毕业设计说明书(机电一体化技术进展)

阳泉职业技术学院（成人教育）毕业设计说明书
毕业生姓名：
专业：
学号：
指导教师：
二〇一五年八月
阳泉职业技术学院（成人教育）
毕业设计评阅书
题目：机电一体化技术进展
专业
姓名
设计时间：2015年8月1日~2015年9月30日
评阅意见：
成绩：
指导教师：（签字）
职务：
20 年月日
阳泉职业技术学院（成人教育）
毕业设计答辩记录卡
专业姓名
答辩内容
记录员：（签名）成绩评定
专业答辩组组长：（签名）
20 年月日
摘要
回顾了机电一体化的发展历史,展望机电一体化技术在21世纪的发展,指出:“精益求精”思想是机电一体化技术产生的精神力量,3C技术的进步是机电一体化技术产生的物质基础;社会的发展需要绿色产品,绿色产品需要机电一体化;智能化机械是机电一体化技术发展的必然结果;机电一体化技术的设计方法应该包括相互关联的7个方面,机械工程师向机电一体化工程师转化是21世纪对人才要求必然趋势。

关键词:机电一体化;3C技术;绿色产品;智能化
Abstract
The history of mechatrcnics is looked back on and its development in the 21st century is looked for-ward to.It is pointed out that the idea of keeping improving constantly is the spirit force of mechatronics,andadvance of 3C technology is itsmaterial base,social developmentneeds“the gr een products”,the green prod-ucts need mechatronics technology,intelligent machine is the result of developing mechatronics,its designprinciple may include 7 ideas,which correlate each other,and it is requirement of the 21st century for themechunical engineer to inverse into the mechatronics engineer.
Key words:mechatronics;3C-technology;green product;intellectualization
目录
第一章概述 (1)
第二章机电一体化技术的历史回顾 (1)
第三章国内外机电一体化发展状况 (3)
一、先进制造技术 (3)
二、自动化仪表与传感器 (4)
三、机器人技术 (4)
第四章机电一体化技术 (5)
一、机电一体化技术的构成 (6)
二、机电一体化技术设计原理 (6)
三、机电一体化的核心技术 (7)
第五章机电一体化产品的创新 (8)
一、造型的创新 (9)
二、功能的创新 (9)
三、结构的创新 (9)
四、材料的创新 (9)
五、传感的创新 (9)
六、控制的创新 (10)
第六章机电一体化的发展方向 (10)
一、智能化 (10)
二、模块化 (10)
三、网络化 (11)
四、人格化 (11)
五、微型化 (11)
六、带源化 (11)
七、绿色化 (12)
第七章如何提高我国机电一体化的水平 (12)
一、加强基础研究 (12)
二、注重人才培养 (12)
三、瞄准技术创新和产品开发 (12)
参考文献: (13)
第一章概述
随着科学技术和人类社会的进步,机电一体化的概念内涵也在发展。

当初的机电一体化是指机械与电子的结合,机电一体化产品也比较简单。

80年代,高性能微处理器的出现立即在机电一体化产品中得到应用,大大提高机电产品的自动化、智能化程度,改善了产品性能。

此外,光电元件在机电产品中得到大量应用。

90年代,计算机网络和通信技术的迅速发展给机电一体化提供了新功能——远程控制和遥控,使机电产品更灵活,更宜人。

此时,机电一体化已不只是机械装置与电子装置的简单组合,而是机械、电子、控制、光学和信息技术和计算机技术的相互交叉和融合。

近年来,微电子机械系统MEMS(Mi-cro-Electro-Mechanical System)作为机电一体化的一个发展方向而得到特别重视和研究。

机电一体化包括机电一体化技术和产品两方面,机电一体化技术是指其技术原理和使机电一体化产品得以实现、使用和发展的技术。

机电一体化产品是包含机械技术、微电子技术、计算机技术、自动控制技术、光学技术以及通讯等各种技术的高科技产品。

第二章机电一体化技术的历史回顾
追溯人类历史发展的长河,有一条绵绵不断的看不见的“思”线,推动着技术的发展和进步。

从杠杆到齿轮,从水轮机到核电站,从风筝到航天飞机,从珠算到电子计算机……追求“精益求精”的思想驱动着人们创造出一个又一个技术奇迹,建造了一个又一个技术丰碑,永无休止,永无极限。

