什么是光機電一體化技術(shù)及其國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 專業(yè)：機械制造及其自動化 姓名：王路路 學號：s120300298 摘要：隨著科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，機電一體化的概念被我們廣泛地接受和普遍應用并為之發(fā)展。從系統(tǒng)科學的觀點來看，機電一體化產(chǎn)品又可稱之為機電一體化系統(tǒng)，它是集機械元件和電子元件于一體的復合系統(tǒng)。信息技術(shù)驅(qū)使機械系統(tǒng)在不同程度上利用數(shù)據(jù)庫，連洗衣機和其他消費品也用上了數(shù)據(jù)庫驅(qū)動系統(tǒng)。這樣，對機電一體化的系統(tǒng)設計方法的探索、成型和系統(tǒng)集成以及并行工程設計和控制的實施日顯重要?，F(xiàn)在的機電一體化技術(shù)，是將機械技術(shù)、電工電子技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、傳感器技術(shù)、接口技術(shù)、信號變換技術(shù)等多種技術(shù)進行有機地結(jié)合，可以充分發(fā)揮這些技術(shù)的各自的長處和特點，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的最優(yōu)化，并綜合應用到實際中去的綜合技術(shù)。此外，光學也進入了機電一體化，產(chǎn)生了“光機電一體化”的新領(lǐng)域?，F(xiàn)代化的自動生產(chǎn)設備幾乎都是機電一體化的設備。 機電一體化技術(shù)的系統(tǒng)即機械電子學系統(tǒng)主要由機械主體、傳感器、信息處理和執(zhí)行機構(gòu)等部分組成。較高級的系統(tǒng)不但有硬件，而且還有相應的軟件，利用軟件技術(shù)可以實現(xiàn)硬件難以實現(xiàn)的功能，使機械系統(tǒng)增加柔性。典型的機械電子系統(tǒng)有數(shù)控機床、加工中心、工業(yè)機器人等。機械電子學技術(shù)除用于單個機器、設備或一般的生產(chǎn)系統(tǒng)的技術(shù)改造之外，還用于柔性制造系統(tǒng)、計算機集成制造系統(tǒng)、工廠自動化、辦公自動化、家庭自動化等方面。 關(guān)鍵字：光機電一體化；機械；特點；光學；電子；應用；發(fā)展現(xiàn)狀 1、 機電一體化技術(shù)的概念： 光機電一體化技術(shù)是指將光學、機械學、電子學、信息處理和控制及專用軟件等當代各種新技術(shù)進行綜合集成的一種群體技術(shù)。光機電一體化系統(tǒng)主要有五個組成部分:動力、機構(gòu)、執(zhí)行器、計算機和傳感器,組成一個功能完善的柔性自動化系統(tǒng),其中計算機、傳感器和計算機軟件是光機電一體化技術(shù)的重要組成要素。 2、光機電一體化技術(shù)特點： 采用光機電一體化技術(shù)與傳統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)相比，可以簡化結(jié)構(gòu)、提高精度、增強功能、提高穩(wěn)定性和使用壽命，具體分析如下。 2.1 結(jié)構(gòu)簡化，操作方便 光機電一體化技術(shù)改變以往靠機械傳動鏈連接的各個相關(guān)動作部分，改用幾臺電機分別驅(qū)動，或用電力電子器件，或用電子電控裝置進行相關(guān)動作的控制來實現(xiàn)，使得機械結(jié)構(gòu)大大簡化，甚至使有些機械結(jié)構(gòu)“脫胎換骨”，產(chǎn)生了質(zhì)的變化。光機電一體化技術(shù)使得操作人員擺脫了以往必須按規(guī)定操作程序或節(jié)拍頻繁緊張地進行單調(diào)重復操作的工作方式，能夠靈活方便地按需控制和改變生產(chǎn)操作程序。