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1、2012届毕业设计（论文）题目：论机电一体化技术的应用及其发展 学生姓名 学 号 指导教师 专 业 数控技术专业班 级 系 别 数字控制系 二一二年四月二十日 摘 要现代科学技术发展引起了工程领域的技术改造与革命。机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术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，并使工业生产由“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，
2、并指出其发展趋势。关键词：机械技术，机电一体化，数控，模块化 目录第1章 引言1第2章 机电一体化技术具体的主要内容22.1 机械技术22.2 计算机与信息技术22.3 系统技术22.4 自动控制技术22.5 传感检测技术22.6 伺服传动技术3第3章 机电一体化的核心技术43.1 机械本体技术43.2 传感技术43.3 信息处理技术43.4 驱动技术43.5 接口技术53.6 软件技术5第4章 机电一体化技术主要应用领域64.1 数控机床64.2 计算机集成制造系统94.3柔性制造系统94.4工业机器人9第5章 机电一体化的发展趋势105.1 数字化105.2 智能化105.3 模块化105
3、.4 网络化105.5 人性化115.6 微型化115.7 集成化115.8 带源化115.9绿色化12总结13致 谢14参考文献15 第1章 引言随着科学技术和人类文明的进步，传统的机械工业已不能满足人们日益增长的物质需求，随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，已迫切需要将其应用于机械工业中，机电一体化这一概念就应运而生，迄今为止，在人们生活的各个领域已得到广泛的应用，并以蓬勃的生机向前发展，已成为机械工业发展的必然趋势，世界各国都在大力推广机电一体化技术近些年来，机电一体化技术得到迅猛发展，在民用工业和军事领域得到广泛地应用。因此，机电一体化技术成为当今机械工业技术发展的一个主要趋势。而机
4、电一体化技术是众多科学技术发展的结晶，是社会生产力发展到一定阶段的必然要求。它促使机械工业发生战略性的变革，使传统的机械设计方法和设计概念发生着革命性的变化。大力发展新一代机电一体化产品，不仅是改造传统机械设备的要求，而且是推动机械产品更新换代和开辟新领域、发展与振兴机械工业的必由之路。所以机电一体化技术的运用渗透到了机械工业为代表的各个领域。而机电一体化本身也就成了研究的重点。 第1页共15页 第2章 机电一体化技术具体的主要内容2.1 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
5、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术。 2.2 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。 2.3 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。2.4 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
6、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。2.5 传感检测技术 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。 第2页共15页2.6 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3页共15页第3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，
7、为加速推进机电一体化的发展，必须从以下几方面着手： 3.1 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。 3.2 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。 3.3 信息处理技术 机电一体化与微电子学的显著进步、信
8、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。 3.4 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、 第4页共15页3.5 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
9、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。 3.6 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。 第5页共15页第4章 机电一体化技术主要应用领域4.1 数控机床一、总线式、模块化、紧凑型的结构，即采用多CPU多主总线的体系结构。二、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。开放结构的发展 ，数控技术从发明到现在，已有近50年的历史。按照电子器件的发展可分为五个发展阶段：电子管数控，晶体管数
