1、1.1 概述1.2 机电一体化系统的设计1.3 机电一体化的发展趋势思考题1.1.1 引言引言机电一体化技术是20世纪60年代以来，在传统的机械技术基础上，随着电子技术、计算机技术特别是微电子技术#,信息技术的迅猛发展而发展起来的一门新技术。1.1 概概 述述 机电一体化技术综合应用了机械技术、微电子技术、信息处理技术、自动控制技术、检测技术、电力电子技术、接口技术及系统总体技术等群体技术，从系统的观点出发，根据系统功能目标和优化组织结构目标，以智能、动力、结构、运动和感知等组成要素为基础，对各组成要素及相互之间的信息处理、接口耦合、运动传递、物质运动、能量变换机理进行研究，使得整个系统有机结
2、合与综合集成，并在系统程序和微电子电路的有序信息流控制下，形成物质和能量的有规则运动，在高质量、高精度、高可靠性、低能耗意义上实现多种技术功能复合的最佳功能价值的系统工程技术。“机电一体化”一词的英文名词是“Mechatronics”，它是取Mechanics(机械学)的前半部分和Electronics(电子学)的后半部分拼合而成的。它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前沿方向。现代高新技术(如微电子技术、生物技术、新材料技术、新能源技术、空间技术、海洋开发技术、光纤通信技术及现代医学等)的发展需要具有智能化、自动化和柔性化的机械设备，机电一体化正是在这种巨大的需求
3、推动下产生的新兴技术。微电子技术、微型计算机使信息与智能和机械装置与动力设备有机结合，使得产品结构和生产系统发生了质的飞跃。机电一体化产品的功能，除了具有高精度、高可靠性、快速响应外，还将逐步实现自适应、自控制、自组织、自管理等功能。由于机电一体化技术对现代工业和技术的发展具有巨大的推动力，因此世界各国均将其作为工业技术发展的重要战略之一。从20世纪70年代起，在发达国家兴起了机电一体化热，而在20世纪90年代，中国也把机电一体化技术列为重点发展的十大高新技术产业之一。机电一体化技术在制造业的应用从一般的数控机床、加工中心和机械手发展到智能机器人、柔性制造系统(FMS)、无人生产车间和将设计、
4、制造、销售、管理集于一体的计算机集成制造系统(CIMS)。机电一体化产品涉及工业生产、科学研究、人民生活、医疗卫生等各个领域，如集成电路自动生产线、激光切割设备、印刷设备、家用电器、汽车电子化、微型机械、飞机、雷达、医学仪器、环境监测等。机电一体化技术是其他高新技术发展的基础，机电一体化的发展依赖于其他相关技术的发展。可以预料，随着信息技术、材料技术、生物技术等新兴学科的高速发展，在数控机床、机器人、微型机械、家用智能设备、医疗设备、现代制造系统等产品及领域，机电一体化技术将得到更加蓬勃的发展。1.1.2 机电一体化系统的基本组成要素机电一体化系统的基本组成要素一个典型的机电一体化系统应包含以
5、下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。我们将这些部分归纳为：结构组成要素、动力组成要素、运动组成要素、感知组成要素、智能组成要素；这些组成要素内部及其之间，形成通过接口耦合来实现运动传递、信息控制、能量转换等有机融合的一个完整系统。机电一体化系统的组成要素及功能如图1-1所示。图1-1 机电一体化系统的组成要素及功能(a)机电一体化系统的组成要素;(b)机电一体化系统的功能1.机械本体机械本体 机电一体化系统的机械本体包括机身、框架、连接等。由于机电一体化产品的技术性能、水平和功能的提高，机械本体要在机械结构、材料、加工工艺性以及几何尺寸等方面适
6、应产品高效率、多功能、高可靠性和节能、小型、轻量、美观等要求。2.动力与驱动动力与驱动动力部分的功能是按照系统控制要求，为系统提供能量和动力，使系统正常运行。用尽可能小的动力输入获得尽可能大的功能输出，是机电一体化产品的显著特征之一。驱动部分的功能是在控制信息作用下提供动力，驱动各执行机构完成各种动作和功能。机电一体化系统一方面要求驱动的高效率和快速响应特性，另一方面要求对水、油、温度、尘埃等外部环境的适应性和可靠性。由于电力电子技术的高度发展，高性能的步进驱动、直流伺服和交流伺服驱动方式大量应用于机电一体化系统。3.传感测试部分传感测试部分 传感测试部分的功能是对系统运行中所需要的本身和外界
