機電一體化技術的未來發(fā)展趨勢深析(共18頁)

1、 合肥通用職業(yè)技術學院畢業(yè)論文 PAGE PAGE 19合 肥 通 用 職 業(yè) 技 術 學 院畢 業(yè) 設 計 論 文題 目： 機電(jdin)一體化技術的未來發(fā)展趨勢深析 系 別： 機 械 工 程 系 專 業(yè)： 機 械 制 造 與 自 動 化 學 制： 三 年 姓 名： 某 某 學 號： 00000000 指導(zhdo)教師： 某 某 某 二零一四 年五月四日指導教師評語及成績：指導教師： 2014年 月 日摘要(zhiyo) 機電一體化是一項將系統(tǒng)技術、計算機信息處理技術、伺服傳動技術、自動控制技術、檢測(jin c)傳感技術和機械技術等多項技術相互結合的系統(tǒng)工程。本文首先回顧了機電一體化

2、技術的發(fā)展歷程，明確了機電一體化技術對于機械制造業(yè)的整體行業(yè)發(fā)展所擁有的重要影響，并闡明了機電一體化技術在未來社會朝著智能化、系統(tǒng)化以及輕量、微型化的方向發(fā)展。關鍵詞： 智能 機電一體化 先進制造(zhzo)技術 機械設計 計算模式目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc369161856 摘要(zhiyo) PAGEREF _Toc369161856 h 1 HYPERLINK l _Toc369161857 目錄(ml) PAGEREF _Toc369161857 h 2 HYPERLINK l _Toc369161858 第1章機電一體化技術發(fā)展(fzhn)

3、歷程 PAGEREF _Toc369161858 h 3 HYPERLINK l _Toc369161859 1.1 機電一體化 的發(fā)展歷程 PAGEREF _Toc369161859 h 3 HYPERLINK l _Toc369161860 1.1.1初級階段 PAGEREF _Toc369161860 h 3 HYPERLINK l _Toc369161861 1.1.2蓬勃發(fā)展階段 PAGEREF _Toc369161861 h 3 HYPERLINK l _Toc369161862 1.1.2深入發(fā)展時期 PAGEREF _Toc369161862 h 3 HYPERLINK l _

4、Toc369161863 第2章機電一體化技術的主要應用領域 PAGEREF _Toc369161863 h 5 HYPERLINK l _Toc369161864 2.1 數(shù)控機床 PAGEREF _Toc369161864 h 5 HYPERLINK l _Toc369161865 2.2計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS） PAGEREF _Toc369161865 h 5 HYPERLINK l _Toc369161866 2.3柔性制造系統(tǒng)（FMS） PAGEREF _Toc369161866 h 5 HYPERLINK l _Toc369161867 2.4工業(yè)機器人 PAGEREF _

5、Toc369161867 h 6 HYPERLINK l _Toc369161868 第3章 機電一體化產(chǎn)品的構成及優(yōu)勢 PAGEREF _Toc369161868 h 7 HYPERLINK l _Toc369161869 3.1機電一體化產(chǎn)品的構成 PAGEREF _Toc369161869 h 7 HYPERLINK l _Toc369161870 3.1.1機械系統(tǒng) PAGEREF _Toc369161870 h 7 HYPERLINK l _Toc369161871 3.1.2動力系統(tǒng) PAGEREF _Toc369161871 h 7 HYPERLINK l _Toc3691618

6、72 3.1.3傳感與檢測系統(tǒng) PAGEREF _Toc369161872 h 7 HYPERLINK l _Toc369161873 3.1.4信息處理及控制系統(tǒng) PAGEREF _Toc369161873 h 8 HYPERLINK l _Toc369161874 3.1.5執(zhí)行機構 PAGEREF _Toc369161874 h 8 HYPERLINK l _Toc369161875 3.2機電一體化產(chǎn)品的優(yōu)勢 PAGEREF _Toc369161875 h 8 HYPERLINK l _Toc369161876 3.2.1使用安全性和可靠性提高 PAGEREF _Toc36916187

