机电一体化的发展及应用.docx

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机电一体化的发展及应用

机电一体化的发展及应用

摘　要

随着科学技术日益走向整体化、交叉化和数字化以及微电子技术信息技术的迅速发展，机电一体化技术的应用也越来越广泛。

机电一体化技术是跨学科技术，其发展趋势是光机电一体化、柔性化、智能化、仿生物系统化、微型化。

其产品功能是通过其内部各组成部分功能的协调和综合来共同实现的。

关键词：

机电一体化技术；发展趋势；产品功能；协调和综合

目录

摘要——————————————————————————01

绪论——————————————————————————03

第1章机电一体化的基本概念———————————————04

1.1基本概念———————————————————————04

1.2机电产品的优越性———————————————————04

1.3机电产品的分类————————————————————05

第2章机电化产品的构成及特点——————————————07

第3章机电一体化技术的发展趋势—————————————09

3.1机电一体化技术的发展历程———————————————09

3.2机电一体化技术的发展方向———————————————10

3.3机电一体化技术的应用—————————————————11

3.4机电一体化产品的发展趋势———————————————12

3.5典型机电一体化产品的发展趋势—————————————14

3.5.1数控机床——————————————————————14

3.5.2自动机与自动生产线—————————————————15

第4章我国机电产品概况—————————————————16

4.1缺乏核心技术是我国机电产品出口的软肋—————————16

4.2技术壁垒是我国机电产品出口的新拦路虎—————————17

4.3升值对出口企业的影响—————————————————17

4.4缺乏全面、系统的并且实时性的专业信息平台———————18

4.5我国技术法规体系、市场管理体系不完善，监督力度不强——18

总结——————————————————————————19

参考文献—————————————————————————19

感谢辞——————————————————————————20

绪论

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。

随着机电一体化技术的快速发展，机电一体化的概念被我们广泛接受和普遍应用。

随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用,机电一体化技术获得前所未有的发展。

现在的机电一体化技术，是机械和微电子技术紧密集合的一门技术，他的发展使冷冰冰的机器有了人性化，智能化。

机电一体化是在以机械、电子技术和计算机科学为主的多门学科相互渗透、相互结合过程中逐渐形成和发展起来的一门新兴边缘技术学科，而机电一体化产品是在机械产品的基础上，采用微电子技术和计算机技术生产出来的新一代产品。

机电一体化技术同时也是工程领域不同种类技术的综合及集合，它是建立在机械技术、微电子技术、计算机和信息处理技术、自动控制技术、电力电子技术、伺服驱动技术以及系统总体技术基础之上的一种高新技术。

第1章机电一体化的基本概念

1.1基本概念

机电一体化又称机械电子学，英语称为Mechatronics，它是由英文机械学Mechanics的前半部分与电子学Electronics的后半部分组合而成。

机电一体化最早出现在1971年日本杂志《机械设计》的副刊上，随着机电一体化技术的快速发展，机电一体化的概念被我们广泛接受和普遍应用。

随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用,机电一体化技术获得前所未有的发展。

现在的机电一体化技术，是机械和微电子技术紧密集合的一门技术，他的发展使冷冰冰的机器有了人性化，智能化。

机电一体化是在以机械、电子技术和计算机科学为主的多门学科相互渗透、相互结合过程中逐渐形成和发展起来的一门新兴边缘技术学科，而机电一体化产品是在机械产品的基础上，采用微电子技术和计算机技术生产出来的新一代产品。

机电一体化技术同时也是工程领域不同种类技术的综合及集合，它是建立在机械技术、微电子技术、计算机和信息处理技术、自动控制技术、电力电子技术、伺服驱动技术以及系统总体技术基础之上的一种高新技术

1.2机电产品的优越性

与传统的机电产品相比，机电一体化产品具有下述优越性：

1.使用安全性和可靠性提高

机电一体化产品一般都具有自动监视、报警、自动诊断、自动保护等功能。

在工作过程中，遇到过载、过压、过流、短路等电力故障时，能自动采取保护措施，避免和减少人身和设备事故，显著提高设备的使用安全性。

2.生产能力和工作质量提高

机电一体化产品大都具有信息自动处理和自动控制功能，其控制和检测的灵敏度、精度以及范围都有很大程度的提高，通过自动控制系统可精确地保证机械的执行机构按照设计的要求完成预定的动作，使之不受机械操作者主观因素的影响，从而实现最佳操作，保证最佳的工作质量和产品的合格率。

