【正文】 集成化、帶源化和綠色化 1. 數(shù)字化 微控制器及其發(fā)展奠定了機(jī)電產(chǎn)品數(shù)字化的基礎(chǔ)，如不斷發(fā)展的數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人；而計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的迅速崛起，為數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造鋪平了道路，如虛擬設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)集成制造等。數(shù)字化要求機(jī)電一體化產(chǎn)品的軟件具有高可靠性、易操畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （論文） 5 作性、可維護(hù)性、自診斷能力以及友好人機(jī)界面。數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)將便于遠(yuǎn)程操作、診斷和修復(fù) 。 智能化是 21 世紀(jì)機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展 的一個(gè)重要發(fā)展方向。人工智能在機(jī)電一體化建設(shè)者的研究日益得到重視，機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床的智能化就是重要應(yīng)用。這里所說的 “智能化 ”是對(duì)機(jī)器行為的描述，是在控制理論的基礎(chǔ)上，吸收人工智能、運(yùn)籌學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)和混沌動(dòng)力學(xué)等新思想、新方法，模擬人類智能，使它具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力，以求得到更高的控制目標(biāo)。誠然，使機(jī)電一體化產(chǎn)品具有與人完全相同的智能，是不可能的，也是不必要的。但是，高性能、高速的微處理器使機(jī)電一體化產(chǎn)品賦有低級(jí)智能或人的部分智能，則是完全可能而又必要的。 3. 模塊化 模塊化是一項(xiàng)重要而艱巨的工程。由于機(jī)電一體化產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠家繁多，研制和開發(fā)具有標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口、電氣接口、動(dòng)力接口、環(huán)境接口的機(jī)電一體化產(chǎn)品單元是一項(xiàng)十分復(fù)雜但又是非常重要的事。如研制集減速、智能調(diào)速、電機(jī)于一體的動(dòng)力單元，具有視覺、圖像處理、識(shí)別和測距等功能的控制單元，以及各種能完成典型操作的機(jī)械裝置。這樣，可利用標(biāo)準(zhǔn)單元迅速開發(fā)出新產(chǎn)品，同時(shí)也可以擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。這需要制定各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，以便各部件、單元的匹配和接口。由于利益沖突，近期很難制定國際或國內(nèi)這方面的標(biāo)準(zhǔn)，但可以通過組建一些大企業(yè)逐漸形成。 顯然，從電氣產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化帶來的好處可以肯定，無論是對(duì)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)電一體化單元的企業(yè)還是對(duì)生產(chǎn)機(jī)電一體化產(chǎn)品的企業(yè)，規(guī)?；瘜⒔o機(jī)電一體化企業(yè)帶來美好的前程。 20 世紀(jì) 90 年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)等的突出成就是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的興起和飛速發(fā)展給科學(xué)技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)、政治、軍事、教育義舉人么日常生活都帶來了巨大的變革。各種網(wǎng)絡(luò)將全球經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)連成一片，企業(yè)間的競爭也將全球化。