7、6 h 8 HYPERLINK l _Toc369161877 3.2.2生產(chǎn)能力和工作質量提高 PAGEREF _Toc369161877 h 8 HYPERLINK l _Toc369161878 3.2.3使用性能改善 PAGEREF _Toc369161878 h 9 HYPERLINK l _Toc369161879 3.2.4具有復合功能并且適用面廣 PAGEREF _Toc369161879 h 9 HYPERLINK l _Toc369161880 3.2.5調整和維護方便 PAGEREF _Toc369161880 h 9 HYPERLINK l _Toc369161881

8、第4章 機電一體化技術的發(fā)展前景 PAGEREF _Toc369161881 h 10 HYPERLINK l _Toc369161882 4.1光機電一體化 PAGEREF _Toc369161882 h 10 HYPERLINK l _Toc369161883 4.2 自律分配系統(tǒng)化 PAGEREF _Toc369161883 h 10 HYPERLINK l _Toc369161884 4.3 全息系統(tǒng)化 PAGEREF _Toc369161884 h 10 HYPERLINK l _Toc369161885 4.4 生物軟件化 PAGEREF _Toc369161885 h 11 HY

9、PERLINK l _Toc369161886 4.5 微型機電化 PAGEREF _Toc369161886 h 11 HYPERLINK l _Toc369161887 4.6 網(wǎng)絡化 PAGEREF _Toc369161887 h 11 HYPERLINK l _Toc369161888 4.7 虛擬化 PAGEREF _Toc369161888 h 11 HYPERLINK l _Toc369161889 4.8自動化 PAGEREF _Toc369161889 h 12 HYPERLINK l _Toc369161890 4.9智能化 PAGEREF _Toc369161890 h

10、12 HYPERLINK l _Toc369161891 4.10敏捷化 PAGEREF _Toc369161891 h 12 HYPERLINK l _Toc369161892 4.11 綠色化 PAGEREF _Toc369161892 h 12 HYPERLINK l _Toc369161893 總結 PAGEREF _Toc369161893 h 13 HYPERLINK l _Toc369161894 參考文獻 PAGEREF _Toc369161894 h 14 HYPERLINK l _Toc369161895 致謝 PAGEREF _Toc369161895 h 15第1章機電

11、一體化技術發(fā)展(fzhn)歷程1.1 機電一體化 的發(fā)展(fzhn)歷程機電一體化的發(fā)展(fzhn)大體可以分為三個階段:1.1.1初級階段20世紀60年代以前為第一階段,這一階段稱為初級階段。在這一時期,人們自覺不自覺地利用電子技術的初步成果來完善機械產(chǎn)品的性能。特別是在第二次世界大戰(zhàn)期間,戰(zhàn)爭刺激了機械產(chǎn)品與電子技術的結合,這些機電結合的軍用技術,戰(zhàn)后轉為民用,對戰(zhàn)后經(jīng)濟的恢復起到了積極的作用。那時,研制和開發(fā)從總體上看還處于自發(fā)狀態(tài)。由于當時電子技術的發(fā)展尚未達到一定水平,機械技術與電子技術的結合還不可能廣泛和深入發(fā)展,已經(jīng)開發(fā)的產(chǎn)品也無法大量推廣。 1.1.2蓬勃發(fā)展階段 20世紀70

12、80年代為第二階段,可稱為蓬勃發(fā)展階段。這一時期,計算機技術、控制技術、通信技術的發(fā)展,為機電一體化的發(fā)展奠定了技術基礎。大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路和微型計算機的出現(xiàn),為機電一體化的發(fā)展提供了充分的物質基礎。這個時期的特點是:mechatronics一詞首先在日本被普遍接受,大約到20世紀80年代末期在世界范圍內(nèi)得到比較廣泛的承認;機電一體化技術和產(chǎn)品得到了極大發(fā)展;各國均開始對機電一體化技術和產(chǎn)品給予很大的關注和支持。1.1.2深入發(fā)展時期 20世紀90年代后期,開始了機電一體化技術向智能化方向邁進的新階段,機電一體化進入深入發(fā)展時期。一方面,光學、通信技術等進入機電一體化,微細加工技術也在機