任何一臺光機電一體化裝置或系統(tǒng)各個相關(guān)傳動機構(gòu)的動作及功能協(xié)調(diào)關(guān)系，可由預設的程序一步一步地由電子控制系統(tǒng)指揮，如數(shù)控機床、柔性加工系統(tǒng)（FMS）等。有些光機電一體化裝置，可實現(xiàn)操作全自動化，如工業(yè)機器人、印制電路板數(shù)控高速鉆床等。有些更高級的光機電一體化系統(tǒng)，還可通過被控對象的數(shù)學模型以及根據(jù)任何時刻外界各種參數(shù)的變化情況，隨機自尋最佳工作程序、動作程度和快慢以及協(xié)調(diào)關(guān)系，以實現(xiàn)最優(yōu)化工作及最佳操作，例如微機控制的熱連軋機鋼板測厚自控系統(tǒng)、電梯群控系統(tǒng)，智能機器人等。 2.2 精度提高，功能增強 光機電一體化技術(shù)由于采用了電力電子技術(shù)，反饋控制水平的提高并能進行高速處理，可通過電子自動控制系統(tǒng)精確地按預設量使相應機構(gòu)動作，因各種干擾因素造成的誤差，又可通過自控系統(tǒng)自行診斷、校正、補償去達到靠單純機械方式所不能實現(xiàn)的工作精度。因而光機電一體化產(chǎn)品應用領(lǐng)域?qū)?，適用面廣，易于滿足各種需要。電子技術(shù)的引入，使產(chǎn)品面貌發(fā)生巨大變化，電子裝置能按照人的意圖進行自動控制、自動檢測、信息采集及處理、調(diào)節(jié)、修正、補償、自診斷、自動保護直至自動記錄、顯示，打印工作結(jié)果等等。 2.3 可靠性、穩(wěn)定性和使用壽命大大提高 傳統(tǒng)的機械裝置的運動部分，一般都伴隨著磨損及運動部件配合間隙所引起的動作誤差，而發(fā)出由于可動摩擦、撞擊、振動等引起的噪聲，這顯然影響裝置的壽命、穩(wěn)定性和可靠性。而光機電一體化技術(shù)的應用，可以利用激光加工、激光檢測、激光清洗和激光成型，使裝置的可動部件減少，磨損也大為減少。因此，裝置的壽命提高，故障率降低，從而提高了產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性。有些光機電一體化產(chǎn)品甚至做到不需維修或者具有自診斷功能。 3、光機電一體化技術(shù)的運用： 光機電一體化技術(shù)的運用主要包括在設計中和在加工制造中的運用。 光機電一體化技術(shù)在設計中的運用也就是光機電一體化設計,它要求設計者不僅要熟悉光學系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)、傳感學、信息處理和控制等方面的知識,而且要熟悉計算機的硬件接口和軟件設計方面的知識。 光機電一體化技術(shù)在加工制造中的運用主要包括各種激光加工技術(shù)、先進制造技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)過程控制和精密檢測技術(shù)。 3.1 設計中的運用 對于光機電一體化系統(tǒng)的設計,需注意其從整體到局部的設計原則,應根據(jù)系統(tǒng)功能和設計要求提出系統(tǒng)設計的總?cè)蝿?并進行系統(tǒng)的總體框圖設計;然后,將總體框圖分解成一個個獨立的框圖,可分解為光學系統(tǒng)、機械與執(zhí)行機構(gòu)、光電傳感、信號采集與處理、驅(qū)動與控制、軟件設計、計算機及其接口等分框圖,然后再進一步設計。設計制作完成后,先對光學系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)、計算機及其接口、軟件進行單獨調(diào)試,然后再將它們裝配起來進行光、機、電、計算機聯(lián)調(diào)[5]。 3.2 制造中的運用 1)激光加工技術(shù) (1)金屬表面的激光強化 (a)激光淬火,其特點是淬硬層深度可精確控制,易于實現(xiàn)數(shù)控,可實行自冷淬火,只要光束能照到的部位均可進行處理。