机电一体化技术在我国发展应用.docx

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机电一体化技术在我国发展应用

专科毕业论文

题目：

机电一体化技术在我国的发展应用

学生姓名 

学号20130429 

指导教师张进年

院系西北大学继续教育学院

专业机电一体化

年级 

诚信声明

本人郑重声明：

本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。

毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。

除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或在网上发表的论文。

特此声明。

论文作者签名：

杨健

日期：

2015年10月12日

摘要…………………………………………………………………………………I

目录…………………………………………………………………………………II

1绪论………………………………………………………………………1

1.1现实背景和理论背景…………………………………………………………1

1.1.1现实背景…………………………………………………………………1

1.2研究的目的和意义…………………………………………………………1

2机电一体化概述…………………………………………………………2

2.1机电一体化的基本概念………………………………………………………2

2.2机电一体化产品的优越性……………………………………………………3

2.3机电一体化产品的分类 ………………………………………………………4

3机电一体化技术在我国的应用与发展……………………………………5

3.1国内外机电一体化技术发展状况：

……………………………………………5

3.1.1国外机电一体化发展现状…………………………………………………5

3.1.2国内机电一体化发展现状……………………………………………7

3.2机电一体化技术在我国的应用………………………………………………8

3.2.1在现代机械制造业中的应用………………………………………………8

3.2.2在饮料行业中的应用……………………………………………………9

3.2.3在钢铁企业中的应用………………………………………………………9

3.2.4在煤矿中的应用…………………………………………………………10

3.3我国机电一体化技术发展存在的一些问题及解决对策……………………12

3.3.1缺乏核心技术是我国机电一体化产品出口的软肋………………………12

3.3.2技术壁垒是我国机电一体化产品出口的新拦路虎………………………13

3.4机电一体化技术的发展趋势………………………………………………15

总结………………………………………………………………………………18

参考文献……………………………………………………………………………19

致谢………………………………………………………………………………20

摘要

随着科学技术日益走向整体化、交叉化和数字化以及微电子技术信息技术的迅速发展，机电一体化技术的应用也越来越广泛。

本文简述了机电一体化技术在我国的应用发展、存在的问题和发展趋势。

关键词：

机电一体化技术；应用；现状问题；发展趋势

1绪论

1.1现实背景和理论背景

1.1.1现实背景

随着科学技术日益走向整体化、交叉化和数字化以及微电子技术信息技术的迅速发展，机电一体化技术的应用也越来越广泛。

经过30多年的努力，我国机电一体化技术得到了快速的发展和广泛的应用，取得了举世瞩目的成绩，特别是我国对数控技术、计算机集成制造系统、工业机器人等方面的推广应用，使我国的机电一体化产品生产急剧增加，并且机电一体化产品出口保快速稳定的增长，但存在的问题却不容忽视。

自行开发能力较差，相对有较高技术水平的产品主要靠引进图纸、合资生产或进口件组装。

1.2研究目的和意义

我国机电一体化技术存在的部分问题，以及我国机电一体化设备与国外的技术差距,提出了我国机电一体化设备今后的发展对策和建议,并对当前科技型企业产品的进一步开发提供了思路。

指出机电一体化设备的发展趋势是智能化、

绿色化、模块化、网络化、仿生物系统化。

2机电一体化概述

2.1机电一体化的基本概念

机电一体化是随着生产和技术的发展，在以机械、电子技术为主的多门技术学科相互渗透、相互结合过程中逐步形成和发展起来的一门新兴边缘技术的学科。

机电一体化的英文名称是Mechatronics，是由日本人通过截取英文机械学（Mechanics）的词头和电子学（Electronnics）的词尾组合在一起而创造出来的一个新的英文名词。