13、電一體化中嶄露頭腳,出現(xiàn)了光機電一體化和微機電一體化等新分支;另一方面,對機電一體化系統(tǒng)的建模設計、分析和集成方法,機電一體化的學科體系和發(fā)展趨勢都進行了深入研究。同時,人工智能技術、神經(jīng)網(wǎng)絡技術及光纖技術等領域取得的巨大進步,為機電一體化技術開辟了發(fā)展的廣闊天地。這些研究,使機電一體化進一步建立了堅實的基礎,并且逐漸形成完整的學科體系。 第2章機電(jdin)一體化技術的主要應用領域2.1 數(shù)控機床(sh kn j chun) 數(shù)控機床及相應的數(shù)控技術經(jīng)過40年的發(fā)展，在結構、功能、操作和控制精度上都有迅速提高，具體表現(xiàn)在：（1）總線式、模塊化、緊湊型的結構，即采用多CPU、多主總線的體系結

14、構。（2）開放性設計，即硬件(yn jin)體系結構和功能模塊具有層次性、兼容性、符合接口標準，能最大限度地提高用戶的使用效益。（3）WOP技術和智能化。系統(tǒng)能提供面向車間的編程技術和實現(xiàn)二、三維加工過程的動態(tài)仿真，并引入在線診斷、模糊控制等智能機制。（4）大容量存儲器的應用和軟件的模塊化設計，不僅豐富了數(shù)控功能，同時也加強了CNC系統(tǒng)的控制功能。（5）能實現(xiàn)多過程、多通道控制，即具有一臺機床同時完成多個獨立加工任務或控制多臺和多種機床的能力，并將刀具破損檢測、物料搬運、機械手等控制都集成到系統(tǒng)中去。（6）系統(tǒng)的多級網(wǎng)絡功能，加強了系統(tǒng)組合及構成復雜加工系統(tǒng)的能力。（7）以單板、單片機作為控制

15、機，加上專用芯片及模板組成結構緊湊的數(shù)控裝置。2.2計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS） CIMS的實現(xiàn)不是現(xiàn)有各分散系統(tǒng)的簡單組合，而是全局動態(tài)最優(yōu)綜合。它打破原有部門之間的界線，以制造為基干來控制“物流”和“信流”，實現(xiàn)從經(jīng)營決策、產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)準備、生產(chǎn)實驗到生產(chǎn)經(jīng)營管理的有機結合。企業(yè)集成度的提高可以使各種生產(chǎn)要素之間的配置得到更好的優(yōu)化，各種生產(chǎn)要素的潛力可以得到更大的發(fā)揮。2.3柔性制造系統(tǒng)（FMS） 柔性制造系統(tǒng)是計算機化的制造系統(tǒng)，主要由計算機、數(shù)控機床、機器人、料盤、自動搬運小車和自動化倉庫等組成。它可以隨機地、實時地、按量地按照裝配部門(bmn)的要求，生產(chǎn)其能力范圍內(nèi)的任何工件

16、，特別適于多品種、中小批量、設計更改頻繁的離散零件的批量生產(chǎn)。2.4工業(yè)(gngy)機器人 第1代機器人亦稱示教再現(xiàn)機器人，它們只能根據(jù)示教進行重復(chngf)運動，對工作環(huán)境和作業(yè)對象的變化缺乏適應性和靈活性；第2代機器人帶有各種先進的傳感元件，能獲取作業(yè)環(huán)境和操作對象的簡單信息，通過計算機處理，做出一定的判斷，對動作進行反饋控制，表現(xiàn)出低級智能，已開始走向實用化；第3代機器人即智能機器人，具有多種感知功能，可進行復雜的邏輯思維、判斷和決策，在作業(yè)環(huán)境中獨立行動，與第5代計算機關系密切。 第3章 機電一體化產(chǎn)品的構成(guchng)及優(yōu)勢3.1機電(jdin)一體化產(chǎn)品的構成機電一體化產(chǎn)品

