歷史發(fā)展
日本企業(yè)界在1970年左右最早提出“機電一體化技術”這一概念,當時他們取名為“Mechatronics”,即結合應用機械技術和電子技術于一體。
隨著計算機技術的迅猛發(fā)展和廣泛應用,機電一體化技術獲得前所未有的發(fā)展,成為一門綜合計算機與信息技術、自動控制技術、傳感檢測技術、伺服傳動技術和機械技術等交叉的系統(tǒng)技術,正向光機電一體化技術(Opto-mechatronics)、微機電一體化方向發(fā)展,應用范圍愈來愈廣。
學科來源
機電一體化在國外被稱為Mechatronics是日本人在20世紀70年代初提出來的,它是將英文Mechanics的前半部分和Electronics的后半部分結合在一起構成的一個新詞,意思是機械技術和電子技術的有機結合。這一名稱已經得到包括我國在內的世界各國的承認,我國的工程技術人員習慣上把它譯為機電一體化技術,機電一體化技術又稱為機械電子技術,是機械技術、電子技術和信息技術有機結合的產物。機電一體化技術是微電子技術、計算機技術、控制技術、光學技術與機械技術的相互交叉與融合,是諸多高新技術產業(yè)和高新技術裝備的基礎。它包括產品和技術兩方面:光機電一體化產品是集光學、機械、微電子、自動控制和通信技術于一體的高科技產品,具有很高功能和附加值;光機電一體化技術是指其技術原理和使光機電一體化產品得以實現(xiàn),使用和發(fā)展的技術。
光機電一體化技術是由光學,光電子學,電子信息和機械制造及其他相關技術交叉與融合構成的綜合性高新技術是諸多高新技術產業(yè)和高新技術裝備的基礎。它豐富和拓寬了光機電一體化技術的內涵和外延。
開設院校
開設機電一體化專業(yè)的相關知名院校:東南大學,山東大學,南陽職業(yè)學院(兩年制),北京工業(yè)大學,武漢理工大學,中南大學,北京郵電大學,浙江工業(yè)大學,合肥工業(yè)大學,南陽理工學院,南京工業(yè)職業(yè)技術學院,無錫商業(yè)職業(yè)技術學院。
學術概念
機電一體化技術是在以微型計算機為代表的微電子技術、信息技術迅速發(fā)展向機械工業(yè)領域迅猛滲透并與機械電子技術深度結合的現(xiàn)代工業(yè)的基礎上,綜合應用機械技術、微電子技術、信息技術、自動控制技術、傳感測試技術、電力電子技術、接口技術及軟件編程技術等群體技術,從系統(tǒng)理論出發(fā)根據(jù)系統(tǒng)功能目標和優(yōu)化組織結構目標,以智力、動力、結構、運動和感知組成要素為基礎,對各組成要素及其間的信息處理,接口耦合,運動傳遞,物質運動,能量變換進行研究,使得整個系統(tǒng)有機結合與綜合集成,并在系統(tǒng)程序和微電子電路的有序信息流控制下,形成物質的和能量的有規(guī)則運動,在高功能、高質量、高精度、高可靠性、低能耗等諸方面實現(xiàn)多種技術功能復合的最佳功能價值系統(tǒng)工程技術。
學科要素
五大組成要素:一個機電一體化系統(tǒng)中一般由結構組成要素、動力組成要素、運動組成要素、感知組成要素、智能組成要素五大組成要素有機結合而成。
機械本體(結構組成要素)是系統(tǒng)的所有功能要素的機械支持結構,一般包括有機身、框架、支撐、聯(lián)接等。
動力驅動部分(動力組成要素)依據(jù)系統(tǒng)控制要求,為系統(tǒng)提供能量和動力以使系統(tǒng)正常運行。
測試傳感部分(感知組成要素)對系統(tǒng)的運行所需要的本身和外部環(huán)境的各種參數(shù)和狀態(tài)進行檢測,并變成可識別的信號,傳輸給信息處理單元,經過分析、處理后產生相應的控制信息。
控制及信息處理部分(職能組成要素)將來之測試傳感部分的信息及外部直接輸入的指令進行集中、存儲、分析、加工處理后,按照信息處理結果和規(guī)定的程序與節(jié)奏發(fā)出相應的指令,控制整個系統(tǒng)有目的的運行。
