機電一體化技術(shù)及其應用

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　　機電一體化技術(shù)及其應用【1】

　　摘 要：討論了機電一體化技術(shù)對于改變整個(gè)機械制造業(yè)面貌所起的重要作用，并說(shuō)明其在鋼鐵工業(yè)中的應用以及發(fā)展趨勢。

　　關(guān)鍵詞：機電一體化;技術(shù);應用

　　一、機電一體化技術(shù)發(fā)展

　　機電一體化是機械、微電子、控制、計算機、信息處理等多學(xué)科的交叉融合，其發(fā)展和進(jìn)步有賴(lài)于相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，其主要發(fā)展方向有數字化、智能化、模塊化、網(wǎng)絡(luò )化、人性化、微型化、集成化、帶源化和綠色化。

　　1.1 數字化 微控制器及其發(fā)展奠定了機電產(chǎn)品數字化的基礎，如不斷發(fā)展的數控機床和機器人;而計算機網(wǎng)絡(luò )的迅速崛起，為數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。

　　數字化要求機電一體化產(chǎn)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。

　　數字化的實(shí)現將便于遠程操作、診斷和修復。

　　1.2 智能化 即要求機電產(chǎn)品有一定的智能，使它具有類(lèi)似人的邏輯思考、判斷推理、自主決策等能力。

　　例如在CNC數控機床上增加人機對話(huà)功能，設置智能I/O接口和智能工藝數據庫，會(huì )給使用、操作和維護帶來(lái)極大的方便。

　　隨著(zhù)模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、灰色理論、小波理論、混沌與分岔等人工智能技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，為機電一體化技術(shù)發(fā)展開(kāi)辟了廣闊天地。

　　1.3 模塊化 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、動(dòng)力接口、環(huán)境接口的機電一體化產(chǎn)品單元模塊是一項復雜而有前途的工作。

　　如研制具有集減速、變頻調速電機一體的動(dòng)力驅動(dòng)單元;具有視覺(jué)、圖像處理、識別和測距等功能的電機一體控制單元等。

　　這樣，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設計時(shí)，可以利用這些標準模塊化單元迅速開(kāi)發(fā)出新的產(chǎn)品。

　　1.4 網(wǎng)絡(luò )化 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，現場(chǎng)總線(xiàn)和局域網(wǎng)技術(shù)使家用電器網(wǎng)絡(luò )化成為可能，利用家庭網(wǎng)絡(luò )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，使人們在家里可充分享受各種高技術(shù)帶來(lái)的好處，因此，機電一體化產(chǎn)品無(wú)疑應朝網(wǎng)絡(luò )化方向發(fā)展。

　　1.5 人性化 機電一體化產(chǎn)品的最終使用對象是人，如何給機電一體化產(chǎn)品賦予人的智能、情感和人性顯得愈來(lái)愈重要，機電一體化產(chǎn)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(chǎn)品，對人來(lái)說(shuō)還是一種藝術(shù)享受，如家用機器人的最高境界就是人機一體化。

　　1.6 微型化 微型化是精細加工技術(shù)發(fā)展的必然，也是提高效率的需要。

　　微機電系統(Micro Electronic Mechanical Systems，簡(jiǎn)稱(chēng)MEMS)是指可批量制作的，集微型機構、微型傳感器、微型執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。

　　自1986年美國斯坦福大學(xué)研制出第一個(gè)醫用微探針，1988年美國加州大學(xué)Berkeley分校研制出第一個(gè)微電機以來(lái)，國內外在MEMS工藝、材料以及微觀(guān)機理研究方面取得了很大進(jìn)展，開(kāi)發(fā)出各種MEMS器件和系統，如各種微型傳感器(壓力傳感器、微加速度計、微觸覺(jué)傳感器)，各種微構件(微膜、微粱、微探針、微連桿、微齒輪、微軸承、微泵、微彈簧以及微機器人等)。

　　1.7 集成化 集成化既包含各種技術(shù)的相互滲透、相互融合和各種產(chǎn)品不同結構的優(yōu)化與復合，又包含在生產(chǎn)過(guò)程中同時(shí)處理加工、裝配、檢測、管理等多種工序。

