機電一體化技術發(fā)展歷程及應用(畢業(yè)論文)

1、<p>　　課題名稱：機電一體化發(fā)展歷程及應用</p><p>　　專 業(yè) 系: 數(shù)控技術與應用 </p><p>　　班 級: </p><p>　　姓 名: </p><p>　　指 導 教師: x</p><p>　　完 成 日期: 2012-04-15</p&

2、gt;<p><b>　　目錄</b></p><p>　　摘要………………………………….........................................................3</p><p>　　關鍵詞………………………………………………………………………………….3</p><p>　　緒論………

3、……………………..……………………………………………………..3</p><p>　　機電一體化技術概要……………..………………………………………......4</p><p>　　2.1 什么是機電一體化技術...............................................................................4</p&g

4、t;<p>　　2.2 機電一體化技術發(fā)展歷程…………………………………………………………………………4</p><p>　　2.3 機電一體化技術發(fā)展前景………………………………………………………………………..5</p><p>　　第三章 機電一體化技術的主要應用領域……………………………………………………..6</p><p>　　3

5、.1 數(shù)控機床………………………………………………………………………………………………..7</p><p>　　3.2 計算機集成制造系統(tǒng)………………………………………………………………………………..7</p><p>　　3.3 柔性制造系統(tǒng)…………………………………………………………………………………………..7</p><p>　　3.4

6、工業(yè)機器人................................................................................................7</p><p>　　第四章 機電一體化技術的應用.......................................................................7</p&

7、gt;<p>　　4.1 數(shù)控技術....................................................................................................7</p><p>　　4.2 鋼鐵企業(yè)中應用..........................................................

8、.................................9</p><p>　　結束語.................................................................................................11</p><p>　　參考文獻..................................

9、...........................................................12</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　現(xiàn)代科學技術的發(fā)展極大地推動了不同學科的交叉與滲透，導致工程領域的技術改造與革命。在機械工程領域，由于微電子技術和計算機技術的迅速發(fā)展及其向機械工業(yè)的滲透所形成的機電一體化，使機械工業(yè)

10、的技術結構、產品機構、功能與構成、生產方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產由“機械電氣化”邁入了“機電一體化”為特征的發(fā)展階段。</p><p>　　關鍵詞：發(fā)展 歷程 應用</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　進入80年代以來，關于檢點一體化技術的研究和應用已成為全球性的課題，可以說，從

11、軍事到經濟、從生產到生活、從簡單的日用消費品生產到復雜的社會生產和管理系統(tǒng)。機電一體化技術幾乎達到無所不在、無孔不入的地步。然而，“什么是機電一體化？”，“機電一體化技術都包括哪些特征？”，“機電一體化技術在各應用領域中的發(fā)展狀況如何？”等問題卻很難令人回答。這一方面是因為機電一體化技術的研究不斷向深度持續(xù)發(fā)展，所采用的技術手段越來越先進，無法通過定義來界定其發(fā)展?jié)摿?；另一方面是因為機電一體化技術的應用領域不斷向深度擴展，也無法通過定義

12、來界定其應用范圍。</p><p>　　第二章 機電一體化技術概要</p><p>　　2.1 什么是機電一體化技術</p><p>　　機電一體化是指在機構的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進電子技術，將機械裝置與電子化設計及軟件結合起來所構成的系統(tǒng)的總稱。其基本特征可概括為：機電一體化是從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，綜合運用機械技術、微電子技術、自動控制技

13、術、計算機技術、信息技術、傳感測控技術、電力電子技術、接口技術、信息變換技術以及軟件編程技術等群體技術，根據系統(tǒng)功能目標和優(yōu)化組織目標，合理配置與布局各功能單元，在多功能、高質量、高可靠性、低能耗的意義上實現(xiàn)特定功能價值，并使整個系統(tǒng)最優(yōu)化的系統(tǒng)工程技術。</p><p>　　2.2 機電一體化技術的發(fā)展歷程</p><p>　　自電子技術一問世，電子技術與機械技術的結合就開始了，只是出

14、現(xiàn)了半導體集成電路，尤其是出現(xiàn)了以微處理器為代表的大規(guī)模集成電路以后，“機電一體化”技術之后有了明顯進展，引起了人們的廣泛注意?！皺C電一體化“這個詞是日本安川電機公司在上世紀60年代末作商業(yè)注冊時最先創(chuàng)用的。當時及70年代，人們一直把機電一體化看作是機械與電子的結合。國內早期將”機電一體化技術“與”機械電子學“并用，近年來”機電一體化“更流行使用。</p><p>　　80年代，信息技術嶄露頭角。微處理機的性能提