執(zhí)行機構(運動組成要素)根據(jù)控制及信息處理部分發(fā)出的指令,完成規(guī)定的動作和功能。
學科原則
機電一體化四大原則:構成機電一體化系統(tǒng)的五大組成要素其內部及相互之間都必須遵循結構耦合、運動傳遞、信息控制與能量轉換四大原則。
兩個需要進行信息交換和傳遞的環(huán)節(jié)之間,由于信息模式不同(數(shù)字量與模擬量,串行碼與并行碼,連續(xù)脈沖與序列脈沖等)無法直接傳遞和交換,必須通過接口耦合來實現(xiàn)。而兩個信號強弱相差懸殊的環(huán)節(jié)之間,也必須通過接口耦合后,才能匹配。變換放大后的信號要在兩個環(huán)節(jié)之間可靠、快速、準確的交換、傳遞,必須遵循一致的時序、信號格式和邏輯規(guī)范才行,因此接口耦合時就必須具有保證信息的邏輯控制功能,使信息按規(guī)定的模式進行交換與傳遞。
運動傳遞使構成機電一體化系統(tǒng)各組成要素之間,不同類型運動的變換與傳輸以及以運動控制為目的的優(yōu)化。
在系統(tǒng)中,所謂智能組成要素的系統(tǒng)控制單元,在軟、硬件的保證下,完成信息的采集、傳輸、儲存、分析、運算、判斷、決策,以達到信息控制的目的。對于智能化程度高的信息控制系統(tǒng)還包含了知識獲得、推理機制以及自學習功能等知識驅動功能。
兩個需要進行傳輸和交換的環(huán)節(jié)之間,由于模式不同而無法直接進行能量的轉換和交流,必須進行能量的轉換,能量的轉換包括執(zhí)行器,驅動器和他們的不同類型能量的最優(yōu)轉換方法及原理。
發(fā)展階段
模型階段
模型階段,所有的系統(tǒng)組件都能夠被最優(yōu)化
在仿真計算的幫助下,可以測試和分析這些組件的適用性;監(jiān)測響應頻率
對模型進行分析。此外,還能夠生成一個物理/拓撲系統(tǒng)模型,包括機械、液壓和控制導向組件。有必要有一個模型工具,這個工具支持機電一體化系統(tǒng)的物理模型,即當有實物和節(jié)點時,這些模型能夠以1:1來測試,并且原型設計研究階段可以在嚴酷的實時條件下進行。
測試階段
在系統(tǒng)運行完模型階段之后,所產生的具體的性能數(shù)據(jù)可以通過試驗臺驗證。這樣就可以測試和檢驗該系統(tǒng)有關參數(shù)波動的魯棒性,功率儲備及連續(xù)運行的特征。這樣做的話,用戶可以進行測試或者使用CAMeL-ViewTestRig進行硬件在回路(的測試)。要進行硬件在回路測試,相關裝置的物理特性需要詳細確認,這些裝置必須是建立在測試平臺的基礎之上。識別經過測試平臺上測試過的組件,容許這些組件在模型中被識別,并確保整個以系統(tǒng)為基礎的仿真分析布局。
原型階段
成功的測試之后,就會建立一個原型。這里要特別關注的是模型特性,這些特性特指通過特別費力的仿真所決定的特性,比如組件損耗(性能)。這些數(shù)據(jù)結果,為模型基礎性分析提供服務,同時為進一步研發(fā)提供知識基礎。
學科內容
機械技術
機械技術是機電一體化的基礎,機械技術的著眼點在于如何與機電一體化技術相適應,利用其它高、新技術來更新概念,實現(xiàn)結構上、材料上、性能上的變更,滿足減小重量、縮小體積、提高精度、提高剛度及改善性能的要求。在機電一體化系統(tǒng)制造過程中,經典的機械理論與工藝應借助于計算機輔助技術,同時采用人工智能與專家系統(tǒng)等,形成新一代的機械制造技術。
計算機類
計算機與信息技術
其中信息交換、存取、運算、判斷與決策、人工智能技術、專家系統(tǒng)技術、神經網絡技術均屬于計算機信息處理技術。
系統(tǒng)技術
