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      機電一體化的基本概念

      2014-03-21 13:38 作者:admin 來源:未知 瀏覽: 字號:

      摘要:1機電一體化概念 1.1機電一體化的基本概念 機電一體化技術是機械技術、電子技術和信息技 術有機結合的產物,又稱機械電子技術。目前,被廣 泛接受的機電一體化的定義是:機電一體化是 在機械的主功能、動力功能、信息功能和控制功能上 引進微電子技術,并將機

      1機電一體化概念
      1.1機電一體化的基本概念
          機電一體化技術是機械技術、電子技術和信息技
      術有機結合的產物,又稱機械電子技術。目前,被廣
      泛接受的“機電一體化”的定義是:“機電一體化是
      在機械的主功能、動力功能、信息功能和控制功能上
      引進微電子技術,并將機械裝置與電子裝置用相關軟
      件有機結合而構成系統的總稱”。
          隨著科學技術的發展,電子技術得到了蓬勃發
      展,從分立電子元件到集成電路(IC),從集成電路
      到大規模集成電路(LSI)和超大規模集成電路
      (VLSI ),特別是微型計算機的出現,使電子技術與
      信息技術相結合并向其他學科滲透,對推動其他學科
      的發展起到了不可忽視的作用。信息技術(3C技術)
      的主體包括計算機技術、控制技術和通信技術。在機
      械領域中,電子技術與計算機技術同機械技術相互交
      叉、相互滲透,使古老的機械技術煥發了青春。在原
      有機械基礎上,引入電子計算機高性能的控制機能,
      并實現整體最優化,就使原來的機械產品產生了質的
      飛躍,變成功能更強、性能更好的新一代的機械產品
      或系統,這正是機電一體化的意義所在。
      1.2機電一體化技術的發展
          由于機電一體化技術涵蓋了機械技術和電子技
      術,因此,機電一體化技術的發展既包括了其自身的
      發展情況,又包括與其關系密切的電子技術發展。
          (1)微電子器件的發展
          集成電路是機電一體化的基礎,近年來集成電路
      的集成度越來越高,目前單片集成已達1.4億個元器
      件以上,能夠用0.1 - O.25um。工藝制成1000MB的動
      態存儲器(Dynamic RAM, DRAM)。
          在機電一體化產品中大量采用專用集成電路
      (Application Specific Integrated Circuit, ASIC ),特別
      是可編程邏輯器件和現場可編程門陣列(Gate Array)
      應用廣泛。門陣列是指一種預先在芯片上整齊地生成
      由“與非”門或者“或非”門等基本單元組成的基
      陣列,然后隨時根據用戶的需要在各基本單元之間進
      行布線,以實現具有邏輯處理功能的集成電路。據國
      外報導,美國LSI邏輯公司采用 0.55m工藝已完成
      150萬門陣列的設計。VLSI技術公司聲稱可以用單元
      設計制成200萬門陣列。日本東芝公司提出用
      0.35um工藝可以制成500萬門陣列,VLSI公司和日
      立公司則宣布已能設計出500萬門陣列的實用芯片,
      引出腳可達1280個。
          (2)微控制器的發展
          機電產品的機電一體化的核心是微控制器的設
      計。近年來,以單片機應用系統為代表的微控制器發
      展特別迅速,應用也越來越廣泛。
          自從1974年12月美國仙童公司第一個推出單片
      機F8以后,單片機的發展速度十分驚人,從4位機、
      8位機發展到16位機、32位機,集成度越來越高,
      功能越來越強,應用范圍越來越廣。目前,世界上單
      片機的年銷售量已達數億片以上。近年來,為了不斷
      提高單片機的技術性能以滿足不同用戶的要求,各公
      司競相推出能滿足不同需要的產品:
          1)采用雙CPU結構以提高處理能力。如Rock-
      well公司的R6500/21和R65 C29單片機采用了雙CPU
      結構,其中每一個CPU都是增強型的6502.
          2)增加數據總線的寬度。例如,NEC公司的
      5PD-7800系列單片機將作成一個16位運算部件,內
      部采用16位數據總線,使其處理能力明顯優于一般
      8位機。
          3)采用串行總線結構。如飛利浦公司開發的
      IZC (Intel-ICBUS)總線和DDB (Digital Data BUS)
      總線。它們都采用三條數據總線代替現行的8位數據
      總線,從而大大減少了單片機引線,降低了成本。
          4)采用流水線結構。指令以隊列形式出現在
      CPU中,從而有很高的運算速度。如Sharp公司的單
      片機SM-812。有的單片機甚至采用了多流水線結構,
      因而具有極高的運算速度。這類單片機的運算速度要
      比標準的單片機高出10倍以上,特別適合作數字信