15、高，為更高級的機電一體化產品所采用，如典型的汽車的電子遙控系統(tǒng)。微機作為關鍵技術引入了飛行器系統(tǒng)后，使機械—電子系統(tǒng)在高度控制、排氣控制、震動控制和保險氣袋等方面獲得廣泛應用。</p><p>　　關于“機電一體化“這個名詞的起源，說法很多。早在1971年，日本《機械設計》雜志副刊就提出了”Mechatronics”這一名詞，它是取“Mechanics”(機械學)的前部分和”Electronics”(電子學)的后

16、部分組合而成，融合機械技術、電子技術、信息技術等多種技術為一體的新興技術。采用機電一體化技術設計和制造出的產品，稱之為機電一體化產品。從系統(tǒng)科學的觀點來看，機電一體化產品又可稱之為機電一體化系統(tǒng)，它是集機械元件和電子元件于一體的復合系統(tǒng)。</p><p>　　進入90年代，通信技術進入了機電一體化，機器可像機器人系統(tǒng)那樣遙控，與虛擬現(xiàn)實多媒體等技術緊密聯(lián)系的計算機控制的網絡化機電一體化日益普及。有些機電一體化機械

17、可兩用，有的在性能上更是多用途的，尤其是微傳感器和執(zhí)行器技術的發(fā)展，和半導體技術以光刻為基礎的方法以及和傳統(tǒng)機電一體化微型化方法的結合，開創(chuàng)了以精密工程和系統(tǒng)集成為特點的機電一體化新分支——“微機電一體化”。雖然微加工方法尚未成熟，但將逐漸成為集成控制系統(tǒng)的一個組成部分。之后，機電一體化隨著自動化技術的發(fā)展而日益發(fā)展，穩(wěn)步進入了21世紀。</p><p>　　2.3 機電一體化技術應用前景</p>

18、<p>　　機電一體化技術其主要發(fā)展方向有數(shù)字化、智能化、模塊化、網絡化、人性化、微型化、集成化、帶源化和綠色化。</p><p><b>　　數(shù)字化</b></p><p>　　微控制器及其發(fā)展奠定了機電產品數(shù)字化的基礎，如不斷發(fā)展的數(shù)控機床和機器人；而計算機網絡的迅速崛起，為數(shù)字化設計與制造鋪平了道路，如虛擬設計、計算機集成制造等。數(shù)字化要求機電一體化

19、產品的軟件具有高可靠性、易操作性、可維護性、自診斷能力以及友好人機界面。數(shù)字化的實現(xiàn)將便于遠程操作、診斷和修復。</p><p><b>　　智能化</b></p><p>　　即要求機電產品有一定的智能，使它具有類似人的邏輯思考、判斷推理、自主決策等能力。隨著模糊控制、神經網絡、灰色理論、小波理論、混沌與分岔等人工智能技術的進步與發(fā)展，為機電一體化技術發(fā)展開辟了廣闊

20、天地。</p><p><b>　　模塊化</b></p><p>　　由于機電一體化產品種類和生產廠家繁多，研制和開發(fā)具有標準機械接口、動力接口、環(huán)境接口的機電一體化產品單元模塊是一項復雜而又前途的工作。如研制具有集減速、變頻調速機電一體的動力驅動單元；如具有視覺、圖像處理、識別和測距等功能的機電一體控制單元等。這樣，在產品開發(fā)設計時，可以利用這些標準模塊化單元迅速

21、開發(fā)出新的產品。</p><p><b>　　網絡化</b></p><p>　　由于網絡的普及，基于網絡的各種遠程控制和監(jiān)視技術方興未艾。而遠程控制的終端設備就是機電一體化產品，現(xiàn)場總線和局域網技術使家用電器網絡化成為可能，利用家庭網絡把各種家用電器連接成以計算機為中心的計算機集成家用電器系統(tǒng)，使人們在家里可充分享受各種高技術帶來的好處。因此，機電一體化產品無疑應朝

22、網絡化方向發(fā)展。</p><p><b>　　人性化</b></p><p>　　機電一體化產品的最終使用對象是人，如何給機電一體化產品賦予人的只能、情感和人性顯得愈來愈重要，機電一體化產品除了完善的性能外，還要求在色彩、造型等方面與環(huán)境相協(xié)調，使用這些產品，對人來說還是一種藝術享受，如家用機器人的最高境界就是人機一體化。</p><p>&l