同时，由于机电一体化产品实现了工作的自动化，使得生产能力大大提高。

例如，数控机床对工件的加工稳定性大大提高，生产效率比普通机床提高5～6倍。

3．使用性能改善

机电一体化产品普遍采用程序控制和数字显示，操作按钮和手柄数量显著减少，使得操作大大简化并且方便、简单。

机电一体化产品的工作过程根据预设的程序逐步由电子控制系统指挥实现，系统可重复实现全部动作。

高级的机电一体化产品可通过被控对象的数学模型以及外界参数的变化随机自寻最佳工作程序，实现自动最优化操作。

4.具有复合功能并且适用面广

机电一体化产品跳出了机电产品的单技术和单功能限制，具有复合技术和复合功能，使产品的功能水平和自动化程度大大提高。

机电一体化产品一般具有自动化控制、自动补偿、自动校验、自动调节、自动保护和智能化等多种功能，能应用于不同的场合和不同领域，满足用户需求的应变能力较强。

例如，电子式空气断路器具有保护特性可调、选择性脱扣、正常通过电流与脱扣时电流的测量、显示和故障自动诊断等功能，使其应用范围大为扩大。

5.机电一体化产品在安装调试时，可通过改变控制程序来实现工作方式的改变，以适应不同用户对象的需要以及现场参数变化的需要

这些控制程序可通过多种手段输入到机电一体化产品的控制系统中，而不需要改变产品中的任何部件或零件。

对于具有存储功能的机电一体化产品，可以事先存入若干套不同的执行程序，然后根据不同的工作对象，只需给定一个代码信号输入，即可按指定的预定程序进行自动工作。

机电一体化产品的自动化检验和自动监视功能可对工作过程中出现的故障自动采取措施，使工作恢复正常。

1.3机电产品的分类

机电一体化技术和产品的应用范围非常广泛，涉及到工业生产过程的所有领域，因此，机电一体化产品的种类很多，而且还在不断地增加。

按照机电一体化产品的功能，可以将其分成下述几类：

1.数控机械类

主要产品包括数控机床、机器人、发动机控制系统以及全自动洗衣机等。

这类产品的特点是执行机构为机械装置。

2.电子设备类

主要产品包括电火花加工机床、线切割机、超声波加工机以及激光测量仪等。

这类产品的特点是执行机构为电子装置。

3.机电结合类

产品包括自动探伤机、形状自动识别装置、CT扫描诊断机以及自动售货机等。

这类产品的特点是执行机构为电子装置和机械装置的有机结合。

4.电液伺服类

主要产品为机电液一体化的伺服装置，如电子伺服万能材料试验机。

这类产品的特点是执行机构为液压驱动的机械装置，控制机构是接受电信号的液压伺服阀。

5.信息控制类

包括传真机、磁盘存储器、磁带录像机、录音机、复印机等。

这类产品的主要特点是执行机构的动作由所接收的信息类信号来控制。

除此之外，机电一体化产品还可根据机电技术的结合程度分为功能附加型、功能替代型和机电融合型三类。

第2章机电化产品的构成及特点

机电一体化产品的功能是通过其内部各组成部分功能的协调和综合来共同实现的。

从其结构来看，机电一体化产品具有自动化、智能化和多功能的特性，而实现这种多功能一般需要机电一体化产品具备五种内部功能，即主功能、动力功能、检测功能、控制功能和执行功能，而实现这些功能的各个组成部分及其技术就构成了机电一体化产品的总体或系统。