机电一体化是一种崭新的学术思想，它除了强调机与电的有机结合，还具有更深刻、更广泛的涵义。

按照机电一体化思想，凡是由各种现代高新技术与机械和电子技术相互结合而形成的各种技术、产品（或系统）都属于机电一体化范畴。

因此目前人们谈论的机电液压一体化、机电光学一体化、机电仪器一体化以及机电信息一体化等，实质上都可归纳为机电一体化。

  机电一体化是一个综合的概念，包含了技术和产品两方面内容。

它首先是指机电一体化技术，其次是指机电一体化产品。

机电一体化技术是指包括技术基础、技术原理在内的、使机电一体化产品得以实现、使用和发展的技术。

机电一体化产品是指采用机电一体化技术，在机械产品基础上创造出来的新一代机电产品。

机电一体化技术是建立在机械技术、微电子技术、计算机和信息处理技术、自动控制技术、传感与测试技术、电力电子技术、伺服驱动技术、系统总线技术等现代高新技术群体基础之上的一种高新技术。

机电一体化的突出特点在于它在机械产品中注入了过去所没有的新技术，把电子器件的信息处理和自动控制等功能“柔和”到机械装置中去，从而获得了过去单靠某一种技术而无法实现的功能和效果。

机电一体化技术的重要实质是应用系统工程的观点和方法来分析和研究机电一体化产品或系统。

综合运用各种现代高新技术进行产品的设计与开发，通过各种技术的有机结合，实现产品内部各组成部分的合理匹配和外部的整体效能最佳。

2.2 机电一体化产品的优越性  

1.使用安全性和可靠性提高。

机电一体化产品一般都具有自动监视、报警、自动诊断、自动保护等功能。

在工作过程中，遇到过载、过压、过流、短路等电力故障时，能自动采取保护措施，避免和减少人身和设备事故，显著提高设备的使用安全性。

2.生产能力和工作质量提高。

机电一体化产品大都具有信息自动处理和自动控制功能，其控制和检测的灵敏度、精度以及范围都有很大程度的提高，通过自动控制系统可精确地保证机械的执行机构按照设计的要求完成预定的动作，使之不受机械操作者主观因素的影响，从而实现最佳操作，保证最佳的工作质量和产品的合格率。

