機電一體化技術及其應用

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　　機電一體化技術及其應用【1】

　　摘 要：討論了機電一體化技術對于改變整個機械制造業面貌所起的重要作用，并說明其在鋼鐵工業中的應用以及發展趨勢。

　　關鍵詞：機電一體化;技術;應用

　　一、機電一體化技術發展

　　機電一體化是機械、微電子、控制、計算機、信息處理等多學科的交叉融合，其發展和進步有賴于相關技術的進步與發展，其主要發展方向有數字化、智能化、模塊化、網絡化、人性化、微型化、集成化、帶源化和綠色化。

　　1.1 數字化 微控制器及其發展奠定了機電產品數字化的基礎，如不斷發展的數控機床和機器人;而計算機網絡的迅速崛起，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。

　　數字化的實現將便于遠程操作、診斷和修復。

　　1.2 智能化 即要求機電產品有一定的智能，使它具有類似人的邏輯思考、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功能，設置智能I/O接口和智能工藝數據庫，會給使用、操作和維護帶來極大的方便。

　　隨著模糊控制、神經網絡、灰色理論、小波理論、混沌與分岔等人工智能技術的進步與發展，為機電一體化技術發展開辟了廣闊天地。

　　1.3 模塊化 由于機電一體化產品種類和生產廠家繁多，研制和開發具有標準機械接口、動力接口、環境接口的機電一體化產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力驅動單元;具有視覺、圖像處理、識別和測距等功能的電機一體控制單元等。

　　這樣，在產品開發設計時，可以利用這些標準模塊化單元迅速開發出新的產品。

　　1.4 網絡化 由于網絡的普及，基于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使家用電器網絡化成為可能，利用家庭網絡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帶來的好處，因此，機電一體化產品無疑應朝網絡化方向發展。

　　1.5 人性化 機電一體化產品的最終使用對象是人，如何給機電一體化產品賦予人的智能、情感和人性顯得愈來愈重要，機電一體化產品除了完善的性能外，還要求在色彩、造型等方面與環境相協調，使用這些產品，對人來說還是一種藝術享受，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發展的必然，也是提高效率的需要。

　　微機電系統(Micro Electronic Mechanical Systems，簡稱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年美國斯坦福大學研制出第一個醫用微探針，1988年美國加州大學Berkeley分校研制出第一個微電機以來，國內外在MEMS工藝、材料以及微觀機理研究方面取得了很大進展，開發出各種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的相互滲透、相互融合和各種產品不同結構的優化與復合，又包含在生產過程中同時處理加工、裝配、檢測、管理等多種工序。

　　為了實現多品種、小批量生產的自動化與高效率，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，并使各部分協調而又安全地運轉，然后再通過軟、硬件將各個層次有機地聯系起來，使其性能最優、功能最強。

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

　　由于在許多場合無法使用電能，因而對于運動的機電一體化產品，自帶動力源具有獨特的好處。

　　帶源化是機電一體化產品的發展方向之一。

　　二、機電一體化技術在鋼鐵企業中應用

　　在鋼鐵企業中，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、儀表等技術有機的結合起來，采用組裝合并方式，為實現工程大系統的綜合一體化創造有力條件，增強系統控制精度、質量和可靠性。

　　機電一體化技術在鋼鐵企業中主要應用于以下幾個方面：

　　2.1 智能化控制技術(IC) 由于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，因此非常有必要采用智能控制技術。

　　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于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、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。

　　利用計算機對生產過程進行集中監視、操作、管理和分散控制。

　　隨著測控技術的發展，分布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，采用了系統故障人工手動控制操作措施，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 開放式控制系統(OCS) 開放控制系統(Open Control System)是目前計算機技術發展所引出的新的結構體系概念。

　　“開放”意味著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。

　　2.4 計算機集成制造系統(CIMS) 鋼鐵企業的CIMS是將人與生產經營、生產管理以及過程控制連成一體，用以實現從原料進廠，生產加工到產品發貨的整個生產過程全局和過程一體化控制。

　　目前鋼鐵企業已基本實現了過程自動化，但這種“自動化孤島”式的單機自動化缺乏信息資源的共享和生產過程的統一管理，難以適應現代鋼鐵生產的要求。

　　未來鋼鐵企業競爭的焦點是多品種、小批量生產，質優價廉，及時交貨。

　　為了提高生產率、節能降耗、減少人員及現有庫存，加速資金周轉，實現生產、經營、管理整體優化，關鍵就是加強管理，獲取必須的經濟效益，提高了企業的競爭力。

　　美國、日本等一些大型鋼鐵企業在20世紀80年代已廣泛實現CIMS化。

　　機電一體化的系統構成及應用【2】

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

　　隨著計算機技術的迅猛發展和廣泛應用，機電一體化技術發展迅速，成為一門綜合計算機與信息技術、自動控制技術、傳感檢測技術、伺服傳動技術和機械技術等交叉的系統技術，目前，機電一體化的系統構成已經越發的完善，應用也越發的廣泛。

