畢業(yè)論文機電一體化技術的發(fā)展歷程及其趨勢.doc

XXXXXX學院畢業(yè)論文（設計）題 目 機電一體化技術的發(fā)展及其趨勢 學 生 xxx 學 號 、xxx 專業(yè)班級 09機電四班 系院名稱 機電一體化 指導教師 二一二 年 六 月 二十 日 機電一體化技術的發(fā)展歷程及其趨勢摘要：機電一體化概要“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。因此，“機電一體化”涵蓋“技術”和“產品”兩個方面。目前，我國從事“機電一體化”研究開發(fā)及生產的單位很多，并且各自都有一套自己的發(fā)展策略。因此，建議各主管部門責成有關單位在進行深入調查研究、科學分析的基礎上，制定出統(tǒng)管全局的“機電一體化”研究、開發(fā)、生產計劃和規(guī)劃，避免開發(fā)上重復，生產上撞車!關鍵詞：數控機床，機器人，汽車電子化產品，機電一體化，工作任務 一、 緒論現(xiàn)代科學技術的不斷發(fā)展，極大地推動了不同學科的交叉與滲透，并導致了工程領域的技術革命與改造。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)的技術結構、產品結構、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。二、機電一體化概要“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。機電一體化發(fā)展至今已成為一門有著自身體系的新型學科，并且伴隨著科學技術的不斷進步還將被賦予新的內容。但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。由此而產生的功能系統(tǒng)，則成為一個機電一體化系統(tǒng)或機電一體化產品。因此，“機電一體化”涵蓋“技術”和“產品”兩個方面。只是，機電一體化技術是基于上述群體技術有機融合的一種綜合技術，而不是機械技術、微電子技術以及其它新技術的簡單組合、拼湊。這是機電一體化與機械加電氣所形成的機械電氣化在概念上的根本區(qū)別。機械工程技術有純技術發(fā)展到機械電氣化，仍屬傳統(tǒng)機械，其主要功能依然是代替和放大的體力。但是發(fā)展到機電一體化后，其中的微電子裝置除可取代某些機械部件的原有功能外，還能賦予許多新的功能，如自動檢測、自動處理信息、自動顯示記錄、自動調節(jié)與控制自動診斷與保護等。即機電一體化產品不僅是人的手與肢體的延伸，還是人的感官與頭腦的眼神，具有智能化的特征是機電一體化與機械電氣化在功能上的本質區(qū)別。三、機電一體化技術發(fā)展歷程及其趨勢 自電子技術一問世,電子技術與機械技術的結合就開始了。但是直到出現(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，機電一體化技術才開始有了明顯的進展,并引起了人們的廣泛關注。(一)機電一體化的發(fā)展歷程“機電一體化”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，近年來機電一體化則更加流行。80年代，信息技術嶄露頭角。微處理機的性能提高，為更高級的機電一體化產品所采用，典型的機電一體化產品有數控機床、工業(yè)機器人和汽車的電子控制系統(tǒng)等。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、振動控制和保險氣袋等方面獲得廣泛應用。信息技術驅使機械系統(tǒng)在不同程度上利用數據庫，連洗衣機和其他消費品也用上了數據庫驅動系統(tǒng)。這樣，對機電一體化的系統(tǒng)設計方法的探索、成型和系統(tǒng)集成以及并行工程設計和控制的實施日顯重要。此外，光學也進入了機電一體化，產生了“光機電一體化”的新領域。進入90年代，通信技術進入了機電一體化，機器可以像機器人系統(tǒng)那樣遙控和虛擬現(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，即“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。