机电一体化专业毕业论文

我我 看看 机机 电电 一一 体体 化化 学院 四川农业大学学院 四川农业大学 专业 机电一体化专业 机电一体化 作者 作者 目目 录录 摘摘 要要 3 关键词关键词 4 绪绪 言言 错误 未定义书签 错误 未定义书签 第一章第一章 简述机电一体化简述机电一体化 1 1 1 机电一体化 机电一体化 1 1 1 1 机电一体化的来源机电一体化的来源 1 1 1 2 机电一体化的简介机电一体化的简介 1 1 2 电一体化技术基本概念电一体化技术基本概念 1 1 3 机电一体化技术五大组成要素与四大原则机电一体化技术五大组成要素与四大原则 2 1 3 1 五大组成要素 五大组成要素 2 1 3 2 机电一体化四大原则 机电一体化四大原则 2 1 4 机电一体化技术具体内容机电一体化技术具体内容 3 第二章第二章 一体化发展历程一体化发展历程 3 2 1 一体化技术发展历程及其趋势一体化技术发展历程及其趋势 3 2 1 1 一体化一体化 的发展历程的发展历程 4 2 2 2 发展趋势发展趋势 4 2 1 3 机电一体化产品机电一体化产品 4 2 1 4 发展发展 机电一体化机电一体化 面临的形势和任务面临的形势和任务 5 2 2 机电一体化技术机电一体化技术 5 第三章第三章 21 世纪机电一体化世纪机电一体化 6 3 1 机电一体化技术近期发展机电一体化技术近期发展 6 3 2 我国我国 机电一体化机电一体化 7 3 2 1 国内机电一体化技术的发展状况国内机电一体化技术的发展状况 7 3 2 2 我国机电一体化技术发展趋势我国机电一体化技术发展趋势 8 3 2 3 工作面临的形势工作面临的形势 8 3 3 我国我国 机电一体化机电一体化 工作的任务工作的任务 9 3 4 我国发展我国发展 机电一体化机电一体化 的对策的对策 9 3 4 1 加强统筹安排 协调发展计划加强统筹安排 协调发展计划 9 3 4 2 强化行业管理 发挥强化行业管理 发挥 协会协会 作用作用 9 3 4 3 优化发展环境 增大支持力度优化发展环境 增大支持力度 10 3 4 4 突出发展重点 兼顾突出发展重点 兼顾 两个层次两个层次 10 第四章第四章 机电一体化系统机电一体化系统 10 4 1 机电接口机电接口 10 4 2 人机接口人机接口 11 第五章第五章 一体化常见问题及解决一体化常见问题及解决 12 5 1 干扰源干扰源 12 5 2 抗供电干扰的措施抗供电干扰的措施 13 5 3 场干扰的抑制场干扰的抑制 13 第六章第六章 探述机电一体化探述机电一体化 14 6 1 机电一体化技术发展方式的探讨机电一体化技术发展方式的探讨 14 6 1 1 机电一体化的核心技术机电一体化的核心技术 14 6 1 2 信息处理技术信息处理技术 14 6 1 3 机械制造技术机械制造技术 14 6 1 4 传感器技术传感器技术 14 6 1 5 传动技术传动技术 14 6 1 6 自动控制技术自动控制技术 14 结论结论 15 参考文献参考文献 15 摘摘 要要 机电一体化是一项将系统技术 计算机信息处理技术 伺服传动技术 自 动控制技术 检测传感技术和机械技术等多项技术相互结合的系统工程 是现 代科学技术发展的必然结果 本文简述了机电一体化技术的基本情况和发展背 景发展历程 明确了机电一体化技术对于机械制造业的整体行业发展所拥有的 重要影响 并阐明了机电一体化技术在未来社会朝着智能化 系统化以及轻量 微型化的方向发展 希望为机电制造业未来的发展方向起到了一定的指向作用 关键词 机电一体化 一体化 技术 现状 发展 发展趋势 前景 任务 形势 绪绪 论论 人类社会是一部科技发展史 尤其是近代史 随着工业革命的进行 机械 工业和机器制造业一直处于高速发展的状况 并且随着现代科学技术的迅速发 展 在很大程度上极大地推动了学科之间的交叉和渗透 这在很大程度上促进 了工程技术方面的改造和创新 尤其是在机械工程方面 随着微电子技术和计算 机技术的交互发展 并逐渐应用到机械工业当中 形成了机电一体化的技术发 展方向 机械制造技术的发展是从开始的完全人工到半自动化直到自动化 是这 