7、环境的各种参数及状态进行检测，生成相应的可识别信号，传输到信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的控制信息。这一功能一般由专门的传感器及转换电路完成。4.执行机构执行机构 执行机构的功能是根据控制信息和指令，完成要求的动作。执行机构是运动部件，一般采用机械、电磁、电液等机构。根据机电一体化系统的匹配性要求，执行机构需要考虑改善系统的动、静态性能，如提高刚性、减小重量和保持适当的阻尼，应尽量考虑组件化、标准化和系列化，以提高系统的整体可靠性等。5.控制及信息单元控制及信息单元 控制及信息单元的功能是将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、储存、分析、加工，根据信息处理结果，按照一定的程序
8、和节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的地运行。该单元一般由计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、数控装置以及逻辑电路、A/D与D/A转换、I/O(输入/输出)接口和计算机外部设备等组成。机电一体化系统对控制和信息处理单元的基本要求是提高信息处理速度和可靠性，增强抗干扰能力以及完善系统自诊断功能，实现信息处理智能化。以上这五部分我们通常称为机电一体化的五大组成要素。在机电一体化系统中的这些单元和它们内部各环节之间都遵循接口耦合、运动传递、信息控制、能量转换的原则，我们称它们为四大原则。6.接口耦合与能量转换接口耦合与能量转换 (1)变换。两个需要进行信息交换和传输的环节之间，由于信息的模式不同(
9、数字量与模拟量、串行码与并行码、连续脉冲与序列脉冲等等)，无法直接实现信息或能量的交流，需要通过接口完成信息或能量的统一。(2)放大。在两个信号强度相差悬殊的环节间，经接口放大，达到能量的匹配。(3)耦合。变换和放大后的信号在各环节间能可靠、快速、准确地交换，必须遵循一致的时序、信号格式和逻辑规范。接口具有保证信息的逻辑控制功能，使信息按规定模式进行传递。(4)能量转换。其执行元件包含了执行器和驱动器。该转换涉及到不同类型能量间的最优转换方法与原理。7.信息控制信息控制 在系统中，作为智能组成要素的系统控制单元，在软、硬件的保证下，完成数据采集、分析、判断、决策功能，以达到信息控制的目的。对于
10、智能化程度高的系统，还包含了知识获取、推理及知识自学习等以知识驱动为主的信息控制。8.运动传递运动传递 运动传递是指运动各组成环节之间的不同类型运动的变换与传输，如位移变换、速度变换、加速度变换及直线运动和旋转运动变换等。运动传递还包括以运动控制为目的的运动优化设计，目的是提高系统的伺服性能。1.1.3 机电一体化系统的技术组成机电一体化系统的技术组成 机电一体化系统是多学科技术的综合应用，是技术密集型的系统工程。其技术组成包括机械技术、检测技术、伺服传动技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术和系统总体技术等。现代的机电一体化产品甚至还包含了光、声、化学、生物等技术的应用。1.机械技术机械技
11、术 机械技术是机电一体化的基础。随着高新技术引入机械行业，机械技术面临着挑战和变革。在机电一体化产品中，机械技术不再是单一地完成系统间的连接，而是要优化设计系统的结构、重量、体积、刚性和寿命等参数对机电一体化系统的综合影响。机械技术的着眼点在于如何与机电一体化的技术相适应，利用其他高新技术来更新概念，实现结构上、材料上、性能上以及功能上的变更，以满足减少重量、缩小体积、提高精度、提高刚度、改善性能和增加功能的要求。在制造过程的机电一体化系统中，经典的机械理论与工艺应借助于计算机辅助技术，同时采用人工智能与专家系统等，形成新一代的机械制造技术。这里原有的机械技术以知识和技能的形式存在。计算机辅助
