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機電一體化

(機械微電子技術術語)

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機電一體化又稱機械電子工程,是機械工程與自動化的一種,英語稱為Mechatronics,它是由英文機械學Mechanics的前半部分與電子學Electronics的後半部分組合而成。機電一體化最早出現在1971年日本雜誌《機械設計》的副刊上,隨着機電一體化技術的快速發展,機電一體化的概念被我們廣泛接受和普遍應用。隨着計算機技術的迅猛發展和廣泛應用,機電一體化技術獲得前所未有的發展。現在的機電一體化技術,是機械和微電子技術緊密集合的一門技術,他的發展使冷冰冰的機器有了人性化,智能化。
機電一體化技術是將機械技術、電工電子技術、微電子技術、信息技術、傳感器技術、接口技術、信號變換技術等多種技術進行有機地結合,並綜合應用到實際中去的綜合技術,現代化的自動生產設備幾乎可以説都是機電一體化的設備。
研究將電子器件的信息處理和控制功能附加或融合在機械裝置中的一種複合化技術。俗稱機電一體化。其全稱為機械電子工程學,英語為mechanical and electronical engineering。
中文名
機電一體化
外文名
mechanicaland electronical engineering
學科門類
工科
包    括
機械技術、電工電子技術等

機電一體化發展

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機電一體化 機電一體化
20世紀80年代初,我國才逐步開始在機電一體化方面進行研究和應用,起步比較晚,所以面對全球經濟市場的競爭,我國在這個領域面臨嚴峻的形勢。首先,傳統工業面臨着用微電子技術改造的難題,工作量大;其次,用機電一體化技術加速產品更新換代,提高市場佔有率壓力大;最後,用機電一體化產品取代技術含量和附加值低的產品對於我國經濟的發展有重要的意義。從市場需求的角度看,由於我國在機電一體化領域發展的歷史不長,差距較大,許多產品很難滿足國民經濟發展的需求,每年需進口大量的國外產品。面對如此艱鉅的形勢,我國機電一體化工作應該從以下兩方面入手,一方面,需將微電子技術引入傳統產業,這樣不僅能提高傳統工業的技術水平,而且能解決目前資源能源短缺境況;另一方面,從機電一體化產品的更新換代入手大力發展其相關支持技術如自動化技術、數字化技術以及智能化技術等。 [1] 
中國機電設計邁入PLM全新階段,正挑戰着了前所未有的,不可預測的難題,一個個久戰沙場經久不衰精兵良將正褪去了昨日英雄的光環,唯有CAMEL VIEW能夠勝任軍統三國,光復舊業的重任,此時數系科技與德國iXtronics GmbH公司攜手共同開拓機電設計領域的新篇章,CAMEL VIEW作為機電一體化設計系統,從產品的概念設計到產品性能的測試、驗證、通過都是一體化的,流程化的、規範化的,在滿足用户設計的前提下,數值實驗的仿真與結果的驗證無不精確化,支持複雜環境下,多工況,多耦合場設計。

機電一體化研究目的

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機械電子學主要研究目的是把機械技術與微電子技術和信息技術有機地結合為一體,實現整個系統的最優化。機械電子學可以充分發揮機械技術、微電子技術和信息技術的各自的長處和特點,促進機械產品的更新換代。機械電子學系統主要由機械主體、傳感器、信息處理和執行機構等部分組成。較高級的系統不但有硬件,而且還有相應的軟件,利用軟件技術可以實現硬件難以實現的功能,使機械系統增加柔性。典型的機械電子系統有數控機牀、加工中心、工業機器人等。機械電子學技術除用於單個機器、設備或一般的生產系統的技術改造之外,還用於柔性製造系統、計算機集成製造系統、工廠自動化、辦公自動化、家庭自動化等方面。
我國從事這一專業的各地大專、中專、院有近百所,教師與學生近百萬人。