在汽車生產(chǎn)中,如鋼套、曲軸、活塞環(huán)和齒輪等經(jīng)激光熱處理后,不必再進行后處理,可直接送到裝配線上安裝; (b激光合金化與熔覆,是將一種或多種合金元素與基材表面快速融凝,從而使基材表層具有預定的高合金特性的技術(shù); (c)激光表面非晶化和微晶化,非晶材料以其異常的電磁、機械和化學性能日益受到普遍關(guān)注,激光非晶化是用激光作用于材料,使材料表面滿足形成非晶的急冷條件。 (2)激光焊接 激光焊接在汽車工業(yè)中已成為標準工藝。激光用于車身面板的焊接可將不同厚度和具有不同表面涂鍍層的金屬板焊在一起,然后再進行沖壓,這樣制成的面板結(jié)構(gòu)能達到最合理的金屬組合。采用激光焊接,可以減少搭接寬度和一些加強部件。激光焊接可由CNC控制,一天可連續(xù)運行24h。激光也解決了異種金屬焊接的難題。激光焊接還可以在焊條和電子束無法到達的三維構(gòu)件內(nèi)部細微區(qū)域中實施。 (3)激光切割 激光切割的主要特點有:(a)割縫窄,節(jié)省材料,還可割盲縫;(b)切割速度快,熱影響區(qū)小,因而熱畸變程度低;(c)割縫邊緣垂直度好,切邊光滑,可直接焊接;(d)可切割各種不同性質(zhì)材料;(e)光束無慣性,可實行高速切割;(f)能實現(xiàn)多工位操作,易于實現(xiàn)自動化;(g)切割噪音小。 在汽車生產(chǎn)中大量使用二維和三維激光束切割機,對普通鋁、不銹鋼等薄板及帶材的切割加工,其切割速度已達10m/min,不僅大幅度縮短了生產(chǎn)準備周期,并且使車間生產(chǎn)實現(xiàn)了柔性化。由于它的加工效率高,比機械加工方式的加工費用減少了50%。 (4)激光清洗技術(shù) 與機械清洗法、濕法化學清洗法、超聲波清洗法相比,激光清洗法技術(shù)作為一項新興的清洗技術(shù),能適應各種表面污物的清洗,對環(huán)境污染極小,也不損傷基體。其特點為:“干式”清洗;清洗污物范圍和適用基材范圍廣;可不損傷基材表面;可實現(xiàn)自動化操作;可長期使用,并且是一種“綠色”清洗工藝。 其他還有激光打孔、刻槽、標記、光化學沉積等加工技術(shù)。 2)先進制造技術(shù) 激光快速成型是利用計算機將復雜的三維物體轉(zhuǎn)化為二維層,然后利用“積分”的思想,將熱塑性塑料粉末或膠粘襯底片材紙張燒結(jié),由點、線構(gòu)造零件的面(層),然后逐層成型。激光快速成型技術(shù)可使新產(chǎn)品及早投放市場,極大地提高了汽車生產(chǎn)企業(yè)對市場的應用能力和產(chǎn)品的競爭能力。 激光金屬塑性成形技術(shù)是一種較新的先進制造技術(shù),它沒有任何的機械接觸就可以生產(chǎn)出金屬板料制品,而不需任何模具。板料成形是由于激光加熱后上、下表面收縮引起的?？捎眠m當?shù)募A持和操作系統(tǒng)來實現(xiàn)。 4、國外機電一體化發(fā)展現(xiàn)狀： 機電一體化的發(fā)展大體可以分為三個階段：第一階段（又稱初級階段）是 20 世紀 60 年代以前，這一時期人們不自覺地利用電子技術(shù)并使之得到比較廣泛的承認；第二階段，機電一體化技術(shù)和產(chǎn)品得到了極大發(fā)展；第三階段，各國均開始極大關(guān)注和支持機電一體化技術(shù)和產(chǎn)品。 1989 年在日本東京召開的第一屆國際先進機電一體化學術(shù)會議，是機電一體化向縱深發(fā)展的標志，各國政府也開始有計劃地推動和發(fā)展機電一體化技術(shù)和產(chǎn)品[6]。目前，日本和美國在機電一體化產(chǎn)品開發(fā)和應用方面處于世界領(lǐng)先地位。美國商務部曾發(fā)表過一份關(guān)于日本機電一體化的研究報告，對日美兩國機電一體化技術(shù)的基礎研究、超前開發(fā)與形成產(chǎn)品等三方面進行了比較，結(jié)論是除機器視覺與軟件外，日本的基礎研究與美國是可以比擬的。當前，兩國都將智能傳感器、計算機芯片制造技術(shù)、具有觸覺和人機對話功能的人工智能工業(yè)機器人、柔性制造系統(tǒng)等列為高技術(shù)領(lǐng)域的重大研究課題，并投入大量資金支持發(fā)展相關(guān)技術(shù)。 