12、工艺规程编制(CAPP)是目前CADCAM系统研究的瓶颈，其关键问题在于如何将各行业、企业、技术人员中的标准、习惯和经验进行表达和陈述，从而实现计算机的自动工艺设计与管理。2.计算机与信息处理技术计算机与信息处理技术 信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策，实现信息处理的工具是计算机，因此计算机技术与信息处理技术是密切相关的。计算机技术包括计算机的软件技术和硬件技术，网络与通信技术，数据技术等。在机电一体化系统中，计算机信息处理部分指挥整个系统的运行。信息处理是否正确、及时，直接影响到系统工作的质量和效率。计算机应用及信息处理技术已成为促进机电一体化技术发展和变革的最活跃的因素。人
13、工智能技术、专家系统技术、神经网络技术等都属于计算机信息处理技术。3.自动控制技术自动控制技术 自动控制技术范围很广，机电一体化的系统设计在基本控制理论指导下，对具体控制装置或控制系统进行设计；对设计后的系统进行仿真和现场调试；最后使研制的系统可靠地投入运行。由于控制对象种类繁多，所以控制技术的内容极其丰富，例如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿、再现、检索等。随着微型机的广泛应用，自动控制技术越来越多地与计算机控制技术联系在一起，成为机电一体化中十分重要的关键技术。4.传感与检测技术传感与检测技术 传感与检测装置是系统的感受器官，它与信息系统的输入端相连并将检测到的信息
14、输送到信息处理部分。传感与检测是实现自动控制、自动调节的关键环节，它的功能越强，系统的自动化程度就越高。传感与检测的关键元件是传感器。传感器是将被测量(包括各种物理量、化学量和生物量等)变换成系统可识别的，与被测量有确定对应关系的有用电信号的一种装置。现代工程技术要求传感器能快速、精确地获取信息，并能经受各种严酷环境的考验。与计算机技术相比，传感器的发展显得缓慢，难以满足技术发展的要求。不少机电一体化装置不能达到满意的效果或无法实现设计的关键原因在于没有合适的传感器。因此大力开展传感器的研究对于机电一体化技术的发展具有十分重要的意义。5.伺服传动技术伺服传动技术 伺服传动包括电动、气动、液压等
15、各种类型的驱动装置，由微型计算机通过接口与这些传动装置相连接，控制它们的运动，带动工作机械作回转、直线以及其他各种复杂的运动。伺服传动技术是直接执行操作的技术，伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置或部件，对系统的动态性能、控制质量和功能具有决定性的影响。常见的伺服驱动有电液马达、脉冲油缸、步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机等。由于变频技术的发展，交流伺服驱动技术取得突破性进展，为机电一体化系统提供了高质量的伺服驱动单元，极大地促进了机电一体化技术的发展。6.系统总体技术系统总体技术系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统的观点和全局角度，将总体分解成相互有机联系的若干单元，找出能完成各个
16、功能的技术方案，再把功能和技术方案组成方案组进行分析、评价和优选的综合应用技术。系统总体技术解决的是系统的性能优化问题和组成要素之间的有机联系问题，即使各个组成要素的性能和可靠性很好，但如果整个系统不能很好协调，系统也很难正常运行。接口技术是系统总体技术的关键环节，主要有电气接口、机械接口、人机接口。电气接口实现系统间的信号联系；机械接口则完成机械与机械部件、机械与电气装置的连接；人机接口提供人与系统间的交互界面。1.1.4 机电一体化技术与其他技术的区别机电一体化技术与其他技术的区别机电一体化技术有着自身的显著特点和技术范畴，为了正确理解和恰当运用机电一体化技术，我们必须认识机电一体化技术与
17、其他技术之间的区别。1.机电一体化技术与传统机电技术的区别机电一体化技术与传统机电技术的区别传统机电技术的操作控制主要通过具有电磁特性的各种电器来实现，如继电器、接触器等，在设计中不考虑或很少考虑彼此间的内在联系；机械本体和电气驱动界限分明，整个装置是刚性的，不涉及软件和计算机控制。机电一体化技术以计算机为控制中心，在设计过程中强调机械部件和电器部件间的相互作用和影响，整个装置在计算机控制下具有一定的智能性。2.机电一体化技术与并行工程的区别机电一体化技术与并行工程的区别机电一体化技术将机械技术、微电子技术、计算机技术、控制技术和检测技术在设计和制造阶段就有机地结合在一起，十分注意机械和其他部