機(jī)電一體化新產(chǎn)品一旦研制出來，只要其功能獨(dú)到，質(zhì)量可靠，很快就會(huì)暢銷全球。由于網(wǎng)絡(luò)的普及，基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視技術(shù)方興 未艾，而遠(yuǎn)程控畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （論文） 6 制的終端設(shè)備本身就是機(jī)電一體化產(chǎn)品。現(xiàn)場總線和局域網(wǎng)技術(shù)是家用電器網(wǎng)絡(luò)化已成大勢，利用家庭網(wǎng)絡(luò) (home )將各種家用電器連接成以計(jì)算機(jī)為中心的計(jì)算機(jī)集成家電系統(tǒng) (puter integrated appliance system, CIAS)，使人們?cè)诩依锓窒砀鞣N高技術(shù)帶來的便利與快樂。因此，機(jī)電一體化產(chǎn)品無疑朝著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展 。 5. 人性化 機(jī)電一體化產(chǎn)品的最終使用對(duì)象是人，如何給機(jī)電一體化產(chǎn)品賦予人的智能、情感和人性顯得愈來愈重要，機(jī)電一體化產(chǎn)品除了完善的性能外，還要求在色彩、造型等方面與環(huán)境相協(xié)調(diào)，使用這些產(chǎn)品，對(duì)人來說還是一種 藝術(shù) 享受，如家用機(jī)器人的最高境界就是人機(jī)一體化 。 6. 微型化 微型化是精細(xì)加工技術(shù)發(fā)展的必然，也是提高效率的需要。微機(jī)電系統(tǒng)(Micro Electronic Mechanical Systems，簡稱 MEMS)是指可批量制作的，集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路，直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。自 1986 年美國斯坦福大學(xué)研制 出第一個(gè)醫(yī)用微探針， 1988 年美國加州大學(xué) Berkeley 分校研制出第一個(gè)微電機(jī)以來，國內(nèi)外在MEMS 工藝、材料以及微觀機(jī)理研究方面取得了很大進(jìn)展，開發(fā)出各種 MEMS器件和系統(tǒng)，如各種微型傳感器（壓力傳感器、微加速度計(jì)、微觸覺傳感器），各種微構(gòu)件（微膜、微粱、微探針、微連桿、微齒輪、微軸承、微泵、微彈簧以及微機(jī)器人等）。 7. 集成化 集成化既包含各種技術(shù)的相互滲透、相互融合和各種產(chǎn)品不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與復(fù)合，又包含在生產(chǎn)過程中同時(shí)處理加工、裝配、檢測、管理等多種工序。為了實(shí)現(xiàn)多品種、小批量生產(chǎn)的自動(dòng)化與高效 率，應(yīng)使系統(tǒng)具有更廣泛的柔性。首先可將系統(tǒng)分解為若干層次，使系統(tǒng)功能分散，并使各部分協(xié)調(diào)而又安全地運(yùn)轉(zhuǎn)，然后再通過軟、硬件將各個(gè)層次有機(jī)地聯(lián)系起來，使其性能最優(yōu)、功能最強(qiáng)。 8. 帶源化 是指機(jī)電一體化產(chǎn)品自身帶有能源，如太陽能電池、燃料電池和大容量電畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （論文） 7 池。由于在許多場合無法使用電能，因而對(duì)于運(yùn)動(dòng)的機(jī)電一體化產(chǎn)品，自帶動(dòng)力源具有獨(dú)特的好處。帶源化是機(jī)電一體化產(chǎn)品的發(fā)展方向之一。 9. 綠色化 科學(xué) 技術(shù)的發(fā)展給人們的 生活帶來巨大變化，在物質(zhì)豐富的同時(shí)也帶來資源減少、生態(tài)環(huán)境惡化的后果。所以，人們呼喚保護(hù)環(huán)境，回歸 自然 ，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，綠色產(chǎn)品概念在這種呼聲中應(yīng)運(yùn)而生。綠色產(chǎn)品是指低能耗、低材耗、低污染、舒適、協(xié)調(diào)而可再生利用的產(chǎn)品。在其設(shè)計(jì)、制造、使用和銷毀時(shí)應(yīng)符合環(huán)保和人類健康的要求，機(jī)電一體化產(chǎn)品的綠色化主要是指在其使用時(shí)不污染生態(tài)環(huán)境，產(chǎn)品壽命結(jié)束時(shí)，產(chǎn)品可分解和再生利用。