簡言之，機電一體化技術的發(fā)展歷程可以概括為以下幾點：1.數控機床的問世,寫下了機電一體化歷史的第一頁；2.微電子技術為機電一體化帶來勃勃生機；3.可編程序控制器、電力電子等的發(fā)展為機電一體化提供了堅強基礎；4.激光技術、模糊技術、信息技術等新技術使機電一體化躍上新臺階。(二)機電一體化發(fā)展趨勢 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)展和進步。因此，機電一體化的主要發(fā)展方向如下：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)、信息處理系統(tǒng)、機械結構等部件組成的。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品發(fā)展的重要趨勢。2.自律分配系統(tǒng)化柔性化。未來的機電一體化產品,控制和執(zhí)行系統(tǒng)有足夠的“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”，可根據不同的環(huán)境條件作出不同反應。其特點是，子系統(tǒng)可產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，既明顯地增加了系統(tǒng)的適應能力，即柔性，又不會因某一子系統(tǒng)的故障而影響整個系統(tǒng)。3.全息系統(tǒng)化智能化。今后的機電一體化產品“全息”特征將越來越明顯，智能化水平也越來越高。這主要得益于模糊技術、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)的層次結構也由簡單的“從上到下”的形勢轉而變?yōu)閺碗s的、有較多冗余度的雙向聯(lián)系。4.“生物一軟件”化仿生物系統(tǒng)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，即當控制系統(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)良的機構可為機電一體化產品提供新型機體，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)與軟件(大腦)一體，不可分割。由此看來，機電一體化產品雖然有向生物系統(tǒng)化發(fā)展的趨勢，但要達到這一目的還需要有一段漫長的道路去走。5.微型機電化微型化。目前，利用半導體器件制造過程中的蝕刻技術，在實驗室中已制造出亞微米級的機械元件。當我們將這一成果用于實際產品時，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”，機體、執(zhí)行機構、傳感器、CPU等可集成在一起，體積很小，并組成一種自律元件。這種微型機械學是機電一體化的重要發(fā)展方向。四、典型的機電一體化產品機電一體化產品分系統(tǒng)(整機)和基礎元、部件兩大類。典型的機電一體化系統(tǒng)有：數控機床、機器人、汽車電子化產品、智能化儀器儀表、電子排版印刷系統(tǒng)、CADCAM系統(tǒng)等。典型的機電一體化基礎元、部件有：電力電子器件及裝置、可編程序控制器、模糊控制器、微型電機、傳感器、專用集成電路、伺服機構等。下面，我將針對其中的幾種產品的進一步發(fā)展趨勢進行詳細說明。（一）數控機床目前我國是全世界機床擁有量最多的國家（近320萬臺），但數控機床只占約5且大多數是普通數控（發(fā)達國家數控機床占10）。近些年來數控機床為適應加工技術的發(fā)展，在以下幾個技術領域都有巨大進步。1高速化。由于高速加工技術普及，機床普遍提高了各方面的速度。