正是“精益求精”的思想创造了机电一体化技术,成为其发展的精神力量。

从技术角度看,20世纪信息技术突飞猛进的发展为机电一体化技术的发展奠定了物质基础。

信息技术主要是指计算机技术、通信技术和控制技术,即所谓的3C(Compute、Control、Communication Techology,简称3C)技术。

信息技术有别于其他技术的一大特别是它具有很强的“粘帖性”和“渗透性”。

没有任何一类技术能像信息技术一样能“粘帖”、“渗透”于机理毫不相关的、属于不同领域的其他技术,例如:机械、生物、化学、医药、考古等,从而“孕育”出一个个崭新的技术领域。

机
电一体化技术就是信息技术“渗透”于机械技术的结果。

实际上,远不止于此。

在“渗透”的过程中,信息技术连带着把许多其他领域的技术也“溶解”了进来,使机电一体化技术的内容十分丰富,几乎到了无处不在,无所不包的地步,对社会、经济的发展产生了惊人的影响。

机电一体化技术的发展历程,大体上可以分为3阶段。

20世纪60年代以前为第一阶段,称其为“萌芽阶段”。

在这一时期,人们自觉或不自觉的利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。

特别是在二次世界大战期间,战争刺激了机械产品与电子技术的结合,出现了许多性能相当优良的军事用途的机电产品。

这些机电结合的军事用途的技术,在战后转为民用,对战后经济的恢复和技术的进步起到了积极的作用。

70年代到80年代为第二阶段。

称其为“蓬勃发展阶段”。

在这一时期,人们自觉地、主动地利用3C技术的巨大成果创造新的机电一体化产品。

在这一阶段,应该特别指出的是,日本在推动机电一体化技术的发展方面起了主导作用。

日本政府于1971年3月颁布了《特定电子工业和特定机械工业振兴临时措施法》,要求企业界“应特别注意促进为机械配备电子计算机和其他电子设备,从而实现控制的自动化和机械产品的其他功能”。

这就是日本政府在机械产品中贯彻“精益求精”思想的檄文。

显然,这里有其商业意图。

但是,日本的企业界为了生存,竭尽全力实施了政府的这一法规。

经过短短的几年的努力,出现了奇迹!这是大家都知识的事实。

因而,“机电一体化”一词由日本人创造也就不足为奇了。

70年代初,日本学者新造了一个英文字:“MECHATRONICS”(=MECHA NICS+ELECTRONICS)。

由于3C技术与微电子技术有着极为密切的关系,因而“MECHATRONICS”基本上反映了多学科融合、交叉的意义,特别是包含了机械学科与信息学科的“渗透”与“粘帖”。

从这个意义上讲,“机电一体化”的内涵又可以说是机械产品信息化。

1996年版的“WEBSTER”大词典已经收录了这个日本造的英文字。

这就意味着不仅“MECHATRON-ICS”这个字得到了世界各国学术界和企业界的认可,而且意味着机电一体化的哲理和思想为世人所接受。

在MECHATRONICS问世之前,曾用过“THE IN-TEGRATION OF MECHANICAL AND ELECTRONICSYSTEMS”,即“机械与电子系统集成”。

这个叫法,中英文都不顺口。

“MECHATRONICS”的中文直译是“机械电子学”,但俗称“机电一体化”,容易上口,更为流行,更合我国人的语言习惯。

80年代末,美国出版了一本书《MECHATRON-ICS:Japan's Newest Threat》惊呼“机电一体化”是日本对美国的最新威胁!基于这种认识,当时的美国总统里根亲自披挂上阵,主持制定了美国的新技术发展策略,对推动美国机电一体化技术的发展发挥了重要作用。

