机电一体化认识

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1、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。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

2、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。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

3、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 别机电一体化技术发展“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

4、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 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”

5、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

6、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

7、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

8、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。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

9、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

10、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

11、。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

12、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

13、、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。典型机电一体化产品的发展趋势典型机电一体化产品的发展趋势1 数控机床数控机床目前我国是全世界机床拥有量最多的国家（近 320 万台） ，但数控机床只占 约 5且大多数是普通数控（发达国家数控机床占 10） 。近些年来数控机床为 适应加工技术的发展，在以下几个技术领域都有巨大进步。 （1）高速化）高速化 由于高速加工技术普及，机床普遍提高了各方面的速度。车床主轴转速有 30004000r/min 提高到 8000

14、10000r/min；铣床和加工中心主轴转速由 40008000r/min 提高到 1200040000r/min 以上；快速移动速度由过去的 1020m/min 提高到 48m/min，60m/mni，80m/min，120m/min；在提高速度的 同时要求提高运动部件起动的加速度，由过去一般机床的 0.5G（重力加速度） 提高到 1.5G2G，最高可达 15G；直线电机在机床上开始使用，主轴上大量采 用内装式主轴电机。 （2）高精度化）高精度化 数控机床的定位精度已由一般的 0.010.02mm 提高到 0.008 左右；亚微米 级机床达到 0.0005mm 左右；纳米级机床达到 0.00

15、50.01um；最小分辨率为 1nm（0.000001mm）的数控系统和机床已问世。数控中两轴以上插补技术大大提高，纳米级插补使两轴联动出的圆弧都可 以达到 1u 的圆度，插补前多程序预读，大大提高了插补质量，并可进行自动拐 角处理等。 （3）复合加工，新结构机床大量出现）复合加工，新结构机床大量出现 如 5 轴 5 面体复合加工机床，5 轴 5 联动加工各类异形零件。同时派生出 各种新颖的机床结构，包括 6 轴虚拟轴机床，串并联绞链机床等，采用特殊机 械结构，数控的特殊运算方式，特殊编程要求。 （4）使用各种高效特殊功能的刀具使数控机床）使用各种高效特殊功能的刀具使数控机床“如虎添翼如虎添翼

16、 如内冷转头由于使高压冷却液直接冷却转头切削刃和排除切屑，在转深孔 时大大提高效率。加工刚件切削速度能达 1000m/min，加工铝件能达 5000m/min。 （5）数控机床的开放性和联网管理）数控机床的开放性和联网管理 数控机床的开放性和联网管理已是使用数控机床的基本要求，它不仅是提 高数控机床开动率、生产率的必要手段，而且是企业合理化、最佳化利用这些 制造手段的方法。因此，计算机集成制造、网络制造、异地诊断、虚拟制造、 并行工程等等各种新技术都在数控机床基础上发展起来，这必然成为 21 世纪制 造业发展的一个主要潮流。2.自动机与自动生产线自动机与自动生产线在国民经济生产和生活中广泛使用的各种自动机械、自动生产线及各种自 动化设备，是当前机电一体化技术应用的又一具体体现。如：200080000 瓶/h的啤酒自动生产线；18000120000 瓶/h 的易拉罐灌装生产线；各种高速香烟 生产线；各种印刷包装生产线；邮政信函自动分捡处理生产线；易拉罐自动生 产线；FEBOPP 型三层共挤双向拉伸聚丙烯薄膜生产线等等，这些自动机或生 产线中广泛应用了现