　　為了實(shí)現多品種、小批量生產(chǎn)的自動(dòng)化與高效率，應使系統具有更廣泛的柔性。

　　首先可將系統分解為若干層次，使系統功能分散，并使各部分協(xié)調而又安全地運轉，然后再通過(guò)軟、硬件將各個(gè)層次有機地聯(lián)系起來(lái)，使其性能最優(yōu)、功能最強。

　　1.8 帶源化 是指機電一體化產(chǎn)品自身帶有能源，如太陽(yáng)能電池、燃料電池和大容量電池。

　　由于在許多場(chǎng)合無(wú)法使用電能，因而對于運動(dòng)的機電一體化產(chǎn)品，自帶動(dòng)力源具有獨特的好處。

　　帶源化是機電一體化產(chǎn)品的發(fā)展方向之一。

　　二、機電一體化技術(shù)在鋼鐵企業(yè)中應用

　　在鋼鐵企業(yè)中，機電一體化系統是以微處理機為核心，把微機、工控機、數據通訊、顯示裝置、儀表等技術(shù)有機的結合起來(lái)，采用組裝合并方式，為實(shí)現工程大系統的綜合一體化創(chuàng )造有力條件，增強系統控制精度、質(zhì)量和可靠性。

　　機電一體化技術(shù)在鋼鐵企業(yè)中主要應用于以下幾個(gè)方面：

　　2.1 智能化控制技術(shù)(IC) 由于鋼鐵工業(yè)具有大型化、高速化和連續化的特點(diǎn)，傳統的控制技術(shù)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(shù)。

　　智能控制技術(shù)主要包括專(zhuān)家系統、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )等，智能控制技術(shù)廣泛應用于鋼鐵企業(yè)的產(chǎn)品設計、生產(chǎn)、控制、設備與產(chǎn)品質(zhì)量診斷等各個(gè)方面，如高爐控制系統、電爐和連鑄車(chē)間、軋鋼系統、煉鋼———連鑄———軋鋼綜合調度系統、冷連軋等。

　　2.2 分布式控制系統(DCS) 分布式控制系統采用一臺中央計算機指揮若干臺面向控制的現場(chǎng)測控計算機和智能控制單元。

　　分布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(chǎn)過(guò)程進(jìn)行集中監視、操作、管理和分散控制。

　　隨著(zhù)測控技術(shù)的發(fā)展，分布式控制系統的功能越來(lái)越多。

　　不僅可以實(shí)現生產(chǎn)過(guò)程控制，而且還可以實(shí)現在線(xiàn)最優(yōu)化、生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)調度、生產(chǎn)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(diǎn)控制功能多樣化、操作簡(jiǎn)便、系統可以擴展、維護方便、可靠性高等特點(diǎn)。

　　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，采用了系統故障人工手動(dòng)控制操作措施，使系統可靠性高。

　　分布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。

　　2.3 開(kāi)放式控制系統(OCS) 開(kāi)放控制系統(Open Control System)是目前計算機技術(shù)發(fā)展所引出的新的結構體系概念。

　　“開(kāi)放”意味著(zhù)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(shí)現不同廠(chǎng)家產(chǎn)品的兼容和互換，且資源共享。

　　開(kāi)放控制系統通過(guò)工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò )使各種控制設備、管理計算機互聯(lián)，實(shí)現控制與經(jīng)營(yíng)、管理、決策的集成，通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)使現場(chǎng)儀表與控制室的控制設備互聯(lián)，實(shí)現測量與控制一體化。

　　2.4 計算機集成制造系統(CIMS) 鋼鐵企業(yè)的CIMS是將人與生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)、生產(chǎn)管理以及過(guò)程控制連成一體，用以實(shí)現從原料進(jìn)廠(chǎng)，生產(chǎn)加工到產(chǎn)品發(fā)貨的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程全局和過(guò)程一體化控制。

　　目前鋼鐵企業(yè)已基本實(shí)現了過(guò)程自動(dòng)化，但這種“自動(dòng)化孤島”式的單機自動(dòng)化缺乏信息資源的共享和生產(chǎn)過(guò)程的統一管理，難以適應現代鋼鐵生產(chǎn)的要求。