機電一體化研究意義

隨着機電一體化相關技術的快速發展,機電產品的外觀更加人性化、功能更加強大、體積和重量更加輕巧、可靠性更高等。與傳統的機電產品相比機電一體化產品具有以下優勢:
(1)功能增強並且應用廣泛
機電一體化產品最顯著的特點就是突破了原來傳統機電產品的單技術和單功能的侷限性,將多種技術與功能集成於一體,使其功能更加強大。而且能適應於不同的場合和不同的領域,滿足用户需求的應變能力較強。
(2)精度大大提高
機電一體化技術簡化了機構,減少了傳動部件,從而使機械磨損、配合及受力變形等所引起的誤差大大減少,同時由於採用計算機檢測與控制技術補償和校正因各種干擾造成的動態誤差,從而達到單純用機械技術所無法實現的工作精度。
(3)安全性和可靠性提高
機電一體化產品一般具有自動監控、報警、自動診斷、自動保護、安全聯鎖控制等功能。這些功能能夠避免人身傷害和設備事故的發生,提高了設備的安全性和可靠性。
(4)改善操作
機電一體化產品採用計算機程序控制和數字顯示,具有良好的人機界面,減少了操作按鈕及手柄,改善了設備的操作性能,減少了操作人員的培訓時間,從而大大簡化操作。
(5)提高柔性
所謂柔性,即可以利用軟件來改變機器的工作程序,以滿足不同的需要。例如,工業機器人具有較多的運動自由度,手爪部分可以換用不同的工具,通過改變控制程序改變運動軌跡和運動姿態,以適應不同的作業要求。
(6)生產能力和工作質量提高
基於虛擬原型的機電一體化設計建模與仿真技術研究。 [1] 

機電一體化內容

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機電一體化機械技術

機電一體化 機電一體化
機械技術是機電一體化的基礎,機械技術的着眼點在於如何與機電一體化技術相適應,利用其它高、新技術來更新概念,實現結構上、材料上、性能上的變更,滿足減小重量、縮小體積、提高精度、提高剛度及改善性能的要求。在機電一體化系統製造過程中,經典的機械理論與工藝應藉助於計算機輔助技術,同時採用人工智能與專家系統等,形成新一代的機械製造技術。

機電一體化電腦技術

其中信息交換、存取、運算、判斷與決策、人工智能技術、專家系統技術、神經網絡技術均屬於計算機信息處理技術。

機電一體化系統技術

系統技術即以整體的概念組織應用各種相關技術,從全局角度和系統目標出發,將總體分解成相互關聯的若干功能單元,接口技術是系統技術中一個重要方面,它是實現系統各部分有機連接的保證。

機電一體化自動技術

其範圍很廣,在控制理論指導下,進行系統設計,設計後的系統仿真,現場調試,控制技術包括如高精度定位控制、速度控制、自適應控制、自診斷校正、補償、再現、檢索等。
機電一體化 機電一體化

機電一體化傳感技術

傳感檢測技術是系統的感受器官,是實現自動控制、自動調節的關鍵環節。其功能越強,系統的自動化程序就越高。現代工程要求傳感器能快速、精確地獲取信息並能經受嚴酷環境的考驗,它是機電一體化系統達到高水平的保證。

機電一體化伺服技術

機電一體化 機電一體化
包括電動、氣動、液壓等各種類型的傳動裝置,伺服系統是實現電信號到機械動作的轉換裝置與部件、對系統的動態性能、控制質量和功能有決定性的影響。

機電一體化階段

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機電一體化模型階段

模型階段,所有的系統組件都能夠被最優化;
在仿真計算的幫助下,可以測試和分析這些組件的適用性;監測響應頻率;
對模型進行分析。此外,還能夠生成一個物理/拓撲系統模型,包括機械、液壓和控制導向組件。有必要有一個模型工具,這個工具支持機電一體化系統的物理模型,即當有實物和節點時,這些模型能夠以1:1來測試,並且原型設計研究階段可以在嚴酷的實時條件下進行。

機電一體化測試階段

機電一體化 機電一體化
在系統運行完模型階段之後,所產生的具體的性能數據可以通過試驗枱驗證。這樣就可以測試和檢驗該系統有關參數波動的魯棒性,功率儲備及連續運行的特徵。這樣做的話,用户可以進行測試或者使用CAMeL-View TestRig進行硬件在迴路(的測試)。要進行硬件在迴路測試,相關裝置的物理特性需要詳細確認,這些裝置必須是建立在測試平台的基礎之上。識別經過測試平台上測試過的組件,容許這些組件在模型中被識別,並確保整個以系統為基礎的仿真分析佈局。