23、t;b>　　微型化</b></p><p>　　微型化是精細加工技術發(fā)展的必然，也是提高效率的需要。微機電系統(tǒng)（Micro Electronic Mechanical Systems,簡稱MEMS）是指可批量制作的，集微型機構、微型傳感器、衛(wèi)星執(zhí)行器以及信號處理和控制電路，直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。</p><p><b>　　集成化<

24、/b></p><p>　　集成化既包含各種技術的相互滲透、相互融合和各種產品不同結構的優(yōu)化和復合，又包含在生產過程中同時處理加工、裝配、檢測、管理等多種工序。為了實現(xiàn)多品種小批量生產的自動化與高效率，應使系統(tǒng)具有更廣泛性的柔性。</p><p><b>　　帶源化</b></p><p>　　是指機電一體化產品自身帶有能源，如太陽能電池

25、、燃料電池和大容量電池。由于在許多場合無法使用電能。帶源化是機電一體化產品的發(fā)展方向之一。</p><p><b>　　綠色化</b></p><p>　　為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，綠色產品概念應運而生。綠色產品是指低能耗、低材耗、低污染、舒適、協(xié)調而可再生利用的產品。在其設計、制造、使用和銷毀時應符合環(huán)境和人類健康的要求，產品壽命結束時，產品可分解和再生利用。</p&

26、gt;<p>　　機電一體化技術的主要應用領域</p><p><b>　　數(shù)控機床</b></p><p>　?。?）總線式、模塊化、緊湊型的結構，即采用多CPU、多主總線的體系結構；（2）開放性設計，即硬件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）智能化設計。系統(tǒng)能提供面向車間的編程技術和實現(xiàn)二、三維加

27、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）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，并將都具破損檢測、物料搬運、機械手等控制都集成到系統(tǒng)中去；（5）以單板、單片機作為控制機，加上專用芯片及模板組成結構緊湊的數(shù)控裝置。</p><p>　　3.2 計算機集成制造系統(tǒng)</p><p>　　計算機集成制造系統(tǒng)打破原有部門之間的

28、界限，以制造為基干來控制“物流”和“信息流”，實現(xiàn)從經營決策、產品開發(fā)、生產準備、生產實驗到生產經營管理的有機結合。企業(yè)集成度的提高可以使各種生產要素之間的配置得到更好的優(yōu)化，各種生產要素的潛力可以得到更大的發(fā)揮。</p><p>　　3.3 柔性制造系統(tǒng)</p><p>　　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。特別適于

29、多品種、中小批量、設計更改頻繁的離散零件的批量生產。</p><p>　　3.4 工業(yè)機器人</p><p>　　，目前，被廣泛應用的為第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。</p><p>　　機電一體化技術的應用</p><p>　　4.1 數(shù)控技

30、術</p><p>　　數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)綜述：</p><p>　　數(shù)據輸入裝置將指令信息和各種應用數(shù)據輸入數(shù)控系統(tǒng)的必要裝置。它可以是穿孔帶閱讀機，3.5in軟盤驅動器，CNC鍵盤（一般輸入操作），數(shù)控系統(tǒng)配備的硬盤及驅動裝置（用于大量數(shù)據的存儲保護）、磁帶機、PC計算機等。</p><p>　　數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控機床的中樞，它將接到的全部功能指令進行解碼、運算，然

31、后有序地發(fā)出各種需要的運動指令和各種機床功能的控制指令，直至運動和功能結束。數(shù)控系統(tǒng)都有很完善的自診斷能力，日常使用中更多地是要注意嚴格按照規(guī)定操作，而日常的維護則主要是對硬件使用環(huán)境的保護和防止系統(tǒng)軟件的破壞。</p><p>　　可編程邏輯控制器是機床各項功能的邏輯控制中心。它將來自CNC的各種運動及功能指令進行邏輯排序，使它們能夠準確地、協(xié)調有序地安全運行；同時將來自機床的各種信息及工作狀態(tài)傳送給CNC，使