18、件之间的相互作用。而并行工程将上述各种技术尽量在各自范围内齐头并进，只在不同技术内部进行设计制造，最后通过简单叠加完成整体装置。3.机电一体化技术与自动控制技术的区别机电一体化技术与自动控制技术的区别自动控制技术的侧重点是讨论控制原理、控制规律、分析方法和自动系统的构造等。机电一体化技术将自动控制原理及方法作为重要支撑技术，将自控部件作为重要控制部件应用自控原理和方法，对机电一体化装置进行系统分析和性能测算。4.机电一体化技术与计算机应用技术的区别机电一体化技术与计算机应用技术的区别机电一体化技术只是将计算机作为核心部件应用，目的是提高和改善系统性能。计算机在机电一体化系统中的应用仅仅是计算机
19、应用技术中的一部分，它还可以在办公、管理及图像处理等方面得到广泛应用。机电一体化技术研究的是机电一体化系统，而不是计算机应用本身。在机电一体化系统(或产品)的设计过程中，一直要坚持贯彻机电一体化技术的系统思维方法，要从系统整体的角度出发分析和研究各个组成要素间的有机联系，从而确定系统各环节的设计方法，并用自动控制理论的相关手段，进行系统的静态特性和动态特性分析，实现机电一体化系统的优化设计。1.2 机电一体化系统的设计机电一体化系统的设计 1.2.1 机电一体化系统的分类机电一体化系统的分类从控制的角度来讲,机电一体化系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。开环控制的机电一体化系统是没有反馈的控
20、制系统，这种系统的输入直接送给控制器，并通过控制器对受控对象产生控制作用。一些家用电器、简易NC机床和精度要求不高的机电一体化产品都采用开环控制方式。开环控制机电一体化系统的优点是结构简单,成本低,维修方便;缺点是精度较低，对输出和干扰没有诊断能力。闭环控制的机电一体化系统的输出结果经传感器和反馈环节与系统的输入信号比较后产生输出偏差，输出偏差经控制器处理再作用到受控对象，对输出进行补偿，实现更高精度的系统输出。现在的许多制造设备和具有智能的机电一体化产品都选择闭环控制方式，如数控机床、加工中心、机器人、雷达、汽车等。闭环控制的机电一体化系统具有高精度，动态性能好，抗干扰能力强等优点。它的缺点
21、是结构复杂，成本高，维修难度较大。从用途分类，机电一体化系统的种类繁多，如机械制造业机电一体化设备、电子器件及产品生产用自动化设备、军事武器及航空航天设备、家庭智能机电一体化产品、医学诊断及治疗机电一体化产品,以及环境、考古、探险、玩具等领域的机电一体化产品等。1.2.2 机电一体化系统机电一体化系统(产品产品)开发的类型开发的类型机电一体化系统(产品)开发的类型依据该系统与相关产品比较的新颖程度和技术独创性，可分为开发性设计、适应性设计和变参数设计。1.开发性设计开发性设计开发性设计是一种独创性的设计方式，即在没有参考样板的情况下，通过抽象思维和理论分析，依据产品性能和质量要求设计出系统原理
22、和制造工艺。开发性设计属于产品发明专利范畴。最初的电视机和录像机、中国的神5航天飞船等都属于开发性设计。2.适应性设计适应性设计所谓适应性设计，就是在参考同类产品的基础上，在主要原理和设计方案保持不变的情况下，通过技术更新和局部结构调整使产品的性能、质量提高或成本降低的产品开发方式。这一类设计属于实用新型专利范畴，如用电脑控制的洗衣机代替机械控制的半自动洗衣机，用照相机的自动曝光代替手动调整等。3.变参数设计变参数设计所谓变参数设计，就是在设计方案和结构原理不变的情况下，仅改变部分结构尺寸和性能参数，使之适用范围发生变化的设计方式。例如，同一种产品的不同规格型号的相同设计即属此设计。1.2.3
23、 机电一体化系统机电一体化系统(产品产品)设计方案的常用方法设计方案的常用方法在进行机电一体化系统(产品)设计之前，要依据该系统的通用性、可靠性、经济性和防伪性等要求合理地确定系统的设计方案。拟定设计方案的方法通常有取代法、整体设计法和组合法。1.取代法取代法取代法就是用电气控制取代原系统中的机械控制机构。该方法是改造旧产品、开发新产品或对原系统进行技术改造常用的方法，也是改造传统机械产品的常用方法。如用电气调速控制系统取代机械式变速机构，用可编程序控制器取代机械凸轮控制机构及中间继电器等。这不但大大简化了机械结构和电器控制，而且提高了系统的性能和质量。2.整体设计法整体设计法整体设计法主要用