機電一體化原型階段

成功的測試之後,就會建立一個原型。這裏要特別關注的是模型特性,這些特性特指通過特別費力的仿真所決定的特性,比如組件損耗(性能)。這些數據結果,為模型基礎性分析提供服務,同時為進一步研發提供知識基礎。

機電一體化組成要素

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五大組成要素
機電一體化 機電一體化
一個機電一體化系統中一般由結構組成要素、動力組成要素、運動組成要素、感知組成要素、職能組成要素五大組成要素有機結合而成。機械本體(結構組成要素)是系統的所有功能要素的機械支持結構,一般包括有機身、框架、支撐、聯接等。動力驅動部分(動力組成要素)依據系統控制要求,為系統提供能量和動力以使系統正常運行。測試傳感部分(感知組成要素)對系統的運行所需要的本身和外部環境的各種參數和狀態進行檢測,並變成可識別的信號,傳輸給信息處理單元,經過分析、處理後產生相應的控制信息。控制及信息處理部分(職能組成要素)將來之測試傳感部分的信息及外部直接輸入的指令進行集中、存儲、分析、加工處理後,按照信息處理結果和規定的程序與節奏發出相應的指令,控制整個系統有目的的運行。執行機構(運動組成要素);根據控制及信息處理部分發出的指令,完成規定的動作和功能。
機電一體化系統一般由機械本體、檢測傳感部分、電子控制單元、執行器和動力源5個組成部分構成。

機電一體化四大原則

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構成機電一體化系統的五大組成要素其內部及相互之間都必須遵循接口耦合、運動傳遞、信息控制與能量轉換四大原則。
接口耦合:
兩個需要進行信息交換和傳遞的環節之間,由於信息模式不同(數字量與模擬量,串行碼與並行碼,連續脈衝與序列脈衝等)無法直接傳遞和交換,必須通過接口耦合來實現。而兩個信號強弱相差懸殊的環節之間,也必須通過接口耦合後,才能匹配。變換放大後的信號要在兩個環節之間可靠、快速、準確的交換、傳遞,必須遵循一致的時序、信號格式和邏輯規範才行,因此接口耦合時就必須具有保證信息的邏輯控制功能,使信息按規定的模式進行交換與傳遞。
能量轉換:
兩個需要進行傳輸和交換的環節之間,由於模式不同而無法直接進行能量的轉換和交流,必須進行能量的轉換,能量的轉換包括執行器,驅動器和他們的不同類型能量的最優轉換方法及原理。
信息控制:
機電一體化 機電一體化
在系統中,所謂智能組成要素的系統控制單元,在軟、硬件的保證下,完成信息的採集、傳輸、儲存、分析、運算、判斷、決策,以達到信息控制的目的。對於智能化程度高的信息控制系統還包含了知識獲得、推理機制以及自學習功能等知識驅動功能。
運動傳遞:
運動傳遞使構成機電一體化系統各組成要素之間,不同類型運動的變換與傳輸以及以運動控制為目的的優化。
智能化控制技術(IC)
由於鋼鐵工業具有大型化、高速化和連續化的特點,傳統的控制技術遇到了難以克服的困難,因此非常有必要採用智能控制技術。智能控制技術主要包括專家系統、模糊控制和神經網絡等,智能控制技術廣泛應用於鋼鐵企業的產品設計、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、電爐和連鑄車間、軋鋼系統、鍊鋼——連鑄——軋鋼綜合調度系統、冷連軋等。
分佈式控制系統(DCS)
分佈式控制系統採用一台中央計算機指揮若干枱面向控制的現場測控計算機和智能控制單元。分佈式控制系統可以是兩級的、三級的或更多級的。利用計算機對生產過程進行集中監視、操作、管理和分散控制。隨着測控技術的發展,分佈式控制系統的功能越來越多。不僅可以實現生產過程控制,而且還可以實現在線最優化、生產過程實時調度、生產計劃統計管理功能,成為一種測、控、管一體化的綜合系統。DCS具有特點控制功能多樣化、操作簡便、系統可以擴展、維護方便、可靠性高等特點。DCS是監視集中控制分散,故障影響面小,而且系統具有連鎖保護功能,採用了系統故障人工手動控制操作措施,使系統可靠性高。分佈式控制系統與集中型控制系統相比,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的主要潮流。
開放式控制系統(OCS)
開放控制系統(Open Control System)是計算機技術發展所引出的新的結構體系概念。“開放”意味着對一種標準的信息交換規程的共識和支持,按此標準設計的系統,可以實現不同廠家產品的兼容和互換,且資源共享。開放控制系統通過工業通信網絡使各種控制設備、管理計算機互聯,實現控制與經營、管理、決策的集成,通過現場總線使現場儀表與控制室的控制設備互聯,實現測量與控制一體化。

