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机电一体化技术的应用与发展前景 摘要: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。文章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:机械工业;机电一体化;数控;模块化 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。 一、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、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。 二、机电一体化技术的主要应用领域 (一)数控机床 数控机床及相应的数控技术经过40 年的发展,在结构、功能、操作和控制精度 上都有迅速提高,具体表现在: 1、总线式、模块化、紧凑型的结构,即 采用多C PU、多主总线的体系结构。 2、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。 3、W O P技术和智能化。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,并引入在线诊断、模糊 控制等智能机制。 4、大容量存储器的应用和软件的模 块化设计,不仅丰富了数控功能,同时也 加强了C N C系统的控制功能。 5、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的能力,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。 6、系统的多级网络功能,加强了系统 组合及构成复杂加工系统的能力。 7、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装置。 (二)计算机集成制造系统(CIMS) C IM S的实现不是现有各分散系统 的简单组合,而是全局动态最优综合。它 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。 (三)柔性制造系统(FMS) 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。 它可以随机地、实时地、按量地按照装配 部门的要求,生产其能力范围内的任何工 件,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。 (四)工业机器人 第1代机器人亦称示教再现机器人, 它们只能根据示教进行重复运动,对工作 环境和作业对象的变化缺乏适应性和灵活 性;第2代机器人带有各种先进的传感元 件,能获取作业环境和操作对象的简单信 息,通过计算机处理、分析,做出一定的判 断,对动作进行反馈控制,表现出低级智 能,已开始走向实用化;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,在作业环境中独 立行动,与第5代计算机关系密切。 三、机电一体化技术的发展前景 纵观国内外机电一体化的发展现状 和高新技术的发展动向,机电一体化将朝 着以下几个方向发展。 (一)智能化 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。 (二)系统化 系统化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,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。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。 (三)微型化 微型机电一体化系统高度融合了微 机械技术、微电子技术和软件技术,是机 电一体化的一个新的发展方向。国外称微 电子机械系统的几何尺寸一般不超过 1cm 3,并正向微米、纳米级方向发展。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、航空航天、信息技术、工农业乃至国 防等领域,都有广阔的应用前景。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)模块化 模块化也是机电一体化产品的一个 发展趋势,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、信息接口的机电一体化产 品单元是一项复杂而重要的事,它需要制 订一系列标准,以便各部件、单元的匹配 和接口。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。 (五)网络化 网络技术的飞速发展对机电一体化 有重大影响,使其朝着网络化方向发展。 机电一体化产品的种类很多,面向网络的 方式也不同。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。 (六)绿色化 工业的发达使人们物质丰富、生活舒 适的同时也使资源减少,生态环境受到严 重污染,于是绿色产品应运而生。绿色化 是时代的趋势,其目标是使产品从设计、 制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期中,对生态环境无危害或危害极 小,资源利用率极高。机电一体化产品的 绿色化主要是指使用时不污染生态环境, 报废时能回收利用。绿色制造业是现代制 造业的可持续发展模式。 综上所述,机电一体化是众多科学技 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。 参考文献: 1、李运华.机电控制[M].北京航空航天大学出版社,2003. 2、芮延年.机电一体化系统设计[M].北京机械工业出版社,2004. 3、王中杰,余章雄,柴天佑.智能控制综述[J].基础自动化,2006(6). 4、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). 5、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).

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这个呢》机电一体化技术及其应用研究摘 要 讨论了机电一体化技术对于改变整个机械制造业面貌所起的重要作用，并说明其在钢铁工业中的应用以及发展趋势。 关键词 机电一体化 技术 应用1 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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）。 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。 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。 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。2 机电一体化技术在钢铁企业中应用 在钢铁企业中，机电一体化系统是以微处理机为核心，把微机、工控机、数据通讯、显示装置、仪表等技术有机的结合起来，采用组装合并方式，为实现工程大系统的综合一体化创造有力条件，增强系统控制精度、质量和可靠性。机电一体化技术在钢铁企业中主要应用于以下几个方面： 智能化控制技术(IC) 由于钢铁工业具有大型化、高速化和连续化的特点，传统的控制技术遇到了难以克服的困难，因此非常有必要采用智能控制技术。智能控制技术主要包括专家系统、模糊控制和神经网络等，智能控制技术广泛应用于钢铁企业的产品设计、生产、控制、设备与产品质量诊断等各个方面，如高炉控制系统、电炉和连铸车间、轧钢系统、炼钢---连铸---轧钢综合调度系统、冷连轧等。 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。分布式控制系统可以是两级的、三级的或更多级的。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。随着测控技术的发展，分布式控制系统的功能越来越多。不仅可以实现生产过程控制，而且还可以实现在线最优化、生产过程实时调度、生产计划统计管理功能，成为一种测、控、管一体化的综合系统。DCS具有特点控制功能多样化、操作简便、系统可以扩展、维护方便、可靠性高等特点。DCS是监视集中控制分散，故障影响面小，而且系统具有连锁保护功能，采用了系统故障人工手动控制操作措施，使系统可靠性高。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。 开放式控制系统(OCS) 开放控制系统(Open Control System)是目前计算机技术发展所引出的新的结构体系概念。“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。 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。目前钢铁企业已基本实现了过程自动化，但这种“自动化孤岛”式的单机自动化缺乏信息资源的共享和生产过程的统一管理，难以适应现代钢铁生产的要求。未来钢铁企业竞争的焦点是多品种、小批量生产，质优价廉，及时交货。为了提高生产率、节能降耗、减少人员及现有库存，加速资金周转，实现生产、经营、管理整体优化，关键就是加强管理，获取必须的经济效益，提高了企业的竞争力。美国、日本等一些大型钢铁企业在20世纪80年代已广泛实现CIMS化。 现场总线技术(FBT) 现场总线技术(Fied Bus Technology)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(如4～20mA，DC直流传输)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。通过现场总线连接可省去66%或更多的现场信号连接导线。现场总线的引入导致DCS的变革和新一代围绕开放自动化系统的现场总线化仪表，如智能变送器、智能执行器、现场总线化检测仪表、现场总线化PLC(Programmable Logic Controller)和现场就地控制站等的发展。 交流传动技术 传动技术在钢铁工业中起作至关重要的作用。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。现在无论大容量电机或中小容量电机都可以使用同步电机或异步电机实现可逆平滑调速。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。参考文献1 杨自厚． 人工智能技术及其在钢铁工业中的应用[J]．冶金自动化，1994（5）2 唐立新.钢铁工业CIMS特点和体系结构的研究[J]．冶金自动化，1996（4） 3 唐怀斌． 工业控制的进展与趋势 [J]．自动化与仪器仪表，1996（4） 4 王俊普． 智能控制[M]． 合肥：中国科学技术大学出版社，1996 5 林行辛． 钢铁工业自动化的进展与展望[J]．河北冶金，1998（1）6 殷际英． 光机电一体化实用技术[M]．北京：化学工业出版社，20037 芮延年． 机电一体化系统设计[M]． 北京：机械工业出版社，2004．