1．机械系统

机电一体化产品的机械系统包括机身、框架、机械传动和联接等机械部分。

这部分是实现产品功能的基础，因此对机械结构提出了更高的要求，需在结构、材料、工艺加工及几。

2.动力系统

动力系统为机电一体化产品提供能量和动力功能，去驱动执行机构工作以完成预定的主功能。

动力系统包括电、液、气等动力源。

机电一体化产品以电能利用为主，包括电源、电动机及驱动电路等。

3.传感与检测系统

传感器的作用是将机电一体化产品在运行过程中所需要的自身和外界环境的各种参数转换成可以测定的物理量，同时利用检测系统的功能对这些物理量进行测定，为机电一体化产品提供运行控制所需的各种信息。

传感与检测系统的功能一般由测量仪器或仪表来实现，对其要求是体积小、便于安装与联接、检测精度高、抗干扰等。

4.信息处理及控制系统

根据机电一体化产品的功能和性能要求，信息处理及控制系统接收传感与检测系统反馈的信息，并对其进行相应的处理、运算和决策，以对产品的运行施以按照要求的控制，实现控制功能。

机电一体化产品中，信息处理及控制系统主要是由计算机的软件和硬件以及相应的接口所组成。

5.执行机构

执行机构在控制信息的作用下完成要求的动作，实现产品的主功能。

机电一体化产品的执行机构一般是运动部件，常采用机械、电液、气动等机构。

执行机构因机电一体化产品的种类和作业对象不同而有较大的差异。

执行机构是实现产品目的功能的直接执行者，其性能好坏决定着整个产品的性能，因而是机电一体化产品中最重要的组成部分。

机电一体化产品的五个组成部分在工作时相互协调，共同完成所规定的目的功能。

在结构上，各组成部分通过各种接口及其相应的软件有机地结合在一起，构成一个内部匹配合理、外部效能最佳的完整产品。

第3章机电一体化技术的发展趋势

机电一体化技术是面向应用的跨学科的技术，它是机械技术、微电子技术、信息技术和控制技术等有机融合、相互渗透的结果。

今天机电一体化技术发展飞速，机电一体化产品更新日新月异。

3.1机电一体化技术的发展历程

“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”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。

3.2机电一体化技术的发展方向

　　以微电子技术、软件技术、计算机技术及通信技术为核心而引发的数字化、网络化、综合化、个性化信息技术革命，不仅深刻地影响着全球的科技、经济、社会和军事的发展，而且也深刻影响着机电一体化的发展趋势。

专家预测，机电一体化技术将向以下几个方向发展：

1.光机电一体化方向

一般机电一体化系统是由传感系统、能源（动力）系统、信息处理系统、机械结构等部件组成。

引进光学技术，利用光学技术的先天特点，就能有效地改进机电一体化系统的传感系统、能源系统和信息处理系统。

2.柔性化方向

未来机电一体化产品，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”。

在这系统中，各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”，可根据不同环境条件做出不同反应。

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，具有“行动”是可以改变的。

这样，既明显地增加了系统的能力（柔性），又不因某一子系统的故障而影响整个系统。

3.智能化方向

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。

这主要得益于模糊技术与信息技术（尤其是软件及芯片技术）的发展。

4.仿生物系统化方向

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。

就目前情况看，机电一体化产品虽然有仿生物系统化方向发展的趋势，但还有一段很漫长的道路要走。

5.微型化方向

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。

当这一成果用于实际产品时，就没有必要再区分机械部分和控制器部分了。

那时，机械和电子完全可以“融合”机体，执行结构、传感器、CPU等可集成在一起，体积很小，并组成一种自律元件。

这种微型化是机电一体化的重要发展方向。

3.3机电一体化技术的应用

1.在现代机械制造业中的应用

传统机械制造业是建立在规模经济的基础上，靠企业规模、生产批量、产品结构和重复性来获得竞争优势的，它强调资源的有效利用，以低成本获得高质量和高效率，其生产盈利是靠机器取代人力，靠复杂的专业加工取代人的技能来获取的。

先进的机械制造业是以信息为主导，采用先进生产模式、先进制造系统、先进制造技术和先进组织管理形式的全新的机械制造业，其特征是全球化、网络化、虚拟化、智能化以及环保协调的绿色制造。

