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1、机电一体化技术的应用及发展趋势 摘要摘要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。机电一体化是一种复合技术，是机械技术与微电子技术、信息技术互相渗透的产物，是机电工业发展的必然趋势。本文简述了机电一体化技术的基本结构组成和主要应用领域，并指出其发展趋势。关键词关键词：机电一体化技术 发展趋势 应用2目录第 1 章机电一体化
2、的核心技术3第 2 章机电一体化技术的发展趋势 2.1 机电一体化技术的发展现状42.2 机电一体化技术的发展趋势42.3 机电一体化典型产品的发展趋势62.4 机电一体化技术的发展前景8第 3 章 机电一体化技术的应用3.1 钢铁企业中的应用93.2 汽车和工业机器人中的应用9第 4 章我国机电一体化技术面临的形势及任务与其相应对策4.1 形势104.2 任务114.3 对策11参考文献133机电一体化技术的应用及发展趋势 第 1 章机电一体化的核心技术 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
3、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
4、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 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、
5、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4修的效率，耍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。第 2 章 机电一体化技术的发展趋势随着机电一体化技术的更深层次的革新与发展，它现在已经到达了跨学科的技术水平上了，它是机械技术、微电子技术、信息技术和控制技术等多方面技术的有机整理和融合、相互渗透的效果，就其发展形式而言，已经是很迅猛了。2.12.1 机电一体化技术的发展现状当今世界工业国家数控机床拥有量就直接反映了这个国家的经济实力。就目前我国而言，我们是拥有机床最多的国家，大约有 300 万台
6、，但是我国的机床数控化的占有率就只有 1.9%左右，然而西方工业国家一般的都能达到 20%,这就可以知道我们国家和别个国家在智能化上的差距是多么的巨大的。对于这样的问题，我国已经采取了相应的措施来改善现有的问题，希望能够重点支持数控系统、设备和技术方面的一系列问题的解决，使其能够有更多种类产品出现的繁荣景象。但是在信息化和工业化的关系上，我国对于机电一体化技术有两种极端的观点 ：一种观点认为：我国的工业化水平相对其他国家来说不是很高，离开了工业基础谈这种问题只能是空中楼阁，信息化这种新经济现象是发达国家的事。由于我国工业化的完成率很低，所以我们必须坚守传统产业，把注意力放在工业化上。另一种观点
7、认为：信息化与工业化没有必然联系。我们必须紧跟时代步伐，放弃夕阳工业，大力发展信息产业这种朝阳产业。这种观点是“放弃跨越论” ，即放弃传统产业，在信息产业领域实现全方位的跨越。2.2 机电一体化技术的发展趋势20 世纪 90 年代后期，各发达国家开始了向智能化方向发展机电一体化技术这方 面迈进。一方面，光学、通信技术等进入了机电一体化行业，微细加工技术也在其中 有了更深层次的发展， 于是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。从现在来看未来的机电一体化技术的发展方向大致有以下几个方面：一、智能化
8、 5智能化是机电一体化与传统机械自动化的主要区别之一, 也是 21 世纪机电一体 化的发展方向。近几年,处理器速度的提高和微机的高性能化、传感器系统的集成化 与智能化为嵌入智能控制算法创造了条件,有力地推动着机电一体化产品向智能化方 向发展。智能机电一体化产品可以模拟人类智能,具有某种程度的判断推理、逻辑思 维和自主决策能力,从而取代制造工程中人的部分脑力劳动。目前, 专家系统、模糊 系统、神经网络以及遗传算法, 是机电一体化产品（系统） 实现智能化的 4 种主要 技术，它们各自独立发展又彼此相互渗透。随着制造自动化程度的不断提高, 将会出 现智能制造系统控制器来模拟人类专家的智能制造活动,
9、并会对制造中出现的问题 进行分析、判断、推理、构思和决策 。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 模糊数学、神经网络、灰色理论、心理学、生理学和混沌动力学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。二、模块化模块化也是机电一体化产品的一个发展趋势, 也是一项重要而又艰巨的任务。简单的来说就是将各种接口或单元标准化，有点像机械咀的标准件，由于机电一体化产品种类和生产厂家都比较多，研制和开发具有标准机械接口、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
10、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。从而避免利益的冲突，并能使之标准化、系列化。机电一体化产品生产企业可利用标准单元迅速开发新产品,同时也可以不断扩大生产规模，这样更利于制定标准，以便各部件、单元的匹配和接口。三、微型化微型化是指机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。它是一个新兴的、多学科交叉的高科技领域，面临许多课题，涉及许多关键技术。由于微机电一体化系统具有体积小、耗能小、运动灵活等特点,可进入一般机械无法进入的空间并易于进行精细操作,故在生物医学、航空航
11、天、信息技术、工农业乃至国防等领域,都有广阔的应用前景。微型机械加工技术作为微型机械的最关键技6术，也必将有一个大的发展。硅加工、LIGA 加工和准 LIGA 加工正向着更复杂、更高深度适合各种要求的材料特性和表面特性的微结构以及制作不同材料特别是功能材料微结构，更易于与电路集成的方向发展，多种加工技术结合也是其重要方向。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。四、系统化系统可以灵活组态，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。 它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,进行任意的剪裁和组合
12、,同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。表现特征之二是通信功能大大加强,一般除 R S232等常用通信方式外,实现远程及多系统通信联网需要的局部网络正逐渐被采用。未来的机电一体化更加注重产品与人的关系,如何赋予机电一体化产品以人的智能、情感、人性显得越来越重要以及模仿生物机理等方面的产品。机电一体化产品还可根据一些生物体优良的构造研究某种新型机体,使其向着生物系统化方向发展。 五、自源化自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。 六、绿色化工业的发达给人们生活带来巨大变化。一方
13、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。2.3 机电一体化典型产品的发展趋势一、数控机床 数控机床是计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工，是发电、船舶、航天航空、模具、高精密仪器等民用工业和军工部门迫切需要的关键加工设备。7目前我国是全世界机床拥有量最多的国家
14、（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。由于高速加工技术的普及，机床普遍提高了各方面的速度。例如，车床主轴现在采用的是电主轴，主轴的转速最高可达 200 000r/min；进给速度是指快速移动速度高速化和切削进给速度的高速化；微处理器的使用，大大提高了数控系统的运算速度；最后就是换刀速度得到很到提升，高达 0.5s。2、高精度化。精密加工化是为了适应高新技术发展的需要。数控机床的定位精度已由以前的 0.02mm 提高到现在的 0.008mm；亚微米级机床达到
15、0.0005mm左右；纳米级机床达到 0.0050.01um；最小分辨率为 1nm 的数控系统和机床已问世。这样的发展很明显体现了高精度的发展迅猛。3、使用各种高效特殊功能的刀具。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。4、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。二 、 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。例如：200080000瓶/h 的啤酒自动生产线；18000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在电子技术与传感技术。如可编程序控制器，变频调速器，人机界面控制装置与光电控制系统等。我国的自动机与生产线产品的水平，比 10多年前跃升了一大步，其技术水平已达到或超过