同时，由于机电一体化产品实现了工作的自动化，使得生产能力大大提高。

例如，数控机床对工件的加工稳定性大大提高，生产效率比普通机床提高5 ～6 倍。

3．使用性能改善。

机电一体化产品普遍采用程序控制和数字显示，操作按钮和手柄数量显著减少，使得操作大大简化并且方便、简单。

机电一体化产品的工作过程根据预设的程序逐步由电子控制系统指挥实现，系统可重复实现全部动作。

高级的机电一体化产品可通过被控对象的数学模型以及外界参数的变化随机自寻最佳工作程序，实现自动最优化操作。

4. 具有复合功能并且适用面广。

机电一体化产品跳出了机电产品的单技术和单功能限制，具有复合技术和复合功能，使产品的功能水平和自动化程度大大提高。

机电一体化产品一般具有自动化控制、自动补偿、自动校验、自动调节、自动保护和智能化等多种功能，能应用于不同的场合和不同领域，满足用户需求的应变能力较强。

例如，电子式空气断路器具有保护特性可调、选择性脱扣、正常通过电流与脱扣时电流的测量、显示和故障自动诊断等功能，使其应用范围大为扩大。

5.机电一体化产品在安装调试时，可通过改变控制程序来实现工作方式的改变，以适应不同用户对象的需要以及现场参数变化的需要。

这些控制程序可通过多种手段输入到机电一体化产品的控制系统中，而不需要改变产品中的任何部件或零件。

对于具有存储功能的机电一体化产品， 可以事先存入若干套不同的执行程序，然后根据不同的工作对象，只需给定一个代码信号输入，即可按指定的预定程序进行自动工作。

机电一体化产品的自动化检验和自动监视功能可对工作过程中出现的故障自动采取措施，使工作恢复正常。

2.3 机电一体化产品的分类 

机电一体化技术和产品的应用范围非常广泛，涉及到工业生产过程的所有领域，因此，机电一体化产品的种类很多，而且还在不断地增加。

按照机电一体化产品的功能，可以将其分成下述几类。

1. 数控机械类。

主要产品包括数控机床、机器人、发动机控制系统以及全自动洗衣机等。

这类产品的特点是执行机构为机械装置。

2. 电子设备类。

主要产品包括电火花加工机床、线切割机、超声波加工机以及激光测量仪等。

这类产品的特点是执行机构为电子装置。

3.机电结合类。

品包括自动探伤机、形状自动识别装置、CT 扫描诊断机以及自动售货机等。

这类产品的特点是执行机构为电子装置和机械装置的有机结合。

4.电液伺服类。

主要产品为机电液一体化的伺服装置， 如电子伺服万能材料试验机。

这类产品的特点是执行机构为液压驱动的机械装置，控制机构是接受电信号的液压伺服阀。

5.信息控制类。

包括传真机、磁盘存储器、磁带录像机、录音机、复印机等。

这类产品的主要特点是执行机构的动作由所接收的信息类信号来控制。

除此之外，机电一体化产品还可根据机电技术的结合程度分为功能附加型、功能替代型和机电融合型三类。

3机电一体化技术在我国的应用与发展

3.1国内外机电一体化技术发展状况

3.1.1 国外机电一体化发展现状 

国外机电一体化的发展状况机电一体化的发展大体可以分为3个阶段。

20世纪60年代以前为第一阶段，这一阶段称为初级阶段。

在这一时期，人们自觉不自觉地利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。

特别是在第二次世界大战期间，战争刺激了机械产品与电子技术的结合，这些机电结合的军用技术，战后转为民用，对战后经济的恢复起了积极的作用。

那时研制和开发从总体上看还处于自发状态。

由于当时电子技术的发展尚未达到一定水平，机械技术与电子技术的结合还不可能广泛和深入发展，已经开发的产品也无法大量推广。

第二阶段，20世纪70~80年代为，可称为蓬勃发展阶段。

这一时期，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。

大规模、超大规模集成电路和微型计算机的迅猛发展，为机电一体化的发展提供了充分的物质基础。

这个时期的特点是：

①mechatronics一词首先在日本被普遍接受，大约到20世纪80年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认；②机电一体化技术和产品得到了极大发展；③各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持。

第三阶段，20世纪90年代后期，开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段。

机电一体化进入深入发展时期。

一方面，光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支；另一方面对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。

同时，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。

这些研究，将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。

目前，日本和美国在机电一体化产品开发和应用方面处于世界领先地位。

美国商务部曾发表过一份关于日本机电一体化的研究报告，对日美两国机电一体化技术的基础研究、超前开发与形成产品等三方面进行了比较，结论是除机器视觉与软件外，日本的基础研究与美国是可以比拟的。

当前，他们都将智能传感器、计算机芯片制造技术、具有触觉和人机对话功能的人工智能工业机器人、柔性制造系统等列为高技术领域的重大研究课题，并投入大量资金支持发展相关技术。

因此，机电一体化产品得以迅猛发展，主要表现在以下4个方面:

（1）机电一体化产品几乎遍及所有制造业领域。

在工业发达国家，数控机床占机床总数的30%～40%。

工业机器人正向智能化和智能系统的方向发展，数量在未来十年将以25%～30%的速度增长。

智能机器人将逐步进入办公、管理、娱乐、家庭等各个领域。

（2）机电一体化从单机向整个制造业的集成化过渡。

计算机集成制造系统CIMS是当今世界制造业发展的总趋势,它打破原有部门之间的界线以制造为基干来控制“物流”和“信息流”,实现从经营决策、产品开发、生产准备、生产实验到生产经营管理的有机结合。