相对日本机电一体化技术着重用于家用电器方面,美国则在大型电站设备、航空航天和制造设备方面独占鳌头。

无独有偶,90年代中期,美国又出版了一本书《CHINA:Next Economic Superpower》言外之意是:日本已经成为一个经济超级大国,构成了对美国的威胁;中国再发展下去,岂不构成对美国的下一个威胁!
这一事实印证了“科学技术是第一生产力”这句名言。

从90年代后期开始为第三阶段,称其为“智能化阶段”,机电一体化技术向智能化新阶段迈进。

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。

大量的智能化机械产品不断涌现。

现在,“模糊控制”技术已经相当普遍,甚至还出现了“混沌”控制的产品。

可以说,机电一体化技术将以智能化为内核进入21世纪。

第三章国内外机电一体化发展状况
一、先进制造技术
先进制造技术是传统制造技术不断吸收机械电子、信息、材料、能源及现代管理技术等技术成果,将其综合应用于制造全过程,实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产,取得理想技术经济效果的制造技术的总称。

70年代,利用自动化装备,采用准时生产制(JIT)提高企业整体效率,实现全面质量管理(TQM),这是先进制造技术的前期。

此时,出现了计算机集成制造系统(CIMS)等概念。

80年代,用户对产品的质量、价格、可靠性和生产时间等要求越来越严,为了在激烈的市场竞争中处于不败之地,企业决策者纷纷改造自己的制造设备,提高产品设计和制造技术,加强组织和质量管理,增强企业的快速应变能力,掀起了制造技术革新的浪潮,相继出现了各种先进制造技术。

如:计算机辅助技术、柔性制造技术、资源规划和企业管理技术、计算机集成制造技术以及先进的制造加工设备。

90年代,以信息流为纽带的制造技术得到广泛重视和迅速发展。

出现了拟实制造(VM)、敏捷制造
(AM)、快速原型制造(RPM)、并行工程(CE)等新技术。

我国70年代开始CAD、CAM技术的研究,主要集中在一些大学,如清华大学、华中理工大学、浙江大学。

目前,已推出一些国产的CAD、CAM软硬件平台和系统,如华中的开目。

我国对CIMS的研究也比较重视,一些高校和研究所都成立了CIMS中心。

二、自动化仪表与传感器
机电一体化技术促使仪器仪表的迅速发展。

微处理器在仪器仪表中的应用使自动化仪表发生了根本性的变革,提高了仪表的智能、精度、可视性、可靠性和可操作性,减小了体积、重量和结构设计的难度,增加了功能和柔性,降低了成本。

出现了各种类型的以微处理器为核心,具有数据采集与处理、储存记忆、自动控制、通讯、显示、打印报表等多功能的自动控制仪表。

变送器已从过去的力平衡机械传感式发展成固态传感式,如电容式、复合半导体压阻式、石英谐振式、扩散硅式。

微处理器使变送器具有误差补偿、自动标定与调零、自动变换量程和故障自诊断等多种功能。

传感器的水平反映了一个国家的科技发达程度,世界各国都非常重视,特别是对一些新颖的先进的高科技传感器的研究,如超导传感器、集成光学传感器、生物传感器、智能传感器、化学场效应晶体管、薄膜传感器、模糊传感器等。