10、控，中小规模IC数控，小型计算机数控，微处理器数控；从体系结构的发展，可分为以硬件及连线组成的硬数控系统、计算机硬件及软件组成的CNC数控系统，后者也称为软数控系统：从伺服及控制的方式可分为步进电机驱动的开环系统和伺服电机驱动的闭环系统。 数控系统装备的机床大大提高了加工精度、速度和效率。人类发明了机器，延长和扩展人的手脚功能：当出现数控系统以后，制造厂家逐渐希望数控系统能部分代替机床设计师和操作者的大脑，具有一定的智能，能把特殊的加工工艺、管理经验和操作技能放进数控系统， 同时也希望系统具有图形交互、诊断功能等。首先就要求数控系统具有友好的人机界面和开发平台，通过这个界面和平台开放而自由地执
11、行和表达自己的思路。这就产生了开放结构的数控系统。机床制造商可以在该开放系统的平台上增加一定的硬件和软件构成自己的系统。目前，开放系统有两种基本结构：(1)CNC+PC主板：把一块PC主板插入传统的CNC机器中，PC板主要运行实时控制，CNC主要运行以坐标轴运动为主的实时控制。(2)PC+运动控制板：把运动控制板插入PC机的标准插槽中作实时控制用，而PC机主要作非实时控制。开放结构在90年代初形成；对于许多熟悉计算机应用的系统厂家，往往采用第(2)基本结构。但目前主流数控系统生产厂家认为数控系统最主要的性能是可靠性，像PC机存在的死机现象是不允许的。而系统功能首先追求的仍然是高精高速的加工。加
12、上这些厂家长期已经生产大量的数控系统：体系结构的变化会对他们原系统的维修服务和可靠性产生不良的影响。因此不把开放结构作为主要的产品，仍然大量生产原结构的数控系统。为了增加开放性，主流数控系统生产厂家往往采用(1)基本结构，即在不变化原系统基本结构的基础上增加一块PC板，提供键盘使用户能把PC和CNC联系在一起，大大提高了人机界面的功能比较典型的如FANUC的150/160180210 第6页共15页系统。这些厂家也把这种装置称为融合系统(fusion system)。由于它工作可靠，界面开放，越来越受到机床制造商的欢迎。三、智能化设计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
13、，并引入在线诊断、模糊控制等智能机制。伺服技术是数控系统的重要组成部分。广义上说，采用计算机控制，控制算法采用软件的伺服装置称为“软件伺服”。它有以下优点：(1)无温漂，稳定性好。(2)基于数值计算，精度高。(3)通过参数对设定，调整减少。(4)容易做成ASIC电路。70年代，美国GATTYS公司发明了直流力矩伺服电机，从此开始大量采用直流电机驱动。开环的系统逐渐由闭环的系统取代。但直流电机存在以下缺点：(1)电动机容量、最高转速、环境条件受到限制；(2)换向器、电刷维护不方便。与直流电机相比，交流异步电机虽然价格便宜、结构简单，但早期由於控制性能差，所以很长时间没有在数控系统上得到应用。随着
14、电力电子技术的发展，1971年，德国西门子的Blaschke发明了交流异步机的矢量控制法；1980年，德国人Leonhard为首的研究小组在应用微理器的矢量控制的研究中取得进展，使矢量控制实用化。从70年代末，数控机床逐渐采用异步电机为主轴的驱动电机。如果把直流电机进行“里翻外”的处理，即把电驱绕组装在定子，转子为永磁部分，由转子轴上的编码器测出磁极位置，这就构成了永磁无刷电机。这种电机具有良好的伺服性能。从80年代开始，逐渐应用在数控系统的进给驱动装置上。为了实现更高的加工精度和速度，90年代，许多公司又研制了直线电机。它由两个非接触元件组成，即磁板和线卷滑座：电磁力直接作用于移动的元件而无
15、需机械连接，没有机械滞后或螺距周期误差，精度完全依赖于直线反馈系统和分级的支承，由全数字伺服驱动，刚性高，频响好，因而可获得高速度。但由于它的推力还不够大，发热，漏磁及造价也影响了它的广泛应用。对现代数控系统，伺服技术取得的最大突破可以归结为：交流驱动取代直流驱动、数字控制取代模拟控制、或者把它称为软件控制取代硬件控制。这两种突破的结果产生了交流数字驱动系统，应用在数控机床的伺服进给和主轴装置。由于电力电子技术及控制理论、微处理器等微电子技术的快速发展，软件运算及处理能力的提高，特别是DSP的应用，使系统的计算速度大大提高，采样时间大大减少。这些技术的突破，使伺服系统性能改善、可靠性提高、调试
16、方便、柔性增强。大大推动了高精高速加工技术的发展。 第7页共15页四、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。CNC系统的连网 ， 数控系统从控制单台机床到控制多台机床的分级式控制需要网络进行通信；网络的主要任务是进行通信，共享信息。这种通信通常分三级：(1)工厂管理级。一般由以太网组成。(2)车间单元控制级。一般由DNC功能进行控制。通过DNC功能形成网络可以实现对零件程序的上传或F传：读、写CNC的数据： PLC数据的传送；存贮器操作控制；系统状态采集和远程控制等。更高档次的DNC还
17、可以对CADCAM/CAPP以及CNC的程序进行传送和分级管理。CNC与通信网络连系在一起还可以传递维修数据，使用户与NC生产厂直接通信：进而，把制造厂家连系一起，构成虚拟制造网络。(3)现场设备级。现场级与车间单元控制级及信息集成系统主要完成底层设备单机及工0控制、连线控制、通信连网、在线设备状态监测及现场设备生产、运行数据的采集、存储、统计等功能，保证现场设备高质量完成生产任务，并将现场设备生产运行数据信息传送到工厂管理层，向工厂级提供数据。同时也可接受工厂管理层下达的生产管理及调度命令并执行之。因此，现场级与车间级是实现工厂自动化及CIMS系统的基础。传统的现场级大多是基于PLC的分布式
18、系统。其主要特点是现场层设备与控制器之间的连接是一对一，即一个I/0点对设备的一个测控点。所谓工0接线方式为传递420ma(模拟量信息)或24VDC(开关量信息)。这种系统的缺点是：信息集成能力不强、系统不开放、可集成性差、专业性不强、可靠性不易保证、可维护性不高。现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。因此，现场总线是面向自动化及信息集成的数字网络技术。现场总线技术的主要特点为：它是数控系统通信向现场级的延伸、数字化通信取代420ma模拟信号、应用现场总线技术，要求现场设备智能化(可编程或可
