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1、第二课堂 技术讲座： 浅谈机电一体化技术的新发展,生产设备,继-接断续控制系统,交流调速系统,工控机控制系统,可编程控制器,单片机控制系统,直流调速系统,各种专用的控制器,网络控制系统,交流电动机,直流电动机,伺服控制电动机步进电动机交流伺服电动机直流伺服电动机直线电机直接驱动电动机,数控机床,工业机器人,新式武器装备和作战指挥系统,航天航空飞行器,生产动力设备,交通运输设备,过程控制设备,现代办公设备,现代通信设备,现代家用电器,1机电一体化是现代科学技术发展的必然结果,由于微电子、信息、生物工程、新材料、新能源、核武、空间、海洋等世界高新技术的突飞猛进，极大地推动了不同学科的交叉与渗透。纵
2、向分化、横向综合已成为当代科学技术发展的重要特点。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，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，创造出了许许多多梦幻中的新产品与新装备。机电一体化的发展，使传统的机械如虎添翼，超越了操作机械和动力机械的范畴，进入了智能化、柔性化、绿色化、人性化、信息化、多功能化、全自动化、微机数字化和远程网络化控制的新时代，不仅极大地解放了人类的体力劳动，还极大地解放了人类的脑力劳动。,2世界各国都在抢占“机电一体化”前沿技术的制高点,美国提
3、出战略防御倡议即星球大战计划（SDI）；欧洲提出“尤里卡”高技术发展规划；日本提出振兴科技的政策大纲；韩国提出国家长远发展构想；印度提出新技术政策声明；落后就要挨打！我国也公布了高技术研究发展计划纲要，即863计划。,3什么是机电一体化？,“机电一体化”就是将机械、电子与信息技术进行有机结合，以实现工业产品和生产过程整体最优化的一种高新技术。机电一体化是指在设备机构的主功能、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具有自身体系的新型学科专业，随着科学技术的不断发展，还将被赋予新的内容。,4机电一体化的
4、技术基本特征,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。机电一体化是一个综合的概念，涵盖“技术”和“产品”两方面内容。前者是指包括技术基础、技术原理在内的、使机电一体化产品得以实现、使用和发展的技术。后者是指采用机电一体化技术，在机械产品基础上创造出来的新一代机电一体化产品“机电一体化”已成为当今世界工业发展的主要
5、趋势，也带动了传统机械工业的一场新的革命。机械工业要争生存，求发展，必需走机电一体化之路。,5机电一体化的学科专业特点,突出特点在于它在机械产品中注入了过去所没有的新技术，把电子器件的信息处理和自动控制等功能“揉和”到机械装置中去，从而获得了过去单靠某一种技术而无法实现的功能和效果。重要实质是应用系统工程的观点和方法来分析和研究机电一体化产品或系统，综合运用各种现代高新技术进行产品的设计与开发，通过各种技术的有机结合，实现产品内部各组成都分的合理匹配和外部的整体效能最佳。它与传统机械的不同在于增添了检测和自动化控制（即测控）等核心精尖技术，赋予工业产品更多更好更新的功能和柔性，是硬结构和软技术
6、相互协调统一的一个信息处理系统。它既区别于机械设计与制造专业，又不同于电气自动化专业。前者的理论基础是机械结构设计、固体力学、切削原理，缺乏电子与控制技术。后者的理论基础是电力电子、电机传动、测控与计算机技术，对机械设计、力学分析涉及较少。这两类专业都很难适应对现代化高新科技术机电产品的设计、制造、使用、维护、改造、开发和研制，更难胜任大量引进先进新技术与新设备的消化吸收和国产化自主创新。,机电一体化是一种崭新的学术思想，它除了强调机与电的有机结合与融合，而不是简单组合与、拼凑外，还具有更深刻、更广泛的涵义。按照机电一体化思想，凡是由各种现代高新技术与机械和电子技术相互结合而形成的各种技术、产
7、品(或系统)都应属于机电一体化范畴。如“机电光”、“机电仪”、“机电液（气）” 、 “机电信”、“机电计”等等。“机电一体化”是一个建立在高新技术发展基层上的大系统工程，其 “主体”是机械，不是以机械为主体的设备系统是电子设备系统；其“核心”是控制和计算机，不是以计算机控制的机电设备系统是传统的老机电设备系统；发展“机电一体化”所面临的共性关键技术主要有“精密机械技术”、“传感检测技术”、“信息处理技术”、“伺服驱动技术”、 “机电接口技术”、“自动控制技术”、及“系统总体技术”，已形成“机械+电气+计算机”三分天下的实际格局。,6机电一体化的典型产品,数控机床、智能机器人、新型武器装备和作战
8、指挥系统、高精尖的航空航天飞行器、以及用微电子（尤其微机）技术装置了的自动化生产设备、动力设备、交通运输设备、生产过程自动化设备、通信设备、办公设备和智能家用电器、智能儿童玩具等等。 -这些都是当今世界高新技术的核心和应用成果集中体现。,7.国家现阶段对“机电一体化”工作的重点安排,（1）两个层次：一是狠抓用微电子技术改造传统产业，二是集中人财物力抓紧抓好数字化、自动化、智能化机电产品的开发应用； （2）三个重点：数控装置、新型工业控制系统、第二代电力电子产品系列； （3）八类产品：经济型数控系统、中档数控系统、新型工业控制系统、可编程序控制器、发电设备自动控制系统、交流调速系统、智能化仪表、