　　關鍵字：機電一體化 組成要素 發展狀況 技術應用

　　一、機電一體化的研究方向

　　1.機械技術。

　　機械技術是機電一體化的基礎，機械技術的著眼點在于如何與機電一體化技術相適應，在機電一體化系統制造過程中，經典的機械理論與工藝應借助于計算機輔助技術，同時采用人工智能與專家系統等，形成新一代的機械制造技術。

　　2.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、技術均屬于計算機信息處理技術。

　　3.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。

　　4.自動控制技術。

　　其范圍很廣，在控制理論指導下，進行系統設計，設計后的系統仿真，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。

　　二、機電一體化的未來發展趨勢

　　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、動力源。

　　2.機電一體化的發展狀況。

　　機電一體化的發展大體可以分為3個階段。

　　20世紀60年代以前為第一階段，這一階段稱為初級階段。

　　在這一時期，人們自覺不自覺地利用電子技術的初步成果來完善機械產品的性能。

　　20世紀70～80年代為第二階段，可稱為蓬勃發展階段。

　　這一時期，計算機技術、控制技術、通信技術的發展，為機電一體化的發展奠定了技術基礎。

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

　　20世紀90年代后期，開始了機電一體化技術向智能化方向邁進的新階段，機電一體化進入深入發展時期。

　　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，由于人工智能技術、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辟了發展的廣闊天地。

　　這些研究，將促使機電一體化進一步建立完整的基礎和逐漸形成完整的科學體系。

　　三、機電一體化的應用領域

　　現代機電一體化是一門綜合的技術，是機械與微電子技術、信息技術相互滲透融合的產物，是機電工業發展的必然趨勢。

　　這意味著，機電一體化的應用在未來的工業發展中將更為廣泛。

　　機電一體化的主要應用領域：

　　1.數控機床。

　　數控機床及相應的數控技術經過40年的發展，在結構、功能、操作和控制上都有迅速的提高，總線式、緊湊型的結構、開放式的設計以及數控編程技術和技術化，這些發展最大限度的提高的用戶的效益。

　　2.計算機集成制造系統。

　　它打破原有部門之間的界限，以制造為基礎來控制物流和信息流，實現從經營決策、產品開發、生產準備、生產試驗到生產經營管理的有機結合。

　　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、自動搬運小車和自動化倉庫等組成。

　　該系統的應用會使冗余度增加，有較好的柔性，能夠應付突發事件。

　　4.機電一體化技術在鋼鐵企業中應用。

　　在鋼鐵企業中，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、儀表等技術有機的結合起來，采用組裝合并方式，為實現工程大系統的綜合一體化創造有力條件，增強系統控制精度、質量和可靠性。

　　機電一體化技術在鋼鐵企業中主要應用于以下幾個方面：智能化控制技術(IC)、分布式控制系統(DCS)、開放式控制系統(OCS)、計算機集成制造系統(CIMS)、現場總線技術(FBT)、交流傳動技術。

　　5.工業機器人。

　　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，可進行復雜的邏輯思維、判斷和決策，在作業環境中獨立行動，與第5代計算機關系密切。

　　四、機電一體化技術的智能化趨勢

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

　　1.數字化。

　　微控制器和接口技術的發展奠定了機電產品數字化的基礎，如不斷發展的數控機床和機器人;而計算機網絡的迅速崛起，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。

　　由于機電一體化產品種類和生產廠家繁多，研制和開發具有標準機械接口、動力接口、環境接口的機電一體化產品單元模塊是一項復雜而有前途的工作。

　　這樣，在產品開發設計時，可以利用這些標準模塊化單元迅速開發出新的產品。

　　從而避免利益的沖突，并能使之標準化、系列化。

　　3.網絡化。

　　網絡技術的興起和飛速發展給社會各個領域帶來了巨大變革。

　　由于網絡的普及，基于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使家用電器網絡化成為可能，利用家庭網絡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帶來的好處，因此，機電一體化產品無疑應朝網絡化方向發展。

　　五、小結

　　綜上所述，機電一體化技術是眾多科學技術發展的結晶，是社會生產力發展到一定階段的必然要求。

　　它促使機械工業發生戰略性的變革，使傳統的機械設計方法和設計概念發生著革命性的變化。

　　大力發展新一代機電一體化產品，不僅是改造傳統機械設備的要求，而且是推動機械產品更新換代和開辟新領域、發展與振興機械工業的必由之路。

　　參考文獻：

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