1 机电一体化特点及发展趋势

机电一体化特点及发展趋势青岛农业大学机电学院2010.071.1机电一体化基本概念1.2机电一体化发展概况1.3机电一体化系统的构成1.4机电一体化共性关键技术1.5机电一体化系统设计1.6机电一体化对机械工业的影响1.7机电一体化的发展授课内容1.1基本概念机电一体化是一个新兴的边缘学科，正处于发展阶段，代表着机械工业技术革命的发展方向。机电一体化不是机械与电子简单的叠加，而是在信息论、控制论和系统论的基础上建立起来的应用技术机电一体化信息科学机械学电子学1.1基本概念美国IEEE/ASME曾于1996年给出了一个较为全面的定义:机电一体化初步定义为在工业产品和过程的设计和制造中，机械工程和电子与智能计算机控制的协同集成，包括以下11个方面：（1）成型和设计；（2）系统集成；（3）执行器和传感器；（4）智能控制；（5）机器人；（6）制造；（7）运动控制；（8）振动和噪声控制；（9）微器件和光电子系统；（10）汽车系统；（11）其他应用1.1基本概念目前，国际上普遍采用日本机械振兴协会的定义：“机电一体化是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成的系统的总称”，涉及机械制造技术、电子技术、信息处理技术、测试和传感器技术、控制技术、接口技术、计算机技术、伺服驱动等多种技术机电一体化一般包含机电一体化产品(系统)和机电一体化技术两层含义。典型的机电一体化产品(系统)有：数控机床、机器人、汽车电子化产品、智能化仪器仪表、电子排版印刷系统、CAD／CAM系统等。1.1基本概念数控铣床数控车床焊接机器人汽车防抱死系统(ABS)机电一体化技术：从系统的观点出发，将机械技术、微电子技术、信息技术、控制技术等在系统工程基础上有机地加以综合，以实现整个系统最佳化的一门新科学技术。机电一体化技术对现代工业的发展有巨大的推动力机电一体化中包含的关键技术有：检测传感信息处理自动控制伺服驱动机械系统总体技术在第四节中详细介绍。1.1基本概念1.2发展概况一、机电一体化发展的三阶段二、国外现状三、国内现状一、机电一体化发展的三阶段1.20世纪60年代前为第一阶段，“萌芽阶段”工程师们自觉或者不自觉地把机械产品和电子技术相结合，以提高机械产品的性能。但是由于电子技术的发展相对落后，使得机械与电子的结合还没有得到广泛的应用。2.70年代到80年代为第二阶段，“蓬勃发展阶”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奠定了技术基础这个时期的特点是：①mechatronics一词首先在日本被普遍接受，大约到20世纪80年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认；②机电一体化技术和产品得到了极大发展；③各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持。3.90年代后期开始为第三阶段，“智能化阶段”①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崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支；②对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。③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，为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。这些研究，将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。一、机电一体化发展的三阶段1989年在日本东京召开的第一届国际先进机电一体化学术会议，是机电一体化向纵深发展的标志，各国政府也开始有计划地推动和发展机电一体化技术和产品。目前，日本和美国在机电一体化产品开发和应用方面处于世界领先地位。