機電一體化選型與設計

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控制系統各功能元件的選型與設計:
1.單片機選用INTEL公司生產的8031單片機
單片機
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它主要通過並行8255口擔負控制系統的信號處理:接收系統對轉矩、閥門開啓、關閉及閥門開度等設定信號,並提供三相PWM波發生器所需要的控制信號;處理IPM發出的故障信號和報警信號;處理通過模擬輸入口接收的電流、電壓、位置等檢測信號;提供顯示電動執行機構的工作狀態信號;執行控制系統來的控制信號,向控制系統反饋信號。
2.三相PWM波發生器
PWM波的產生通常有模擬和數字兩種方法。模擬法電路複雜,有温漂現象,精度低,限制了系統的性能;數字法是按照不同的數字模型用計算機算出各切換點,並存入內存,然後通過查表及必要的計算產生PWM波,這種方法佔用的內存較大,不能保證系統的精度。為了滿足智能功率模塊所需要的PWM波控制信號,保證微處理器有足夠的時間進行整個系統的檢測、保護、控制等功能,文中選用MITEL公司生產的SA8282作為三相PWM發生器。SA8282是專用大規模集成電路,具有獨立的標準微處理器接口,芯片內部包含了波形、頻率、幅值等控制信息。
3.智能逆變模塊IPM
為了滿足執行機構體積小,可靠性高的要求,電機電源採用智能功率模塊IPM。該執行機構主要適用功率小於5.5kW的三相異步電機,其額定電壓為380V,功率因數為0.75。經計算可知,選用日本產的智能功率模塊PM50RSA120可以滿足系統要求。該功率模塊集功率開關和驅動電路、制動電路於一體,並內置過電流、短路、欠電壓和過熱保護以及報警輸出,是一種高性能的功率開關器件。
4.位置檢測電路
位置檢測電路是執行機構的重要組成部分,它的功能是提供準確的位置信號。關鍵問題是位置傳感器的選型。在傳統的電動執行機構中多采用繞線電位器、差動變壓器、導電塑料電位器等。繞線電位器壽命短被淘汰。差動變壓器由於線性區太短和温度特性不理想而受到限制。導電塑料電位器較為流行,但它是有觸點的,壽命也不可能很長,精度也不高。筆者採用的位置傳感器為脈衝數字式傳感器,這種傳感器是無觸點的,且具有精度高、無線性區限制、穩定性高、無温度限制等特點。
5、電壓、電流及檢測
檢測電壓、電流主要是為了計算電機的力矩,以及變頻器輸出迴路短路、斷相保護和逆變模塊故障診斷。由於變頻器輸出的電流和電壓的頻率範圍為0~50Hz,採用常規的電流、電壓互感器無法滿足要求。為了快速反映出電流的大小,採用霍爾型電流互感器檢測IPM輸出的三相電流,對於IPM輸出電壓的檢測採用分壓電路。
機電一體化 機電一體化
6.通訊接口
為了實現計算機聯網和遠程控制,選用MAX232作為系統的串行通訊接口,MAX232內部有兩個完全相同的電平轉換電路,可以把8031串行口輸出的TTL電平轉換為RS-232標準電平,把其它微機送來的RS-232標準電平轉換成TTL電平給8031,實現單片機與其它微機間的通訊。
7.時鐘電路時鐘電路主要用來提供採樣與控
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制週期、速度計算時所需要的時間以及日曆。文中選用時鐘電路DS12887。DS12887內部有114字節的用户非易失性RAM,可用來存入需長期保存的數據。
8.液晶顯示單元
為了實現人機對話功能,選用MGLS12832液晶顯示模塊組成顯示電路。採用組態顯示方式。通過菜單選擇,可分別對閥門、力矩、限位、電機、通訊和參數等信號進行設置或調試。並採用文字和圖形相結合的方式,顯示直觀、清晰。
9.程序出格
自恢復電路為了保證在強幹擾下程序出格時系統能夠自動地恢復正常,選用MAX705組成程序出格自恢復電路,監視程序運行。如圖2-3所示,該電路由MAX705、與非門及微分電路組成。工作原理為:一旦程序出格,WDO由高變低,由於微分電路的作用,由“與非”門輸入引腳2變為高電平,引腳2電平的這種變化使“與非”門輸出一個正脈衝,使單片機產生一次復位,復位結束後,又由程序通過P1.0口向MAX705的WDI引腳發正脈衝,使WDO引腳回到高電平,程序出格自恢復電路繼續監視程序運行。