17、的功能是通過其內(nèi)部各組成部分功能的協(xié)調和綜合來共同實現(xiàn)的。從其結構(jigu)來看，機電一體化產(chǎn)品具有自動化、智能化和多功能的特性，而實現(xiàn)這種多功能一般需要機電一體化產(chǎn)品具備五種內(nèi)部功能，即主功能、動力功能、檢測功能、控制功能和執(zhí)行功能，而實現(xiàn)這些功能的各個組成部分及其技術就構成了機電一體化產(chǎn)品的總體或系統(tǒng)。 3.1.1機械系統(tǒng) 機電一體化產(chǎn)品的機械系統(tǒng)包括機身、框架、機械傳動和聯(lián)接等機械部分。這部分是實現(xiàn)產(chǎn)品功能的基礎， 因此對機械結構提出了更高的要求， 需在結構、材料、工藝加工及幾何尺寸等方面滿足機電一體化產(chǎn)品高效、多功能、可靠、節(jié)能和小型輕量等要求。 3.1.2動力系統(tǒng) 動力系統(tǒng)為機電一

18、體化產(chǎn)品提供能量和動力功能，去驅動執(zhí)行機構工作以完成預定的主功能。動力系統(tǒng)包括電、液、氣等動力源。機電一體化產(chǎn)品以電能利用為主，包括電源、電動機及驅動電路等。 3.1.3傳感與檢測(jin c)系統(tǒng) 傳感器的作用是將機電一體化產(chǎn)品在運行過程中所需要的自身和外界環(huán)境的各種參數(shù)轉換成可以測定的物理量，同時利用檢測系統(tǒng)的功能對這些物理量進行測定，為機電一體化產(chǎn)品提供運行控制所需的各種信息。傳感與檢測系統(tǒng)的功能一般由測量儀器(yq)或儀表來實現(xiàn)，對其要求是體積小、便于安裝與聯(lián)接、檢測精度高、抗干擾等。 3.1.4信息處理及控制系統(tǒng)(kn zh x tn) 根據(jù)機電一體化產(chǎn)品的功能和性能要求，信息處理及

19、控制系統(tǒng)接收傳感與檢測系統(tǒng)反饋的信息，并對其進行相應的處理、運算和決策，以對產(chǎn)品的運行施以按照要求的控制，實現(xiàn)控制功能。機電一體化產(chǎn)品中，信息處理及控制系統(tǒng)主要是由計算機的軟件和硬件以及相應的接口所組成。3.1.5執(zhí)行機構 執(zhí)行機構在控制信息的作用下完成要求的動作，實現(xiàn)產(chǎn)品的主功能。機電一體化產(chǎn)品的執(zhí)行機構一般是運動部件，常采用機械、電液、氣動等機構。執(zhí)行機構因機電一體化產(chǎn)品的種類和作業(yè)對象不同而有較大的差異。執(zhí)行機構是實現(xiàn)產(chǎn)品目的功能的直接執(zhí)行者，其性能好壞決定著整個產(chǎn)品的性能，因而是機電一體化產(chǎn)品中最重要的組成部分。機電一體化產(chǎn)品的五個組成部分在工作時相互協(xié)調，共同完成所規(guī)定的目的功能。在

20、結構上，各組成部分通過各種接口及其相應的軟件有機地結合在一起，構成一個內(nèi)部匹配合理、外部效能最佳的完整產(chǎn)品。3.2機電一體化產(chǎn)品(chnpn)的優(yōu)勢3.2.1使用(shyng)安全性和可靠性提高 機電一體化產(chǎn)品一般都具有自動監(jiān)視、報警、自動診斷、自動保護等功能。在工作過程中，遇到(y do)過載、過壓、過流、短路等電力故障時，能自動采取保護措施，避免和減少人身和設備事故，顯著提高設備的使用安全性。 3.2.2生產(chǎn)能力和工作質量提高 機電一體化產(chǎn)品大都具有信息自動處理和自動控制功能，其控制和檢測的靈敏度、精度以及范圍都有很大程度的提高，通過自動控制系統(tǒng)可精確地保證機械的執(zhí)行機構按照設計的要求完成