部技术发展史的一部分 这在很大程度上使机械工业的技术和产品机构 功能 构成 生产方式及管理体系发生了巨大变化 促进工业生产由 机械电气化 时 代进入 机电一体化 时代 机电一体化技术是机械 电子 信息三个学科合 理结合的复合技术 是在工业产品和过程设计与制造中 机械行业和高科技计算 及行业的有机结合 在技术发展阶段 人类总是试图实行实现各个行业智能化 和绿色化 所以 机电一体化技术促进了机械制造技术的发展计入一个新的阶 段 在很大程度上推动了两个行业的迅速发展 1 1 0 第一章第一章 简述机电一体化简述机电一体化 1 1 机电一体化 机电一体化 1 1 1 机电一体化的来源机电一体化的来源 机电一体化 在国外被称为 Mechatronics 是日本人在 20 世纪 70 年代初提 出来的 它是用英文 Mechanics 的前半部分和 Electron ics 的后半部分结合在一 起构成的一个新词 意思是机械技术和电子技术的有机结合 1 1 2 机电一体化的简介机电一体化的简介 这一名称已得到包括我国在内的世界各国的承认 我国的工程技术人员习 惯上把它译为机电一体化技术 机电一体化技术又称为机械电子技术 是机械 技术 电子技术和信息技术有机结合的产物 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 是现代化 的自动生产设备几乎可以说都是机电一体化的设备 中国机电设计迈入 PLM 全新阶段 正挑战着了前所未有的 不可预测的难题 一个个久战沙场经久不 衰精兵良将正褪去了昨日英雄的光环 唯有 CAMEL VIEW 能够胜任军统三国 光复旧业的重任 此时数系科技与德国 iXtronics GmbH 公司携手共同开拓机电 设计领域的新篇章 CAMEL VIEW 作为机电一体化设计系统 从产品的概念设 计到产品性能的测试 验证 通过都是一体化的 流程化的 规范化的 在满 足用户设计的前提下 数值实验的仿真与结果的验证无不精确化 支持复杂环境 下 多工况 多耦合场设计 1 2 电一体化技术基本概念电一体化技术基本概念 机电一体化技术是在微型计算机为代表的微电子技术 信息技术迅速发展 向机械工业领域迅猛渗透 机械电子技术深度结合的现代工业的基础上 综合 应用机械技术 微电子技术 信息技术 自动控制技术 传感测试技术 电力 电子技术 接口技术及软件编程技术等群体技术 从系统理论出发 根据系统 功能目标和优化组织结构目标 以智力 动力 结构 运动和感知组成要素为 基础 对各组成要素及其间的信息处理 接口耦合 运动传递 物质运动 能 量变换进行研究 使得整个系统有机结合与综合集成 并在系统程序和微电子 1 电路的有序信息流控制下 形成物质的和能量的有规则运动 在高功能 高质 量 高精度 高可靠性 低能耗等诸方面实现多种技术功能复合的最佳功能价 值系统工程技术 1 3 机电一体化技术五大组成要素与四大原则机电一体化技术五大组成要素与四大原则 1 3 1 五大组成要素 五大组成要素 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 智能组成要素五大组成要素有机结合而成 请参考机电之 家机电一体化频道 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 1 3 2 机电一体化四大原则 机电一体化四大原则 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 2 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 1 4 机电一体化技术具体内容机电一体化技术具体内容 1 机械技术机械技术是机电一体化的基础 机械技术的着眼点在于如何与机 电一体化技术相适应 利用其它高 新技术来更新概念 实现结构上 材料上 性能上的变更 满足减小重量 缩小体积 提高精度 提高刚度及改善性能的 要求 在机电一体化系统制造过程中 经典的机械理论与工艺应借助于计算机 辅助技术 同时采用人工智能与专家系统等 形成新一代的机械制造技术 2 