車床主軸轉速有30004000r/min提高到800010000r/min；銑床和加工中心主軸轉速由40008000r/min提高到1200040000r/min以上；快速移動速度由過去的1020m/min提高到48m/min，60m/mni，80m/min，120m/min；在提高速度的同時要求提高運動部件起動的加速度，由過去一般機床的0.5G（重力加速度）提高到1.5G2G，最高可達15G；直線電機在機床上開始使用，主軸上大量采用內裝式主軸電機。2高精度化。數控機床的定位精度已由一般的0.010.02mm提高到0.008左右；亞微米級機床達到0.0005mm左右；納米級機床達到0.0050.01um；最小分辨率為1nm（0.000001mm）的數控系統(tǒng)和機床已問世。數控中兩軸以上插補技術大大提高，納米級插補使兩軸聯(lián)動出的圓弧都可以達到1u的圓度，插補前多程序預讀，大大提高了插補質量，并可進行自動拐角處理等。3復合加工，新結構機床大量出現(xiàn)。如5軸5面體復合加工機床，5軸5聯(lián)動加工各類異形零件。同時派生出各種新穎的機床結構，包括6軸虛擬軸機床，串并聯(lián)絞鏈機床等，采用特殊機械結構，數控的特殊運算方式，特殊編程要求。4使用各種高效特殊功能的刀具使數控機床“如虎添翼”。如內冷轉頭由于使高壓冷卻液直接冷卻轉頭切削刃和排除切屑，在轉深孔時大大提高效率。加工剛件切削速度能達1000m/min，加工鋁件能達5000m/min。5數控機床的開放性和聯(lián)網管理。數控機床的開放性和聯(lián)網管理已是使用數控機床的基本要求，它不僅是提高數控機床開動率、生產率的必要手段，而且是企業(yè)合理化、最佳化利用這些制造手段的方法。因此，計算機集成制造、網絡制造、異地診斷、虛擬制造、并行工程等等各種新技術都在數控機床基礎上發(fā)展起來，這必然成為21世紀制造業(yè)發(fā)展的一個主要潮流。（二）自動機與自動生產線在國民經濟生產和生活中廣泛使用的各種自動機械、自動生產線及各種自動化設備，是當前機電一體化技術應用的又一具體體現(xiàn)。如：200080000瓶/h的啤酒自動生產線/h的易拉罐灌裝生產線；各種高速香煙生產線；各種印刷包裝生產線；郵政信函自動分撿處理生產線；易拉罐自動生產線；FEBOPP型三層共擠雙向拉伸聚丙烯薄膜生產線等等，這些自動機或生產線中廣泛應用了現(xiàn)代電子技術與傳感技術。如可編程序控制器，變頻調速器，人機界面控制裝置與光電控制系統(tǒng)等。我國的自動機與生產線產品的水平，比10多年前躍升了一大步，其技術水平已達到或超過發(fā)達國家上一世紀80年代后期的水平。使用這些自動機和生產線的企業(yè)越來越多，對維護和管理這些設備的相關人員的需求也越來越多。（三）機器人機器人是20世紀人類最偉大的發(fā)明之一。從某種意義上講，一個國家機器人技術水平的高低反映了這個國家綜合技術實力的高低。機器人已在工業(yè)領域得到了廣泛的應用，而且正以驚人的速度不斷向軍事、醫(yī)療、服務、娛樂等非工業(yè)領域擴展。毋庸質疑，21世紀機器人技術必將得到更大的發(fā)展，成為各國必爭之知識經濟至高點。在計算機技術和人工智能科學發(fā)展的基礎上，產生了智能機器人的概念。智能機器人是具有感知、思維和行動功能的機器，是機構學、自動控制、計算機、人工智能、微電子學、光學、通訊技術、傳感技術、仿生學等多種學科和技術的綜合成果。智能機器人可獲取、處理和識別多種信息，自主地完成較為復雜的操作任務，比一般的工業(yè)機器人具有更大的靈活性、機動性和更廣泛的應用領域。智能機器人作為新一代生產和服務工具，在制造領域和非制造領域具有更廣泛、更重要的位置，如核工業(yè)、水下、空間、農業(yè)、工程機械（地上和地下）、建筑、醫(yī)用、救災、排險、軍事、服務、娛樂等方面，可代替人完成各種工作。同時，智能機器人作為自動化、信息化的裝置與設備，完全可以進入網絡世界，發(fā)揮更多、更大的作用，這對人類開辟新的產業(yè)，提高生產水平與生活水平具有十分現(xiàn)實的意義。因此，面向先進制造的工業(yè)機器人和面向非制造業(yè)的先進機器人的研究、開發(fā)和應用將成為21世紀智能機器人的兩個重要發(fā)展方向。