機電一體化技術 -科學技術

機電一體化技術

機電一體化技術即結合套用機械技術和電子技術于一體。隨著電腦技術迅猛發展和廣泛套用,機電一體化技術獲得前所未有的發展,成為一門綜合電腦與信息技術、自動控製技術感測檢測技術、伺服傳動技術和機械技術等交叉的系統技術,目前正向光機電一體化技術(Opto-mechatronics)(Opto-mechatronics)(Opto-mechatronics)方向發展,套用範圍愈來愈廣泛。

  • 中文名稱
    機電一體化技術
  • 外文名稱
    Mechatronics
  • 提出時間
    20世紀70年代初
  • 專業知名院校
    東南大學

基本定義

機電一體化技術即結合套用機械技術和電子技術于一體。隨著電腦技術的迅猛發展和廣泛套用,機電一體化技術獲得前所未有的發展,成為一門綜合電腦與信息技術、自動控製技術、感測檢測技術、伺服傳動技術和機械技術等交叉的系統技術,目前正向光機電一體化技術(Opto-mechatronics)(Opto-mechatronics)(Opto-mechatronics)方向發展,套用範圍愈來愈廣。

歷史發展

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,當時他們取名為“Mechatronics”,即結合套用機械技術和電子技術于一體。

隨著電腦技術的迅猛發展和廣泛套用,機電一體化技術獲得前所未有的發展,成為一門綜合電腦與信息技術、自動控製技術、感測檢測技術、伺服傳動技術和機械技術等交叉的系統技術,正向光機電一體化技術(Opto-mechatronics)、微機電一體化方向發展,套用範圍愈來愈廣。

學科來源

機電一體化在國外被稱為Mechatronics是日本人在20世紀70年代初提出來的,它是將英文Mechanics的前半部分和Electronics的後半部分結合在一起構成的一個新詞,意思是機械技術和電子技術的有機結合。這一名稱已經得到包括我國在內的世界各國的承認,我國的工程技術人員習慣上把它譯為機電一體化技術,機電一體化技術又稱為機械電子技術,是機械技術、電子技術和信息技術有機結合的產物。機電一體化技術是微電子技術、電腦技術、控製技術、光學技術與機械技術的相互交叉與融合,是諸多高新技術產業和高新技術裝備的基礎。它包括產品和技術兩方面:光機電一體化產品是集光學、機械、微電子、自動控製和通信技術于一體的高科技產品,具有很高功能和附加值;光機電一體化技術是指其技術原理和使光機電一體化產品得以實現,使用和發展的技術。

機電一體化技術機電一體化技術

光機電一體化技術是由光學,光電子學,電子信息和機械製造及其他相關技術交叉與融合構成的綜合性高新技術是諸多高新技術產業和高新技術裝備的基礎。它豐富和拓寬了光機電一體化技術的內涵和外延。

學術概念

機電一體化技術是在以微型電腦為代表的微電子技術、信息技術迅速發展向機械工業領域迅猛滲透並與機械電子技術深度結合的現代工業的基礎上,綜合套用機械技術、微電子技術、信息技術、自動控製技術、感測測試技術、電力電子技術、接口技術及軟體編程技術等群體技術,從系統理論出發根據系統功能目標和最佳化組織結構目標,以智力、動力、結構、運動和感知組成要素為基礎,對各組成要素及其間的信息處理,接口耦合,運動傳遞,物質運動,能量變換進行研究,使得整個系統有機結合與綜合集成,並在系統程式和微電子電路的有序信息流控製下,形成物質的和能量的有規則運動,在高功能、高質量、高精度、高可靠性、低能耗等諸方面實現多種技術功能復合的最佳功能價值系統工程技術。

學科要素

五大組成要素: 一個機電一體化系統中一般由結構組成要素、動力組成要素、運動組成要素、感知組成要素、智慧型組成要素五大組成要素有機結合而成。

機電一體化技術機電一體化技術

機械本體(結構組成要素)是系統的所有功能要素的機械支持結構,一般包括有機身、架構、支撐、聯接等。

動力驅動部分(動力組成要素)依據系統控製要求,為系統提供能量和動力以使系統正常運行。

測試感測部分(感知組成要素)對系統的運行所需要的本身和外部環境的各種參數和狀態進行檢測,並變成可識別的信號,傳輸給信息處理單元,經過分析、處理後產生相應的控製信息。

控製及信息處理部分(智慧型組成要素)將來之測試感測部分的信息及外部直接輸入的指令進行集中、存儲、分析、加工處理後,按照信息處理結果和規定的程式與節奏發出相應的指令,控製整個系統有目的的運行。

執行機構(運動組成要素)根據控製及信息處理部分發出的指令,完成規定的動作和功能。

學科原則

機電一體化四大原則:構成機電一體化系統的五大組成要素其內部及相互之間都必須遵循結構耦合、運動傳遞、信息控製與能量轉換四大原則。

兩個需要進行信息交換和傳遞的環節之間,由于信息模式不同(數位量與模擬量,串列碼與並行碼,連續脈沖與序列脈沖等)無法直接傳遞和交換,必須通過接口耦合來實現。而兩個信號強弱相差懸殊的環節之間,也必須通過接口耦合後,才能匹配。變換放大後的信號要在兩個環節之間可靠、快速、準確的交換、傳遞,必須遵循一致的時序、信號格式和邏輯規範才行,因此接口耦合時就必須具有保證信息的邏輯控製功能,使信息按規定的模式進行交換與傳遞。