32、CNC能及時準確地發(fā)出進一步的控制指令，如此實現(xiàn)對整個機床的控制。</p><p>　　主軸驅動系統(tǒng)接受來自CNC的驅動指令，經速度與轉矩（功率）調節(jié)輸出驅動信號驅動主電動機轉動，同時接受速度反饋實施速度閉環(huán)控制。它還通過PLC將主軸的各種現(xiàn)實工作狀態(tài)通告CNC用以完成對主軸的各項功能控制。</p><p>　　進給伺服系統(tǒng)接受來自CNC對每個運動坐標軸分別提供的速度指令，經速度與電流（轉

33、矩）調節(jié)輸出驅動信號驅動伺服電機轉動，實現(xiàn)機床坐標軸運動，同時接受速度反饋信號實施速度閉環(huán)控制。它也通過PLC與CNC通信，通報現(xiàn)時工作狀態(tài)并接受CNC的控制。</p><p>　　電器硬件電路隨著PLC功能的不斷強大，電器硬件電路主要任務是電源的生成與控制電路、隔離繼電器部分及各類執(zhí)行電器(繼電器、接觸器)，很少還有繼電器邏輯電路的存在。</p><p>　　機床（電器部分）包括所有的電

34、動機、電磁閥、制動器、各種開關燈。它們是實現(xiàn)機床各種動作的執(zhí)行者和機床各種現(xiàn)實的報告員。</p><p>　　速度測量通常由集裝于主軸和進給電動機中的測速機來完成。它將電動機實際轉速匹配成電壓值送回伺服驅動系統(tǒng)作為速度反饋信號，與指令速度電壓值相比較，從而實現(xiàn)速度的精確控制。</p><p>　　位置測量較早期的機床使用直線或圓形同步感應器或者旋轉變壓器，而現(xiàn)代機床多采用柵尺和數(shù)字脈沖編碼

35、器作為位置測量元件。它們對機床坐標軸在運行中的實際位置進行直接或間接的測量，將測量值反饋到CNC并與指令位移相比較直至坐標軸達到指令位置，從而實現(xiàn)對位置的精確控制。</p><p>　　外部設備一般指PC計算機，打印機等輸出設備，多數(shù)不屬于機床的基本配置。使用中的主要問題與輸入裝置一樣，是匹配問題。</p><p><b>　　鋼鐵企業(yè)中應用</b></p>

36、;<p>　?。?）智能化控制技術（IC）</p><p>　　由于鋼鐵工業(yè)具有大型化、高速化和連續(xù)化的特點，傳統(tǒng)的控制技術遇到了難以克服的困難，因此非常有必要采用智能控制技術。智能控制技術主要包括專家系統(tǒng)、模糊控制和神經網絡等。智能控制技術廣泛應用于鋼鐵企業(yè)的產品設計、生產、控制、設備與產品質量診斷等各個方面。如高爐控制系統(tǒng)、電爐和連鑄車間、軋鋼系統(tǒng)、煉鋼——連鑄——軋鋼綜合調度系統(tǒng)、冷連軋等。&

37、lt;/p><p>　　（2）分布式控制系統(tǒng)（DCS）</p><p>　　分布式控制系統(tǒng)采用一臺中央計算機指揮若干臺面向控制的現(xiàn)場測控計算機和智能控制單元。分布式控制系統(tǒng)可以是兩級的、三級的或更多級的。利用計算機對生產過程進行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制。隨著測控技術的發(fā)展，分布式控制系統(tǒng)的功能越來越多。不僅可以實現(xiàn)生產過程控制，而且還可以實現(xiàn)在線最優(yōu)化、生產過程實時調度、生產計劃統(tǒng)計管理

38、功能，成為一種測、控、管一體化的綜合系統(tǒng)。DCS具有特定控制功能多樣化、操作簡便、系統(tǒng)可以擴展、維護方便、可靠性高等特點。DCS是監(jiān)視集中控制分散，故障影響面小，而且系統(tǒng)具有聯(lián)鎖保護功能，采用了系統(tǒng)故障人工手動控制操作措施，使系統(tǒng)可靠性。分布式控制系統(tǒng)與集中型控制系統(tǒng)相比，其功能更強，具有更高的安全性，是當前大型機電一體化系統(tǒng)的主要潮流。</p><p>　　（3）開放式控制系統(tǒng)（OCS）</p>

