教教师师 张张世世玉玉 职职称称 助助 教教 学学习习 中中心心 长长 春春 商商 校校 成成绩绩 2012 年年 4 月月 25 日日 摘摘 要要 吉林大学远程教育 2011 届专科毕业设计（论文） 第 2 页 共 12 页 机电一体化是现代科学技术发展的必然结果。此简述机电一体 化技术的基本情况和发展背景,综述国内外机电一体化技术的现状,分 析机电一体化技术的发展趋势。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。 关键词关键词: 机电一体化 技术 现状 发展趋势 目目 录录 吉林大学远程教育 2011 届专科毕业设计（论文） 第 3 页 共 12 页 机电一体化技术现状和发展趋势机电一体化技术现状和发展趋势 .4 1 机电一体化概述4 2 机电一体化的发展状况5 3 国内机电一体化发展现状6 3.1 数控技术方面6 4 机电一体化的发展趋势6 4.1 智能化7 4.2 模块化7 4.3 网络化7 4.4 微型化7 4.5 环保化8 4.6 系统化8 4.7 绿色化8 4.8 带源化8 4.9智能化趋势.8 参考文献.10 致 谢11 机电一体化技术现状和发展趋势机电一体化技术现状和发展趋势 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 吉林大学远程教育 2011 届专科毕业设计（论文） 第 4 页 共 12 页 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。 机电一体化是一个新兴的边缘学科，正处于发展阶段，代表着机械工业技 术革命的发展方向。一般认为，机电一体化技术是一门跨学科的综合性高技术， 是由微电子技术、计算机技术、信息技术、机械技术及其他技术相融合而构成 的一门独立的交叉学科。美国 ieee/asme 曾于 1996 年给出了一个较为全面的 意义:我们对机电一体化初步定义为在工业产品和过程的设计和制造中，机械 工程和电子与智能计算机控制的协同集成，包括以下 11 个方面：（1）成型和 设计；（2）系统集成；（3）执行器和传感器；（4）智能控制；（5）机器人； （6）制造；（7）运动控制；（8）振动和噪声控制；（9）微器件和光电子系 统；（10）汽车系统；（11）其他应用。 目前，国际上普遍采用日本机械振兴协会的定义：“机电一体化是在机械的 主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与 电子装置用相关软件有机结合而构成的系统的总称，涉及机械制造技术、电子 技术、信息处理技术、测试和传感器技术、控制技术、接口技术、计算机技术、 伺服驱动等多种技术。机电一体化技术对现代工业的发展有巨大的推动力，因 此世界各国都在大力推广机电一体化技术。 1 机电一体化概述机电一体化概述 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。 吉林大学远程教育 2011 届专科毕业设计（论文） 第 5 页 共 12 页 2 机电一体化的发展状况机电一体化的发展状况 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 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。 机电一体化产品得以迅猛发展，主要表现在以下四个方面: （1）机电一体化产品几乎遍及所有制造业领域机电一体化产品几乎遍及所有制造业领域 在工业发达国家，数控机床占机床总数的 30%40%。工业机器人正向智 能化和智能系统的方向发展，数量在未来十年将以 25%30%的速度增长。智 能机器人将逐步进入办公、管理、娱乐、家庭等各个领域。 （2）机电一体化从单机向整个制造业的集成化过渡。 计算机集成制造系统(cims)是当今世界制造业发展的总趋势,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、生产准备、生产实验到生产经营管理的有机结合。cims 的实现是全局动 态的最优综合。 （3）激光技术进入机电一体化领域。 光机电一体化是激光技术与机械、电子技术相结合,不仅大大扩展了机电一 体化的应用领域,而且使一些行业出现重大变革，是当今信息业与制造业的最佳 结合点。 （4）微细加工技术与设备发展迅猛。 微电子技术及其产业的高速发展,带动了大量高新技术的兴起,微细加工技术 吉林大学远程教育 2011 届专科毕业设计（论文） 第 6 页 共 12 页 和装备不仅支持了电子产业的发展,而且对微机械的诞生和发展也起了决定性的 作用。 3 国内机电一体化发展现状国内机电一体化发展现状 我国从 20 世纪 80 年代初开始进行机电一体化的研究和应用，国务院成立 了机电一体化领导小组并将其列为“863 计划”。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。虽然目前国内机电一体化技术与日本、欧美等先进国家相比仍 有一定差距，但随着新技术革命的迅猛发展，我国加大了机电一体化技术的研 究力度，并将其确定为国家高技术重点研究领域，给予优先支持，并取得了一 定的成绩。 3.1 数控技术方面。 我国数控技术起步于 1958 年，在“九五”末期,国产数控机床的国内市场占 有率达 50%,配国产数控系统(普及型)也达到了 10%。