生物传感器具有信息采集、转换、传输等多种功能,能了解生命过程中的各种信息,如用于诊断疾病的DNA传感器以及各种人造器官的生物传感器,有着广阔的应用前程。

智能传感器具有储存、记忆、学习和控制功能。

21世纪,传感器的发展趋势是智能化、微型化、低功耗化、集成化、多功能化、无线化。

三、机器人技术
机器人技术的主要发展方向是智能化、模块化、多机化、家庭化、极限化、微型化。

智能化是指机器人具有人的思维、推理、情感和自主决策等高级智能。

模块化是指利用一些标准的机器人模块(部件)迅速组成具有特定功能或多功能的机器人。

比如,购买标准的机器人机身、手、腿、脑(机器人控制器),通过集成可快速生产出能完成某些作业的机器人。

多机化是指现代生产过程中需要多台机器人协同作业,它比单机器人控制、规划更难更复杂。

家庭化是指随着人类社会的老龄化和年轻人价值观的变化,机器人将越来越多地进入家庭服务行业,家用机器人在普通家庭中蕴藏着巨大的潜在市场。

尽管家用机器人的开发和普及存在许多诸如智能、情感、控制、规划、安全等问题,但可以预料机器人将像计算机一样进入百姓家庭。

极限化是指在一些非常恶劣的环境下进行极限作业的机器人,比如火星探测、深海作业、火山救护等。

极限
作业机器人的需求将越来越大,是机器人的一个发展方向。

微型化是指用微型机械和电子组成的机器人,它们可以进行常规尺寸机器人无法进行的作业,比如微型医用机器人能进入人的血管,诊断心脏血管内部的疾病,并用微型手术刀做手术。

又如利用军用微型机器人进行监视、摄取和收集信息。

微型机器人的研究国内外都非常重视,科学家正在研究类似昆虫的机器人,还在设想研究出像生物细胞样的机器人零件,并由它们组成具有自我“修复”功能的微型机器人
第四章机电一体化技术
工业化社会发展到今天,促使人们认识到:“改造大自然,不破坏大自然;美化大自然,不污染大自然;来自大自然,回归大自然”是人类自身生存必须遵守的法规。

现在就可以展望,21世纪的主题词将是“环境保护”。

因此,“精益求精”思想的“精”将拓展到人类与环境的关系方面。

如果我们把机械产品和制造机械产品的机械装置统称为机械系统,则机电一体化技术的功能可归结成以下6条,即:
1)提高机械系统的性能,完成传统机械系统不能完成的功能;
2)提高机械系统的智能化程度,使人在更舒适的环境中工作;
3)提高机械系统的可回收性;
4)降低机械系统的原材料消耗;
5)降低机械系统的能耗;
6)降低机械系统对环境的污染。

上述6条中至少有4条是和环境保护有关的。

因而,进入21世纪,机电一体化技术的使命是要能提供一种:高性能、高原料利用率、低能耗、低污染、环境舒适和可回收的智能化机械产品。

或者用更SMART和名词来说,提供一种满足可持续发展原理的“绿色产品”。

事实上,“绿色”的本意就是指低能耗、低材耗、低污染、舒适、协调而可再生利用,也就是利用大自然而不破坏大自然的意思。

反过来,我们也可以说,只有充分地利用机电一体化技术,才能生产出人们需要的绿色产品。

总之,人类生存需要绿色产品;人类生存需要制造绿色产品的机电一体化技术。

我们把机电一体化技术放到“人类生存需要”的高度来认识,就不难理解发展机电一体
化的紧迫性,也不难看出机电一体化技术有着无限的发展空间。

一、机电一体化技术的构成
首先,要有一个明确的概念,就是要认识到:机械工业是整个国民经济的装备工业,是基础的基础。

没有“精良”的机械工业,其它工业的“精良”就无从谈起。

因此,“精益求精”地把基础搞好,对国民经济有非常重要的意义。

然后,再来讨论机电一体化技术的构成问题就有了一个共同的思想基础。

对于这个问题,众说不一。

但总起来说,机电一体化技术是信息技术向“机械母体”渗透的结果,即:
机械技术母体+信息技术子体
可以说,二者之关系有似“皮”和“毛”的关系。

没有皮,毛焉何附也?没有毛,皮则裸露,失去保暖功能。

因此,是否可以说机电一体化技术由3部分组成,即:
1)机械部分———是整个产品的母体,包括机架、工作机构、传动和动力装置等,具体实现人们最终需要的各种功能;
2)信息处理部分———包括控制装备和计算机,是处理信息的部分,是产品的“神经”;
3)传感器部分———包括各种传感器,是信息的“转换”部分,是产品的“感官”。