计算机与信息技术 其中信息交换 存取 运算 判断与决策 人工智能技术 专家系统技术 神经网络技术均属于计算机信息处理技术 3 系统技术 系统技术即以整体的概念组织应用各种相关技术 从全局角度和系统目标 出发 将总体分解成相互关联的若干功能单元 接口技术是系统技术中一个重 要方面 它是实现系统各部分有机连接的保证 4 自动控制技术 其范围很广 在控制理论指导下 进行系统设计 设计后的系统仿真 现 场调试 控制技术包括如高精度定位控制 速度控制 自适应控制 自诊断校 正 补偿 再现 检索等 5 传感检测技术 传感检测技术是系统的感受器官 是实现自动控制 自动调节的关键环节 其功能越强 系统的自动化程序就越高 现代工程要求传感器能快速 精确地 获取信息并能经受严酷环境的考验 它是机电一体化系统达到高水平的保证 6 伺服传动技术包括电动 气动 液压等各种类型的传动装置 伺服系统是 实现电信号到机械动作的转换装置与部件 对系统的动态性能 控制质量和功 能有决定性的影响 第二章第二章 一体化发展历程一体化发展历程 2 1 一体化技术发展历程及其趋势一体化技术发展历程及其趋势 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 3 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 2 1 1 一体化一体化 的发展历程的发展历程 1 数控机床的问世 写下了 机电一体化 历史的第一页 2 微电子技术为 机电一体化 带来勃勃生机 3 可编程序控制器 电力电子 等的发展为 机电一体化 提供了坚强基础 4 激光技术 模糊技术 信息技术等新技术使 机电一体化 跃上新台阶 2 2 2 发展趋势发展趋势 1 光机电一体化 一般的机电一体化系统是由传感系统 能源系统 信息处 理系统 机械结构等部件组成的 因此 引进光学技术 实现光学技术的先天 优点是能有效地改进机电一体化系统的传感系统 能源 动力 系统和信息处 理系统 光机电一体化是机电产品发展的重要趋势 2 配系统化 柔性化 未来的机电一体化产品 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 在自律分配系统中 各个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 可根据不同的环境条件作出不同反应 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 具体 行动 是 可以改变的 这样 既明显地增加了系统的适应能力 柔性 又不因某一子系 统的故障而影响整个系统 3 全息系统化 智能化 今后的机电一体化产品 全息 特征越来越明显 智能化水平越来越高 这主要收益于模糊技术 信息技术 尤其是软件及芯片 技术 的发展 除此之外 其系统的层次结构 也变简单的 从上到下 的形 势而为复杂的 有较多冗余度的双向联系 4 生物一软件 化 仿生物系统化 今后的机电一体化装置对信息的依赖 性很大 并且往往在结构上是处于 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 仿生学研究领域中 已发现的一些生物体优良的机构可为机电一体化产品提供新型机体 但如何使 这些新型机体具有活的 生命 还有待于深入研究 这一研究领域称为 生物 软件 或 生物系统 而生物的特点是硬件 肌体 软件 大脑 一 体 不可分割 看来 机电一体化产品虽然有向生物系统化发展趋 但有一段 漫长的道路要走 5 微型机电化 微型化 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 当将这一成果用于实际产品时 就 没有必要区分机械部分和控制器了 届时机械和电子完全可以 融合 机体 执行机构 传感器 CPU 等可集成在一起 体积很小 并组成一种自律元件 这种微型机械学是机电一体化的重要发展方向 4 2 1 3 机电一体化产品机电一体化产品 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 