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机电一体化导论论文 学院：机电学院 班级：21011P 学号：19 专业：机电一体化 姓名：霍永辉 2011 年 12 月 26 日 目录 一、概述 二、机电一体化系统的组成要素及原则 三、机电一体化的发展趋势 四、机电一体化面临的形式和任务 机电一体化概述机电一体化概述 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，导 致了工程领域的技术革命与改造。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机电一体 化化，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“机电一机电一 体化体化”为特征的发展阶段。 一、机电一体化概要 机电一体化是指在 机构得主功能、 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 电一体化发展至今也已成为一门有着自身体系的新型学科， 随着科学 技术的不但发展，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、 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。 机电一体化的系统组成要素及原则机电一体化的系统组成要素及原则 五大要素： 一个机电一体化系统中一般由结构组成要素、动力组成要素、运 动组成要素、感知组成要素、职能组成要素五大组成要素有机结 合而成。机械本体（结构组成要素）是系统的所有功能要素的机 械支持结构，一般包括有机身、框架、支撑、联接等。动力驱动 部分（动力组成要素）依据系统控制要求，为系统提供能量和动 力以使系统正常运行。测试传感部分（感知组成要素）对系统的 运行所需要的本身和外部环境的各种参数和状态进行检测，并变 成可识别的信号，传输给信息处理单元，经过分析、处理后产生 相应的控制信息。控制及信息处理部分（职能组成要素）将来之 测试传感部分的信息及外部直接输入的指令进行集中、存储、分 析、加工处理后，按照信息处理结果和规定的程序与节奏发出相 应的指令，控制整个系统有目的的运行。执行机构（运动组成要 素）根据控制及信息处理部分发出的指令，完成规定的动作 和功能。 机电一体化系统一般由机械本体、检测传感部分、电子控制单 元、执行器和动力源 5 个组成部分构成。 四大原则： 构成机电一体化系统的五大组成要素其内部及相互之间都必须 遵循结构耦合、运动传递、信息控制与能量转换四大原则。接 口耦合：两个需要进行信息交换和传递的环节之间，由于信息模 式不同（数字量与模拟量，串行码与并行码，连续脉冲与序列脉 冲等）无法直接传递和交换，必须通过接口耦合来实现。而两个 信号强弱相差悬殊的环节之间，也必须通过接口耦合后，才能匹 配。变换放大后的信号要在两个环节之间可靠、快速、准确的交 换、传递，必须遵循一致的时序、信号格式和逻辑规范才行，因 此接口耦合时就必须具有保证信息的逻辑控制功能，使信息按规 定的模式进行交换与传递。 能量转换： 两个需要进行传输和交换的环节之间，由于模式不同而无法 直接进行能量的转换和交流，必须进行能量的转换，能量的转换 包括执行器，驱动器和他们的不同类型能量的最优转换方法及原 理。 信息控制：在系统中，所谓智能组成要素的系统控制单元， 在软、硬件的保证下，完成信息的采集、传输、储存、分析、运 算、判断、决策，以达到信息控制的目的。对于智能化程度高的 信息控制系统还包含了知识获得、推理机制以及自学习功能等知 识驱动功能。 运动传递： 运动传递使构成机电一体化系统各组成要素之间， 不同类型运动的变换与传输以及以运动控制为目的的优化。 机电一体化的发展趋势机电一体化的发展趋势 机电一体化向智能化方向迈进.20 世纪 90 年代后期， 各主要 发达国家开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段。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，也为产业 化发展提供了坚实的基础。 关注六个发展方向： 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 和进步。未来机电一体化的主要发展方向有： 1智能化。智能化是 21 世纪机电一体化技术发展的一个重 要发展方向。人工智能在机电一体化建设者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。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，模拟人类智能，使它具有判断推理、 逻辑思维、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、高速的微处理器使机电一体化产品赋 有低级智能或人的部分智能，则是完全可能而必要的。 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、环境接口的机电一体化产品单元是一项十分 复杂但又是非常重要的事。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。这样，可利用标准 单元迅速开发出新产品，同时也可以扩大生产规模。这需要制定 各项标准，以便各部件、单元的匹配和接口。由于利益冲突，近 期很难制定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，规模化将给机电一体化企业带来美好的前 程。 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、教育及人们的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是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)，使人们在家里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 1 立方厘米的机电一体化产品， 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、信息等方面具有不可比拟的优势。 微机电一体化发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。 5 绿色化。 工业的发达给人们生活带来了巨大变化。 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，具有远大的发展前途。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。 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，特别是“人格化”发展引人注目， 即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。一是机电一体化产品的最终使用对象是人，如 何赋予机电一体化产品人的智能、情感、人性显得越来越重要， 特别是对家用机器人，其高层境界就是人机一体化。另一层含义 是模仿生物机理，研制各种机电一体化产品。 典型的机电一体化产品典型的机电一体化产品： 机电一体化产品分系统(整机)和基础元、部件两大类。典型的机电一 体化系统有： 数控机床、 机器人、 汽车电子化产品、 智能化仪器仪表、 电子排版印刷系统、CADCAM 系统等。典型的机电一体化元、部 件有：电力电子器件及装置、可编程序控制器、模糊控制器、微型电 机、传感器、专用集成电路、伺服机构等。这些典型的机电一体化产 品的技术现状、发展趋势、市场前景分析从略。 机电一体化发展面临的形式和任务机电一体化发展面临的形式和任务 机电一体化工作主要包括两个层次：一是用微电子技术改造传统 产业，其目的是节能、节材，提高工效，提高产品质量，把传统工业 的技术进步提高一步；二是开发自动化、数字化、智能化机电产品， 促进产品的更新换代。 我国我国“机电一体化机电一体化”工作面临的形势工作面临的形势 1.我国用微电子技术改造传统工业的工作量大而广，有难度 2.我国用机电一体化技术加速产品更新换代，提高市场占有 率的呼声高，有压力。 3.我国用机电一体化产品取代技术含量和附加值低，耗能、 耗水、耗材高，污染、扰民产品的责任重，有意义。在我国工业系统 中，能耗、耗水大户，对环境污染严重的企业还占相当大的比重。近 年来我国的工业结构、产品结构虽然几经调整，但由于多种原因，成 效一直不够明显。这里面固然有上级领导部门的政出多门问题，有企 业的“故土难离”“死守故业”问题， 但不可否认也有优化不出理想 的产业，优选不出中意的产品问题。 我国我国“机电一体化机电一体化”工作面临的任务工作面临的任务 上佳的答案早就摆在了这些企业的面前，这就是发展机电一体 化，开发和生产有关的机电一体化产品。