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浅析机电一体化及其应用

作者2019-03-29 12:09未知
 机电一体化就是将机械技术、电工电子技术、微电子技术、信息技术、传感器技术、接口技术、信号变换技术等多种技术进行有机的结合,并应用到实际中去的综合技术。随着科学技术的飞速发展,现代化的自动生产设备可以说都是机电一体化的设备。
  机电一体化也称为机械电子学,是由英文单词Mechanics(机械学)的词头和Electronics(电子学)的词尾组合而成的新词,即Mecha-tronics。机电一体化最早出现在1971年日本杂志《机械设计》的副刊上,随着机电一体化技术的快速发展,机电一体化的概念被世界各国所承认和应用。随着电子技术和信息技术的迅猛发展,机电一体化技术也获得了高速发展,并对现代工业的生产产生了重要影响。
  1机电一体化的含义
  在人类漫长的发展历史中,有一种“看不见的思想”推动着技术的进步和发展,而这种“看不见的思想”就是人们追求的“精益求精”的思想,也正是这种思想使人们创造了一个又一个技术奇迹,也正是“精益求精”的思想迫使人们去提高工作效率,从而创造了机电一体化技术。
  机电一体化在国外被称为“Mechatronics”,这个词是由英文单词Mechanics(机械学)的词头和Electronics(电子学)的词尾组合而成的新词,意思是机械技术和电子技术的有机结合。随着科学技术的发展,这一技术已经得到包括我国在内的世界各国的承认和应用,我国的工程人员将这一名称译为“机电一体化技术”,机电一体化技术又称为机械电子技术,是机械技术、电子技术和信息技术有机结合的产物,是诸多高新技术产业和高新技术装备的基础。
  2机电一体化技术的发展历史
  机电一体化技术的发展历程,大致可以分为三个阶段。
  20世纪60年代以前是第一阶段,这一阶段是机电一体化的初创阶段,也就是电子技术开始在机械行业中得到广泛应用,因此,可以称其为“萌芽阶段”。在这一时期,电子技术研究的初步成果开始被人们用来完善机械产品的相关性能。尤其是第二次世界大战的爆发,更是刺激了机械产品与电子技术的结合,出现了一些机械性能相当优良的军事用途的机电产品。战后,这些军事用途的机电产品转为民用,对经济的恢复和技术的进步起到了积极的促进作用。
  20世纪70年代到80年代是第二阶段,这一阶段机电一体化获得了蓬勃发展,因此,可以称其为“蓬勃发展阶段”。在这一时期,人们已经开始主动地去利用电子技术、通信技术和控制技术,也就是人们常讲的3C(Compute、Control、CommunicationTechology,简称3C)技术的发展成果来研究新的机电一体化产品。
  20世纪90年代至今,是机电一体化技术发展的第三阶段,这一阶段智能化技术在机电一体化技术中得到了良好的应用,因此,这一阶段可以称其为“智能化阶段”。这一时期,由于人工智能技术、网络技术和光纤技术等的发展,为机电一体化带来了巨大的发展空间。而目前,随着机械技术与激光-微电子等技术的结合,光机电一体化技术将会成为机电一体化技术未来发展的重要方向。光机电一体化技术包括产品和技术两方面:光机电一体化产品是集光学、机械、微电子、自动控制和通信技术于一体的高科技产品,具有丰富的功能和很高附加值;光机电一体化技术是指其技术原理和使光机电一体化产品得以实现、使用和发展的技术。随着机电一体化技术在各行各业的广泛应用,光机电一体化技术将会获得巨大的发展空间。
  3机电一体化的发展趋势
  机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合,它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。21世纪,随着科学技术和人们的环保意识的提升,机电一体化的发展趋势主要是智能化、数字化、网络化、微型化及绿色化。
  3.1智能化
  智能化是21世纪机电一体化发展的重要趋势。随着计算机技术、信息技术、电子技术的飞速发展,机电一体化的智能化在工业中得到了广泛的应用,机器人就是机电一体化的重要体现。机器人就是通过计算机技术、电子技术、传感器技术等自动执行工作的机器装置,它既可以接受人类指挥,又可以运行预先编排的程序,也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。机器人的主要任务就是协助或代替人类的工作,尤其是一些危险场合,如高电压环境、核电站等,都需要机器人来完成人类不适宜的工作。随着机器人性能的提高,在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域,机器人都有着非常重要的用途。
  3.2数字化
  数字化就是将许多复杂多变的信息转变为可以度量的数字、数据,再以这些数字、数据建立起适当的数字化模型,把它们转变为一系列二进制代码,引入计算机内部,进行统一处理,这是数字化的基本过程。21世纪是信息时代,信息的数字化越来越受到人们的重视。随着计算机技术的发展,奠定了机电产品数字化的基础,也为数字化设计和制造提供了重要手段,如虚拟设计、计算机集成制造等。数字化要求机电一体化产品的软件具有具有高可靠性、易操作性、可维护性以及自诊断能力等。
  3.3网络化
  网络化就是指利用通信技术和计算机技术,把分布在不同地点的计算机及各类电子终端设备互联起来,按照一定的网络协议相互通信,以达到所有用户都可以共享软件、硬件和数据资源的目的。20世纪90年代中期,网络技术得到了迅猛发展,它把互联网上分散的资源融为有机整体,实现资源的全面共享和有机协作,使人们能够透明地使用资源的整体能力并按需获取信息,给世界带来了巨大的变革,也给机电一体化的发展带来了重大影响,如可以通过网络对机电一体化的设备进行远程控制。机电一体化的产品很多,我们以数控机床为例来说明。