如果把“转换”,也看作是一种“处理”的话,传感器部分也可包括在信息处理部分。

二、机电一体化技术设计原理
从方法学的观点出发,机电一体化技术应遵循以下设计原理:
1)整体最优化原理
机电一体化技术要求从系统的观点出发,综合机械技术和信息技术,实现整体最优化。

其实,“最优化原理”是人类进行科学技术活动的基本思想动力。

“精益求精”是这一思想的生动描述。

人们为达到一定的目标,采用直接或间接的方法求得达到该目标的最佳途径。

这里强调“整体最优化”,正是运筹学思想在机电一体化技术中的体现。

2)智能化原理
这是机电一体化技术与传统机械自动化技术的主要区别之一,也是21世纪机电一体化技术发展的主要方向。

关于“智能”的定义。

目前尚无确切和统一的说法。

但是,它首先是对人类行为
的描述。

“智能”主要概括出人类有以下能力:感知能力;记忆能力;思维能力—包括形成概念的能力、判断能力、推理能力。

我们这里所说的“智能化”。

是对机器行为的描述,是“仿人智能”,或者称之为“人工智能”(artificialintelligence)。

具体地说,智能化就是在控制理论的基础上,吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法,模拟人类智能,以求得到更高的控制目标。

3)仿生原理
如果说智能化是“仿人智能”,那么“仿生”便是对所有生物行为的模仿。

生物世界是亿万年生物进化的结果,是“适者生存”这条自然规律“精雕细刻”的结果,是人类的学习宝库。

现代信息技术和机械技术使这一“模仿”比较容易,成为可能。

4)柔性化原理
也可称之为“软化原理”。

由于使用了微电子技术,可以而且应当尽量用软件功能代替硬件功能。

因为“软化”可以使机械系统近乎完全“贴近”实际工况的需要,极大地提高产品的性能。

例如,加工中心机床、电梯的“加减速无感控制”、汽车发动机的电喷技术、汽车的防抱死装置… ,都广泛地采用了软件控制原理。

5)融合原理
也可称之为“合二为一原理”。

这里指的是产品的各个部分的相互融合。

例如,机械传动部分的轴与电动机的轴的联接,传统方法是用联轴节。

在机电一体化设计中,就可以把电机设计成机械传动的一部分,在一些家电、航空航天和纺织机械等产品中,已经这样设计了,并且取得节材、节能和提高性能的显著效果。

6)可再生原理
可再生原理要求:从开始设计之初,就应当考虑当产品生命结束时,产品残存部分的可分解性和再生利用问题。

在一些国家已经制定了有关产品可回收的法律。

可以预见,在不久的将来,我国也一定会制订要求产品可回收的法律。

7)美学原理
人们的生活本身就追求美好。

用机电一体化技术设计的产品,除了完美的性能之外,还要求设计者从美学的角度出发,使其无论在色彩方面,或是在造型方面都与环境相协调,柔和一体,小巧玲珑、精益求精。

使用这些产品,对人来说还是一种艺术享受。

上述7条原理是互补的,并不是互相排斥的,是精益求精思想在不同侧面的反映。

三、机电一体化的核心技术
机电一体化的核心技术主要包括以下5个方面:
1)机械制造技术
这是机电一体化技术的基础。

它和后面的其他几项技术的关系,已如前面所述,是皮和毛的关系。

我们再次强调这一点,是要说明机械技术在机电一体化技术中的重要作用。

它不是无事可做,而是大有作为。

无论机械设计、机械制造,还是机械工艺,潜力都很大。

2)信息处理技术
主要是计算机,特别是单片机技术。

