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图 1-1 机电一体化系统组成要素间的关系
机电一体化系统的基础是机械机构,机械机构承载能力强,然而对细致且繁杂运动的控制难以达成,与之相反的是电子技术,电子元件承受较大载荷的能力欠佳,却能轻易实现对细微运动以及复杂运动的控制。机电一体化旨在把机械技术和电子技术完美融合,充分施展各自优势,达成互补。机电一体化系统的性能很大程度上由控制单元决定。控制单元关联着计算机及其输入、输出通道,还和所运用的控制技术紧密相关。控制技术得从系统工程视角出发,探讨能让各功能要素形成最佳组合的柔性技术与一体化技术,有机且灵活地运用现有的机械技术、电子技术还有信息技术,运用系统工程方法,让整个系统实现最优化,也就是设计最优化、加工最优化、管理最优化以及运行方式最优化。尤其针对复杂机电系统诸多综合性技术问题,要以系统的、整体的思想去考量。
三、机电一体化技术的发展
大体上,机电一体化技术的发展能够被划分成三个阶段,20世纪60年代以前属于第一阶段,也能够称作萌芽阶段,在这一阶段里,鉴于电子技术的快速发展,人们或是自觉或是不自觉地借助电子技术的初步成果去完善机械产品的性能,20世纪70至80年代属于第二阶段,是蓬勃发展的阶段,在这一阶段中,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,人们自觉且主动地运用新技术的成果创造新的机电一体化产品。自 20 世纪 90 年代后期起始直至如今属于第三阶段,在此阶段机电一体化技术朝着智能化的全新发展阶段迈进前进。源自人工智能技术以及网络技术等相关领域所获取到的极为巨大的进步成果,为机电一体化技术开拓出了宽广辽阔的天地空间,数量众多的智能化机械产品不间断地呈现涌现出来,直至现在目前,模糊控制技术的应用已经变得万分普遍相当广泛。
机电一体化的主要发展趋势具有以下特点。
1.对于大多数复杂机械设备而言,存在着大滞后以及强非线性,所以自动控制的难度比较大,这样的系统常常需要一定的自学习能力、自组织能力和自适应能力,甚至应当具备思维能力与决策能力才能够胜任复杂的工作。智能化是 21 世纪机电一体化技术发展的主要方向。这里所讲的智能化是针对机器行为的描述起步网校,是在控制理论的基础之上,模拟人类智能,从而获得更高的控制目标。
2.鉴于模块化机电一体化产品的种类繁多,且生产厂家数量众多,所以,研制以及开发带有标准机械接口、电气接口还有动力接口的机电一体化产品单元,这是一项极为复杂且相当重要的任务,并且,借助标准单元能够迅速开发出新型产品。
3.20世纪90年代呈现网络化,计算机技术突出成就为网络技术,网络让企业间竞争走向全球化,因网络普及机电工程师报考条件,基于网络的各类远程控制与监视技术蓬勃发展,远程控制终端设备是机电一体化产品,现场总线技术致制造业有根本变化,网络技术应用成机电一体化领域研究热点与前沿课题。
4.微型化,它所指的乃是机电一体化朝着微型化以及微观领域发展的趋向,该趋向起始于20世纪80年代末期,隶属机电一体化崭新的发展方向,其呈现形式为微电子机械系统。微机电一体化产品通常是讲明几何尺寸未曾超出1mm的机电一体化产品,其最小体积在近期将会朝着纳米范畴迈进。微机电一体化产品具备体积小、功耗小、运动灵活的特点,于生物医疗、军事、信息等层面拥有无可比拟的优越性,是当前以及未来的关键技术之一。微机电一体化前行的阻碍在于微机械技术,微机电一体化产品的制造运用精密、超精密加工技术,此技术涵盖光刻技术以及蚀刻技术等。
5.21 世纪的主题词是环境保护,这体现为绿色化,绿色化也是时代趋势,在 21 世纪绿色产品于其设计、制造、使用以及销毁过程里,须符合特殊的环境保护与人类健康要求,此要求是对生态环境无害或者危害极少,并且资源利用率高,此外机电一体化产品的绿色化主要而言乃是使用期不污染生态环境。
6.对于未来的机电一体化而言,它会更着重产品和人的关系,这体现出一种人性化,机电一体化产品最终的使用对象是人,所以赋予机电一体化产品人的智慧、情感以及性格就变得越发重要,尤其是针对家用机器人,其最高境界便是人机一体化。
7.拥有自身所带能源,无需借助外部供电,这便是自带能源化,它意味着机电一体化产品自身携有能源,鉴于许多外部交付能源不便的场合,自带能源有着其独存的益处与优势。
四、机电一体化技术的分类
科学技术发展着,机电一体化产品概念不再于某具体产品范围受局限,向控制系统与被控制系统相结合的产品制造及过程控制的大系统扩展了。当下,世界上普遍觉得机电一体化存在两大分支,也就是生产过程的机电一体化以及机电产品的机电一体化。
机电一体化于生产过程而言,意味着整个工业体系的机电一体化,像机械制造过程的机电一体化,冶金生产的机电一体化,化工生产的机电一体化,纺织工业的机电一体化等等。生产过程的机电一体化依据生产过程的特点,比如说生产设备和生产工艺是否连续,又能够划分成离散制造过程的机电一体化以及连续生产过程的机电一体化。其中前者以机械制造业作为代表,后者以化工生产流程作为代表。产品设计自动化是生产过程机电一体化的一部分,加工自动化也是其一部分,装配自动化同样是,检验自动化亦是包含在内的。另外,生产过程自动化属于其中内容,经营管理自动化也在范畴内。这里面有多个自动化生产线,其高级形式是计算机集成制造系统,也就是Computer Integrated Manufacturing System,用英文表示是CIMS。具体来说,计算机辅助设计是其中一部分,英文是Computer Aided Design,简称CAD。计算机辅助制造也是一部分,英文为Computer Aided Manufacturing,即CAM。计算机辅助工艺过程设计同样涵盖,英文是Computer Aided Process Planning,叫CAPP。CAD/CAM集成系统也包含其中,柔性制造系统也是机电工程师报考条件,英文是Flexible Manufacturing System,记为FMS,还有计算机集成制造系统。
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