  数控机床是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序,并将其译码,用代码化的数字表示,通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号,控制机床的动作,按图纸要求的形状和尺寸,自动地将零件加工出来。数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题,是一种柔性的、高效能的自动化机床,代表了现代机床控制技术的发展方向,是一种典型的机电一体化产品。
  3.4微型化
  近年来,作为机电一体化技术的重要分支的微机电系统,得到了迅猛发展。微机电系统是微电路和微机械按功能要求在芯片上的集成,尺寸通常在毫米或微米级,自八十年代中后期崛起以来发展极其迅速,被认为是继微电子之后又一个对国民经济和军事具有重大影响的技术领域,将成为21世纪新的国民经济增长点和提高军事能力的重要技术途径。
  由于微机电系统具有体积小、重量轻、能耗低、耐用性好、价格低廉、性能稳定等优点,在生物医学、航空航天、工业、农业乃至国防等领域等有着广阔的应用前景。虽然目前技术上还存在一定困难,但取得技术上的重大突破已经为期不远。
  3.5多样化
  未来的机电一体化装置将会越来越强化其与生命机体的相似性,它高度依赖于信息,具有相当高的智能,能够学习和积累经验,有灵活适应环境的能力,并能根据需要和具体条件进行决策、指挥并完成某些任务。这些在技术上虽然有一定难度,但其部分功能已经得以实现。人们正在研究如何用机电一体化技术取代人体的大部分器官,如人造假肢,过去只是外表和真肢相似的机械化装置,而目前,已经研究出可以和身体器官相连的装置,这种假臂的手非常灵活,甚至可以操作乐器等。
  3.6绿色化
  绿色设计就是指充分利用资源来获得绿色产品的设计。在漫长的人类发展史中,工业设计为人类创造了现代生活方式和生活环境,与此同时,也加速了资源、能源的消耗,并对地球的生态平衡造成了严重破坏。但地球上的一次性资源、能源毕竟有限,随着世界人口的日益增多和人们对物质生活越来越高的要求,这种高投入高输出发展模式能否持续下去、还能持续多久,已成为国际社会的重点研究课题。鉴于此,绿色设计也就成了机电一体化发展的重要方向。绿色设计反映了人们对于现代科技文化所引起的环境及生态破坏的反思,要求世界各国要合理的利用资源,转变传统粗放式的发展模式,采用以资源、能源高效利用为特色的集约型发展模式,是实现可持续发展的重要途径。
  4机电一体化的重要应用
  机电一体化技术自问世以来获得了迅猛发展,推动了机械工业的良好发展,新产品层出不穷。无论是军事还是经济,亦或是生产、生活,机电一体化都在时刻推动着社会的发展。
  4.1数控机床
  数控机床是一种装有程序控制系统的自动化机床。数控机床的基本组成包括加工程序载体、数控装置、伺服驱动装置、机床主体和其他辅助装置。数控机床工作时,不需要工人直接去操作机床,要对数控机床进行控制,必须编制加工程序。零件加工程序中,包括机床上刀具和工件的相对运动轨迹、工艺参数和辅助运动等。数控装置是数控机床的核心。现代数控装置均采用CNC(ComputerNumeri-calControl)形式,这种CNC装置一般使用多个微处理器,以程序化的软件形式实现数控功能,因此又称软件数控(SoftwareNC)。伺服系统是数控机床的重要组成部分,用于实现数控机床的进给伺服控制和主轴伺服控制。伺服系统的作用是把接受来自数控装置的指令信息,经功率放大、整形处理后,转换成机床执行部件的直线位移或角位移运动。机床主机是数控机床的主体。它包括床身、底座、立柱、横梁、滑座、工作台、主轴箱、进给机构、刀架及自动换刀装置等机械部件。它是在数控机床上自动地完成各种切削加工的机械部分。辅助装置是保证充分发挥数控机床功能所必需的配套装置,常用的辅助装置包括:气动、液压装置,排屑装置,冷却、润滑装置,回转工作台和数控分度头,防护,照明等各种辅助装置。
  4.2工业机器人
  工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人。工业机器人是工业物流自动化中的重要装置之一,是当今世界新技术革命的一个重要标志。工业机器人是自动执行工作的机器装置,是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥,也可以按照预先编排的程序运行,现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。20世纪40年代中后期,机器人的研究与发明得到了更多人的关心与关注。50年代以后,美国橡树岭国家实验室开始研究能搬运核原料的遥控操纵机械手。1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念,并申请了专利。1959年UNIMATION公司的第一台工业机器人在美国诞生,开创了机器人发展的新纪元。UNIMATION的VAL(veryadvan-tagelanguage)语言也成为机器人领域最早的编程语言在各大学及科研机构中传播,这也是各个机器人品牌的最基本范本。
  5结束语
  机电一体化的出现不是孤立的,它是许多科学技术发展的结晶,是社会生产力发展到一定阶段的必然要求。应当指出,机电一体化是机械理论与计算机和网络等信息理论的结合,是机械设计理论的发展,而不是取代。当然,与机电一体化相关的技术还有很多,并且随着科学技术的发展,各种技术相互融合的趋势将越来越明显,机电一体化技术的广阔发展前景也将越来越光明。
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