　　未來(lái)鋼鐵企業(yè)競爭的焦點(diǎn)是多品種、小批量生產(chǎn)，質(zhì)優(yōu)價(jià)廉，及時(shí)交貨。

　　為了提高生產(chǎn)率、節能降耗、減少人員及現有庫存，加速資金周轉，實(shí)現生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、管理整體優(yōu)化，關(guān)鍵就是加強管理，獲取必須的經(jīng)濟效益，提高了企業(yè)的競爭力。

　　美國、日本等一些大型鋼鐵企業(yè)在20世紀80年代已廣泛實(shí)現CIMS化。

　　機電一體化的系統構成及應用【2】

　　摘要：機電一體化又稱(chēng)機械電子學(xué)，日本企業(yè)界在1970年左右最早提出"機電一體化技術(shù)"這一概念，即結合應用機械技術(shù)和電子技術(shù)于一體。

　　隨著(zhù)計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應用，機電一體化技術(shù)發(fā)展迅速，成為一門(mén)綜合計算機與信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感檢測技術(shù)、伺服傳動(dòng)技術(shù)和機械技術(shù)等交叉的系統技術(shù)，目前，機電一體化的系統構成已經(jīng)越發(fā)的完善，應用也越發(fā)的廣泛。

　　關(guān)鍵字：機電一體化 組成要素 發(fā)展狀況 技術(shù)應用

　　一、機電一體化的研究方向

　　1.機械技術(shù)。

　　機械技術(shù)是機電一體化的基礎，機械技術(shù)的著(zhù)眼點(diǎn)在于如何與機電一體化技術(shù)相適應，在機電一體化系統制造過(guò)程中，經(jīng)典的機械理論與工藝應借助于計算機輔助技術(shù)，同時(shí)采用人工智能與專(zhuān)家系統等，形成新一代的機械制造技術(shù)。

　　2.計算機與信息技術(shù)。

　　其中信息交換、存取、運算、判斷與決策、人工智能技術(shù)、專(zhuān)家系統技術(shù)、技術(shù)均屬于計算機信息處理技術(shù)。

　　3.系統技術(shù)，即以整體的概念組織應用各種相關(guān)技術(shù)，從全局角度和系統目標出發(fā)，將總體分解成相互關(guān)聯(lián)的若干功能單元，接口技術(shù)是系統技術(shù)中一個(gè)重要方面，它是實(shí)現系統各部分有機連接的保證。

　　4.自動(dòng)控制技術(shù)。

　　其范圍很廣，在控制理論指導下，進(jìn)行系統設計，設計后的系統仿真，現場(chǎng)調試，控制技術(shù)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。

　　二、機電一體化的未來(lái)發(fā)展趨勢

　　1.機電一體化的組成。

　　機電一體化的組成部分包括：機械本體、檢測傳感部分、電子控制單元、執行器、動(dòng)力源。

　　2.機電一體化的發(fā)展狀況。

　　機電一體化的發(fā)展大體可以分為3個(gè)階段。

　　20世紀60年代以前為第一階段，這一階段稱(chēng)為初級階段。

　　在這一時(shí)期，人們自覺(jué)不自覺(jué)地利用電子技術(shù)的初步成果來(lái)完善機械產(chǎn)品的性能。

　　20世紀70～80年代為第二階段，可稱(chēng)為蓬勃發(fā)展階段。

　　這一時(shí)期，計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，為機電一體化的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎。

　　大規模、超大規模集成電路和微型計算機的迅猛發(fā)展，為機電一體化的發(fā)展提供了充分的物質(zhì)基礎。

　　20世紀90年代后期，開(kāi)始了機電一體化技術(shù)向智能化方向邁進(jìn)的新階段，機電一體化進(jìn)入深入發(fā)展時(shí)期。

　　一方面，光學(xué)、通信技術(shù)等進(jìn)入了機電一體化，微細加工技術(shù)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(xué)科體系和發(fā)展趨勢都進(jìn)行了深入研究。