系統(tǒng)技術即以整體的概念組織應用各種相關技術,從全局角度和系統(tǒng)目標出發(fā),將總體分解成相互關聯(lián)的若干功能單元,接口技術是系統(tǒng)技術中一個重要方面,它是實現(xiàn)系統(tǒng)各部分有機連接的保證。
自動控制技術
其范圍很廣,在控制理論指導下,進行系統(tǒng)設計,設計后的系統(tǒng)仿真,現(xiàn)場調試,控制技術包括如高精度定位控制、速度控制、自適應控制、自診斷校正、補償、再現(xiàn)、檢索等。
傳感檢測技術
傳感檢測技術是系統(tǒng)的感受器官,是實現(xiàn)自動控制、自動調節(jié)的關鍵環(huán)節(jié)。其功能越強,系統(tǒng)的自動化程序就越高?,F(xiàn)代工程要求傳感器能快速、精確地獲取信息并能經受嚴酷環(huán)境的考驗,它是機電一體化系統(tǒng)達到高水平的保護。
伺服傳動技術
包括電動、氣動、液壓等各種類型的傳動裝置,伺服系統(tǒng)是實現(xiàn)電信號到機械動作的轉換裝置與部件、對系統(tǒng)的動態(tài)性能、控制質量和功能有決定性的影響。
職業(yè)領域
可設置的專業(yè)方向:機械電子技術、機械制造與計算機控制、機器人應用、機電設備及自動化、數(shù)控機床使用和維修、數(shù)控設備管理和維護。
從業(yè)方向
就業(yè)面向:機械制造工藝設計與實施、工裝設計與實施、機電一體化設備的管理和維護、數(shù)控機床的編程和操作等工作。
深造領域
機電一體化專業(yè)是一個寬口徑專業(yè),適應范圍很廣,學生在校期間除學習各種機械、電工電子、計算機技術、控制技術、檢測傳感等理論知識外,還將參加各種技能培訓和國家職業(yè)資格證書考試,充分體現(xiàn)重視技能培養(yǎng)的特點。學生畢業(yè)后主要面向珠江三角洲各企業(yè)、公司,從事加工制造業(yè),家電生產和售后服務,數(shù)控加工機床設備使用維護,物業(yè)自動化管理系統(tǒng),機電產品設計、生產、改造、技術支持,以及機電設備的安裝、調試、維護、銷售、經營管理等等。
應用領域
數(shù)控機床
1、總線式、模塊化、緊湊型的結構,即采用多CPU、多主總線的體系結構。
2、開放性設計,即硬件體系結構和功能模塊具有層次性、兼容性、符合接口標準,能最大限度地提高用戶的使用效益。
3、智能化設計。系統(tǒng)能提供面向車間的編程技術和實現(xiàn)二、三維加工過程的動態(tài)仿真,并引入在線診斷、模糊控制等智能機制。
4、能實現(xiàn)多過程、多通道控制,即具有一臺機床同時完成多個獨立加工任務或控制多臺和多種機床的能力,并將刀具破損檢測、物料搬運、機械手等控制都集成到系統(tǒng)中去。
5、以單板、單片機作為控制機,加上專用芯片及模板組成結構緊湊的數(shù)控裝置。
制造系統(tǒng)
計算機集成制造系統(tǒng)。計算機集成制造系統(tǒng)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)從經營決策、產品開發(fā)、生產準備、生產實驗到生產經營管理的有機結合。企業(yè)集成度的提高可以使各種生產要素之間的配置得到更好的優(yōu)化,各種生產要素的潛力可以得到更大的發(fā)揮。
智能制造系統(tǒng)
柔性制造系統(tǒng)。柔性制造系統(tǒng)是計算機化的制造系統(tǒng),主要由計算機、數(shù)控機床、機器人、料盤、自動搬運小車和自動化倉庫等組成。特別適于多品種、中小批量、設計更改頻繁的離散零件的批量生產。
被廣泛應用的為第3代機器人即智能機器人,具有多種感知功能,可進行復雜的邏輯思維、判斷和決策,在作業(yè)環(huán)境中獨立行動,與第5代計算機關系密切。
發(fā)展方向