CAD CAM 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 2 1 4 发展发展 机电一体化机电一体化 面临的形势和任务面临的形势和任务 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 前者是面上的工作 普及工作 后者是提高工作 深层次工作 2 2 机电一体化技术机电一体化技术 随和经济的发展和科技的进步 越来越多的产品智能化 自动化 网络化 这些产品除了要用到机械驱壳 还需要用电路来控制 电的部分已经不再是简 单的开关电路 而是用大规模的集成电路 单片机 传感器 可编程控制器等 智能元件被用来和设备的机械部分想结合 单纯的机械活着单纯的电子已经不 能适应行业发展的需要 渐渐地就出现了机电一体化这个学科 机电一体化最 早出现在 1971 年日本杂志 机械设计 的副刊上 到目前这个学科已经逐渐成 熟了 机电一体化技术包含六个部分 它们分别是 第一 机械技术 机械技 术是机电一体化的基础 机械技术的着眼点在于如何与机电一体化技术相适应 利用其它高 新技术来更新概念 实现结构上 材料上 性能上的变更 满足 减小重量 缩小体积 提高精度 提高刚度及改善性能的要求 在机电一体化 系统制造过程中 经典的机械理论与工艺应借助于计算机辅助技术 同时采用 人工智能与专家系统等 形成新一代的机械制造技术 第二 计算机与信息技 术 其中信息交换 存取 运算 判断与决策 人工智能技术 专家系统技术 神经网络技术均属于计算机信息处理技术 第三 系统技术 系统技术即以整体的概念组织应用各种相关技术 从 全局角度和系统目标出发 将总体分解成相互关联的若干功能单元 接口技术 是系统技术中一个重要方面 它是实现系统各部分有机连接的保证 第四 自动控制技术 其范围很广 在控制理论指导下 进行系统设计 设计后的系 统仿真 现场调试 控制技术包括如高精度定位控制 速度控制 自适应控制 自诊断校正 补偿 再现 检索等 第五 传感检测技术 传感检测技术是系统的感受器官 是实现自动控制 自 动调节的关键环节 其功能越强 系统的自动化程序就越高 现代工程要求传 感器能快速 精确地获取信息并能经受严酷环境的考验 它是机电一体化系统 5 达到高水平的保证 第六 伺服传动技术 包括电动 气动 液压等各种类型的传动装置 伺服 系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部件 对系统的动态性能 控制质 量和功能有决定性的影响 机电一体化系统主要由五个部分组成 机械本体 检测传感部分 电子控 制单元 执行器和动力源 机械本体包括机架 机械连接 机械传动等 它是 机电一体化的基础 起着支撑系统中其他功能单元 传递运动和动力的作用 与纯粹的机械产品相比 机电一体化系统的技术性能得到提高 功能得到增强 这就要求机械本体在机械结构 材料 加工工艺性以及几何尺寸等方面能够与 之相适应 具有高效 多功能 可靠和节能 小型 轻量 美观的特点 检测 传感部分包括各种传感器及其信号检测电路 其作用就是检测机电一体化系统 工作过程中本身和外界环境有关参量的变化 并将信息传递给电子控制单元 电子控制单元根据检查到的信息向执行器发出相应的控制 电子控制单元又称 ECU Electrical Control Unit 是机电一体化系统的核心 负责将来自各传感器 的检测信号和外部输入命令进行集中 存储 计算 分析 根据信息处理结果 按照一定的程度和节奏发出相应的指令 控制整个系统有目的地进行 执行器 的作用是根据电子控制单元的指令驱动机械部件的运动 执行器是运动部件 通常采用电力驱动 气压驱动和液压驱动等几种方式 动力源是机电一体化产 品能量供应部分 其作用是按照系统控制要求向机械系统提供能量和动力使系 统正常运行 提供能量的方式包括电能 气能和液压能 以电能为主 第三章第三章 21 世纪机电一体化世纪机电一体化 3 1 机电一体化技术近期发展机电一体化技术近期发展 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 