　　同時(shí)，由于人工智能技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)及光纖技術(shù)等領(lǐng)域取得的巨大進(jìn)步，為機電一體化技術(shù)開(kāi)辟了發(fā)展的廣闊天地。

　　這些研究，將促使機電一體化進(jìn)一步建立完整的基礎和逐漸形成完整的科學(xué)體系。

　　三、機電一體化的應用領(lǐng)域

　　現代機電一體化是一門(mén)綜合的技術(shù)，是機械與微電子技術(shù)、信息技術(shù)相互滲透融合的產(chǎn)物，是機電工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

　　這意味著(zhù)，機電一體化的應用在未來(lái)的工業(yè)發(fā)展中將更為廣泛。

　　機電一體化的主要應用領(lǐng)域：

　　1.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、操作和控制上都有迅速的提高，總線(xiàn)式、緊湊型的結構、開(kāi)放式的設計以及數控編程技術(shù)和技術(shù)化，這些發(fā)展最大限度的提高的用戶(hù)的效益。

　　2.計算機集成制造系統。

　　它打破原有部門(mén)之間的界限，以制造為基礎來(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)試驗到生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理的有機結合。

　　3.柔性制造系統。

　　即計算機化的系統，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。

　　該系統的應用會(huì )使冗余度增加，有較好的柔性，能夠應付突發(fā)事件。

　　4.機電一體化技術(shù)在鋼鐵企業(yè)中應用。

　　在鋼鐵企業(yè)中，機電一體化系統是以微處理機為核心，把微機、工控機、數據通訊、顯示裝置、儀表等技術(shù)有機的結合起來(lái)，采用組裝合并方式，為實(shí)現工程大系統的綜合一體化創(chuàng )造有力條件，增強系統控制精度、質(zhì)量和可靠性。

　　機電一體化技術(shù)在鋼鐵企業(yè)中主要應用于以下幾個(gè)方面：智能化控制技術(shù)(IC)、分布式控制系統(DCS)、開(kāi)放式控制系統(OCS)、計算機集成制造系統(CIMS)、現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)(FBT)、交流傳動(dòng)技術(shù)。

　　5.工業(yè)機器人。

　　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(jìn)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(dòng)，與第5代計算機關(guān)系密切。

　　四、機電一體化技術(shù)的智能化趨勢

　　智能化即要求機電產(chǎn)品有一定的智能，使它具有類(lèi)似人的邏輯思考、判斷推理、自主決策等能力。

　　1.數字化。

　　微控制器和接口技術(shù)的發(fā)展奠定了機電產(chǎn)品數字化的基礎，如不斷發(fā)展的數控機床和機器人;而計算機網(wǎng)絡(luò )的迅速崛起，為數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。

　　數字化要求機電一體化產(chǎn)品的軟件具有高可靠性、通用性、易操作性、可維護性、自診斷能力以及友好人機界面。

　　數字化的實(shí)現將便于遠程控制操作、診斷和修復。

　　2.模塊化。

　　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、動(dòng)力接口、環(huán)境接口的機電一體化產(chǎn)品單元模塊是一項復雜而有前途的工作。

　　這樣，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設計時(shí)，可以利用這些標準模塊化單元迅速開(kāi)發(fā)出新的產(chǎn)品。

　　從而避免利益的沖突，并能使之標準化、系列化。

　　3.網(wǎng)絡(luò )化。

　　網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的興起和飛速發(fā)展給社會(huì )各個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)了巨大變革。

　　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，現場(chǎng)總線(xiàn)和局域網(wǎng)技術(shù)使家用電器網(wǎng)絡(luò )化成為可能，利用家庭網(wǎng)絡(luò )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，使人們在家里可充分享受各種高技術(shù)帶來(lái)的好處，因此，機電一體化產(chǎn)品無(wú)疑應朝網(wǎng)絡(luò )化方向發(fā)展。

　　五、小結

　　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，是社會(huì )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。

　　參考文獻：

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　　[4]機電一體化技術(shù)手冊編委會(huì ).機電一體化技術(shù)手冊.北京：機械工業(yè)出版社，1994

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