20 世紀 90 年代后期，機電一體化進入了深入發(fā)展時期。光學、通信技術(shù)、微細加工技術(shù)等進入了機電一體化，出現(xiàn)了光機電一體化和微機電一體化的新分支。同時對機電一體化系統(tǒng)的建模設計、分析和集成方法以及學科體系和發(fā)展趨勢都進行了深入研究。人工智能技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)及光纖技術(shù)也為機電一體化技術(shù)開辟了廣闊的發(fā)展天地。 機電一體化產(chǎn)品得以迅猛發(fā)展，主要表現(xiàn)在以下四個方面[6]： （1）機電一體化產(chǎn)品幾乎遍及所有制造業(yè)領(lǐng)域。在工業(yè)發(fā)達國家，數(shù)控機床占機床總數(shù)的30%~40%。工業(yè)機器人正向智能化和智能系統(tǒng)的方向發(fā)展，數(shù)量在未來十年將以 25%~30%的速度增長。智能機器人將逐步進入辦公、管理、娛樂、家庭等各個領(lǐng)域。 （2）機電一體化從單機向整個制造業(yè)的集成化過渡。計算機集成制造系統(tǒng)CIMS）是當今世界制造業(yè)發(fā)展的總趨勢，它打破原有部門之間的界線以制造為基干來控制“物流”和“信息流”，實現(xiàn)從經(jīng)營決策、產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)準備、生產(chǎn)實驗到生產(chǎn)經(jīng)營管理的有機結(jié)合。CIMS 的實現(xiàn)是全局動態(tài)的最優(yōu)綜合。 （3）激光技術(shù)進入機電一體化領(lǐng)域。激光技術(shù)與機械、電子技術(shù)的結(jié)合，不僅大大擴展了機電一體化的應用領(lǐng)域，而且使一些行業(yè)出現(xiàn)重大變革，是當今信息業(yè)與制造業(yè)的最佳結(jié)合點。 （4）微細加工技術(shù)與設備發(fā)展迅猛。微電子技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，帶動了大量高新技術(shù)的興起，微細加工技術(shù)和裝備不僅支持了電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，且對微機械的誕生和發(fā)展也起了決定性的作用。 5、 國內(nèi)機電一體化發(fā)展現(xiàn)狀： 我國從 20 世紀 80 年代初開始進行機電一體化的研究和應用，國務院成立了機電一體化領(lǐng)導小組并將其列為“863 計劃”。在制定“九五”規(guī)劃和2010 年發(fā)展綱要時充分考慮了國際上關(guān)于機電一體化技術(shù)的發(fā)展動向和由此可能帶來的影響，許多大專院校、研究機構(gòu)及一些大中型企業(yè)對這一技術(shù)的發(fā)展及應用做了大量的工作。雖然目前國內(nèi)機電一體化技術(shù)與日本、歐美等先進國家相比仍有一定差距[7]，但隨著新技術(shù)革命的迅猛發(fā)展，我國加大了對機電一體化技術(shù)的研究力度，并將其確定為國家高技術(shù)重點研究領(lǐng)域，給予優(yōu)先支持，并取得了一定的成績。 （1）數(shù)控技術(shù)方面 我國的數(shù)控技術(shù)起步于 1958 年，在“九五”末期，國產(chǎn)數(shù)控機床的國內(nèi)市場占有率達到 50%，配置國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)（普及型）也達到了 10%?？v觀我國數(shù)控技術(shù)近 50 年的發(fā)展歷程，特別是經(jīng)過四個五年計劃的攻關(guān)，總體來看取得了很好的成績。目前，國內(nèi)已具有年產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng) 3000 多套、主軸與進給裝置 5000 多套的生產(chǎn)能力。