CIMS的实现是全局动态的最优综合。

（3）激光技术进入机电一体化领域。

光机电一体化是激光技术与机械、电子技术相结合,不仅大大扩展了机电一体化的应用领域,而且使一些行业出现重大变革，是当今信息业与制造业的最佳结合点。

　　（4）微细加工技术与设备发展迅猛。

微电子技术及其产业的高速发展,带动了大量高新技术的兴起,微细加工技术和装备不仅支持了电子产业的发展,而且对微机械的诞生和发展也起了决定性的作用。

3.1.2.国内机电一体化发展现状 

作为发展中国家,我国与发达国家相比工业技术水平存在一定差距,但有广阔的机电一体化应用空间。

改革开放以来,特别是近年来,受国际金融危机影响,面临国际市场经济激烈竞争形势的挑战,国家和企业充分认识到机电一体化技术对我国经济发展的战略意义,机电一体化技术的研究、应用和产业化受到了前所未有的重视和发展。

完成了《我国机电一体化发展途径与对策》研究,探讨我国机电一体化发展战略,提出了数控机床、工业自动化控制仪表等15个机电一体化优先发展领域和6项共性关键技术的研究方向和课题。

我国已研制成功了一大批机电一体化科研成果,以数控技术为例,我国的数控技术经过‚六五‛、‚七五‛、‚八五‛和‚九五‛的20年的发展,基本上掌握了关键技术,建立了数控开发、生产基地,培养了一批数控人才,初步形成了自己的数控产业,到2010年我国机床的数控化率将达到16.5%～19.27%。

这些成果的取得为我国在制造业机电一体化的研究和应用方面积累了宝贵的经验,必将推动我国机电一体化技术取得更大的进步和发展。

我国从20世纪80年代初开始进行机电一体化的研究和应用，国务院成立了机电一体化领导小组并将其列为“863计划”。

在制定“九五”规划和2010年发展纲要时充分考虑了国际上关于机电一体化技术的发展动向和由此可能带来的影响，许多大专本科院校、研究机构及一些大中型企业对这一技术的发展及应用做了大量的工作。

虽然目前国内机电一体化技术与日本、欧美等先进国家相比仍有一定差距，但随着新技术革命的迅猛发展，我国加大了机电一体化技术的研究力度，并将其确定为国家高技术重点研究领域，给予优先支持，并取得了一定的成绩。

（1）数控技术方面。

我国数控技术起步于1958年，在“九五”末期,国产数控机床的国内市场占有率达50%,配国产数控系统普及型也达到了10%。

纵观我国数控技术近50年的发展历程,特别是经过4个5年计划的攻关,总体来看取得了很好成绩。

目前,已具有年产数控系统3000多套、主轴与进给装置5000多套的生产能力。

近十年来,普通级数控机床的加工精度已由10μm提高到5μm,精密级加工中心则从3～5μm,提高到1～1.5μm,并且超精密加工精度已开始进入纳米级0.01μm[7]。

（2）工业机器人方面。

我国1986年将机器人的研究开发列入国家科技计划,现已掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统和软件编程技术、运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人的关键元器件,并进入实用化阶段，开发出弧焊、点焊、喷漆、装配、搬运、注塑、冲压及能前后行走、爬墙、水下作业的多种机器人。

目前，国内相关科研机构和企业已掌握了工业机器人操作机的优化制造技术，解决了工业机器人控制、驱动系统的设计技术，机器人软件的设计和编程等关键技术，还掌握弧焊、点焊及大型机器人自动生产线（工作站）与周边配套设备的开发和制备技术。

现在，我国从事机器人研发的单位有200多家，专门从事机器人产业开发的企业有50家以上，中国市场上总共拥有近万台工业机器人，其中完全国产的工业机器人（行业内规模比较大的前三家工业机器人企业）行业集中度占30%左右。