21、預定的動作，使之不受機械操作者主觀因素的影響，從而實現(xiàn)最佳操作，保證最佳的工作質量和產(chǎn)品的合格率。同時，由于機電一體化產(chǎn)品實現(xiàn)了工作的自動化，使得生產(chǎn)能力大大提高。例如，數(shù)控機床對工件的加工穩(wěn)定性大大提高，生產(chǎn)效率比普通機床提高5 6 倍。 3.2.3使用性能改善 機電一體化產(chǎn)品普遍采用程序控制和數(shù)字顯示，操作按鈕和手柄數(shù)量顯著減少，使得操作大大簡化并且方便、簡單。機電一體化產(chǎn)品的工作過程根據(jù)預設的程序逐步由電子控制系統(tǒng)指揮實現(xiàn)，系統(tǒng)可重復實現(xiàn)全部動作。高級的機電一體化產(chǎn)品可通過被控對象的數(shù)學模型以及外界參數(shù)的變化隨機自尋最佳工作程序，實現(xiàn)自動最優(yōu)化操作。 3.2.4具有(jyu)復合功能并且

22、適用面廣 機電一體化產(chǎn)品(chnpn)跳出了機電產(chǎn)品的單技術和單功能限制，具有復合技術和復合功能，使產(chǎn)品的功能水平和自動化程度大大提高。機電一體化產(chǎn)品一般具有自動化控制、自動補償、自動校驗、自動調節(jié)、自動保護和智能化等多種功能，能應用于不同的場合和不同領域，滿足用戶需求的應變能力較強。例如，電子式空氣斷路器具有保護特性可調、選擇性脫扣、正常通過電流與脫扣時電流的測量、顯示和故障自動診斷等功能，使其應用范圍大為擴大。 3.2.5調整和維護(wih)方便 機電一體化產(chǎn)品在安裝調試時，可通過改變控制程序來實現(xiàn)工作方式的改變，以適應不同用戶對象的需要以及現(xiàn)場參數(shù)變化的需要。這些控制程序可通過多種手段輸

23、入到機電一體化產(chǎn)品的控制系統(tǒng)中，而不需要改變產(chǎn)品中的任何部件或零件。對于具有存儲功能的機電一體化產(chǎn)品，可以事先存入若干套不同的執(zhí)行程序，然后根據(jù)不同的工作對象，只需給定一個代碼信號輸入，即可按指定的預定程序進行自動工作。機電一體化產(chǎn)品的自動化檢驗和自動監(jiān)視功能可對工作過程中出現(xiàn)的故障自動采取措施，使工作恢復正常。第4章 機電一體化技術的發(fā)展前景 機電一體化是集機械、電子、光學、控制、計算機、信息等多學科的交叉綜合,它的發(fā)展和進步依賴并促進相關技術的發(fā)展。機電一體化的主要發(fā)展方向大致有以下幾個方面：4.1光機電一體化一般的機電一體化系統(tǒng)是由傳感系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、信息 光機電一體化 處理系統(tǒng)、機械結

24、構等部件組成的。因此，引進光學技術，實現(xiàn)光學技術的先天優(yōu)點是能有效地改進機電一體化系統(tǒng)的傳感系統(tǒng)、能源（動力）系統(tǒng)和信息處理 系統(tǒng)。光機電一體化是機電產(chǎn)品發(fā)展的重要(zhngyo)趨勢。4.2 自律(z l)分配系統(tǒng)化 未來(wili)的機電一體化產(chǎn)品，控制和執(zhí)行系統(tǒng)有柔性化。 柔性化足夠的“冗余度”，有較強的“柔性”，能較好地應付突發(fā)事件，被設計成“自律分配系統(tǒng)”。在自律分配系統(tǒng)中，各個子系統(tǒng)是相互獨立工作的，子系統(tǒng)為總系統(tǒng)服務，同時具有本身的“自律性”，可根據(jù)不同的環(huán)境條件作出不同反應。其特點 是子系統(tǒng)可產(chǎn)生本身的信息并附加所給信息，在總的前提下，具體“行動”是可以 改變的。這樣，既明顯地