24、于新产品的开发设计。在设计时完全从系统的整体目标出发，考虑各子系统的设计。由于设计过程始终围绕着系统整体性能要求，各环节的设计都兼顾了相关环节的设计特点和要求，因此使系统各环节间接口有机融合、衔接方便，且大大提高了系统的性能指标和制约了仿冒产品生产的难度。该方法的缺点是设计和生产过程的难度较大，周期较长，成本较高，维修和维护难度较大。例如，机床的主轴和电机转子合为一体，直线式伺服电机的定子绕组埋藏在机床导轨之中，带减速装置的电动机和带测速的伺服电机等。3.组合法组合法组合法就是选用各种标准功能模块组合设计成机电一体化系统。例如，设计一台数控机床，可以依据机床的性能要求，通过对不同厂家的计算机控
25、制单元、伺服驱动单元、位移和速度测试单元及主轴、导轨、刀架、传动系统等产品的评估分析，研究各单元间接口关系和各单元对整机性能的影响，通过优化设计确定机床的结构组成。用此方法开发的机电一体化系统(产品)具有设计研制周期短、质量可靠、生产成本低、有利于生产管理和系统的使用维护等优点。1.2.4 机电一体化系统设计机电一体化系统设计所谓的系统设计，就是用系统思维综合运用各有关学科的知识、技术和经验，在系统分析的基础上，通过总体研究和详细设计，实现满足设计目标的产品研发过程。系统设计的基本原则是使设计工作获得最优化效果，在保证目的功能要求与适当使用寿命的前提下不断降低成本。系统设计的过程就是“目标功能
26、结构效果”的多次分析与综合的过程。综合可理解为各种解决问题要素的拼合的模型化过程，这是一种高度的创造行为。分析是综合的反行为，也是提高综合水平的必要手段。分析就是分解与剖析，对综合后的解决方案提出质疑、论证和改革。通过分析，排除不合适的方案或方案中不合适的部分，为改善、提高和评价作准备。综合与分析是相互作用的。当一种基本设想(方案)产生后，接着就要分析它，找出改进方向。这个过程一直持续进行，直到一个方案继续进行或被否定为止。随着工业技术的高度发展和人民生活水平的提高，人们迫切要求大幅度提高机电一体化系统设计工作的质量和速度，因此在机电一体化系统设计中推广和运用现代设计方法，提高设计水平，是机电
27、一体化系统设计发展的必然趋势。现代设计方法与以经验公式、图表和手册为设计依据的传统方法不同，它是以计算机为手段，其设计步骤通常如下：设计预测信号分析科学类比系统分析设计创造设计选择各种具体的现代设计方法(如相似设计法、模拟设计法、有限元法、可靠性设计法、动态分析法、优化设计法、模糊设计法等)机电一体化系统设计质量的综合评价。现代设计方法还在不断发展，它必将为机电一体化系统设计提供更新颖、更广阔的思路与视野。图1-2 机电一体化系统(产品)的工程路线1.2.5 机电一体化系统机电一体化系统(产品产品)的工程路线的工程路线各种机电一体化系统(产品)的研究、开发、生产及销售的过程各自有其自身特点，归
28、纳其基本规律，机电一体化系统(产品)的工程路线如图1-2所示。1.3.1 机电一体化的技术现状机电一体化的技术现状 机电一体化占据主导地位是制造产业发展的必然趋势，而制造产业是整个科学技术和国家经济发展的基础工业，因而机电一体化在当前激烈的国际政治、军事、经济竞争中起着举足轻重的作用，受到各工业国家的极大重视。日本将智能传感器，计算机芯片制造技术，具有视频、触觉和人机对话能力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。1.3 机电一体化的发展趋势机电一体化的发展趋势 西欧高技术发展规划“尤里卡”计划，提出五大关键技术领域、24个重点攻关项目作为欧洲高技术发展战略目标，其