1 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 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 例如在 CNC 数控机床上增加人机对话功能 设置智能 I O 接口 和智能工艺数据库 会给使用 操作和维护带来极大的方便 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 3 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 6 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有前途的工作 如研制具有集减速 变频调速电机一体的动力驱动单元 具有视觉 图像处理 识别和测距等功能的电机一体控制单元等 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 4 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 控制的终端设备本身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 5 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 微弹簧 以及微机器人等 7 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 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 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 7 3 2 我国我国 机电一体化机电一体化 3 2 1 国内机电一体化技术的发展状况国内机电一体化技术的发展状况 20 世纪 80 年代开始 国内机电一体化技术开始兴起 随着现代科学技术 尤其是计算机科学技术的迅速发展和市场竞争的日益激烈 使产品的科技含量更 高 更新换代速度日益加快 人们对商品需求更加多样和高品质化 所以传统的 机械制造业正在发生十分深刻的转变 对产品的品质 成本要求逐渐提高 而且 对于企业来说 对其自身的交货期 成本控制等方面都提出了更好的要求 我 国为了适应市场需要 对制造业的这场巨大而深刻的革命十分关注 认为其既是 机遇 也是挑战 近年来 我国在发达国家大量引进机电一体化技术 并且研 发了一系列拥有我国独立知识产权的机电一体化产品和技术 所以 虽然我国 的机电一体化技术与发达国家相比 仍有很大差距 但较之以前 具有更加系 统化 智能化等方面的特点 3 2 2 我国机电一体化技术发展趋势我国机电一体化技术发展趋势 机电一体化已经成为从产品设计开发 加工制造到产品销售及使用维修等 全过程的技术系统 其技术体系各学科间不断融合 其学科的界限性逐渐变淡甚 至消失 生产规模的扩大及最佳经济效果的追求 使先进制造技术产生一系列技 术与管理相结合的新的生产方式 计算机技术 传感技术 自动化技术 新材 料技术 管理技术等的引入并与传统制造技术相结合 使制造技术成为一个能驾 驭生产过程的系统工程 发展先进制造技术的目的在于实现优质 高效 低耗 清洁 灵活生产 并取得理想的技术经济效果 对于国外发达国家来说 由于其资金 技术和设备等方面的优势十分明显 所产处的机电一体化产品不仅质量较高 并能更好的适应市场多样化需求 使获 得最大的经济利益 但是 我国由于科技技术发展水平相对较低 需经过一定 时间后 其科技水平才能达到国际先进水平 所以 在科技实力方面 需要在 引进国外先进科技的前提下根据我国情况对其进行改进和创新 并创造出具有 我国自主知识产权的技术手段 而在市场经营和商业营销方面 要促进商品品 质的提升和发展 并且要独立研发适合中国国情的 具有中国特色的机电一体 化产品 并对于是市场欢迎的高技术的机电一体化技术和产品 需要投入大量的资 