20世紀90年代后期,各主要發(fā)達國家開始了機電一體化技術向智能化方向邁進的新階段。一方面,光學、通信技術等進入了機電一體化,微細加工技術也在機電一體化中嶄露頭角,出現(xiàn)了光機電一體化和微機電一體化等新分支;另一方面,對機電一體化系統(tǒng)的建模設計、分析和集成方法,機電一體化的學科體系和發(fā)展趨勢都進行了深入研究。同時,由于人工智能技術、神經網絡技術及光纖技術等領域取得的巨大進步,為機電一體化技術開辟了發(fā)展的廣闊天地,也為產業(yè)化發(fā)展提供了堅實的基礎。機電一體化是集機械、電子、光學、控制、計算機、信息等多學科的交叉綜合,它的發(fā)展和進步依賴并促進相關技術的發(fā)展和進步。未來機電一體化的主要發(fā)展方向有:1.智能化。智能化是21世紀機電一體化技術發(fā)展的一個重要發(fā)展方向。人工智能在機電一體化建設者的研究中日益得到重視,機器人與數(shù)控機床的智能化就是重要應用。這里所說的“智能化”是對機器行為的描述,是在控制理論的基礎上,吸收人工智能、運籌學、計算機科學、模糊數(shù)學、心理學、生理學和混沌動力學等新思想、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。誠然,使機電一體化產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電一體化產品賦有低級智能或人的部分智能,則是完全可能而必要的。
模塊化。模塊化是一項重要而艱巨的工程。由于機電一體化產品種類和生產廠家繁多,研制和開發(fā)具有標準機械接口、電氣接口、動力接口、環(huán)境接口的機電一體化產品單元是一項十分復雜但又是非常重要的事。如研制集減速、智能調速、電機于一體的動力單元,具有視覺、圖像處理、識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械裝置。這樣,可利用標準單元迅速開發(fā)出新產品,同時也可以擴大生產規(guī)模。這需要制定各項標準,以便各部件、單元的匹配和接口。由于利益沖突,很難制定國際或國內這方面的標準,但可以通過組建一些大企業(yè)逐漸形成。顯然,從電氣產品的標準化、系列化帶來的好處可以肯定,無論是對生產標準機電一體化單元的企業(yè)還是對生產機電一體化產品的企業(yè),規(guī)?;瘜⒔o機電一體化企業(yè)帶來美好的前程。
網絡化。20世紀90年代,計算機技術等的突出成就是網絡技術。網絡技術的興起和飛速發(fā)展給科學技術、工業(yè)生產、政治、軍事、教育及人們的日常生活都帶來了巨大的變革。各種網絡將全球經濟、生產連成一片,企業(yè)間的競爭也將全球化。機電一體化新產品一旦研制出來,只要其功能獨到,質量可靠,很快就會暢銷全球。由于網絡的普及,基于網絡的各種遠程控制和監(jiān)視技術方興未艾,而遠程控制的終端設備本身就是機電一體化產品。現(xiàn)場總線和局域網技術是家用電器網絡化已成大勢,利用家庭網絡(homenet)將各種家用電器連接成以計算機為中心的計算機集成家電系統(tǒng)(computerintegratedappliancesystem,CIAS),使人們在家里分享各種高技術帶來的便利與快樂。因此,機電一體化產品無疑將朝著網絡化方向發(fā)展。
微型化。微型化興起于20世紀80年代末,指的是機電一體化向微型機器和微觀領域發(fā)展的趨勢。國外稱其為微電子機械系統(tǒng)(MEMS),泛指幾何尺寸不超過1立方厘米的機電一體化產品,并向微米、納米級發(fā)展。微機電一體化產品體積小、耗能少、運動靈活,在生物醫(yī)療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優(yōu)勢。微機電一體化發(fā)展的瓶頸在于微機械技術,微機電一體化產品的加工采用精細加工技術,即超精密技術,它包括光刻技術和蝕刻技術兩類。