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （論文） 8 第 三 章 典 型機(jī)電一體化產(chǎn)品的發(fā)展趨勢 1 數(shù)控機(jī)床 目前我國是全世界機(jī)床擁有量最多的國家（近 320 萬臺(tái)），但數(shù)控機(jī)床只占約 5％且大多數(shù)是普通數(shù)控（發(fā)達(dá)國家數(shù)控機(jī)床占 10％）。近些年來數(shù)控機(jī)床為適應(yīng)加工技術(shù)的發(fā)展，在以下幾個(gè)技術(shù)領(lǐng)域都有巨大進(jìn)步。 （ 1） 高速化 由于高速加工技術(shù)普及，機(jī)床普遍提高了各方面的速度。車床主軸轉(zhuǎn)速有3000～ 4000r/min提高到 8000～ 10000r/min；銑床和加工中心主軸轉(zhuǎn)速由 4000～8000r/min提高到 12020～ 40000r/min以上；快速移動(dòng)速度由過去的 10～ 20m/min提高到 48m/min， 60m/mni， 80m/min， 120m/min；在提高速度的同時(shí)要求提高運(yùn)動(dòng)部件起動(dòng)的加速度，由過去一般機(jī)床的 （重力加速度）提高到 ～2G，最高可達(dá) 15G；直線電機(jī)在機(jī)床上開始使用，主軸上大量采用內(nèi)裝式主軸電機(jī)。 （ 2） 高精度化 數(shù)控機(jī)床的定位精度已由一般的 ～ 提高到 左右；亞微米級(jí)機(jī)床達(dá)到 左右；納米級(jí)機(jī)床達(dá)到 ～ ；最小分辨率為 1nm（ ）的數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床已問世。 數(shù)控中兩軸以上插補(bǔ)技 術(shù)大大提高，納米級(jí)插補(bǔ)使兩軸聯(lián)動(dòng)出的圓弧都可以達(dá)到 1u 的圓度，插補(bǔ)前多程序預(yù)讀，大大提高了插補(bǔ)質(zhì)量，并可進(jìn)行自動(dòng)拐角處理等。 （ 3） 復(fù)合加工，新結(jié)構(gòu)機(jī)床大量出現(xiàn) 如 5 軸 5 面體復(fù)合加工機(jī)床， 5 軸 5 聯(lián)動(dòng)加工各類異形零件。同時(shí)派生出各種新穎的機(jī)床結(jié)構(gòu)，包括 6 軸虛擬軸機(jī)床，串并聯(lián)絞鏈機(jī)床等，采用特殊機(jī)械結(jié)構(gòu)，數(shù)控的特殊運(yùn)算方式，特殊編程要求。 （ 4） 使用各種高效特殊功能的刀具使數(shù)控機(jī)床 “如虎添翼 如內(nèi)冷轉(zhuǎn)頭由于使高壓冷卻液直接冷卻轉(zhuǎn)頭切削刃和排除切屑，在轉(zhuǎn)深孔時(shí)畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （論文） 9 大大提高效率。加工剛件切削速度能達(dá) 1000m/min， 加工鋁件能達(dá) 5000m/min。 （ 5） 數(shù)控機(jī)床的開放性和聯(lián)網(wǎng)管理 數(shù)控機(jī)床的開放性和聯(lián)網(wǎng)管理已是使用數(shù)控機(jī)床的基本要求，它不僅是提高數(shù)控機(jī)床開動(dòng)率、生產(chǎn)率的必要手段，而且是企業(yè)合理化、最佳化利用這些制造手段的方法。因此，計(jì)算機(jī)集成制造、網(wǎng)絡(luò)制造、異地診斷、虛擬制造、并行工程等等各種新技術(shù)都在數(shù)控機(jī)床基礎(chǔ)上發(fā)展起來，這必然成為 21 世紀(jì)制造業(yè)發(fā)展的一個(gè)主要潮流。 在國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)和生活中廣泛使用的各種自動(dòng)機(jī)械、自動(dòng)生產(chǎn)線及各種自動(dòng)化設(shè)備，是當(dāng)前機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用的又一具體體現(xiàn)。如： 2020～ 80000 瓶 /h的啤酒自動(dòng)生產(chǎn)線； 18000～ 120200 瓶 /h的易拉罐灌裝生產(chǎn)線；各種高速香煙生產(chǎn)線；各種印刷包裝生產(chǎn)線；郵政信函自動(dòng)分撿處理生產(chǎn)線；易拉罐自動(dòng)生產(chǎn)線；FEBOPP 型三層共擠雙向拉伸聚丙烯薄膜生產(chǎn)線等等，這些自動(dòng)機(jī)或生產(chǎn)線中廣泛應(yīng)用了現(xiàn)代電子技術(shù)與傳感技術(shù)。