金和技术力量进行开发 争取利用这些商品扩展市场 并在技术方面有巨大突 破 为我国机电一体化技术的综合持续发展提供更大的技术支持和储备 3 2 3 工作面临的形势工作面临的形势 我国用微电子技术改造传统工业的工作量大而广 有难度 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 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 8 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 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 机 电一体化产品功能强 性能好 质量高 成本低 且具有柔性 可根据市场需 要和用户反映时产品结构和生产过程做必要的调整 改革 而无须改换设备 这是解决机电产品多品种 少批量生产的重要出路 同时 可为传统的机械工 业注入新鲜血液 带来新的活力 把机械生产从繁重的体力劳动中解脱出来 实现文明生产 另外 从市场需求的角度看 由于我国研制 开发机电一体化产品的历史 不长 差距较大 许多产品的品种 数量 档次 质量都不能满足需求 每年 进口量都比较大 因此亟需发展 3 3 我国我国 机电一体化机电一体化 工作的任务工作的任务 我国在机电一体化方面的任务可以概括为两句话 一句话是广泛深入地用 机电一体化技术改造传统产业 另一句话是大张旗鼓地开发机电一体化产品 促进机电产品的更新换代 总的目的是促进机电一体产业的形成 为我国产业 结构和产品结构调整作贡献 总之 机电一体化技术既是振兴传统机电工业的新鲜血液和源动力 又是 开启我国机电行业产品结构 产业结构调整大门的钥匙 3 4 我国发展我国发展 机电一体化机电一体化 的对策的对策 3 4 1 加强统筹安排 协调发展计划加强统筹安排 协调发展计划 目前 我国从事 机电一体化 研究开发及生产的单位很多 各自都有一 套自己的发展策略 各单位的计划由于受各自立足点 着眼点的限制 难免只 考虑局部利益 各主管部门的有关计划和规划 也有统一考虑不足 统筹安排 不够的问题 同时缺少综观全局的有权威性的发展计划和战略规划 因此 建 议各主管部门责成有关单位在进行深入调查研究 科学分析的基础上 制定出 统管全局的 机电一体化 研究 开发 生产计划和规划 避免开发上重复 生产上撞车 3 4 2 强化行业管理 发挥强化行业管理 发挥 协会协会 作用作用 当前 我国 机电一体化 较热 而按目前的行业划分方法和管理体制 9 政出多门 是难哆的 因此 我国有必要明确一个 机电一体化 行业的统 管机构 根据目前国家政治体制改革和经济体制改革的精神 以及机电一体化 行业特点 我们建议 尽快加强北京机电一体化协会的建设 赋予其行业管理 职能 协会 要进一步扩大领导机构 理事会的代表层面和复盖面 要加强 办公室 秘书处的建设 要通过其精明干练的办事机构 经济实体 组织 行 业 发展计划 战略规划的拟制 指导行业布点布局的调整 进行发展突破口 的选择 抓好重点工程的试点和有关项目的发标 招标工作 3 4 3 优化发展环境 增大支持力度优化发展环境 增大支持力度 优化发展环境指通过宣传群众 造成一种社会上下 企业内外都重视 支 持 机电一体化 发展的氛围 如尽快为外商到我国投资发展 机电一体化 产业提供方便 尽可能为兴办开发 生产机电一体化产品的高新技术企业开绿 灯 尽力为开发 生产机电一体化产品调配好资源要素等 增大支持力度 在技术政策上 要严格限制耗电 耗水 耗材高的传统产 品的发展 对未采用机电一体化技术落后产品限制强制淘汰 大力提倡用机电 一体化技术对传统产业进行改造 对有关机电一体化技术对传统产业乾地改造 对有关技术开发 应用项目优先立项 优先支持 对在技术开发 应用中做出 贡献的单位领导 科技人员进行表彰奖励等 3 4 4 突出发展重点 兼顾突出发展重点 兼顾 两个层次两个层次 机电一体化产业复盖面非常广 而我们的财力 人力和物力是有限的 因 此我们在抓机电一体化产业发展时不能面面俱到 平铺直叙 