39、<p>　　開放性控制系統(tǒng)（Open Control System）是目前計算機技術發(fā)展所引出的新的結構體系概念?！伴_放”意味著對一種標準的信息交換規(guī)程的共識和支持，按此標準設計的系統(tǒng)，可以實現(xiàn)不同廠家產品的兼容和互換，且資源共享。開放控制系統(tǒng)通過工業(yè)通信網絡使各種控制設備、管理計算機互聯(lián)，實現(xiàn)控制與經、管理決策的集成，通過現(xiàn)場總線使現(xiàn)場儀表與控制室的控制設備互聯(lián)，實現(xiàn)測量與控制一體化。</p><p>

40、;　　（4）計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）</p><p>　　鋼鐵企業(yè)的CIMS是將人與生產經營、生產管理以及過程控制連成一體，用以實現(xiàn)從原理進廠，生產加工到產品發(fā)貨的整個生產過程，全局和過程一體化控制。目前鋼鐵企業(yè)已基本實現(xiàn)了過程自動化，但這種“自動化孤島”式的單機自動化缺乏信息資源的共享和生產過程的統(tǒng)一管理，難以適應現(xiàn)代鋼鐵生產的要求。未來鋼鐵企業(yè)競爭的焦點是多品種、小批量生產，質優(yōu)價廉，及時交貨。為了提高

41、生產率、節(jié)能降耗、減少人員及現(xiàn)有庫存，加速資金周轉，實現(xiàn)生產、經營、管理整體優(yōu)化，關鍵就是加強管理，獲取必須的經濟效益，提高了企業(yè)的競爭力。美國、日本等一些大型的鋼鐵企業(yè)在20世紀80年代已廣泛實現(xiàn)CIMS化。</p><p>　?。?）現(xiàn)場總線技術（FBT）</p><p>　　現(xiàn)場總線技術（Field Bus Technology）是連接設置在現(xiàn)場的儀表與設置在控制室內的控制設備之間的

42、數(shù)字式、雙向、多站通信鏈路。采用現(xiàn)場總線技術取代現(xiàn)行的信號傳輸技術（如4~20mA,DC直流傳輸）就能使更多的信息在智能化現(xiàn)場儀表裝置與更高一級的控制系統(tǒng)之間在共同的通信媒體上進行雙向傳送。通過現(xiàn)場總線連接可省去66%或更多的現(xiàn)場信號連接導線?，F(xiàn)場總線的引入導致DCS的變革和新一代圍繞開放自動化系統(tǒng)的現(xiàn)場總線化儀表，如智能變送器、智能執(zhí)行器、現(xiàn)場總線化檢測儀表、現(xiàn)場總線化PLC(Programmable Logic Controller

43、)和現(xiàn)場就地控制站等的發(fā)展。</p><p><b>　?。?）交流傳動技術</b></p><p>　　傳動技術在鋼鐵工業(yè)中起至關重要的作用。隨著電力電子技術和微電子技術的發(fā)展，交流調速技術的發(fā)展非常迅速。由于交流傳動的優(yōu)越性，電氣傳動技術在不久的將來由交流傳動全面取代直流傳動。數(shù)字技術的發(fā)展，使復雜的矢量控制技術實用化得以實現(xiàn)，交流調速系統(tǒng)的調速性能已達到和超過直

44、流調速水平?，F(xiàn)在無論大容量電機或中小容量電機都可以使用同步電機或異步電機實現(xiàn)可逆平滑調速。交流傳動系統(tǒng)在軋鋼生產中一出現(xiàn)就收到用戶的歡迎，應用不斷擴大。</p><p><b>　　結束語</b></p><p>　　綜上所述，經過20多年的發(fā)展，機電一體化技術已經成為當今世界最熱門、最重要的技術發(fā)展方向之一，并影響到幾乎全部的工業(yè)行業(yè)。我國從80年代初對機電一體化技

45、術和產品開始予以重視，先后在國家科技攻關計劃、863高科技計劃和國家自然科學基金中列專項對機電一體化技術加以研究，并去得了一系列重大科技成果。1990年，國家將用電子技術改造傳統(tǒng)產業(yè)列為“八五”及本世紀后十年發(fā)展全民經濟的重要戰(zhàn)略技術措施。機電一體化技術的推廣應用已取得相當進展。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　李建勇 機電一體化技術

46、【M】北京：科學出版社 2004</p><p>　　李運華 機電控制【M】北京：北京航空航天大學出版社 2003</p><p>　　張建民 機電一體化系統(tǒng)設計【M】北京：北京理工大學出版社 1996</p><p>　　機電一體化技術手冊編委會 機電一體化技術手冊 北京：機械工業(yè)出版社 1994</p><p>　　梁景凱主編 機電一體化