美国商务部曾发表过一份关于日本机电一体化的研究报告，对日美两国机电一体化技术的基础研究、超前开发与形成产品等三方面进行了比较，结论是除机器视觉与软件外，日本的基础研究与美国是可以比拟的。当前，他们都将智能传感器、计算机芯片制造技术、具有触觉和人机对话功能的人工智能工业机器人、柔性制造系统等列为高技术领域的重大研究课题，并投入大量资金支持发展相关技术。二、国外现状世界各国都在大力推广机电一体化技术，机电一体化产品得以迅猛发展，主要表现在4个方面:（1）机电一体化产品几乎遍及所有制造业领域。在工业发达国家，数控机床占机床总数的30%～40%。工业机器人正向智能化和智能系统的方向发展，数量在未来十年将以25%～30%的速度增长。智能机器人将逐步进入办公、管理、娱乐、家庭等各个领域。二、国外现状（2）机电一体化从单机向整个制造业的集成化过渡。计算机集成制造系统（CIMS）是当今世界制造业发展的总趋势,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。CIMS的实现是全局动态的最优综合。二、国外现状（3）激光技术进入机电一体化领域。光机电一体化是激光技术与机械、电子技术相结合,不仅大大扩展了机电一体化的应用领域,而且使一些行业出现重大变革，是当今信息业与制造业的最佳结合点。（4）微细加工技术与设备发展迅猛。微电子技术及其产业的高速发展,带动了大量高新技术的兴起,微细加工技术和装备不仅支持了电子产业的发展,而且对微机械的诞生和发展也起了决定性的作用。二、国外现状我国从20世纪80年代初开始进行机电一体化的研究和应用，国务院成立了机电一体化领导小组并将其列为“863计划”。在制定“九五”规划和2010年发展纲要时充分考虑了国际上关于机电一体化技术的发展动向和由此可能带来的影响，许多大专院校、研究机构及一些大中型企业对这一技术的发展及应用做了大量的工作。虽然目前国内机电一体化技术与日本、欧美等先进国家相比仍有一定差距，但随着新技术革命的迅猛发展，我国加大了机电一体化技术的研究力度，并将其确定为国家高技术重点研究领域，给予优先支持，并取得了一定的成绩。二、国内现状（1）数控技术方面我国数控技术起步于1958年，在“九五”末期,国产数控机床的国内市场占有率达50%,配国产数控系统（普及型）也达到了10%。纵观我国数控技术近50年的发展历程,特别是经过4个5年计划的攻关,总体来看取得了很好成绩。目前,已具有年产数控系统3000多套、主轴与进给装置5000多套的生产能力。近十年来,普通级数控机床的加工精度已由10μm提高到5μm,精密级加工中心则从3～5μm,提高到1～1.5μm,并且超精密加工精度已开始进入纳米级（0.01μm）。二、国内现状（2）工业机器人方面我国1986年将机器人的研究开发列入国家科技计划,现已掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统和软件编程技术、运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人的关键元器件,并进入实用化阶段，开发出弧焊、点焊、喷漆、装配、搬运、注塑、冲压及能前后行走、爬墙、水下作业的多种机器人。目前，国内相关科研机构和企业已掌握了工业机器人操作机的优化制造技术，解决了工业机器人控制、驱动系统的设计技术，机器人软件的设计和编程等关键技术，还掌握弧焊、点焊及大型机器人自动生产线（工作站）与周边配套设备的开发和制备技术。现在，我国从事机器人研发的单位有200多家，专门从事机器人产业开发的企业有50家以上，中国市场上总共拥有近万台工业机器人，其中完全国产的工业机器人（行业内规模比较大的前三家工业机器人企业）行业集中度占30%左右。二、国内现状（3）计算机集成制造系统方面我国经过多年的理论和技术准备,CIMS已经有了较快发展已在清华大学建成国家CIMS工程研究中心,在著名高校和研究单位建立了7个CIMS单元技术实验室和8个CIMS培训中心。2000年,全国已有20多个省市、10多个行业、200多家不同规模和类型的企业通过实施CIMS应用示范工程,取得了巨大的经济效益。