機電一體化課程簡介

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核心課程
機械製圖、電氣CAD工程實踐、電工技術基礎、工程力學、機械設計基礎、機械加工工藝、數控機牀編程、單片機原理與應用、電子技術基礎、檢測與傳感技術、液壓與氣動技術、機牀電氣控制(電機與電氣控制)、PLC、電力電子技術、數控加工工藝與編程、數控機牀與維修、機電一體化技術(機電控制技術)、自動化控制原理(PC控制與組態)、供配電技術等。
實訓課程
電工技術基礎實訓、金工實習、電子技術基礎實訓、單片機原理與應用實訓、液壓傳動實訓、電力拖動控制線路實訓、PLC編程實訓、數控機牀維修實訓、畢業實訓、職業生涯規劃、大學生涯規劃、職業環境認知、成功素養拓展、工作能力提升、激情自主創業、求職過程勝出、初涉職場轉型等。
專業軟件
設計製圖:AUTO CAD、UG、solidworks、3ds max等
編程仿真:PLC編程setp7(西門子PLC組態編程調試軟件);51單片機編程keil(AT89系列、8051內核)仿真Proteus(很多單片機支持C++,包括凌陽十六位單片機);數控編程仿真斯沃數控、宇龍數控仿真系統;維修仿真數控機牀維修仿真軟件。
PC組態軟件:wincc(西門子)、組態王、崑崙組態等。
電子仿真:NI Multisim、Proteus等
液壓與氣動仿真:AMEsim、MSC等
培養目標與就業方向
1.培養學生具有機、電、液一定的理論知識和較強的實踐技能。
2.具有機械加工設備的初步操作技能和數控加工、數控編程的能力。
3.具備從事機電技術必需的理論知識和綜合職業能力的機電設備、自動化設備和生產線的運行與維護人員,並具有設備改造能力的高等技術綜合性應用型人才。
4.能在機電設備製造企業、從事機電產品設計與開發、企業與車間生產技術管理等工作,以及機電一體化設備的安裝、調試、維修、銷售及管理;普通機牀的數控化改裝等。