目前，圍繞未來的機器人需要研究開發(fā)如下一些關鍵技術：1.網絡機器人技術。通信網絡技術的發(fā)展完全能夠將各種機器人連接到計算機網絡上，并通過網絡對機器人進行有效的控制。這種技術包括網絡遙操作控制技術、眾多信息組的壓縮與擴展方法及傳輸技術等。2.虛擬機器人技術。許多特種機器人在使用時，遙控是一個主要手段?；诙鄠鞲小⒍嗝襟w和虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實（或臨場感）的虛擬遙控操作和人機交互，將成為需要共同發(fā)展的一項技術。3.多智能體協(xié)調控制技術。用于實現(xiàn)決策和操作自治性的、由多智能體組成的群行為控制是一個具有挑戰(zhàn)性的關鍵技術，這里包括任務的解釋和表達、學習、實時推理和廣義反應能力、監(jiān)控和異況處理、多智能體協(xié)調等。4.微型和微小型技術。這是一項由技術驅動的新領域，盡管微型/小型尺寸的機器人實用化還要等幾年，但是這個時代即將到來。5.軟機器人技術。許多特種機器人，特別是用于醫(yī)療和護理、休閑和娛樂等場合時，經常處于與人共存的環(huán)境中?，F(xiàn)在的大多數機器人，由于在設計時未考慮與人共存，用的是金屬等硬材料。軟機器人技術要求其結構和相應的控制以及所用的傳感器，在機器人意外地碰撞人或相互碰撞時是“ 軟”的，增強人對機器人的安全感和親近感。6.新型機構、新型控制器、新型傳感器及體系結構的研究。（四）汽車電子化產品汽車上比較常用的一般有5種儀表和3種相應的傳感器，即電流表、機油壓力表、水溫表、燃油表、車速里程表等指示儀表和機油壓力傳感器、水溫傳感器和油量傳感器。目前，電子化儀表已經取代機械式儀表。這是由于機械式儀表一旦出現(xiàn)故障將很難處理，而電子化儀表則不同。采用電子化儀表不僅可以改進駕駛員的目視性，還有助于汽車儀表的多樣化。其總的發(fā)展趨勢有以下幾點：1.儀表電子化。傳統(tǒng)儀表一般是電機式模擬儀表，只能為駕駛員提供運行中必要而少量的數據信息，已經遠遠不能滿足現(xiàn)代汽車新技術、高速度的要求。汽車儀表的功能已不僅僅是單純的指示，而是通過對汽車各部件參數的監(jiān)測和微處理機配套，達到控制汽車各種運行工況的目的。隨著現(xiàn)代電子技術的發(fā)展，多功能高精度、高靈敏度、讀數直觀的電子數字顯示的儀表已經不斷地在汽車上得到應用。因此，汽車電子化儀表將逐步取代常規(guī)的機械式儀表。其特點是：電子化儀表能提供大量復雜的信息；滿足小型、輕量化要求；具有高精度和高可靠性；一表多用；外形設計自由度高?；谝陨蟽?yōu)點，汽車將會越來越多地裝用各種用途的電子儀表。造型新穎別致和功能強大的電子化儀表，將是今后車用儀表的發(fā)展趨勢和潮流。2.儀表指示形式將演變成計算機終端顯示器。未來的汽車儀表發(fā)展趨勢，就是充分應用光技術和機電一體化技術，并突出現(xiàn)代信息技術和網絡技術的應用，儀表的形式將發(fā)生根本改變，指示形式將演變成一個高清晰度的計算機顯示器。3.儀表功能拓寬。未來汽車儀表的功能將不再局限于現(xiàn)在的車速、歷程、發(fā)動機轉速、油量、水溫、方向燈指示，還有可能添加以下功能，即：帶ECU（電子控制裝置）的汽車儀表智能化；將防盜系統(tǒng)納入汽車儀表ECU的監(jiān)管之下。4.儀表將廣泛應用于電光學技術。五、我國發(fā)展“機電一體化”面臨的形勢和任務機電一體化工作主要包括兩個層次：一是用微電子技術改造傳統(tǒng)產業(yè)，其目的是節(jié)能、節(jié)材，提高工效，提高產品質量，把傳統(tǒng)工業(yè)的技術進步提高一步；二是開發(fā)自動化、數字化、智能化機電產品，促進產品的更新?lián)Q代。(一)我國“機電一體化”工作面臨的形勢1. 我國用微電子技術改造傳統(tǒng)工業(yè)的工作量大而廣，有難度。2. 我國用機電一體化技術加速產品更新?lián)Q代，提高市場占有率的呼聲高，有壓力。3. 我國用機電一體化產品取代技術含量和附加值低，耗能、耗水、耗材高，污染、擾民產品的責任重，有意義。