      號處理用。
          5)雙單片機結構。如Intel公司的RUPI-44系列
      單片機8044/8744/8344。它是一個雙單片機結構,其
      中一個為8051/8751,另一個用以構成SDLC/HDLC
      串行接口部件(SIU )。片內程序存儲器中裝有加電
      診斷、任務管理、數據傳送和對用戶透明的并行、申
      行通訊服務程序。
          (3)先進制造技術
          先進制造技術(Advanced Manufacturing Technolo-
      gy, AMT)是當代制造技術的最新發展階段,是機電
      一體化技術的重要組成部分。它是傳統制造技術與信
      息技術、綜合自動化技術和現代企業管理技術有機結
      合而產生的高技術群。
          先進制造技術的核心和前沿是制造系統集成技
      術,制造系統集成技術正在由企業內部信息的集成
      (計算機集成制造系統,CIMS)逐步走向產品開發過
      程的集成(并行工程,CE)和企業間的集成(敏捷
      制造,AM).
          計算機集成制造系統(Computer Integrated Manu-
      facturing System, CIMS)就是在自動化技術、信息技
      術及制造技術的基礎上,通過計算機網絡及數據庫,
      將制造工廠全部生產活動所需的各種分徽的自動化系
      統有機地集成起來,完成從采購原材料到告出產品的
      一系列生產過程的高效益、高柔性的制造系統。在功
      能上,CIMS包含了一個工廠的全部生產經營活動,
      即從市場預測、產品設計、加工制造、經營管理到售
      后服務的全部活動。
          20世紀60年代末期,在集成化CAD/CAM的基礎
      上,國外有關專家提出了計算機集成制造系統的概念。
      接著,在20世紀70年代,美國、日本、德國、英國、
      法國等一些發達國家對CIMS的關鍵技術進行了比較全
      面的研究,從20世紀80年代開始逐步建成了一批采用
      CIMS技術的自動化工廠。近年來我國的有關專家也
      對CIMS技術進行了深人的研究,建立了像成都飛機
      制造公司、沈陽鼓風機廠這樣一批CIMS工程的示范
      企業,為我國跟蹤世界科技前沿作出了貢獻。
          (4)微機械加工與微機械的發展
          隨著機電一體化產品向小型化和徽型化的發展,
      微機械加工與微機械(又稱微納米技術)已成為機
      電一體化的一個新的重要的發展方向。
          近年來,通過容積硅微加工、金屬電鍍、立體電
      沉積、電火花線切剖、激光加工等徽機械加工技術,
      已經能夠加工包括微型機器人在內的各種微型機械。
      如美國加州大學研制成功¢60mm的靜電電動機;日
      本精工EPSON公司研制出光誘導自行走機器人,有
      97個零件,外形尺寸小于lcm3,移動速度1.4 --
      11.3mm/s,爬坡能力30°重1.5g。我國長春光學精
      密機械與物理研究所也已研制出¢3mm的微電機,上
      海交通大學曾研制出¢2mm的微電機。微機械在微細
      外科手術以及工業領域具有廣泛的應用前景。
          (5)虛擬現實
          虛擬現實(Virtual Reality, VR )是一種高級的
      人機交互系統,它采用高性能的計算機和先進的電子
      技術產生遇真的視、聽、觸、力環境,給人以身臨其
      境的感受。
          該系統采用計算機圖形仿真技術或立體攝像技術
      產生虛擬景物,用三維位置傳感器跟蹤人體的運動,
      用數據手套感知虛擬物體的幾何、物理性質,并對它
      們進行操作,用立體聲發聲器產生虛擬的聲音,用立
      體顯示形成一種真三維的景象。
          以數據手套為例,最初的數據手套只是一種手運
      動跟蹤器。它們把手指的運動變化和手在3D中的位
      置傳給計算機。為了提高手套的性能,實現觸覺和力
      反饋,美國Advanced Robotics Research Ltd和Airnu-
      acl a Ltd設計了如圖25.1-1所示的氣動觸/力覺反饋
      裝置,在適當的位置上安裝有可以充放氣的氣囊,小
      氣囊用于產生觸覺,大氣囊用于產生力覺。它將光
      纖、發光二極管、光傳感器組合起來,光纖的光強就
      隨手指彎曲程度而變化,由此即可測出手的姿態。為
      了提供力位反饋,Burdea開發了一個可移動的“主
      手”,如圖25.1-2所示。它由四個直接驅動的微型氣
      缸組成,安裝在位于手套掌心一個L型小平面上,每
      個氣缸有一錐形工作區間,總重量為40一60g。數據
      手套可用于控制遠處機器人進行靈巧操作或在虛擬人
      體上進行手術訓練。
      數據手套
          虛擬現實技術是機械電子技術中的又一新技術,
      在醫學、科研、軍事、航空航天和機器人等方面都有
      重要應用,被看作是綜合國力的象征之一。