纵观我国数控技术近 50 年 的发展历程,特别是经过 4 个 5 年计划的攻关,总体来看取得了很好成绩。目前, 已具有年产数控系统 3000 多套、主轴与进给装置 5000 多套的生产能力。近十 年来,普通级数控机床的加工精度已由 10m 提高到 5m,精密级加工中心则从 35m,提高到 11.5m,并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01m) 我国 1986 年将机器人的研究开发列入国家科技计划,现已掌握了机器人操 作机的设计制造技术、控制系统和软件编程技术、运动学和轨迹规划技术,生产 了部分机器人的关键元器件,并进入实用化阶段，开发出弧焊、点焊、喷漆、装 配、搬运、注塑、冲压及能前后行走、爬墙、水下作业的多种机器人。目前， 国内相关科研机构和企业已掌握了工业机器人操作机的优化制造技术，解决了 工业机器人控制、驱动系统的设计技术，机器人软件的设计和编程等关键技术， 还掌握弧焊、点焊及大型机器人自动生产线（工作站）与周边配套设备的开发 和制备技术。现在，我国从事机器人研发的单位有 200 多家，专门从事机器人 产业开发的企业有 50 家以上，中国市场上总共拥有近万台工业机器人，其中完 全国产的工业机器人（行业内规模比较大的前三家工业机器人企业）行业集中 度占 30%左右。 我国经过多年的理论和技术准备,cims 已经有了较 快发展。 目前,已在清华大学建成国家 cims 工程研究中心,在著名高校和研究单位建 立了 7 个 cims 单元技术实验室和 8 个 cims 培训中心9。2000 年,全国已有 20 多个省市、10 多个行业、200 多家不同规模和类型的企业通过实施 cims 应 用示范工程,取得了巨大的经济效益。当前,cims 的进一步试点推广应用已经扩 展到机械、电子、航空、航天、轻工、纺织、冶金、石油化工等诸多领域,正得 到各行各业越来越多的关注和投入. 4 机电一体化的发展趋势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: 吉林大学远程教育 2011 届专科毕业设计（论文） 第 7 页 共 12 页 4.1 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。 4.2 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。 4.3 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。 4.4 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 吉林大学远程教育 2011 届专科毕业设计（论文） 第 8 页 共 12 页 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。 4.5 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。 4.6 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。 4.7 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了资 源的浪费、生态环境的恶化等问题。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、协调和可再生利用的产品。在设计、制造等方面应符 合环保和人类健康的要求，使用时不污染生态环境，产品可分解和再生利用。 4.8 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。 4.9 智能化趋势。 智能化是 21 世纪机电一体化技术发展的一个重要方向，即，要求机电产 品具有类似人的逻辑思考、判断推理、自主决策等能力。所谓的“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 吉林大学远程教育 2011 届专科毕业设计（论文） 第 9 页 共 12 页 学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法，模拟人类智 能，以求得到更高的控制目标。 综上所述,机电一体化的出现不是孤立的,它是许多科学技术发展的结晶,是 社会生产力发展到一定阶段的必然要求和产物。当然,与机电一体化相关的技术 还有很多,并且随着科学技术的发展,各种技术相互融合的趋势将越来越明显,机 电一体化技术的发展前景也将越来越光明。 吉林大学远程教育 2011 届专科毕业设计（论文） 第 10 页 共 12 页 参考文献参考文献 1李建勇.机电一体化技术m.北京:科学出版社,2004. 2李运华.机电控制m.北京:北京航空航天大学出版社,2003. 3机械设计 （第 7 版）濮良玉等，高等教育出版社 4理论力学 （上下册）哈工大理力教研室编，高等教育出版社 5控制工程基础张旺，北京理工大学出版社 吉林大学远程教育 2011 届专科毕业设计（论文） 第 11 页 共 12 页 致致 谢谢 本论文是在我的指导老师张世玉老师的亲切关怀与细心指导下完成的。从 课题的选择到论文的最终完成，张世玉老师始终都给予了细心的指导和不懈的 支持，并且在耐心指导论文之余，张世玉老师仍不忘拓展我们的文化视野，让 我们感受到了论文的美妙与乐趣。