现代制造业集成了现代科学技术的发展，充分利用电子计算机技术，使制造技术提高到新的高度。

近年来，制造工程领域的新技术相继诞生，如计算机数字控制、现代集成制造系统、柔性制造技术、敏捷制造、虚拟制造、并行工程等。

2.在饮料行业中的应用

机电一体化技术是当今发展最快、应用前景最为广泛的技术之一。

机电一体化技术在食品、饮料包装机械的开发、设计和制造过程中的应用。

不仅使单机的自动化程度大大提高，而且使整条包装生产线的自动化控制水平、生产能力得到很大提高，使其竞争能力远远超过传统的机械控制的同类设备。

可以大大改善食品饮料包装生产设备产品的质量，提高其国内、国际竞争能力。

3.在钢铁企业中的应用

①计算机集成制造系统（CIMS）钢铁企业的CIMS是将人与生产经营、生产管理以及过程控制连成一体，用以实现从原料进厂，生产加工到产品发货的整个生产过程全局和过程一体化控制。

②现场总线技术（FBT）现场总线技术是连接设置在现场的仪表与设置在控制室内的控制设备之间的数字式、双向、多站通信链路。

采用现场总线技术取代现行的信号传输技术就能使更多的信息在智能化现场仪表装置与更高一级的控制系统之间在共同的通信媒体上进行双向传送。

③交流传动技术随着电力电子技术和微电子技术的发展，交流调速技术的发展非常迅速。

由于交流传动的优越性，电气传动技术在不久的将来由交流传动全面取代直流传动，数字技术的发展，使复杂的矢量控制技术实用化得以实现，交流调速系统的调速性能已达到和超过直流调速水平。

交流传动系统在轧钢生产中一出现就受到用户的欢迎，应用不断扩大。

④开放式控制系统“开放”意味着对一种标准的信息交换规程的共识和支持，按此标准设计的系统，可以实现不同厂家产品的兼容和互换，且资源共享。

开放控制系统通过工业通信网络使各种控制设备、管理计算机互联，实现控制与经营、管理、决策的集成，通过现场总线使现场仪表与控制室的控制设备互联，实现测量与控制一体化。

⑤分布式控制系统（DCS）分布式控制系统采用一台中央计算机指挥若干台面向控制的现场测控计算机和智能控制单元。

利用计算机对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制。

分布式控制系统与集中型控制系统相比，其功能更强，具有更高的安全性，是当前大型机电一体化系统的主要潮流。

随着机电一体化技术的发展，各种产品与装置实现了机电一体化，有利实现整体优化，提高产品质量和生产效率，缩短开发新产品的生产准备周期，加速科技成果向商品转化，有利推动传统产业发生深刻变革，同时，随着新产品的研发及高精密等设备的发展，要求新一代机电一体化技术、产品及系统朝着高性能、智能化、系统化以及轻量化、微型化方向发展，从而为国家带来更大的经济效益与社会效益。

3.4机电一体化产品的发展趋势

1.智能化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。

2.微控制器和接口技术的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、通用性、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控制操作、诊断和修复。

3.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、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。

从而避免利益的冲突，并能使之标准化、系列化。

转

4.网络化网络技术的兴起和飞速发展给社会各个领域带来了巨大变革。

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.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。

6.人性化人性化是各类产品的必然发展方向。

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，对人来说更自然，更接近生活习惯。

7.微型化微型化是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。

微机电系统是指可批量制作的，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和系统。

微机电系统产品体积小、耗能少、运动灵活，在生物医疗、信息等方面具有不可比拟的优势。

8.绿色化工业发达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。

3.5典型机电一体化产品的发展趋势

3.5.1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。

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3000～4000r/min提高到8000～10000r/min；铣床和加工中心主轴转速由4000～8000r/min提高到12000～40000r/min以上；快速移动速度由过去的10～20m/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1.5G～2G，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。

数控机床的定位精度已由一般的0.01～0.02mm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0.005～0.01um；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。

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“如虎添翼”。

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。

3.5.2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：

2000～80000瓶/h的啤酒自动生产线；18000～120000瓶/h的易拉罐灌装生产线；各种高速香烟生产线；各