可以说,在机电一体化技术中“电”代表的技术内涵可以用下面的公式表示;
单片机技术+PLC技术+通信技术
这里应特别注意通信技术在机电一体化技术中的意义。

近年来蓬勃发展的现场总线技术(FIELD-BUS),不仅是一种技术,更重要的是一种思想。

它不仅对过程控制系统有重要意义,在单体装备上的应用也取得很大的成功。

3)传感器技术
包括各种物理量的传感器,特别是“一器多感”技术。

这里要特别指出“光纤传感器”近年来取得了长足的进展,对机电一体化技术有重要影响。

4)自动控制技术
这是近年来最活跃的技术领域。

特别是人工智能控制技术有了很快的发展,对机电一体化技术产生了深远的影响。

5)传动技术
各种传动及传动控制技术,包括:机械传动、液压传动、气压传动、电力传动和磁力传动等。

这些传统的技术在微电子技术的支撑下,各显所长,竞相发展,最终实现人们需要的各种动作和功能。

特别是近年来电力电子技术的巨大进步,大功率晶体管(IGBT、GTO等)的成功运用,为大功率机电一体化产品的运动控制提供了条件。

例如,出现了15 000 kW船舶“舷外推进装置”,部分地代替了传统的低速柴油机直接推进系统。

第五章机电一体化产品的创新
当今的市场是用户的市场,用户至上是企业的宗旨。

只有不断满足用户日益增长
的要求,开发出新产品才能使企业在激烈的市场竞争中立于不败之地。

因此,机电一体化产品的开发要以市场需求为导向,从产品的造型、功能、结构、材料、传感检测、控制等方面进行创新性的研究。

一、造型的创新
产品的外型如同人的面孔一样重要。

用户首先看到的是产品的外观,漂亮美观给人赏心悦目的感觉。

因此,机电一体化产品造型的创新非常重要。

机电一体化产品的造型设计不仅要美观,还要与其功能相适应,要考虑机电之间的耦合和与周边设备的接口,同时要兼顾操作。

机电一体化产品造型的设计可采用基于数据库的检索式计算机辅助造型,机电一体化CAD虚拟原型法、计算机辅助几何造型算法等方法进行。

二、功能的创新
机电一体化产品的功能创新有两种含义,一种是对现有的机电一体化产品进行功能的改进、完善和创新,使其更符合用户的要求。

另一种是根据社会的需求,创新性的研制、开发具有新功能的新机电一体化产品。

前者可以很快的对原有机电一体化产品进行升级或更新换代,几乎没有风险。

花费较小的精力和物力便能获得很大的社会、经济效益,增强企业的竞争能力。

后者需要一定的投资,包括技术和资金,研制开发周期相对前者较长,此外还有一定的风险。

但它是企业的活力和后盾,是企业能持续稳定发展的保证。

企业要生存、要发展,就必须不断研制和开发能满足人们新需求的具有新功能的全新产品。

三、结构的创新
结构的创新是机电一体化产品创新的途径之一。

无论是在进行机电一体化产品的改进还是创新设计中,结构的创新性设计都非常重要,包括机械结构、传动方式、动力配置,以及与周边设备的接口形式等。

四、材料的创新
材料的创新在机电一体化产品的创新中有两个方面,一方面是研制和开发用于机电一体化产品的新材料,如新的金属化合物、金属基复合材料、陶瓷材料、高分子材料、高性能稀土材料、纳米材料、智能材料。

这一方面的研究和开发,虽然属于材料科学领域,但针对一些机电一体化新产品开发来进行这方面的基础研究也未尝不可。

另一方面是,选用重量轻、体积小、强度刚度高、阻尼特性好以及具有某些特殊性能如耐腐蚀、耐磨、耐高温、抗震等新材料。

五、传感的创新。