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機電一體化技術(shù)的應用及其發(fā)展趨勢
【論文關(guān)鍵詞】： 機電一體化 數控 模塊化
【論文摘要】：機電一體化是一種復合技術(shù)，是機械技術(shù)與微技術(shù)、信息技術(shù)互相滲透的產(chǎn)物，是機電工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。本文簡(jiǎn)述了機電一體化技術(shù)的基本結構組成和主要應用領(lǐng)域，并指出其發(fā)展趨勢。
現代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展極大地推動(dòng)了不同學(xué)科的交叉與滲透，引起了工程領(lǐng)域的技術(shù)改造與革命。在機械工程領(lǐng)域，由于微電子技術(shù)和技術(shù)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(shù)結構、產(chǎn)品機構、功能與構成、生產(chǎn)方式及體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產(chǎn)由“機械電氣化”邁入了“機電一體化”為特征的發(fā)展階段。
一、機電一體化的核心技術(shù)
機電一體化包括軟件和硬件兩方面技術(shù)。硬件是由機械本體、傳感器、信息處理單元和驅動(dòng)單元等部分組成。因此，為加速推進(jìn)機電一體化的發(fā)展，必須從以下幾方面著(zhù)手：
�。ㄒ唬� 機械本體技術(shù)
機械本體必須從改善性能、減輕質(zhì)量和提高精度等幾方面考慮�，F代機械產(chǎn)品一般都是以鋼鐵為主，為了減輕質(zhì)量除了在結構上加以改進(jìn)，還應考慮利用非金屬復合材料。只有機械本體減輕了重量，才有可能實(shí)現驅動(dòng)系統的小型化，進(jìn)而在控制方面改善快速響應特性，減少能量消耗，提高效率。
�。ǘ� 傳感技術(shù)
傳感器的問(wèn)題集中在提高可靠性、靈敏度和精確度方面，提高可靠性與防干擾有著(zhù)直接的關(guān)系。為了避免電干擾，目前有采用光纖電纜傳感器的趨勢。對外部信息傳感器來(lái)說(shuō)，目前主要發(fā)展非接觸型檢測技術(shù)。
�。ㄈ� 信息處理技術(shù)
機電一體化與微電子學(xué)的顯著(zhù)進(jìn)步、信息處理設備（特別是微型計算機）的普及應用緊密相連。為進(jìn)一步發(fā)展機電一體化，必須提高信息處理設備的可靠性，包括模/數轉換設備的可靠性和分時(shí)處理的輸入輸出的可靠性，進(jìn)而提高處理速度，并解決抗干擾及標準化問(wèn)題。
�。ㄋ模� 驅動(dòng)技術(shù)
電機作為驅動(dòng)機構已被廣泛采用，但在快速響應和效率等方面還存在一些問(wèn)題。目前，正在積極發(fā)展內部裝有編碼器的電機以及控制專(zhuān)用組件-傳感器-電機三位一體的伺服驅動(dòng)單元。
�。ㄎ澹� 接口技術(shù)
為了與計算機進(jìn)行，必須使數據傳遞的格式標準化、規格化。接口采用同一標準規格不僅有利于信息傳遞和維修，而且可以簡(jiǎn)化設計。目前，技術(shù)人員正致力于開(kāi)發(fā)低、高速串行的接口，來(lái)解決信號電纜非接觸化、光導纖維以及光藕器的大容量化、小型化、標準化等問(wèn)題。
�。� 軟件技術(shù)
軟件與硬件必須協(xié)調一致地發(fā)展。為了減少軟件的研制成本，提高生產(chǎn)維修的效率，要逐步推行軟件標準化，包括程序標準化、程序模塊化、軟件程序的固化、推行軟件工程等。
二、機電一體化技術(shù)的主要應用領(lǐng)域
（一） 數控機床
數控機床及相應的數控技術(shù)經(jīng)過(guò)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，具體表現在：
1、 總線(xiàn)式、模塊化、緊湊型的結構，即采用多CPU、多主總線(xiàn)的體系結構。
2、 開(kāi)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(hù)的使用效益。
3、 WOP技術(shù)和智能化。系統能提供面向車(chē)間的編程技術(shù)和實(shí)現二、三維加工過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真，并引入在線(xiàn)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，不僅豐富了數控功能，同時(shí)也加強了CNC系統的控制功能。
5、 能實(shí)現多過(guò)程、多通道控制，即具有一臺機床同時(shí)完成多個(gè)獨立加工任務(wù)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、手等控制都集成到系統中去。
6、 系統的多級網(wǎng)絡(luò )功能，加強了系統組合及構成復雜加工系統的能力。
7、 以單板、單片機作為控制機，加上專(zhuān)用芯片及模板組成結構緊湊的數控裝置。
�。ǘ� 集成制造系統（CIMS）
CIMS的實(shí)現不是現有各分散系統的簡(jiǎn)單組合，而是全局動(dòng)態(tài)最優(yōu)綜合。它打破原有部門(mén)之間的界線(xiàn)，以制造為基干來(lái)控制“物流”和“信息流”，實(shí)現從經(jīng)營(yíng)決策、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)準備、生產(chǎn)實(shí)驗到生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)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。
�。ㄈ� 柔性制造系統（FMS）