29、中包括研制可自由行动、决策并易于人机对话的欧洲第三代安全民用机器人，广泛合作研究计算机辅助设计、制造、生产、管理的柔性系统，实现工厂全面自动化等机电一体化研究方向。1991年3月，美国国家关键技术委员会在向总统提交的首份双年度报告国家关键技术中，列举了22项对于美国国家经济繁荣和国防安全至为关键的技术，并对各项入选技术的内容范围，选择依据和国际发展趋势进行了评述，着重强调了技术的有效利用。其中包括机器人、传感器、控制技术和CIMS及与CIMS相关的其他工具和技术，如仿真系统、计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工程(CAE)、成组技术(GT)、计算机辅助工艺规程编制(CAPP)、工厂调度工具等
30、。报告指出：在制造业方面，目前的发展趋势是加速产品推广，缩短产品生产周期，增加柔性以及实现设计生产质量控制一体化技术，那些未朝这一方向努力的公司将变得愈加缺乏竞争力。要实现合理的生产经营活动，制造厂家必须在整个生产经营中实施先进的制造技术及管理策略。鉴于资金、技术密集型的高技术发展初期投资大、回收少的特点，多数国家政府给予资金支持和必要的政策优惠。如前西德19841988年的五年计划确定，提供53亿马克用于资助计算机辅助设计和制造的应用，扩大工业机器人、软件操作系统和外围设备的工业基础等先进生产技术的应用。日本政府早在1971年制定的特定的电子工业和特定的机械工业临时措施法中，已把数控机床作为
31、重点扶植对象。1978年颁布的特定的机械信息产业振兴临时措施法又规定：促进高精度、高性能机器人的工业化和实用化，开展特殊环境作业用的机器人研究。为此，19781984年间拨款90亿日元开发数控技术；1983年组织了机器人、计算机、机械等行业10家制造厂参加极限作业环境机器人的开发研制，总投资300亿日元，其中1/2由政府资助。号称“数控王国”的日本，2000年金属切削机床(简称金切机床)的产值数控化率为88.5%，产量数控化率为59.4%。美国1983年制定的“星球大战(SDI)”计划投资1000亿美元以发展高技术，其中也包括发展空间机器人、核能机器人、军事机器人及工业机器人等相关技术。美国国
32、家科学基金会(NST)每年投资100万美元，国家标准局(NBS)每年投资150万美元用于发展相关技术。19851995年间，美国用于研制军用机器人和智能机器人的经费从1.86亿美元增至9.75亿美元。国家规划和支持对美国机器人技术的发展起了很大的推动作用。我国是发展中国家，与发达国家相比工业技术水平存在一定差距，但有广阔的机电一体化应用开拓领域和技术产品潜在市场。改革开放以来，面对国际市场激烈竞争的形势，国家和企业充分认识到机电一体化技术对我国经济发展具有战略意义，因此十分重视机电一体化技术的研究、应用和产业化，在利用机电一体化技术开发新产品和改造传统产业结构及装备方面都有明显进展，取得了较大
33、的社会经济效益。1986年我国开始实施的高技术研究发展计划纲要即“八六三”计划，将自动化技术，重点是CIMS和智能机器人技术等机电一体化前沿技术确定为国家高技术重点研究发展领域。1985年12月，国家科委组织完成了我国机电一体化发展途径与对策的软科学研究，探讨我国机电一体化发展战略，提出了数控机床、工业自动化控制仪表等15个机电一体化优先发展领域和6项共性关键技术的研究方向和课题，提出机电一体化产品的产值比率(即机电一体化产品总产值占当年机械工业总产值的比值)在2000年达到1520的发展目标。我国的数控技术经过“六五”、“七五”、“八五”和“九五”计划这20年的发展，基本上掌握了关键技术，建
34、立了多处数控开发和生产基地，培养了一批数控人才，初步形成了自己的数控产业。“八五”计划攻关开发的成果华中1号、中华1号、航天1号和蓝天1号4种基本系统建立了具有中国自主版权的数控技术平台。1990年，我国数控金切机床产量仅2634台，而到2001年产量和消费量已分别上升至17 521台和28 535台，在19902001年的11年中，数控金切机床产量和消费量的年均增幅分别达到18.8%和25.3%。2000年我国机床的数控化率已达到6%。据预测分析，到2005年我国机床的数控化率为9.5%10.36%，到2010年将达到16.5%19.27%。我国汽车电子化的水平与先进工业国家相比有较大差距。