　　（3）计算机集成制造系统方面。

我国经过多年的理论和技术准备,CIMS已经有了较快发展。

目前,已在清华大学建成国家CIMS工程研究中心,在著名高校和研究单位建立了7个CIMS单元技术实验室和8个CIMS培训中心。

2000年,全国已有20多个省市、10多个行业、200多家不同规模和类型的企业通过实施CIMS应用示范工程,取得了巨大的经济效益。

当前,CIMS的进一步试点推广应用已经扩展到机械、电子、航空、航天、轻工、纺织、冶金、石油化工等诸多领域,正得到各行各业越来越多的关注和投入。

3.2机电一体化技术在我国的应用 

3.2.1在现代机械制造业中的应用

传统机械制造业是建立在规模经济的基础上，靠企业规模、生产批量、产品结构和重复性来获得竞争优势的，它强调资源的有效利用，以低成本获得高质量和高效率，其生产盈利是靠机器取代人力，靠复杂的专业加工取代人的技能来获取的。

先进的机械制造业是以信息为主导，采用先进生产模式、先进制造系统、先进制造技术和先进组织管理形式的全新的机械制造业，其特征是全球化、网络化、虚拟化、智能化以及环保协调的绿色制造。

现代制造业集成了现代科学技术的发展，充分利用电子计算机技术，使制造技术提高到新的高度。

近年来，制造工程领域的新技术相继诞生，如计算机数字控制、现代集成制造系统、柔性制造技术、敏捷制造、虚拟制造、并行工程等。

3.2.2在饮料行业中的应用 

机电一体化技术是当今发展最快、应用前景最为广泛的技术之一。

机电一体化技术在食品、饮料包装机械的开发、设计和制造过程中的应用。

不仅使单机的自动化程度大大提高，而且使整条包装生产线的自动化控制水平、生产能力得到很大提高，使其竞争能力远远超过传统的机械控制的同类设备。

可以大大改善食品饮料包装生产设备产品的质量，提高其国内、国际竞争能力。

3.2.3在钢铁企业中的应用 

 1、计算机集成制造系统（CIMS）。

 钢铁企业的CIMS是将人与生产经营、生产管理以及过程控制连成一体，用以实现从原料进厂，生产加工到产品发货的整个生产过程全局和过程一体化控制。

 2、现场总线技术（FBT） 。

现场总线技术是连接设置在现场的仪表与设置在控制室内的控制设备之间的数字式、双向、多站通信链路。

采用现场总线技术取代现行的信号传输技术就能使更多的信息在智能化现场仪表装置与更高一级的控制系统之间在共同的通信媒体上进行双向传送。

3、交流传动技术。

 随着电力电子技术和微电子技术的发展，交流调速技术的发展非常迅速。

由于交流传动的优越性，电气传动技术在不久的将来由交流传动全面取代直流传动，数字技术的发展，使复杂的矢量控制技术实用化得以实现，交流调速系统的调速性能已达到和超过直流调速水平。

交流传动系统在轧钢生产中一出现就受到用户的欢迎，应用不断扩大。

 4、 开放式控制系统。

 “开放”意味着对一种标准的信息交换规程的共识和支持，按此标准设计的系统，可以实现不同厂家产品的兼容和互换，且资源共享。

开放控制系统通过工业通信网络使各种控制设备、管理计算机互联，实现控制与经营、管理、决策的集成，通过现场总线使现场仪表与控制室的控制设备互联，实现测量与控制一体化。

 5、 分布式控制系统（DCS） 。

分布式控制系统采用一台中央计算机指挥若干台面向控制的现场测控计算机和智能控制单元。

利用计算机对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制。

分布式控制系统与集中型控制系统相比，其功能更强，具有更高的安全性，是当前大型机电一体化系统的主要潮流。

 随着机电一体化技术的发展，各种产品与装置实现了机电一体化，有利实现整体优化，提高产品质量和生产效率，缩短开发新产品的生产准备周期，加速科技成果向商品转化，有利推动传统产业发生深刻变革，同时，随着新产品的研发及高精密等设备的发展，要求新一代机电一体化技术、产品及系统朝着高性能、智能化、系统化以及轻量化、微型化方向发展，从而为国家带来更大的经济效益与社会效益。