而应分清主次 大胆取舍 有所为 有所不为 要注意抓两个层次上的工作 第一个层次是 面上 的工作 即用电子信息技术对传统产业进行改造 在传统的机电设备 上植入或嫁接上微电子 计算机 装置 使 机械 和 电子 技术在浅层次上结 合 第二个层次是 提高 工作 即在新产品设计之初 就把 机械 与 电 子 统一起来进行考虑 使 机械 与 电子 密不可分 深度结合 生产出 来的新产品起码正做到机电一体化 第四章第四章 机电一体化系统机电一体化系统 机电一体化系统可分为机械和微电子系统两大部分 各部分连接须具备一定 条件 这个联系条件通常称为接口 各分系统又由各要素 子系统 组成 本文以 机电一体化控制系统 微电子系统 为例 将接口分为人机与机电接口两大类 10 4 1 机电接口机电接口 由于机械系统与微电子系统在性质上有很大差别 两者间的联系须通过机电 接口进行调整 匹配 缓冲 因此机电接口起着非常重要的作用 1 行电平转换和功率放大 一般微机的 I O 芯片都是 TTL 电平 而控制设备 则不一定 因此必须进行电平转换 另外 在大负载时还需要进行功率放大 2 抗干扰隔离 为防止干扰信号的串入 可以使用光电耦合器 脉冲变压 器或继电器等把微机系统和控制设备在电器上加以隔离 3 进行 A D 或 D A 转换 当被控对象的检测和控制信号为模拟量时 必须 在微机系统和被控对象之间设置 A D 和 D A 转换电路 以保证微机所处理的数字 量与被控的模拟量之间的匹配 1 模拟信号输入接口 在机电一体化系统中 反映被控对象运行状态信号是传 感器或变送器的输出信号 通常这些输出信号是模拟电压或电流信号 如位置检测 用的差动变压器 温度检测用的热偶电阻 温敏电阻 转速检测用的测速发电 机等 计算机要对被控对象进行控制 必须获得反映系统运行的状态信号 而计算 机只能接受数字信号 要达到获取信息的目的 就应将模拟电信号转换为数字信号 的接口 模拟信号输入接口 2 模拟信号输出接口 在机电一体化系统中 控制生产过程执行器的信号通常 是模拟电压或电流信号 如交流电动机变频调速 直流电动机调速器 滑差电动 机调速器等 而计算机只能输出数字信号 并通过运算产生控制信号 达到控制生 产过程的目的 应有将数字信号转换成模拟电信号的接口 模拟信号输出接口 任务是把计算机输出的数字信号转换为模拟电压或电流信号 以便驱动相应的执 行器 达到控制对象的目的 模拟信号输出接口一般由控制接口 数字模拟信号 转换器 多路模拟开关和功率放大器几部分构成 3 开关信号通道接口 机电 一体化系统的控制系统中 需要经常处理一类最基本的输入 输出信号 即数字量 开关量 信号包括 开关的闭合与断开 指示灯的亮与灭 继电器或接触器的吸合与 释放 电动机的启动与停止 阀门的打开与关闭等 这些信号的共同特征是以二进 制的逻辑 1 和 0 出现的 在机电一体化控制系统中 对应二进制数码的每 一位都可以代表生产过程中的一个状态 此状态作为控制依据 1 输入通道接口 开关信号输入通道接口的任务是将来自控制过程的开 关信号 逻辑电平信号以及一些系统设置开关信号传送给计算机 这些信号实 质是一种电平各异的数字信号 所以开关信号输入通道又称为数字输入通道 DI 由于开关信号只有两种逻辑状态 ON 和 OFF 或数字信号 1 和 0 但 是其电平一般与计算机的数字电平不相同 与计算机连接的接口只需考虑逻辑电 平的变换以及过程噪声隔离等设计问题 它主要由输入缓冲器 电平隔离与转换 电路和地址译码电路等组成 2 输出通道接口 开关信号输出通道的作用是将计算机通过逻辑运算处 理后的开关信号传递给开关执行器 如继电器或报警指示器 它实质是逻辑数字 的输出通道 又称为数字输出通道 DO DO 通道接口设计主要考虑的是内部与 外部公共地隔离和驱动开关执行器的功率 开关量输出通道接口主要由输出锁 存器 驱动器和输出口地址译码电路等组成 11 4 2 人机接口人机接口 人机接口是操作者与机电系统 主要是控制微机 之间进行信息交换的接口 按照信息的传递方向 可以分为输入与输出接口两大类 机电系统通过输出接口 向操作者显示系统的各种状态 运行参数及结果等信息 另一方面 