浅谈机电一体化

浅谈机电一体化 1 浅谈机电一体化浅谈机电一体化 班级 班级 机械 095 班 姓名 姓名 于芳芳 学号 学号 0902090502 摘要 摘要 现代化的自动生产设备几乎可以说都是机电一体化的设备 因此有必要了解它的核心 知识以及未来发展 而机电一体化又是现代科学技术发展的必然结果 本文通过阅读一些 主流参考教材及文章后 就机电一体化技术的基本概要和发展背景进行分析 阐述国内外 机电一体化技术的现状 以及机电一体化技术的发展趋势 关键词关键词 机电一体化 技术 应用 引言引言 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 浅谈机电一体化 2 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 机电一体化是机械 微电子 控制 计算机 信息处理等多 学科的交叉融合 其发展和进步有赖于相关技术的进步与发展 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 机电一体化技术是将机械技术 电工电子技术 微电子技术 信息机电一 体化技术 传感器技术 接口技术 信号变换技术等多种技术进行有机地结合 并综合应用到实际中去的综合技术 将电子器件的信息处理和控制功能附加或 融合在机械 装置中的一种复合化技术 俗称机电一体化 第一节第一节 机电一体化概要机电一体化概要 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 浅谈机电一体化 3 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 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 只是 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 以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 机械工程技术有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力 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 还能赋予许多新的功 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 即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 的眼神 具有智能化的特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质区别 1 1 机机电电一一体体化化五五大大组组成成要要素素 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 行机电一体化 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 浅谈机电一体化 4 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 2 2 机机电电一一体体化化的的四四大大原原则则 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 对于智能化程度高机电一体化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 3 3 机机电电一一体体化化的的自自动动化化技技术术和和主主要要系系统统 所谓自动化技术 是指人类利用各种技术手段和方法来代替人去完成各种 测试 分析 判断和控制工作 以现实预期的目标 功能 一个自动化系统通 浅谈机电一体化 5 常由多个环节要素组成 以完成信息的获取 信息的传递 信息的转换 信息 的处理及信息的执行等功能 最后实现自动运行目标 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 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 具有特点控制功能多样化 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 而且系统具有连锁保护功能 采用了系统故障人工手动控制操作措施 使 系统可靠性高 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 开放式控制系统 OCS 开放控制系统 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 浅谈机电一体化 6 第二节第二节 机电一体化技术机电一体化技术 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 为特征的发展阶段 1 1 机机电电一一体体化化的的核核心心技技术术 机电一体化包括软件和硬件两方面技术 硬件是由机械本体 传感器 信 息处理单元和驱动单元等部分组成 因此 为加速推进机电一体化的发展 必须从 以下几方面着手 一 机械本体技术 机械本体必须从改善性能 减轻质量和提高精度等几方面考虑 现代机械 产品一般都是以钢铁材料为主 为了减轻质量除了在结构上加以改进 还应考虑利 用非金属复合材料 只有机械本体减轻了重量 才有可能实现驱动系统的小型化 进而在控制方面改善快速响应特性 减少能量消耗 提高效率 二 传感技术 传感器的问题集中在提高可靠性 灵敏度和精确度方面 提高可靠性与防干 扰有着直接的关系 为了避免电干扰 目前有采用光纤电缆传感器的趋势 对外 部信息传感器来说 目前主要发展非接触型检测技术 三 信息处理技术 机电一体化与微电子学的显著进步 信息处理设备 特别是微型计算机 的 普及应用紧密相连 为进一步发展机电一体化 必须提高信息处理设备的可靠性 包括模 数转换设备的可靠性和分时处理的输入输出的可靠性 进而提高处理速度 并 解决抗干扰及标准化问题 四 驱动技术 浅谈机电一体化 7 电机作为驱动机构已被广泛采用 但在快速响应和效率等方面还存在一些问 题 目前 正在积极发展内部装有编码器的电机以及控制专用组件 传感器 电机 三位一体的伺服驱动单元 五 接口技术 为了与计算机进行通信 必须使数据传递的格式标准化 规格化 接口采用 同一标准规格不仅有利于信息传递和维修 而且可以简化设计 目前 技术人员正 致力于开发低成本 高速串行的接口 来解决信号电缆非接触化 光导纤维以及 光藕器的大容量化 小型化 标准化等问题 六 软件技术 软件与硬件必须协调一致地发展 为了减少软件的研制成本 提高生产维修 的效率 要逐步推行软件标准化 包括程序标准化 程序模块化 软件程序的固化 推行软件工程等 2 2 机机电电一一体体化化技技术术的的主主要要应应用用领领域域 一 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 C PU 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 W O P 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 C N C 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 浅谈机电一体化 8 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 二 计算机集成制造系统 CIMS C IM S 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 三 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 四 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对象的简单信息 通过计算机处理 分析 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 第三节第三节 机电一体化的发展机电一体化的发展 机电一体化向智能化方向迈进 21 世纪后 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 浅谈机电一体化 9 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 主要发展方向 在以下几个方面 1 数字化数字化 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 2 智能化智能化 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 则是完全可能而又必要的 3 模块化模块化 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 浅谈机电一体化 10 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 4 网络化网络化 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 教育义举人么日常生活都带 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朝 着网络化方向发展 5 人性化人性化 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智 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 6 微型化微型化 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 微型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 自 1986 年美国斯坦福大学研制出第一个医用 微探针 1988 年美国加州大学 Berkeley 分校研制出第一个微电机以来 国内外 在 MEMS 工艺 材料以及微观机理研究方面取得了很大进展 开发出各种 MEMS 器件和系统 如各种微型传感器 压力传感器 微加速度计 微触觉传 感器 各种微构件 微膜 微粱 微探针 微连杆 微齿轮 微轴承 微泵 浅谈机电一体化 11 微弹簧以及微机器人等 7 集成化集成化 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 与复合 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的柔性 首先可将系统分解为若干层次 使系统功能分散 并使各部分协调而又安全地 运转 然后再通过软 硬件将各个层次有机地联系起来 使其性能最优 功能 最强 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 9 绿色化绿色化 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资 源减少 生态环境恶化的后果 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 时应符合环保和人类健康的要求 机电一体化产品的绿色化主要是指在其使用 时不污染生态环境 产品寿命结束时 产品可分解和再生利用 第四节第四节 机电一体未来发展趋势机电一体未来发展趋势 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 浅谈机电一体化 12 一般机电一体化系统是由传感系统 能源 下转第 80 页 上接第 81 页 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 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