如可編程序控制器，變頻調(diào)速器，人機(jī)界面控制裝置與光電控制系統(tǒng)等。我國的自動(dòng)機(jī)與生產(chǎn)線產(chǎn)品的水平，比 10 多年前躍升了一大步，其技術(shù)水平已達(dá)到或超過發(fā)達(dá)國家上一世紀(jì) 80 年代后期的水平。使用這些自動(dòng)機(jī)和生產(chǎn)線的企業(yè)越來越多，對(duì)維護(hù)和管理這 些設(shè)備的相關(guān)人員的需求也越來越多。 以微電子技術(shù)、軟件技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及通信技術(shù)為核心而引發(fā)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、綜合化、個(gè)性化信息技術(shù)革命，不僅深刻地影響著全球的科技、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和軍事的發(fā)展，而且也深刻影響著機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢。專家預(yù)測，機(jī)電一體化技術(shù)將向以下幾個(gè)方向發(fā)展 ： （ 1）光機(jī)電一體化方向 一般機(jī)電一體化系統(tǒng)是由傳感系統(tǒng)、能源（下轉(zhuǎn)第 80 頁）（上接第 81 頁）（動(dòng)力）系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)等部件組成。引進(jìn)光學(xué)技術(shù)，利用光學(xué)技術(shù)的先天特點(diǎn)，就能有效地改進(jìn)機(jī)電一體化系統(tǒng) 的傳感系統(tǒng)、能源系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)。 （ 2）柔性化方向 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （論文） 10 未來機(jī)電一體化產(chǎn)品，控制和執(zhí)行系統(tǒng)有足夠的 “冗余度 ”，有較強(qiáng)的 “柔性 ”，能較好地應(yīng)付突發(fā)事件，被設(shè)計(jì)成 “自律分配系統(tǒng) ”。在這系統(tǒng)中，各子系統(tǒng)是相互獨(dú)立工作的，子系統(tǒng)為總系統(tǒng)服務(wù)，同時(shí)具有本身的 “自律性 ”，可根據(jù)不同環(huán)境條件做出不同反應(yīng)。其特點(diǎn)是子系統(tǒng)可產(chǎn)生本身的信息并附加所給信息，在總的前提下，具有 “行動(dòng) ”是可以改變的。這樣，既明顯地增加了系統(tǒng)的能力（柔性），又不因某一子系統(tǒng)的故障而影響整個(gè)系統(tǒng) 。 （ 3）智能化方向 今后的機(jī)電一體化產(chǎn)品 “全息 ”特征越來 越明顯，智能化水平越來越高。這主要得益于模糊技術(shù)與信息技術(shù)（尤其是軟件及芯片技術(shù)）的發(fā)展。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （論文） 11 第 四 章 機(jī)電一體化技術(shù)在鋼鐵 企業(yè) 中應(yīng)用 在鋼鐵企業(yè)中，機(jī)電一體化系統(tǒng)是以微處理機(jī)為核心，把微機(jī)、工控機(jī)、數(shù)據(jù)通訊、顯示裝置、儀表等技術(shù)有機(jī)的結(jié)合起來，采用組裝合并方式，為實(shí)現(xiàn)工程大系統(tǒng)的綜合一體化創(chuàng)造有力條件，增強(qiáng)系統(tǒng)控制精度、質(zhì)量和可靠性。機(jī)電一體化技術(shù)在鋼鐵企業(yè)中主要應(yīng)用于以 下幾個(gè)方面： 1. 智能化控制技術(shù) (IC) 由于鋼鐵工業(yè)具有大型化、高速化和連續(xù)化的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的控制技術(shù)遇到了難以克服的困難，因此非常有必要采用智能控制技術(shù)。智能控制技術(shù)主要包括專家系統(tǒng)、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，智能控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于鋼鐵企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、控制、設(shè)備與產(chǎn)品質(zhì)量診斷等各個(gè)方面，如高爐控制系統(tǒng)、電爐和連鑄車間、軋鋼系統(tǒng)、煉鋼 ———連鑄 ———軋鋼綜合調(diào)度系統(tǒng)、冷連軋等 。 