1、 郑州电子信息职业技术学院 毕 业 论 文 课题名称 : 机电一体化的现在和未来 作 者 : 学 号 : 0902110214 系 别： 机电工程系 专 业： 机电一体化 指导教师： _ _ 2012 年 04 月 04 日 中文摘要 I 机电一体 化的现在和未来 摘 要 机电一体化是现代科学技术发展的必然结果。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。本文简述了机电一体化技术的现在状况和发展趋势以及未来的状况。 机电一体化的核心技术，分析机电一体化发展进程，提出机电一体化向智能化迈进的趋势 ，机电一体化技术引起的机电革命 -变形体系的
2、必然和趋势以及可行性枸想，最后总结了变形体系纵人们带来的巨大变化。 关键词： 微型化 ; 柔性制造系统 ;变形 郑州电子信息职业技术学院 2012 届毕业论文 1 目 录 中文 摘要 . I 1. 引言 . 3 2. 机电一体化概述 . 3 3. 机电一体化的历史背景 . 4 4. 机电一体化的发展趋势 . 4 4.1 人性化趋势 . 4 4.2 集成化趋势 . 4 4.3 模块化趋势 . 5 4.4 网络化趋势 . 5 4.5 微型化趋势 . 5 4.6 环保化趋势 . 5 5. 机电一体化的未来状况 . 5 5.1 科技革新 . 6 5.1.1 机 械本体技术 . 6 5.1.2 传感技术
3、 . 6 5.1.3 信息处理技术 . 6 5.1.4 驱动技术 . 6 5.1.5 接口技术 . 6 5.1.6 软件技术 . 6 5.2 代表科技 . 6 5.2.1 高级数控机床 . 7 5.2.2 计算机集成制造系统（ CIMS） . 7 5.2.3 柔性制造系统（ FMS） . 7 5.2.4 工业机器人 . 7 6. 机电革命 变形体系 . 7 郑州电子信息职业技术学院 2012 届毕业论文 2 6.1 变形体系的发必要 . 8 6.2 变形体系的科技背景 . 8 6.3 变形体系的可行性构想 . 8 7. 结论 . 8 参考文献 . 10 致 谢 . 11 郑州电子信息职业技术学
4、院 2012 届毕业论文 3 1. 引言 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。 2. 机电一体化概述 “机电一体化”在国外被称为 Macaronis 是日本 人在 20 世纪 70 年代初提出来的，它是用英文 Mechanics 部分和的前半 Electron-ics 的后半部分结合在一起构成的一个新词，意思是机械技
5、术和电子技术的有机结合这一名称已得到包括我国在内的世界各国的承认，我国的工程技术人员习惯上把它译为机电一体化技术。机电一体化技术又称为机械电子技术，是机械技术、电子技术和信息技术有机结合的产物。 机电一体化是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术 ,将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。 机电一体化发展至今已 经成为一门有着自身体系的新型学科 ,随着科学技术的不断发展 ,还将被赋予新的内容。但其基本特征可概括为 :机电一体化是从系统的观点出发 ,综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术及电力电子技术 ,根据系统功
6、能目标要求 ,合理配置与布局各功能单元 ,在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值 , 并使整个系统最优化的系统工程技术。由此而产生的功能系统 ,则成为一个机电一体化系统或机电一体化产品。因此 ,“机电一体化”涵盖“技术”和“产品”两个方面。机电一体化技术是基于上述群体 技术有机融合的一种综合技术 ,而不是机械技术、微电子技术及其它新技术的简单组合、拼凑。这是机电一体化与机械加电气所形成的机械电气化在概念上的根本区别。机械工程技术由纯技术发展到机械电气化 ,仍属传统机械 ,其主要功能依然是代替和放大的体系。但是 ,发展到机电一体化后 ,其中的微电子装置除可取代某些机械部件的原
7、有功能外 ,还被赋予许多新的功能 ,如自动检测、自动处理信息、自动显示记录、自动调节与控制、自动诊断与保护等。也就是说 ,机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸 ,还是人的感官与郑州电子信息职业技术学院 2012 届毕业论文 4 头脑的延伸 ,智能化特征是机电一体化与机械电 气化在功能上的本质区别。 3. 机电一体化的 历史背景 20 世纪 60 年代以来，人们利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能后，刺激了机械产品与电子技术的结合。计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展更进一步奠定了技术基础。 由于 当时电子技术的发展尚未达到一定水平，机械技术与电子技术的结合还不可能广
8、泛和深入发展，已经开发的产品也无法大量推广。 20 世纪 80 年代末期，机电一体化技术和产品得到了极大发展。光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中展露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体 化等新分支。大规模、超大规模集成电路和微型计算机的迅猛发展，为机电一体化的发展提供了充分的物质基础。我国从 20 世纪 80 年代开始开展机电一体化研究和应用。由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，更为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地 ， 已成为一门有着自身体系的新型学科，随着科学技术的不断发展，还将被赋予新的内容。 4. 机电一体化的发展趋势 4.1 人性
9、化 趋势 人性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。 4.2 集成化趋势 集成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 RS232 等常用通信方
10、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郑州电子信息职业技术学院 2012 届毕业论文 5 展。 4.3 模块化趋势 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、电气接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元是一项十分复杂但又是非常重要的事。如研制集减速、智能调速、电机于一体的动力单元，具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的控制单元，以及各