25、增加了系統(tǒng)的適應能力（柔性），又不因某一子系統(tǒng)的故障而影響整個系統(tǒng)。4.3 全息系統(tǒng)化 今后的機電一體化產(chǎn)品“全息”特征越來越明顯，智能化智能化水平越來越高。這主要收益于模糊技術、信息技術（尤其是軟件及芯片技 術）的發(fā)展。除此之外，其系統(tǒng)的層次結構，也變簡單的“從上到下”的形勢而為復雜的、有較多冗余度的雙向聯(lián)系。4.4 生物軟件化 今后的機電一體化裝置對信息的依賴性很大，并且往往在結構上是處于“靜態(tài)”時不穩(wěn)定，但在動態(tài)（工作）時卻是穩(wěn)定的。這有點類似于活的生物：當控制系統(tǒng)（大腦）停止工作時，生物便“死亡”，而當控制系統(tǒng)（大腦）工作時，生物就很有活力。仿生學研究領域中已發(fā)現(xiàn)的一 些生物體優(yōu)良的機

26、構可為機電一體化產(chǎn)品提供新型機體，但如何使這些新型機體 具有活的“生命”還有待于深入研究。這一研究領域稱為“生物軟件”或“生物 系統(tǒng)”，而生物的特點是硬件（肌體）軟件（大腦）一體，不可分割?？磥?，機電一體化產(chǎn)品雖然有向生物系統(tǒng)化發(fā)展趨，但有一段漫長的道路要走。4.5 微型機電化 目前，利用半導體器件制造過程中的蝕刻技術，微型化在實驗室中已制造出亞微米級的機械元件。當將這一成果(chnggu)用于實際產(chǎn)品時，就沒 有必要區(qū)分機械部分和控制器了。屆時機械和電子完全可以“融合(rngh)”，機體、執(zhí)行 機構、傳感器、CPU 等可集成在一起，體積(tj)很小，并組成一種自律元件。4.6 網(wǎng)絡化 網(wǎng)絡通

27、訊技術的迅速發(fā)展和普及，給企業(yè)的生產(chǎn)和經(jīng)營活動帶來了革命性的變革。產(chǎn)品設計、物料選擇、零件制造、市場開拓與產(chǎn)品銷售都 可以異地或跨越國界進行。此外，網(wǎng)絡通訊技術的快速發(fā)展，加速技術信息的交 流、加強產(chǎn)品開發(fā)的合作和經(jīng)營管理的學習，推動了企業(yè)向著既競爭又合作的方向發(fā)展。4.7 虛擬化 制造過程中的虛擬技術是指面向產(chǎn)品生產(chǎn)過程的模擬和檢驗。檢驗產(chǎn)品的可加工性、加工方法和工藝的合理性，以優(yōu)化產(chǎn)品的制造工藝、 保證產(chǎn)品質量、生產(chǎn)周期和最低成本為目標，進行生產(chǎn)過程計劃、組織管理、車間調度、供應鏈及物流設計的建模和仿真。虛擬化的核心是計算機仿真，通過仿 真軟件來模擬真實系統(tǒng)，以保證產(chǎn)品設計和產(chǎn)品工藝的合理

28、性，保證產(chǎn)品制造的 成功和生產(chǎn)周期，發(fā)現(xiàn)設計、生產(chǎn)中不可避免的缺陷和錯誤。4.8自動化 自動化是一個動態(tài)概念，目前它的研究主要表現(xiàn)在制造系統(tǒng) 中的集成技術和系統(tǒng)技術、人機一體化制造系統(tǒng)、制造單元(dnyun)技術、制造過程的計 劃和調度、柔性制造技術和適應現(xiàn)化生產(chǎn)模式的制造環(huán)境等方面。4.9智能化 智能制造系統(tǒng)(xtng)可被理解為由智能機械和人類專家共同組成 智能化的人機一體化智能系統(tǒng)，該系統(tǒng)在制造過程中能進行智能活動，如分析、推理、 判斷、構思、決策等。在智能系統(tǒng)中，“智能(zh nn)”主要體現(xiàn)在系統(tǒng)具有極好的“軟” 特性。在設計和制造過程中，采用模塊化方法，使之具有較大的柔性；對于人，智能制造強調安全性和友好性；對于環(huán)境，要求作到無污染，省能源和資源充分回收；對于社會，提倡合理協(xié)作與競爭。4.10敏捷化 敏捷制造是以競爭力和信譽度為基礎，選擇合作者組成虛擬公司，分工合作，為同一目標共同努力來增強整體競爭能力