35、据统计,1988年我国每辆汽车的电子产品费用为300元人民币，平均占整车成本的1.5，而且能改善汽车性能的电子产品极少。我国在20世纪90年代已形成很大的汽车电子化产品市场，如1995年高能触点点火装置的需求量为50万部，电压调节器需150万部，微机控制点火装置需10万部，汽车专用集成电路需3000万块，汽车用各种传感器需200万只，所以在这方面需要进行大量的工作。近年来，我国已研制成功了用于喷漆、焊接、搬运以及能前后行走的、能爬墙、能上下台阶、能在水下作业的多种类型机器人。CIMS研究方面，我国已在清华大学建成国家CIMS工程研究中心(ERC)，在一些著名大学和研究单位建立了7个CIMS单元
36、技术实验室和8个CIMS培训中心，在国家立项实施CIMS的企业已达70余家。1994年清华大学荣获美国制造工程师协会(SME)颁发的CIMS研究“大学领先奖”。1995年北京第一机床厂荣获SME颁发的“工业领先奖”。上述成果的取得使我国在制造业机电一体化的研究和应用方面积累了一定的经验，它必将推动机电一体化技术向更高层次纵深发展。1.3.2 机电一体化的发展趋势机电一体化的发展趋势 随着科技的发展和社会经济的进步，人们对机电一体化技术提出了许多新的和更高的要求，制造业中的机电一体化应用就是典型的事例。毫无疑问，机械制造自动化中的计算机数控、柔性制造、计算机集成制造及机器人等技术的发展代表了机电
37、一体化技术的发展水平。为了提高机电产品的性能和质量，发展高新技术，现在有越来越多的零件要求的制造精度越来越高，形状也越来越复杂，如高精度轴承的滚动体圆度要求小于0.2 m；液浮陀螺球面的球度要求为0.10.5 m；激光打印机的平面反射镜和录像机磁头的平面度要求为0.4m，粗糙度为0.2 m。所有这些，要求数控设备具有高性能、高精度和稳定加工复杂形状零件表面的能力。因而新一代机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。1.机电一体化的高性能化机电一体化的高性能化高性能化一般包含高速化、高精度、高效率和高可靠性。现代数控设备就是以此“四高”为基础，为满足生产急需而诞生的。它
38、采用32位多CPU结构，以多总线连接，以32位数据宽度进行高速数据传递。因而，在相当高的分辨率(0.1 m)情况下，系统仍有高速度(100 mmin)，可控及联动坐标达16轴，并且有丰富的图形功能和自动程序设计功能。为获取高效率，减少辅助时间，就必须在主轴转速进给率、刀具交换、托板交换等各关键部分实现高速化；为提高速度，一般采用实时多任务操作系统，进行并行处理，使运算能力进一步加强，通过设置多重缓冲器，保证连续微小加工段的高速加工。对于复杂轮廓，采用快速插补运算将加工形状用微小线段来逼近是一种通用的方法。在高性能数控系统中，除了具有直线、圆弧、螺旋线插补等一般功能外，还配置有特殊函数插补运算，
39、如样条函数插补等。微位置段命令用样条函数来逼近，保证了位置、速度、加速度都具有良好的性能，并设置专门函数发生器、坐标运算器进行并行插补运算。超高速通信技术、全数字伺服控制技术是高速化的一个重要方面。高速化和高精度是机电一体化的重要指标。高分辨率、高速响应的绝对位置传感器是实现高精度的检测部件。采用这种传感器并通过专用微处理器的细分处理，可达极高的分辨率。采用交流数字伺服驱动系统，其位置、速度及电流环都实现了数字化，实现了几乎不受机械载荷变动影响的高速响应伺服系统和主轴控制装置。与此同时，还出现了所谓高速响应内装式主轴电机，它把电机作为一体装入主轴之中，实现了机电融合一体。这样就使得系统的高速性
40、、高精度性极佳。如法国IBAG公司等的磁浮轴承的高速主轴最高转速可达15104 r/min，一般转速为710325103 r/min；加工中心换刀时间可达1.5 s；切削速度方面，目前硬质合金刀具和超硬材料涂层刀具车削和铣削低碳钢的速度达500 m/min以上，而陶瓷刀具可达8001000 m/min，比高速钢刀具3040 m/min的速度提高数十倍。精车速度甚至可达1400 m/min。前馈控制可使位置跟踪误差消除，同时使系统位置控制达到高速响应。至于系统可靠性方面，一般采用冗余,故障诊断,自动检错,系统自动恢复以及软、硬件可靠性等技术，使得机电一体化产品具有高性能。对于普及经济型以及升级换