11、种能完成典型操作的机械装置。这样可利用标 准单元迅速开发出新产品，也可以扩大生产规模，制定各项标准，以便各部件、单元的匹配和接口。从电气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定，无论是对生产标准机电一体化单元的企业还是对生产机电一体化产品的企业，规模化将给机电一体化企业带来美好的前程。 4.4 网络化趋势 计算机技术等的突出成就是网络技术。网络技术的兴起和飞速发展给科学技术、工业生产等领域都带来了巨大的变革。 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
12、端设备本身就是机电一体化产品。 4.5 微型化趋势 微型化指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势，国外称其为微电子机械系统（ MEMS），泛指几何尺寸不超过 1cm 的机电一体化产品，并向微米、纳米级发展。微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活，具有不可比拟的优势。微机电一体化发展的瓶颈在于微机械技术，微机电一体化产品的加工采用精细加工技术，即超精密技术，它包括光刻技术和蚀刻技术。 4.6 环保 化趋势 工 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
13、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。 5. 机电一体化的未来状况 郑州电子信息职业技术学院 2012 届毕业论文 6 5.1 科技革新 5.1.1 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。 5.1.2 传感技术 传感器的问题集中
14、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。更是未来实现智能化的重要组成。 5.1.3 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。 5.1.4 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
15、以及控制专用组件 -传感器 -电机三位一体的伺服驱动单元。 5.1.5 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。 5.1.6 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。 5.2 代表科技 郑州电子信息职业技术学院 2012 届毕业论文 7 5.2.1 高级
16、数控机床 在老式机床上经过改进采用多 CPU、多主总线的体系结构，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。 WOP 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。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 CNC 系统的控制功能。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。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。
17、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。 5.2.2 计算机集成制造系统（ CIMS） CIMS 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。 5.2.3 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
18、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。 5.2.4 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。 6. 机电革命 变形体系 郑州电子信息职业技术学院 2012
19、届毕业论文 8 6.1 变形体系的发展必要 在现在越来越发达的现代社会，人们的工作量越来越大，要做的东西也 是更多，可是我们必须借助各种各样的工具才能去完成，可是，携带大量的工具也让我们的工作更加的繁重，于是“变形”这个名词就进入了人们的视线，这个词最早来自于我国一部重要名著梦溪笔谈，这个是中国最早的变形启蒙。 6.2 变形体系的科技背景 21 世纪的现在，计算机技术科技正在蒸蒸日上，材料技术日新月异，软件技术千变万化，高科技人才更加繁多，这使更多的新思想在世界范围不停的动荡，航天事业已经取得了极大的进展，人们已经跨出了地月系，正在向太阳系迈进。在探索各个星球的途中获得了更多的新材料。在轰击彗
20、星的实验中得到了 60 多种地球不存在的元素，这些元素在中国西部大量稀土的配合下，使得各种复合材料高强度轻质合金正在被不停的生产出来。这些机遇和偶然构成了变形体系，现有的成熟科技背景。 6.3 变形体系的可行性构想 由于变形需要很多部件，而这些部件都会携带大量的自身信息和处理指令，所以必须要有高速的处理器，而现在世界范围内计算机处理器正处于高速发展中，高速处理器的主频己经超越了 1THz，再加上现在己有的多核技术，变形高速处理中心已经具备了成熟的条件，信息储存器更是不在话下，唯一一点难点就是材料和体积，要想变形首先是要有更小的体积，这 样才能做到千变万化，在现在己有的各种高强度轻质合金和微电子
21、技术的支持下，这个也做到了实现。有了硬件还需要软件的支持，现在各种程序语言的的支持下也完全没问题，更加有单片机的简易指令，这使系统更加的简洁，效率更加的高，智能化也己经成为了全世界的热点，现在的机器人智商已经达到了 10 岁，这使变形体系更加人性化，更加高效率。传感器技术应用在变形体系的丝杆部位，使得变形系统更加灵活。在各种 ST 接口的帮助下各种单独的变形系统可以完美的结合起来，形成一个巨大的钢铁机器人。 7. 结论 机电一体化的未来的应用将广泛应用于更高级的自 动化机器中去，在智能化、系统化、模块化、微型化、网络化的支持下，机电一体化技术将实现更先进的“变形体系”，在世界范围中“变形”不是一个新型事物，从我国古代就有所记载，可是真正意义上的