柔性制造系統是計算機化的制造系統，主要由計算機、數控機床、機器人、料盤(pán)、自動(dòng)搬運小車(chē)和自動(dòng)化倉庫等組成。它可以隨機地、實(shí)時(shí)地、按量地按照裝配部門(mén)的要求，生產(chǎn)其能力范圍內的任何工件，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)。
�。ㄋ模� 機器人
第1代機器人亦稱(chēng)示教再現機器人，它們只能根據示教進(jìn)行重復運動(dòng)，對工作和作業(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(jìn)的傳感元件，能獲取作業(yè)環(huán)境和操作對象的簡(jiǎn)單信息，通過(guò)計算機處理、分析，做出一定的判斷，對動(dòng)作進(jìn)行反饋控制，表現出低級智能，已開(kāi)始走向實(shí)用化；第3代機器人即智能機器人，具有多種感知功能，可進(jìn)行復雜的思維、判斷和決策，在作業(yè)環(huán)境中獨立行動(dòng)，與第5代計算機關(guān)系密切。
三、機電一體化技術(shù)的發(fā)展前景
縱觀(guān)國內外機電一體化的發(fā)展現狀和高新技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向，機電一體化將朝著(zhù)以下幾個(gè)方向發(fā)展：
�。ㄒ唬� 智能化
智能化是機電一體化與傳統機械自動(dòng)化的主要區別之一，也是21世紀機電一體化的發(fā)展方向。近幾年，處理器速度的提高和微機的高性能化、傳感器系統的集成化與智能化為嵌入智能控制算法創(chuàng )造了條件，有力地推動(dòng)著(zhù)機電一體化產(chǎn)品向智能化方向發(fā)展。智能機電一體化產(chǎn)品可以模擬人類(lèi)智能，具有某種程度的判斷推理、邏輯思維和自主決策能力，從而取代制造工程中人的部分腦力勞動(dòng)。
�。ǘ� 系統化
系統化的表現特征之一就是系統體系結構進(jìn)一步采用開(kāi)放式和模式化的總線(xiàn)結構。系統可以靈活組態(tài)，進(jìn)行任意的剪裁和組合，同時(shí)尋求實(shí)現多子系統協(xié)調控制和綜合。表現特征之二是功能大大加強，一般除RS232等常用通信方式外，實(shí)現遠程及多系統通信聯(lián)網(wǎng)需要的局部網(wǎng)絡(luò )正逐漸被采用。未來(lái)的機電一體化更加注重產(chǎn)品與人的關(guān)系，如何賦予機電一體化產(chǎn)品以人的智能、情感、人性顯得越來(lái)越重要。機電一體化產(chǎn)品還可根據一些生物體優(yōu)良的構造研究某種新型機體，使其向著(zhù)生物系統化方向發(fā)展。
�。ㄈ� 微型化
微型機電一體化系統高度融合了微技術(shù)、微技術(shù)和軟件技術(shù)，是機電一體化的一個(gè)新的發(fā)展方向。國外稱(chēng)微電子機械系統的幾何尺寸一般不超過(guò)1cm3，并正向微米、納米級方向發(fā)展。由于微機電一體化系統具有體積小、耗能小、運動(dòng)靈活等特點(diǎn)，可進(jìn)入一般機械無(wú)法進(jìn)入的空間并易于進(jìn)行精細操作，故在生物、航空航天、信息技術(shù)、工乃至國防等領(lǐng)域，都有廣闊的應用前景。目前，利用半導體器件制造過(guò)程中的蝕刻技術(shù)，在實(shí)驗室中已制造出亞微米級的機械元件。
�。ㄋ模� 模塊化
模塊化也是機電一體化產(chǎn)品的一個(gè)發(fā)展趨勢，是一項重要而艱巨的工程。由于機電一體化產(chǎn)品種類(lèi)和生產(chǎn)廠(chǎng)家繁多，研制和開(kāi)發(fā)具有標準機械接口、電氣接口、動(dòng)力接口、信息接口的機電一體化產(chǎn)品單元是一項復雜而重要的事，它需要制訂一系列標準，以便各部件、單元的匹配和接口。機電一體化產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)可利用標準單元迅速開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，同時(shí)也可以不斷擴大生產(chǎn)規模。
�。ㄎ澹� 網(wǎng)絡(luò )化
網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的飛速發(fā)展對機電一體化有重大影響，使其朝著(zhù)網(wǎng)絡(luò )化方向發(fā)展。機電一體化產(chǎn)品的種類(lèi)很多，面向網(wǎng)絡(luò )的方式也不同。由于網(wǎng)絡(luò )的普及，基于網(wǎng)絡(luò )的各種遠程控制和監視技術(shù)方興未艾，而遠程控制的終端設備本身就是機電一體化產(chǎn)品。
�。� 綠色化
的發(fā)達使人們物質(zhì)豐富、生活舒適的同時(shí)也使資源減少，生態(tài)受到嚴重污染，于是綠色產(chǎn)品應運而生。綠色化是時(shí)代的趨勢，其目標是使產(chǎn)品從設計、制造、包裝、、使用到報廢處理的整個(gè)生命周期中，對生態(tài)環(huán)境無(wú)危害或危害極小，資源利用率極高。機電一體化產(chǎn)品的綠色化主要是指使用時(shí)不污染生態(tài)環(huán)境，報廢時(shí)能回收利用。綠色制造業(yè)是現代制造業(yè)的可持續發(fā)展模式。
綜上所述，機電一體化技術(shù)是眾多科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結晶，是生產(chǎn)力發(fā)展到一定階段的必然要求。它促使機械工業(yè)發(fā)生戰略性的變革，使傳統的機械設計方法和設計概念發(fā)生著(zhù)革命性的變化。大力發(fā)展新一代機電一體化產(chǎn)品，不僅是改造傳統機械設備的要求，而且是推動(dòng)機械產(chǎn)品更新?lián)Q代和開(kāi)辟新領(lǐng)域、發(fā)展與振興機械工業(yè)的必由之路。
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