41、代提高型的机电一体化产品，因组成它们的命令发生器、控制器、驱动器、执行器以及检测传感器等各个部分都在不断采用高速、高精度、高分辨率、高速响应、高可靠的零部件，所以产品性能在不断提高。2.机电一体化的智能化趋势机电一体化的智能化趋势 人工智能在机电一体化技术中的研究日益得到重视，机器人与数控机床的智能化就是其重要应用。智能机器人通过视觉、触觉和听觉等各类传感器检测工作状态，根据实际变化过程反馈信息并做出判断与决定。数控机床的智能化主要用各类传感器对切削加工前后和加工过程中的各种参数进行监测，并通过计算机系统作出判断，自动对异常现象进行调整与补偿，以保证加工过程的顺利进行，并保证加工出合格产品。目
42、前，国外数控加工中心多具有以下智能化功能：对刀具长度、直径的补偿和刀具破损的监测,切削过程的监测,工件自动检测与补偿等。随着制造自动化程度的提高，信息量与柔性也同样提高，出现了智能制造系统(IMS)控制器来模拟人类专家的智能制造活动。该控制器对制造中的问题进行分析、判断、推理、构思和决策，其目的在于取代或延伸制造工程中人的部分脑力劳动，并对人类专家的制造智能进行收集、存储、完善、共享、继承和发展。机电一体化的智能化趋势包括以下几个方面：(1)诊断过程的智能化。诊断功能的强弱是评价一个系统性能的重要智能指标之一。通过引入人工智能的故障诊断系统，采用各种推理机制，能准确判断故障所在，并具有自动检错
43、、纠错与系统恢复功能，从而大大提高了系统的有效度。(2)人机接口的智能化。智能化的人机接口，可以大大简化操作过程，这里包含多媒体技术在人机接口智能化中的有效应用。(3)自动编程的智能化。操作者只需输入加工工件素材的形状和需加工形状的数据，加工程序就可全部自动生成，这里包含：素材形状和加工形状的图形显示；自动工序的确定；使用刀具、切削条件的自动确定；刀具使用顺序的变更；任意路径的编辑；加工过程干涉校验等。(4)加工过程的智能化。通过智能工艺数据库的建立，系统根据加工条件的变更，自动设定加工参数。同时，将机床制造时的各种误差预先存入系统中，利用反馈补偿技术对静态误差进行补偿。还能对加工过程中的各种
44、动态数据进行采集，并通过专家系统分析进行实时补偿或在线控制。3.机电一体化的系统化发展趋势机电一体化的系统化发展趋势 系统化的表现特征之一是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构。系统可以灵活组态，进行任意剪裁和组合，同时寻求实现多坐标多系列控制功能的NC系统。表现特征之二是机电一体化系统的通信功能的大大加强，一般除RS-232等常用通信方式外，实现远程及多系统通信联网需要的局部网络(LAN)正逐渐被采用，且标准化LAN的制造自动化协议(MAP)已开始进入NC系统，从而可实现异型机异网互联及资源共享。4.机电一体化的轻量化及微型化发展趋势机电一体化的轻量化及微型化发展趋势 一般地，对于
45、机电一体化产品，除了机械主体部分，其他部分均涉及电子技术。随着片式元器件(SMD)的发展，表面组装技术(SMT)正在逐渐取代传统的通孔插装技术(THT)而成为电子组装的重要手段，电子设备正朝着小型化、轻量化、多功能、高可靠方向发展。20世纪80年代以来，SMT发展异常迅速。1993年，电子设备平均60以上采用SMT。同年，世界电子元件片式化率达到45以上。因此，机电一体化中具有智能、动力、运动、感知特征的组成部分将逐渐向轻量化、小型化方向发展。此外，20世纪80年代末期，微型机械电子学及其相应的结构、装置和系统的开发研究取得了综合成果，科学家利用集成电路的微细加工技术，将机构及其驱动器、传感器
46、、控制器及电源集成在一个很小的多晶硅上，使整个装置的尺寸缩小到几个毫米甚至几百微米，因而获得了完备的微型电子机械系统MEMS(Micro Electro Mechanical System)。这表明机电一体化技术已进入微型化的研究领域。科学家预言，这种微型机电一体化系统将在未来的工业、农业、航天、军事、生物医学、航海及家庭服务等各个领域被广泛应用，它的发展将使现行的某些产业或领域发生深刻的技术革命。1-1 试分析机电一体化技术的组成及相互关系。1-2 列举各行业机电一体化产品的应用实例，并分析各产品中相关技术的应用情况。1-3 为什么说机电一体化技术是其他技术发展的基础？举例说明。1-4 试分析机电一体化系统设计与传统的机电产品设计的区别。思思 考考 题题