19、参数化)：它集现场设备的远程控制、参数化及故障诊断为一体：由于现场总线具有开放性、互操作性、互换性、可集成性，因此是实现数控系统设备层信息集成的关键技术。它对提高生产效率、降低生产成本非常重要。目前在工业上采用的现场总线有Profibus-DP，SERCOS，JPCN-1，Deviconet，CAN，hterbusS，Marco等。有的公司还有自己的总线，比如FANUC的FSSB，工OLINK(相当于JPCN1)，YASKAW的MOTIONLINK等。目前比较活跃的是Prof主bus-DP，为了允许更快的数据传送速度，它由0S工的七层结构省去3-7层构成。西门子最新推出802D的伺服控制就是由
20、Profibus-DP控制的。五、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置。 第8页共15页4.2 计算机集成制造系统 计算机集成制造系统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。4.3柔性制造系统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。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4.4工业机器人目前，被广泛应
21、用的为第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，作业环境中独立行动，与第5代计算机关系密切。 第9页共15页第5章 机电一体化的发展趋势机电一体化技术发展，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。5.1 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
22、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。5.2 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。5.3 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、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
23、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。5.4 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 第10页共15页统，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。5.5 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
24、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。5.6 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
25、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）。5.7 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。5.8 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
26、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。 第11页共15页5.9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。机电一体化技术是在微型计算机为代表的微
27、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。 第12页共
28、15页总结综上所述, 机电一体化是许多科学技术发展的结晶, 是社会生产力发展到一定阶段的必然要求。自机电一体化诞生之日起，已经使机械行业发生了质的变化 机电一体化是一门应用性很强的技术学科，它促使机械工业发生战略性的变革, 使传统的机械设计方法和设计概念发生着革命性的变化。大力发展新一代机电一体化产品, 不仅是改造和武装传统机械老设备的一条新路, 而且是推动机械产品更新换代和开辟新领域、发展与振兴机械工业的必由之路。并且其必将有力促进机电产品的创新和开发，在高科技和经济发展中起着非常重要的作用 随着科学技术的发展，机电一体化的前景将越来越光明。 第13页共15页 参考文献1 宋云夺编译. 光机电一体化业的未来. 光机电信息，2003（12）。2 梁进秋. 微光机电系统国内外研究进展. 光机电信息，2000（8）。3 王家淳. 激光焊接技术的发展与展望. 激光技术，2001（2）。4 李运华.机电控制M.北京航空航天大学出版社,2003。5 芮延年.机电一体化系统设计M.北京机械工业出版社,2004。 6 王中杰,余章雄,柴天佑.智能控制综述J.基础自动化,2006(6)。 7 章浩,张西良,周士冲.机电一体化技术的发展与应用J.农机化研究,2006(7)。 8 梁俊彦,李玉翔.机电一体化技术的发展及应用J.科技资讯,2007(9)。