2. 分布式控制系統(tǒng) (DCS) 分布式控制系統(tǒng)采用一臺(tái)中央 計(jì)算 機(jī)指揮若干臺(tái)面向控制的現(xiàn)場測控計(jì)算機(jī)和智能控制單元。分布式控制系統(tǒng)可以是兩級(jí)的、三級(jí)的或更多級(jí)的。利用計(jì)算機(jī)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制。隨著測控技術(shù)的 發(fā)展 ，分布式控制系統(tǒng)的功能越來越多。不僅可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程控制，而且還可以實(shí)現(xiàn)在線最優(yōu)化、生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)調(diào)度、生產(chǎn)計(jì)劃統(tǒng)計(jì)管理功能，成為一種測、控、管一體化的綜合系統(tǒng)。Ｄ CS 具有特點(diǎn)控制功能多樣化、操作簡便、系統(tǒng)可以擴(kuò)展、維護(hù)方便、可靠 性高等特點(diǎn)。Ｄ CS 是監(jiān)視集中控制分散，故障影響面小，而且系統(tǒng)具有連鎖保護(hù)功能，采用了系統(tǒng)故障人工手動(dòng)控制操作措施，使系統(tǒng)可靠性高。分布式控制系統(tǒng)與集中型控制系統(tǒng)相比，其功能更強(qiáng)，具有更高的安全性，是當(dāng)前大型機(jī)電一體化系統(tǒng)的主要潮流 。 3. 開放式控制系統(tǒng) (OCS) 開放控制系統(tǒng) (Open Control System)是目前計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展所引出的新的結(jié)畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （論文） 12 構(gòu)體系概念。 “開放 ”意味著對(duì)一種標(biāo)準(zhǔn)的信息交換規(guī)程的共識(shí)和支持，按此標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)不同廠家產(chǎn)品的兼容和互換，且資源共享。開放控制系統(tǒng)通過 工業(yè) 通信 網(wǎng)絡(luò) 使各種控制設(shè)備、管理計(jì)算機(jī)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)控制與經(jīng)營、管理、決策的集成，通過現(xiàn)場總線使現(xiàn)場儀表與控制室的控制設(shè)備互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)測量與控制一體化。 (CIMS) 鋼鐵 企業(yè) 的 CIMS 是將人與生產(chǎn)經(jīng)營、生產(chǎn)管理以及過程控制連 成一體，用以實(shí)現(xiàn)從原料進(jìn)廠，生產(chǎn)加工到產(chǎn)品發(fā)貨的整個(gè)生產(chǎn)過程全局和過程一體化控制。目前鋼鐵企業(yè)已基本實(shí)現(xiàn)了過程自動(dòng)化，但這種 “自動(dòng)化孤島 ”式的單機(jī)自動(dòng)化缺乏信息資源的共享和生產(chǎn)過程的統(tǒng)一管理，難以適應(yīng) 現(xiàn)代 鋼鐵生產(chǎn)的要求。未來鋼鐵企業(yè)競爭的焦點(diǎn)是多品種、小批量生產(chǎn)，質(zhì)優(yōu)價(jià)廉，及時(shí)交貨。為了提高生產(chǎn)率、節(jié)能降耗、減少人員及現(xiàn)有庫存，加速資金周轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、經(jīng)營、管理整體優(yōu)化，關(guān)鍵就是加強(qiáng)管理，獲取必須的 經(jīng)濟(jì) 效益，提高了企業(yè)的競爭力。美國、日本等一些大型鋼鐵企業(yè)在 20 世紀(jì) 80 年代已廣泛實(shí)現(xiàn) CIMS 化 。 5. 現(xiàn)場總線技術(shù) (FBT) 現(xiàn)場總線技術(shù)是對(duì)自動(dòng)化領(lǐng)域的一場變革。由于現(xiàn)場總線簡單、可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，已成為當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)