操作者通过输 入接口向机电系统输入各种控制命令 干预系统的运行状态 以实现所要求的功能 1 输入接口 1 拨盘输入接口 拨盘是机电一体化系统中常见的一种输入设备 若系统 需要输入少量的参数 如修正系数 控制目标等 采用拨盘较为方便 这种方式具 有保持性 拨盘的种类很多 作为人机接口使用最方便的是十进制输入 BCD 码 输出的 BCD 码拨盘 BCD 码拨盘可直接与控制微机的并行口或扩展口相连 以 BCD 码形式输入信息 2 键盘输入接口 键盘是一组按键集合 向计算机提供被按键的代码 常 用的键盘有 1 编码键盘 自动提供被按键的编码 如 ASCII 码或二进制码 2 非编码键盘 仅仅简单地提供按键的通或断 0 或 1 电位 而按键 的扫描和识别 则由设计的键盘程序来实现 前者使用方便 但结构复杂 成本高 后者电路简单 便于设计 2 输出接口 在机电一体化系统中 发光二极管显示器 LED 是典型的输出设备 由 于 LED 显示器结构简单 体积小 可靠性高 寿命长 价格便宜 因此使用广泛 常用的 LED 显示器有 7 段发光二极管和点阵式 LED 显示器 7 段 LED 显示器原 理很简单 是同名管脚上所加电平高低来控制发光二极管是否点亮而显示不同字 形的 点阵式 LED 显示器一般用来显示复杂符号 字母及表格等 在大屏幕显示 及智能化仪器中有广泛应用 第五章第五章 一体化常见问题及解决一体化常见问题及解决 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 机电 一体化系统投入工业应用环境运行时 系统总会受到电网 空间与周围环境干 扰 若系统抵御不住干扰的冲击 各电气功能模块将不能进行正常的工作 微 机系统往往会因干扰产生程序 跑飞 传感器模块将会输出伪信号 功率驱动 模块将会输出畸变的驱动信号 使执行机构动作失常 最终导致系统产生故障 甚至瘫痪 5 1 干扰源干扰源 从干扰窜入系统的渠道来看 系统所受到的干扰源分为供电干扰 过程通 道干扰 场干扰等 1 供电干扰 12 大功率设备会造成电网的严重污染 使得电网电压大幅度地涨落 浪涌 大功率开关的通断 电动机的启停等原因 电网上常常出现很高的尖峰脉冲干 扰 据统计 电源的投入 瞬时短路 欠压 过压 电网窜入的噪声引起 CPU 误动作及数据丢失占各种干扰的 90 以上 2 过程通道干扰 过程通道干扰主要来源于长线传输 当系统中有电气设备漏电 接地系统 不完善 或者传感器测量部件绝缘不好等 及各通道的传输线如果处于同根电 缆或捆扎在一起 尤其是将信号线与交流电源线处于同一根管道时 产生的共 模或差模电压都会影响系统 使系统无法工作 3 场干扰 系统周围的空间总存在着磁场 电磁场 静电场 如太阳及天体辐射 广播 电话 通讯发射台的电磁波 周围中频设备发出的电磁辐射等 这些场干扰会 通过电源或传输线影响各功能模块的正常工作 使其中的电平发生变化或产生 脉冲干扰信号 5 2 抗供电干扰的措施抗供电干扰的措施 1 配电系统的抗干扰 抑制供电干扰首先从配电系统上采取措施 其次可采用分立式供电方案 就是将组成系统各模块分别用独立的变压 整流 滤波 稳压电路构成的直流 电源供电 这样就减少了集中供电的危险性 而且也减少了公共阻抗以及公共 电源的相互耦合 提高了供电的可靠性 也有利于电源散热 另外 交流电的引入线应采用粗导线 直流输出线应采用双绞线 扭绞的 螺距要小 并尽可能缩短配线长度 2 利用电源监视电路 在配电系统中实施抗干扰措施是必不可少的 但这些仍难抵御微秒级的干 扰脉冲及瞬态掉电 特别是后者属于恶性干扰 可能产生严重的事故 因此应 采取进一步的保护性措施 即使用电源监视电路 电源监视电路需具有监视电 源电压瞬时短路 瞬间降压和微秒级干扰及掉电的功能 及时输出供 CPU 接受 的复位信号及中断信号等功能 5 3 场干扰的抑制场干扰的抑制 防止场干扰的主要方法是良好的屏蔽和正确的接地 须注意以下问题 1 消除静电干扰最简单的方法是把感应体接地 接地时要防止形成接地环 路 2 为了防止电磁场干扰 可采用带屏蔽层的信号线 并将屏蔽层单端接地 3 不要把导线的屏蔽层当作信号线或