当前,CIMS的进一步试点推广应用已经扩展到机械、电子、航空、航天、轻工、纺织、冶金、石油化工等诸多领域,正得到各行各业越来越多的关注和投入。二、国内现状1.数控机床的问世，写下了“机电一体化”历史的第一页。2.微电子技术为“机电一体化‘’带来勃勃生机。3.可编程序控制器、”电力电子“等的发展为”机电一体化“提供了坚强基础。4.激光技术、模糊技术、信息技术等新技术使”机电一体化“跃上新台阶。1.2发展概况1.3机电一体化系统的构成位置,速度检测单元电机机械部件位置,速度反馈CNC数控机床伺服系统组成1.3机电一体化系统的构成执行器控制信息电子控制单元动力源检测传感部分机械本体参数变化信息驱动力能量检测参数1、机械本体机身、框架、机械联接等产品支持机构，实现构造功能。要求：可靠、小型、美观2、能源提供能量，转换成需要的形式，实现动力功能。要求：效率高、可靠性好1.3机电一体化系统的构成3、检测传感装置检测产品内部状态和外部环境，实现计测功能。要求：体积小、精度高、抗干扰4、电子控制单元处理、运算、决策，实现控制功能。要求：高可靠性、柔性、智能化1.3机电一体化系统的构成5、执行机构包括机械传动与操作机构，接收控制信息，完成要求的动作，实现主功能。要求：高性能、高精度、高效率1.3机电一体化系统的构成1.4共性关键技术1检测传感技术2信息处理技术3自动控制技术4伺服驱动技术5机械技术6系统总体技术1、检测传感技术作用：感受器官、反馈环节。研究对象：传感器及其信号检测装置（即变送器）要求：能快速、精确地获得信息并在相应的应用环境中具有高可靠性。1.4共性关键技术2、信息处理技术主要完成信息的交换、存取、运算、判断和决策等.其主要工具是计算机。传感器A/D计算机D/A执行装置3、控制技术关于软件方面的技术，主要以控制理论为指导，对控制系统设计、仿真、现场调试、可靠运行等。1.4共性关键技术4、伺服驱动技术执行元件种类：电动、液压、气压研究对象：执行元件及其驱动装置驱动装置：各种电动机的驱动电源电路实现机电一体化产品的主功能和构造功能，影响系统的结构、重量、体积、刚性、可靠性等。5、机械技术1.4共性关键技术6、系统总体技术系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统工程的观点和方法，将系统各个功能模块有机的结合起来，以实现整体最优。其重要内容为接口技术。接口包括电气接口、机械接口、人机接口1.4共性关键技术1.5机电一体化系统设计一、市场调研二、总体方案设计三、详细设计四、样机试制与试验五、小批量生产六、大批量生产一、市场调研市场调研包括市场调查和市场预测。所谓市场调查就是运用科学的方法，系统地、全面地收集所设计产品市场需求和经销方面的情况和资料，分析研究产品在供需双方之间进行转移的状况和趋势，而市场预测就是在市场调查的基础上，运用科学方法和手段，根据历史资料和现状，通过定性的经验分析或定量的科学计算，对市场未来的不确定因素和条件做出预计、测算和判断，为产品的方案设计提供依据。1.5机电一体化系统设计二、总体方案设计1．产品方案构思产品方案构思完成后，以方案图的形式将设计方案表达出来。方案图应尽可能简洁明了，反映机电一体化系统各组成部分的相互关系，同时应便于后面的修改。2．方案的评价对多种构思和多种方案进行筛选，选择较好的可行方案进行分析组合和评价，从中再选几个方案按照机电一体化系统设计评价原则和评价方法进行深入的综合分析评价，最后确定实施方案。1.5机电一体化系统设计三、详细设计详细设计是根据综合评价后确定的系统方案，从技术上将其细节逐层全部展开，直至完成产品样机试制所需全部技术图纸及文件的过程。1.5机电一体化系统设计四、样机试制与试验完成产品的详细设计后，即可进入样机试制与试验阶段。根据制造的成本和性能试验的要求，一般制造几台样机供试验使用。样机的试验分为实验室试验和实际工况试验，通过试验考核样机的各种性能指标是否满足设计要求，考核样机的可靠性。如果样机的性能指标和可靠性不满足设计要求，则要修改设计，重新制造样机，重新试验。如果样机的性能指标和可靠性满足设计要求，则进入产品的小批量生产阶段。1.5机电一体化系