運動傳遞使構成機電一體化系統各組成要素之間,不同類型運動的變換與傳輸以及以運動控製為目的的最佳化。

在系統中,所謂智慧型組成要素的系統控製單元,在軟、硬體的保證下,完成信息的採集、傳輸、儲存、分析、運算、判斷、決策,以達到信息控製的目的。對于智慧型化程度高的信息控製系統還包含了知識獲得、推理機製以及自學習功能等知識驅動功能。

兩個需要進行傳輸和交換的環節之間,由于模式不同而無法直接進行能量的轉換和交流,必須進行能量的轉換,能量的轉換包括執行器,驅動器和他們的不同類型能量的最優轉換方法及原理。

發展階段

模型階段

模型階段,所有的系統組件都能夠被最最佳化

在仿真計算的幫助下,可以測試和分析這些組件的適用性;監測回響頻率

對模型進行分析。此外,還能夠生成一個物理/拓撲系統模型,包括機械、液壓和控製導向組件。有必要有一個模型工具,這個工具支持機電一體化系統的物理模型,即當有實物和節點時,這些模型能夠以1:1來測試,並且原型設計研究階段可以在嚴酷的即時條件下進行。

測試階段

在系統運行完模型階段之後,所產生的具體的性能資料可以通過試驗台驗證。這樣就可以測試和檢驗該系統有關參數波動的魯棒性,功率儲備及連續運行的特征。這樣做的話,使用者可以進行測試或者使用CAMeL-ViewTestRig進行硬體在回路(的測試)。要進行硬體在回路測試,相關裝置的物理特徵需要詳細確認,這些裝置必須是建立在測試平台的基礎之上。識別經過測試平台上測試過的組件,容許這些組件在模型中被識別,並確保整個以系統為基礎的仿真分析布局。

原型階段

成功的測試之後,就會建立一個原型。這裏要特別關註的是模型特徵,這些特徵特指通過特別費力的仿真所決定的特徵,比如組件損耗(性能)。這些資料結果,為模型基礎性分析提供服務,同時為進一步研發提供知識基礎。

學科內容

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,利用其它高、新技術來更新概念,實現結構上、材料上、性能上的變更,滿足減小重量、縮小體積、提高精度、提高剛度及改善性能的要求。在機電一體化系統製造過程中,經典的機械理論與工藝應借助于電腦輔助技術,同時採用人工智慧與專家系統等,形成新一代的機械製造技術。

電腦類

電腦與信息技術

其中信息交換、存取、運算、判斷與決策、人工智慧技術、專家系統技術、神經網路技術均屬于電腦信息處理技術。

系統技術

系統技術即以整體的概念組織套用各種相關技術,從全局角度和系統目標出發,將整體分解成相互關聯的若幹功能單元,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線的保證。

自動控製技術

其範圍很廣,在控製理論指導下,進行系統設計,設計後的系統仿真,現場調試,控製技術包括如高精度定位控製、速度控製、自適應控製、自診斷校正、補償、再現、檢索等。

感測檢測技術

感測檢測技術是系統的感受器官,是實現自動控製、自動調節的關鍵環節。其功能越強,系統的自動化程式就越高。現代工程要求感測器能快速、精確地獲取信息並能經受嚴酷環境的考驗,它是機電一體化系統達到高水準的保護。

伺服傳動技術

包括電動、氣動、液壓等各種類型的傳動裝置,伺服系統是實現電信號到機械動作的轉換裝置與部件、對系統的動態性能、控製質量和功能有決定性的影響。

套用領域

數控機床

1、匯流排式、模組化、緊湊型的結構,即採用多CPU、多主匯流排的體系結構。

2、開放性設計,即硬體體系結構和功能模組具有層次性、兼容性、符合接口標準,能最大限度地提高使用者的使用效益。

3、智慧型化設計。系統能提供面向車間的編程技術和實現二、三維加工過程的動態仿真,並引入線上診斷、模糊控製等智慧型機製。

4、能實現多過程、多通道控製,即具有一台機床同時完成多個獨立加工任務或控製多台和多種機床的能力,並將刀具破損檢測、物料搬運、機械手等控製都集成到系統中去。

5、以單板、單片機作為控製機,加上專用晶片及模板組成結構緊湊的數控裝置。

製造系統

電腦集成製造系統。電腦集成製造系統打破原有部門之間的界線,以製造為基幹來控製“物流”和“信息流”,實現從經營決策、產品開發、生產準備、生產實驗到生產經營管理的有機結合。企業集成度的提高可以使各種生產要素之間的配置得到更好的最佳化,各種生產要素的潛力可以得到更大的發揮。

智慧型製造系統

柔性製造系統。柔性製造系統是電腦化的製造系統,主要由電腦、數控機床、機器人、料盤、自動搬運小車和自動化倉庫等組成。特別適于多品種、中小批量、設計變更頻繁的離散零件的批量生產。

工業機器人

被廣泛套用的為第3代機器人即智慧型機器人,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代電腦關系密切。

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