9、电力电子产品； （4）四项配套产品和技术：集成电路、传感器、CAD与CAM、CAT； （5）一个前沿技术：智能机器人。,8.机电一体化的构成要素,人体是机电一体化系统最理想的参照物。如图a所示，构成人体的五大要素分别是头脑、感官(眼、耳、鼻、舌、皮肤)、四肢、内脏及躯干。相应的功能如图b、C所示，内脏提供人体所需要的能量(动力)及各种激素，维持人体活动；头脑处理各种信息并对其他要素实施控制；感官获取外界信息；四肢执行动作；躯干的功能是把人体各要素有机地联系为一体。,机电一体化系统的构成要素与人体构成要素相对应，一个较完善的机电一体化系统，应包括以下几个基本要素：机械本体、动力系统、检测传感系统
10、、执行部件、信息处理及控制系统，各要素和环节之间通过接口相联系，如上图c所示。机电一体化系统五大要素实例如下图所示。,9.机电一体化系统的功能组成,传统的机械产品主要是解决物质流和能量流的问题，而机电一体化产品除了解决物质流和能量流外，还要解决信息流的问题。机电一体化系统的主要功能就是对输入的物质、能量与信息(即所谓工业三大要素)按照要求进行处理，输出具有所需特性的物质、能量与信息。不同主功能及输入的组合如上表所示。典型机电一体化系统功能原理构成的实例如下图所示。,10.机电一体化的共同性关键技术,（1） 机械技术 机械技术是机电一体化的基础和主体，利用其他高、新技术来更新概念，实现结构上、材
11、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
12、，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。,11机电一体化的发展现状,机电一体化的发展大体可以分为3个阶段。（1）20世纪60年代以前为初级
13、阶段。利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。特别是在二战期间，战争刺激了机械产品与电子技术的结合，战后转为民用，对战后经济的恢复起了积极的作用。那时研制和开发从总体上看还处于自发状态。由于当时电子技术的发展尚未达到一定水平，机械技术与电子技术的结合还不可能广泛和深入发展，已经开发的产品也无法大量推广。（2）20世纪7080年代为蓬勃发展阶段。计算机技术、控制技术、通信技术为其奠定了技术基础；大规模、超大规模集成电路和微型计算机为其提供了充分的物质基础。这个时期的特点是：它在世界范围内得到比较广泛的承认；机电一体化技术和产品得到了极大发展；各国均开始对它给以很大的关注和支持。,（3）20世
14、纪90年代后期为向智能化方向迈进的新阶段。一方面，光学、通信技术、微细加工技术进入机电一体化，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支；另一方面对其系统的建模设计、分析和集成方法、学科体系和发展趋势都进行了深入研究。人工智能技术、神经网络技术及光纤技术为其发展开辟了发展的广阔天地。这些研究，将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系我国是从20世纪80年代初才开始研究和应用。国务院成立了机电一体化领导小组并将该技术列为“863计划”中。在制定“九五”、“十五”规划和2010年发展纲要时充分考虑了国际上关于机电一体化技术的发展动向和由此可能带来的影响。许多大专院校、研究机构及一
15、些大中型企业对这一技术的发展及应用做了大量的工作，也取得了一定成果，但与日本等先进国家相比仍有相当差距。,12机电一体化的发展趋势,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。因此，机电一体化的主要发展方向如下：（1）智能化 “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。机器人与数控机床的智能化就是重要应用。机电一体化产品不可能也不必要具有与人完全相
16、同的智能，但高性能、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。,（2）模块化 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。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，标准化、系列化带来的好处可以肯定，规模化将给机电一体化企业带来美好的前程。（3）网络化 现代计算机技术等的突出成就是网络技术。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（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。LONWORKS（局域网）就是一种特别有发展前途的现代网络技术。,