 3.2.4在煤矿中的应用

1、在采煤机中的应用 电牵引采煤机是机电一体化技术在采煤机的一个典型应用。

与液压牵引相比，它具有一下特点:

（1）良好的牵引特性:

可以在采煤机前进时提供牵引力，使其克服阻力移动，也可以在采煤机下滑时进行发电制动，向电网反馈电能。

（2）可用于大倾角煤层:

牵引电动机轴端装有停机时防止机器下滑的制动器，因为它的设计制动力矩为电动机额定转矩的1.6～2.0倍，所以电牵引采煤机可用在40°~50°倾角的煤层，而不需要其它防滑装置。

（3）运行可靠，使用寿命长，电牵引和液压牵引不同，前者除电动机的电刷和整流子有磨a损外，其它元件均无磨损，因此工作可靠，故障少，寿命长，维修工作量小。

（4）反应灵敏，动态特性好:

电控系统能及时调整各种参数，防止采煤机超载运行。

（5）结构简单、效率高:

电牵引采煤机机械传动结构简单、尺寸小、重量轻，电能转换为机械能只做一次转换，效率可达99%，而液压采煤机的效率只有65%-70%左右。

    1991年煤炭总院上海分院与波兰玛克公司合作，研制成功我国第一台采用交流变频调速MG344-PWD型薄煤层强力爬底板电牵引采煤机以来，我国的电牵引采煤机有了较快的发展。

国内上海天地公司、太原矿山机械厂、西安煤机厂、鸡西煤机厂等都生产交流变频和直流电牵引采煤机，而且得到了广泛的应用。

经过近20年的研制开发，我国的电牵引采煤机一逐步走向成熟，为煤矿生产技术的进步起到了积极的推动作用。

    2、机电一体化技术在带式输送机中的应用　

带式输送机由于长距离连续输送、输送量大、运行可靠、效率高和易于实现自动化等特点，已成为我国煤矿井下原煤输送系统的主要运输设备。

因此，成为近几年来机电一体化技术的研究重点。

目前主要采用机、电、液一体化的CST可控软启动装置。

它是一种专门为平滑起动运送大惯性载荷，如煤炭或金属矿石的长距离皮带运输机而设计的软驱动装置。

一条皮带运输机可以由一台或几台CST驱动。

由于尚未解决动态分析和在线监控技术以及启动延迟技术，我国带式输送机的中间驱动点不能不知过多，一般为3点驱动，这样就限制了输送机的单机长度和运量。

而且，输送机的监控设备功能少、可靠性较差、灵敏度和寿命都较低，和发达国家相比存在显着的差距。

3、 机电一体化技术在提升机中的应用 

矿井提升机是目前煤矿机电一体化、自动化水平最高的设备，全数字化交直流提升机。

尤其是内装式提升机，从结构上将滚筒和驱动合为一体，机械结构大大简化，充分体现了机械-电力电子-计算机-自动控制的综合体。

而全数字化提升机高度可靠，采用总线方式，大大简化了电器安装，此外，硬件配置简单，互相兼容。

“九五”期间，国产数字化直流提升机已成为煤矿提升机的首选机型。

我国研制成功的具有自主知识产权的全数字化提升机，其核心部分ASCS是由双CPU构成的计算机系统，其性能先进、操作简便、准确可靠。

此外，我国还应用SIMADYND和S7研制成功了第一台交-交变频器供电的交流提升机。

目前，最大装机容量已达到5000kW，主、副井提升机可做到全自动化，不需要专门的绞车司机。

3.3我国机电一体化技术发展存在的一些问题及解决对策

虽然国务院成立了机电一体化领导小组并将该技术列为“863计划”中。

在制定“九五”规划和2010年发展纲要时充分考虑了国际上关于机电一体化技术的发展动向和由此可能带来的影响。

许多大专院校、研究机构及一些大中型