機電一體化就業前景

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機電一體化是指在機構得主功能、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的總稱。實操性人才缺乏,各企業高薪聘請機電一體化專業人才,在深圳地區例如:富士康、三星、華為、等一線企業擁有大量高薪職位就業前景十分廣闊。以下由工控行業網為您進行的機電一體專業就業前景的方向分析。
機電一體專業就業方向
1、從事機電一體化液體灌裝生產線及商品包裝自動化機械運行、維護、管理、技術改造等工作的機電一體化高等技術應用性專門人才。
可在大型啤酒、飲料、食品及商品包裝生產企業從事現代化自動機與生產線的維護和管理工作,也可在相關的自動機與生產線的生產廠家或設計部門、營銷單位從事技術工作。
2、機電一體化專業(計算機輔助設計與製造方向)
從事機電產品的計算機輔助設計(CAD)與計算機輔助製造(CAM),並熟練使用和維修數控加工設備的機電一體化高等技術應用性專門人才。
可在模具設計也製造、機械加工、塑料、五金、電子產品、計算機生產等企業從事數控機牀的加工工藝設計編程,數控機牀的調試、維護及加工操作,從事生產和技術管理工作,也可以從事國內外數控設備的營銷工作。
3、機電一體化專業(模具CAD/CAM方向)
從事利用計算機技術和數控加工技術對模具進行設計和製造等工作的機電一體化高等技術應用性專門人才。
可在模具、機械、五金、塑料、家電等生產企業從事模具計算機輔助設計與製造等方面的技術工作,也可在企事業單位從事與本專業有關的經營、管理工作。
4、機電一體化專業(機電CAD技術方向)
在機電一體化產品、設備的設計、製造、維修、管理、技術改造與服務過程中專門從事用電腦繪圖設計、信息處理和資料管理的高等技術應用性專門人才。
可在機械設計、製造與裝備行業、模具製造業,輕工、家用電器、電子製造業從事設計、製造、技術改造、產品營銷、設備管理與維護等工作。
機電一體專業就業前景
有關研究報告顯示“機電一體化”一詞最早是日本提出的,在上世紀80年代初,日本名古屋大學最早設置了機電一體化專業。如今已改稱為“機械電子工程”專業;在高職高專則仍延用機電一體化專業名稱。機電一體化專業是精密機械——電子技術(含電力電子)——計算機技術等多門學科交叉融合的產物,屬高新技術,也是當前發展最快的技術之一,它是先進製造技術的主要組成部分。它的發展推動了當前製造技術的迅速更新換代,是產品向高、精、快迅速邁進,使勞動生產率迅速提高。由於中國逐漸成為世界製造業基地加上傳統企業面臨大規模的技術改造與設備更新,國內急需大量先進製造技術專業人才。因此該專業畢業生就業前景很好,而且待遇也高。畢業生主要在各行政、企業、事業單位從事機械、電氣工程、常用電器的維修、安裝與調試以及技術管理等工作。
機電一體化專業就業前景到底怎樣呢?市場調研發現機電一體化專業是一個寬口徑專業,適應範圍很廣,學生在校期間除學習各種機械、電工電子、計算機技術、控制技術、檢測傳感等理論知識外,還將參加各種技能培訓和國家職業資格證書考試,充分體現重視技能培養的特點。學生畢業後主要面向珠江三角洲各企業、公司,從事加工製造業,家電生產和售後服務,數控加工機牀設備使用維護,物業自動化管理系統,機電產品設計、生產、改造、技術支持,以及機電設備的安裝、調試、維護、銷售、經營管理等等。 [2] 