綠色化。工業(yè)的發(fā)達給人們生活帶來了巨大變化。一方面,物質豐富,生活舒適;另一方面,資源減少,生態(tài)環(huán)境受到嚴重污染。于是,人們呼吁保護環(huán)境資源,回歸自然。綠色產品概念在這種呼聲下應運而生,綠色化是時代的趨勢。綠色產品在其設計、制造、使用和銷毀的生命過程中,符合特定的環(huán)境保護和人類健康的要求,對生態(tài)環(huán)境無害或危害極少,資源利用率極高。設計綠色的機電一體化產品,具有遠大的發(fā)展前途。機電一體化產品的綠色化主要是指,使用時不污染生態(tài)環(huán)境,報廢后能回收利用。
系統(tǒng)化。系統(tǒng)化的表現(xiàn)特征之一就是系統(tǒng)體系結構進一步采用開放式和模式化的總線結構。系統(tǒng)可以靈活組態(tài),進行任意剪裁和組合,同時尋求實現(xiàn)多子系統(tǒng)協(xié)調控制和綜合管理。表現(xiàn)之二是通信功能的大大加強,特別是“人格化”發(fā)展引人注目,即未來的機電一體化更加注重產品與人的關系。機電一體化的人格化有兩層含義。一是機電一體化產品的最終使用對象是人,如何賦予機電一體化產品人的智能、情感、人性顯得越來越重要,特別是對家用機器人,其高層境界就是人機一體化。另一層含義是模仿生物機理,研制各種機電一體化產品。事實上,許多
發(fā)展前景
機電一體化的出現(xiàn)不是孤立的,它是許多科學技術發(fā)展的結晶,是社會生產力發(fā)展到一定階段的必然要求。當然,與機電一體化相關的技術還有很多,并且隨著科學技術的發(fā)展,各種技術相互融合的趨勢將越來越明顯,機電一體化技術的廣闊發(fā)展前景也將越來越光明。
中國是從20世紀80年代初開始進行機電一體化技術方面的研究和應用的。雖然經過20多年的努力取得了一定成果,但與發(fā)達國家相比仍有相當差距。為了加快發(fā)展、縮小與發(fā)達國家的差距,需要我們在產業(yè)政策、金融政策和市場導向上,對機電一體化技術和產業(yè)予以積極支持,主要包括:國家在政策上對機電一體化技術給予大力支持,特別是涉及基礎技術、綜合技術等方面,要給予強有力的財政和各種扶助。由于機電一體化技術是各種高新技術的綜合和升華,需要多學科、多技術、多種機構協(xié)調研發(fā),這也對技術研發(fā)機構和產業(yè)界的協(xié)調能力提出了挑戰(zhàn),因而需要繼續(xù)發(fā)揮主管部門的作用。
要明確機電一體化技術開發(fā)和產業(yè)化推廣的主力軍是企業(yè),在這方面,技術和綜合實力雄厚的大型企業(yè)將發(fā)揮舉足輕重的作用。有關部門應該在稅收、金融和其他方面給予一定的優(yōu)惠傾斜。
要把發(fā)展機電一體化技術作為增強自主創(chuàng)新能力的重要內容,鼓勵和促進企業(yè)在這個領域有所作為。同時,為縮小與發(fā)達國家的差距,可以通過引進、消化、升級來逐步達到提高自主創(chuàng)新能力的目的。有關部門可以通過政府采購、項目設立等措施,達到支持和鼓勵自主創(chuàng)新的目標。
機電一體化是指在機構的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進電子技術,將機械裝置與電子化設計及軟件結合起來所構成的系統(tǒng)的總稱.實操性人才缺乏,各企業(yè)高薪聘請機電一體化專業(yè)人才,在深圳地區(qū)例如:富士康、三星、華為、等一線企業(yè)擁有大量高薪職位就業(yè)前景十分廣闊.以下由工控行業(yè)網為您進行的機電一體專業(yè)就業(yè)前景的方向分析
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