在我國工業(yè)系統(tǒng)中，能耗、耗水大戶，對環(huán)境污染嚴重的企業(yè)還占相當大的比重。近年來我國的工業(yè)結構、產品結構雖然幾經調整，但由于多種原因，成效一直不夠明顯。這里面固然有上級領導部門的政出多門問題，有企業(yè)的“故土難離”“死守故業(yè)”問題，但不可否認也有優(yōu)化不出理想的產業(yè)，優(yōu)選不出中意的產品問題。上佳的答案早就擺在了這些企業(yè)的面前，這就是發(fā)展機電一體化，開發(fā)和生產有關的機電一體化產品。機電一體化產品功能強、性能好、質量高、成本低，且具有柔性，可根據市場需要和用戶反映時產品結構和生產過程做必要的調整、改革，而無須改換設備。這是解決機電產品多品種、少批量生產的重要出路。同時，可為傳統(tǒng)的機械工業(yè)注入新鮮血液，帶來新的活力，把機械生產從繁重的體力勞動中解脫出來，實現(xiàn)文明生產。另外，從市場需求的角度看，由于我國研制、開發(fā)機電一體化產品的歷史不長，差距較大，許多產品的品種、數量、檔次、質量都不能滿足需求，每年進口量都比較大，因此亟需發(fā)展。(二) 我國“機電一體化”工作的任務我國在機電一體化方面的任務可以概括為兩句話：一是廣泛深入地用機電一體化技術改造傳統(tǒng)產業(yè)；二是大張旗鼓地開發(fā)機電一體化產品，促進機電產品的更新?lián)Q代?？偟哪康氖谴龠M機電一體產業(yè)的形成、為我國產業(yè)結構和產品結構調整作貢獻?？傊?，機電一體化技術既是振興傳統(tǒng)機電工業(yè)的新鮮血液和源動力，又是開啟我國機電行業(yè)產品結構、產業(yè)結構調整大門的鑰匙。六、我國發(fā)展“機電一體化”的對策(一)加強統(tǒng)籌安排，協(xié)調發(fā)展計劃。目前，我國從事“機電一體化”研究開發(fā)及生產的單位很多，并且各自都有一套自己的發(fā)展策略。各單位的計劃由于受各自立足點、著眼點的限制，難免只考慮局部利益，各主管部門的有關計劃和規(guī)劃，也有統(tǒng)一考慮不足，統(tǒng)籌安排不夠的問題，同時缺少綜觀全局的有權威性的發(fā)展計劃和戰(zhàn)略規(guī)劃。因此，建議各主管部門責成有關單位在進行深入調查研究、科學分析的基礎上，制定出統(tǒng)管全局的“機電一體化”研究、開發(fā)、生產計劃和規(guī)劃，避免開發(fā)上重復，生產上撞車!(二)強化行業(yè)管理，發(fā)揮“協(xié)會”作用。目前，我國“機電一體化”較熱，而按目前的行業(yè)劃分方法和管理體制，“政出多門”是很常見的。因此，我國有必要明確一個“機電一體化”行業(yè)的統(tǒng)管機構，根據目前國家政治體制改革和經濟體制改革的精神，以及機電一體化行業(yè)特點，我們建議，盡快加強機電一體化協(xié)會的建設，賦予其行業(yè)管理職能?！皡f(xié)會”要進一步擴大領導機構，即理事會的代表層面和復蓋面，要加強辦公室、秘書處的建設；要通過其精明干練的辦事機構、經濟實體，組織“行業(yè)”發(fā)展計劃、戰(zhàn)略規(guī)劃的擬制；指導行業(yè)布點布局的調整，進行發(fā)展突破口的選擇，抓好重點工程的試點和有關項目的發(fā)標、招標等工作。(三)優(yōu)化發(fā)展環(huán)境、增大支持力度。優(yōu)化發(fā)展環(huán)境是指通過宣傳群眾，造成一種社會上下、企業(yè)內外都重視、支持“機電一體化”發(fā)展的氛圍，如盡快為外商到我國投資發(fā)展機電一體化產業(yè)提供方便；盡可能為興辦開發(fā)、生產機電一體化產品的高新技術企業(yè)開綠燈；盡力為開發(fā)、生產機電一體化產品調配好資源要素等。增大支持力度，在技術政策上，要嚴格限制耗電、耗水、耗材高的傳統(tǒng)產品的發(fā)展，對未采用機電一體化技術落后產品限制強制淘汰；大力提倡用機電一體化技術對傳統(tǒng)產業(yè)進行改造，對有關機電一體化技術對傳統(tǒng)產業(yè)乾地改造，對有關技術開發(fā)、應用項目優(yōu)先立項、優(yōu)先支持，對在技術開發(fā)、應用中做