隨和經濟的發展和科技的進步,越來越多的產品智能化、自動化、網絡化,這些產品除了要用到機械驅殼,還需要用電路來控制,電的部分已經不再是簡單的開關電路,而是用大規模的集成電路,單片機、傳感器、可編程控制器等智能元件被用來和設備的機械部分想結合。單純的機械活着單純的電子已經不能適應行業發展的需要,漸漸地就出現了機電一體化①這個學科。機電一體化最早出現在1971年日本雜誌《機械設計》的副刊上,到目前這個學科已經逐漸成熟了。
機電一體化技術包含六個部分,它們分別是:第一,機械技術。機械技術是機電一體化的基礎,機械技術的着眼點在於如何與機電一體化技術相適應,利用其它高、新技術來更新概念,實現結構上、材料上、性能上的變更,滿足減小重量、縮小體積、提高精度、提高剛度及改善性能的要求。在機電一體化系統製造過程中,經典的機械理論與工藝應藉助於計算機輔助技術,同時採用人工智能與專家系統等,形成新一代的機械製造技術。第二,計算機與信息技術。其中信息交換、存取、運算、判斷與決策、人工智能技術、專家系統技術、神經網絡技術均屬於計算機信息處理技術。第三,系統技術。系統技術即以整體的概念組織應用各種相關技術,從全局角度和系統目標出發,將總體分解成相互關聯的若干功能單元,接口技術是系統技術中一個重要方面,它是實現系統各部分有機連接的保證。第四,自動控制技術。其範圍很廣,在控制理論指導下,進行系統設計,設計後的系統仿真,現場調試,控制技術包括如高精度定位控制、速度控制、自適應控制、自診斷校正、補償、再現、檢索等。第五,傳感檢測技術。傳感檢測技術是系統的感受器官,是實現自動控制、自動調節的關鍵環節。其功能越強,系統的自動化程序就越高。現代工程要求傳感器能快速、精確地獲取信息並能經受嚴酷環境的考驗,它是機電一體化系統達到高水平的保證。第六,伺服傳動技術。包括電動、氣動、液壓等各種類型的傳動裝置,伺服系統是實現電信號到機械動作的轉換裝置與部件、對系統的動態性能、控制質量和功能有決定性的影響。機電一體化系統主要由五個部分組成:機械本體、檢測傳感部分、電子控制單元、執行器和動力源。機械本體包括機架、機械連接、機械傳動等,它是機電一體化的基礎,起着支撐系統中其他功能單元、傳遞運動和動力的作用。與純粹的機械產品相比,機電一體化系統的技術性能得到提高、功能得到增強,這就要求機械本體在機械結構、材料、加工工藝性以及幾何尺寸等方面能夠與之相適應,具有高效、多功能、可靠和節能、小型、輕量、美觀的特點;檢測傳感部分包括各種傳感器及其信號檢測電路,其作用就是檢測機電一體化系統工作過程中本身和外界環境有關參量的變化,並將信息傳遞給電子控制單元,電子控制單元根據檢查到的信息向執行器發出相應的控制;電子控制單元又稱ECU(Electrical Control Unit),是機電一體化系統的核心,負責將來自各傳感器的檢測信號和外部輸入命令進行集中、存儲、計算、分析,根據信息處理結果,按照一定的程度和節奏發出相應的指令,控制整個系統有目的地進行;執行器的作用是根據電子控制單元的指令驅動機械部件的運動。執行器是運動部件,通常採用電力驅動、氣壓驅動和液壓驅動等幾種方式;動力源是機電一體化產品能量供應部分,其作用是按照系統控制要求向機械系統提供能量和動力使系統正常運行。提供能量的方式包括電能、氣能和液壓能,以電能為主。機械作為減輕人類勞動強度的一種工具,自從出現以來就一直不斷地發展進步。模塊化、網絡化、智能化、自動化、系統化和綠色化已經成為機械發展的方向。在未來的幾個世紀,並沒有什麼東西能取代機械的位置。也就是説,這個行業還有很長的路要走,它在人們消費的比重將不斷提高。而這個行業的競爭也會變得越來越激烈,只有不斷創新,只有把機電一體化產品的軟硬部分完美地結合起來才能做成優異的機電一體化產品。