近十年來，普通級數(shù)控機床的加工精度已由 10 μm 提高到 5 μm，精密級加工中心則從 3~5 μm 提高到 1~1.5 μm，并且超精密加工精度已開始進入納米級（0.01 μm）[8] （2）工業(yè)機器人方面 我國在 1986 年將機器人的研究開發(fā)列入國家科技計劃，現(xiàn)已掌握了機器人操作機的設計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)和軟件編程技術(shù)、運動學和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人的關(guān)鍵元器件，并進入實用化階段，開發(fā)出弧焊、點焊、噴漆、裝配、搬運、注塑、沖壓及能前后行走、爬墻、水下作業(yè)的多種機器人[9]。目前，國內(nèi)相關(guān)科研機構(gòu)和企業(yè)已掌握了工業(yè)機器人操作機的優(yōu)化制造技術(shù)，解決了工業(yè)機器人控制、驅(qū)動系統(tǒng)的設計技術(shù)，機器人軟件的設計和編程等關(guān)鍵技術(shù)，還掌握弧焊、點焊及大型機器人自動生產(chǎn)線（工作站）與周邊配套設備的開發(fā)和制備技術(shù)?，F(xiàn)在，我國從事機器人研發(fā)的單位有 200 多家，專門從事機器人產(chǎn)業(yè)開發(fā)的企業(yè)有 50家以上，中國市場上總共擁有近萬臺工業(yè)機器人，其中完全國產(chǎn)的工業(yè)機器人（行業(yè)內(nèi)規(guī)模比較大的前三家工業(yè)機器人企業(yè)）行業(yè)集中度占 30%左右。 （3）計算機集成制造系統(tǒng)方面 我國經(jīng)過多年的理論和技術(shù)準備，CIMS 已經(jīng)有了較快發(fā)展。目前，已在清華大學建成國家 CIMS工程研究中心，在著名高校和研究單位建立了七個CIMS 單元技術(shù)實驗室和八個 CIMS 培訓中心[9]。2000 年，全國已有 20 多個省市、10 多個行業(yè)、200多家不同規(guī)模和類型的企業(yè)通過實施 CIMS 應用示范工程，取得了巨大的經(jīng)濟效益。當前 CIMS 的進一步試點推廣應用已經(jīng)擴展到機械、電子、航空、航天、輕工、紡織、冶金、石油化工等諸多領(lǐng)域，正得到各行各業(yè)越來越多的關(guān)注和投入。 參考文獻： [1]邱士安，胥宏. 機電一體化技術(shù)[M]. 西安：西安電子科技大學出版社，2004. [2]楊明，路琴. 機電一體化的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 農(nóng)機化研究，2006，（8）：38－40. [3]張建民. 國內(nèi)外機電一體化發(fā)展概況[J]. 機電一體化，1996，2（5）：24－26 [4]陳輝 ，王磊. 機電一體化技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]，2008，（7）：1-2 [5]尹余琴. 淺析光機電一體化技術(shù)[J]，2009，（36） [6] 左鐵釧、施定源、陳鎧.激光加工技術(shù)的優(yōu)勢及在工業(yè)生產(chǎn)中的應用.激光雜志,1999(4) [7]楊春光. 我國機電一體化技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J]. 科技促進發(fā)展，2007，3（28）：6－8. [8]王立新. 淺談數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢[J]. 赤峰學院學報（自然科學版），2007，5（23）：119－120. [9]徐方. 工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 機器人技術(shù)與應用，2007，（9）：2－4