      1.3機電一體化系統的構成
           機電一體化系統通常由五大要素構成,即動力
      源、傳感器、機械結構、執行元件和電子計算機。因
      此,機電一體化系統是由若干具有特定功能的機械與
      信息系統組成的有機整體,具有滿足一定使用要求的
      功能。根據不同的使用目的,要求系統能對輸入的物
      質、能量和信息(即工業三大要素)進行某種處理,
      輸出所需要的物質、能量和信息。同時,機電一體化
      系統的性能在很大程度上決定于控制系統的好壞?
      制系統不僅與計算機及其輸人輸出通道有關,更與所
      采用的控制技術密切相關。
          對于一個機電一體化產品或設備,應以系統的整
      體的思想來考慮機電系統許多綜合性的技術間題。例
      如一臺多關節機器人,就存在著各運動部件之間的力
      藕合;各運動軸伺服系統的干擾和相互影響;系統動
      力學與控制規律和運動精度之間的關系;機器人與外
      圍設備的連接;機器人各部分之間的協調運動和機器
      人防護安全連鎖的間題。這些間題即構成了機器人的
      系統技術問題,必須通過系統工程和系統設計的理論
      來解決。其中,系統工程是為使系統達到最佳狀態而
      對系統的組成部件、組織結構、信息傳遞、控制機構
      等進行分析、設計和優化的技術。而系統設計的第一
      個特點是具有綜合性,這需要把系統內部和外部綜合
      起來考慮。要設計一個復雜的系統,首先就要把系統
      分解成許多分系統,建立各個分系統的數學模型,最
      后再進行最優設計。系統設計的另一個重要特征是系
      統的均衡設計,均衡設計就是要恰當地選擇元件,以
      構成性能優異的系統。如果設計者只注重元件設計而
      忽視優化組合過程,那么即使是經過精心篩選的元件
      也可能組成性能低劣的系統。
          需要注意的是,機電一體化系統是通過信息技術
      將機械技術與電子技術融為一體構成的最佳系統,而
      不是機械技術與電子技術的簡單亞加,因此,必須有
      機地、靈活地運用現有機械技術、電子技術和信息技
      術,采用系統工程的方法,使整個系統達到最優化,
      即設計最優化、加工最優化、管理最優化和運行方式
      最優化,使各功能要素能夠構成最佳組合。
      1.4機電一體化的意義
          機電一體化技術可以用來設計新型的機電一體化
      產品,改造舊的機電產品,使機電產品的面貌大大改
      觀,從而達到功能增強、體積減小、重童減輕、可靠
      性提高、性能價格比大大改善的目的。實施機電一體
      化通?梢垣@得表25.1-1所示一些效果。
      表25.1-1實施機電一體化可獲得的效果
      實施機電一體化可獲得的效果表
       

      (責任編輯:laugh521521)
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