機電一體化發展方向

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機電一體化向智能化方向邁進。20世紀90年代後期,各主要發達國家開始了機電一體化技術向智能化方向邁進的新階段。一方面,光學、通信技術等進入了機電一體化,微細加工技術也在機電一體化中嶄露頭腳,出現了光機電一體化和微機電一體化等新分支;另一方面,對機電一體化系統的建模設計、分析和集成方法,機電一體化的學科體系和發展趨勢都進行了深入研究。同時,由於人工智能技術、神經網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闢了發展的廣闊天地,也為產業化發展提供了堅實的基礎。
關注六個發展方向:
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,它的發展和進步依賴並促進相關技術的發展和進步。未來機電一體化的主要發展方向有:
1.智能化。智能化是21世紀機電一體化技術發展的一個重要發展方向。人工智能在機電一體化建設者的研究中日益得到重視,機器人與數控機牀的智能化就是重要應用。這裏所説的“智能化”是對機器行為的描述,是在控制理論的基礎上,吸收人工智能、運籌學、計算機科學、模糊數學、心理學、生理學和混沌動力學等新思想、新方法,模擬人類智能,使它具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力,以求得到更高的控制目標。誠然,使機電一體化產品具有與人完全相同的智能,是不可能的,也是不必要的。但是,高性能、高速的微處理器使機電一體化產品賦有低級智能或人的部分智能,則是完全可能而必要的。
2.模塊化。模塊化是一項重要而艱鉅的工程。由於機電一體化產品種類和生產廠家繁多,研製和開發具有標準機械接口、電氣接口、動力接口、環境接口的機電一體化產品單元是一項十分複雜但又是非常重要的事。如研製集減速、智能調速、電機於一體的動力單元,具有視覺、圖像處理、識別和測距等功能的控制單元,以及各種能完成典型操作的機械裝置。這樣,可利用標準單元迅速開發出新產品,同時也可以擴大生產規模。這需要制定各項標準,以便各部件、單元的匹配和接口。由於利益衝突,很難制定國際或國內這方面的標準,但可以通過組建一些大企業逐漸形成。顯然,從電氣產品的標準化、系列化帶來的好處可以肯定,無論是對生產標準機電一體化單元的企業還是對生產機電一體化產品的企業,規模化將給機電一體化企業帶來美好的前程。
3.網絡化。20世紀90年代,計算機技術等的突出成就是網絡技術。網絡技術的興起和飛速發展給科學技術、工業生產、政治、軍事、教育及人們的日常生活都帶來了巨大的變革。各種網絡將全球經濟、生產連成一片,企業間的競爭也將全球化。機電一體化新產品一旦研製出來,只要其功能獨到,質量可靠,很快就會暢銷全球。由於網絡的普及,基於網絡的各種遠程控制和監視技術方興未艾,而遠程控制的終端設備本身就是機電一體化產品。現場總線和局域網技術是家用電器網絡化已成大勢,利用家庭網絡(home net)將各種家用電器連接成以計算機為中心的計算機集成家電系統(computer integrated appliance system,CIAS),使人們在家裏分享各種高技術帶來的便利與快樂。因此,機電一體化產品無疑將朝着網絡化方向發展。
4.微型化。微型化興起於20世紀80年代末,指的是機電一體化向微型機器和微觀領域發展的趨勢。國外稱其為微電子機械系統(MEMS),泛指幾何尺寸不超過1立方厘米的機電一體化產品,並向微米、納米級發展。微機電一體化產品體積小、耗能少、運動靈活,在生物醫療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優勢。微機電一體化發展的瓶頸在於微機械技術,微機電一體化產品的加工採用精細加工技術,即超精密技術,它包括光刻技術和蝕刻技術兩類。
5.綠色化。工業的發達給人們生活帶來了巨大變化。一方面,物質豐富,生活舒適;另一方面,資源減少,生態環境受到嚴重污染。於是,人們呼籲保護環境資源,迴歸自然。綠色產品概念在這種呼聲下應運而生,綠色化是時代的趨勢。綠色產品在其設計、製造、使用和銷燬的生命過程中,符合特定的環境保護和人類健康的要求,對生態環境無害或危害極少,資源利用率極高。設計綠色的機電一體化產品,具有遠大的發展前途。機電一體化產品的綠色化主要是指,使用時不污染生態環境,報廢后能回收利用。
6.系統化。系統化的表現特徵之一就是系統體系結構進一步採用開放式和模式化的總線結構。系統可以靈活組態,進行任意剪裁和組合,同時尋求實現多子系統協調控制和綜合管理。表現之二是通信功能的大大加強,特別是“人格化”發展引人注目,即未來的機電一體化更加註重產品與人的關係。機電一體化的人格化有兩層含義。一是機電一體化產品的最終使用對象是人,如何賦予機電一體化產品人的智能、情感、人性顯得越來越重要,特別是對家用機器人,其高層境界就是人機一體化。另一層含義是模仿生物機理,研製各種機電一體化產品。

機電一體化光機電一體化

編輯
光機電一體化技術是微電子技術、計算機技術、控制技術、光學技術與機械技術的相互交叉與融合,是諸多高新技術產業和高新技術裝備的基礎。它包括產品和技術兩方面:光機電一體化產品是集光學、機械、微電子、自動控制和通信技術於一體的高科技產品,具有很高功能和附加值;光機電一體化技術是指其技術原理和使光機電一體化產品得以實現,使用和發展的技術。
光機電一體化技術是由光學,光電子學,電子信息和機械製造及其他相關技術交叉與融合構成的綜合性高新技術是諸多高新技術產業和高新技術裝備的基礎。它豐富和拓寬了光機電一體化技術的內涵和外延。
參考資料