第一篇：數(shù)控車床是機電一體化的典型產(chǎn)品

數(shù)控車床是機電一體化的典型產(chǎn)品，是集機床、計算機、電機及其拖動、自動控制、檢測等技術(shù)為一身的自動化設(shè)備。其中主軸運動是數(shù)控車床的一個重要內(nèi)容，以完成切削任務(wù)，其動力約占整臺車床的動力的70%～80%?；究刂剖侵鬏S的正、反轉(zhuǎn)和停止，可自動換檔和無級調(diào)速。

普通機床經(jīng)經(jīng)歷了近兩百年的歷史。隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)及自動化，精密機械與測量等技術(shù)的發(fā)展與綜合應(yīng)用，生產(chǎn)了機電一體化的新型機床一一數(shù)控機床。數(shù)控機床一經(jīng)使用就顯示出了它獨特的優(yōu)越性和強大生命力，使原來不能解決的許多問題，找到了科學(xué)解決的途徑。

數(shù)控車床是數(shù)字程序控制車床的簡稱，它集通用性好的萬能型車床、加工精度高的精密型車床和加工效率高的專用型車床的特點于一身，是國內(nèi)使用量最大，覆蓋面最廣的一種數(shù)控機床，也是是一種通過數(shù)字信息，控制機床按給定的運動軌跡，進(jìn)行自動加工的機電一體化的加工裝備，經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展，數(shù)控機床已是現(xiàn)代制造業(yè)的重要標(biāo)志之一，在我國制造業(yè)中，數(shù)控機床的應(yīng)用也越來越廣泛，是一個企業(yè)綜合實力的體現(xiàn)

摘要：機電一體化是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果。簡述了機電一體化技術(shù)的基本概要和發(fā)展背景，綜述了國內(nèi)外機電一體化技術(shù)的現(xiàn)狀，分析了機電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：機電一體化；技術(shù)；現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢

ABSTRACT:Mechatronics is the inevitable result of the development of modern science and technology.This paper outlines thebasic profile and development contextoverviewing the current situation of mechatronics technology at home and abroadanalysing the cur－rent trends in mechatronics development．

KEYWORDS:mechatronics technology；technology；the current situation；production；manufacturing technology；developmental trend

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動了不同學(xué)科的交叉與滲透，導(dǎo)致了工程領(lǐng)域的技術(shù)革命與改造。在機械工程領(lǐng)域，由于微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展及其向機械工業(yè)的滲透所形成的機電一體化，使機械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產(chǎn)由“機械電氣化”邁入了“機電一體化”為特征的發(fā)展階段。

1機電一體化概要

機電一體化又稱機械電子學(xué)，英語稱為Mechatronics，它是由英文機械學(xué)（Mechanics）的前半部分與電子學(xué)（Electronics）的后半部分組合而成。機電一體化最早出現(xiàn)在1971年日本雜志《機械設(shè)計》的副刊上，隨著機電一體化技術(shù)的快速發(fā)展，機電一體化的概念被廣泛接受和普遍應(yīng)用。隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，機電一體化技術(shù)獲得前所未有的發(fā)展?，F(xiàn)在的機電一體化技術(shù)，是機械和微電子技術(shù)緊密結(jié)合的一門技術(shù)，它的發(fā)展使冷冰冰的機，器人性化、智能化。機電一體化是指在機構(gòu)的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進(jìn)電子技術(shù)，將機械裝置與電子化設(shè)計及軟件結(jié)合起來所構(gòu)成的系統(tǒng)總稱。

機電一體化發(fā)展至今也已成為一門有著自身體系的新型學(xué)科，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，還將被賦予新的內(nèi)容。但其基本特征可概括為：機電一體化是從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，綜合運用機械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)、傳感測控技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)、信息變換技術(shù)以及軟件編程技術(shù)等群體技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)功能目標(biāo)和優(yōu)化組織目標(biāo)，合理配置與布局各功能單元，在多功能、高質(zhì)量、高可靠性、低能耗的意義上實現(xiàn)特定功能價值，并使整個系統(tǒng)最優(yōu)化的系統(tǒng)工程技術(shù)。

由此而產(chǎn)生的功能系統(tǒng)，則成為一個機電一體化系統(tǒng)或機電一體化產(chǎn)品。

因此，“機電一體化”涵蓋“技術(shù)”和“產(chǎn)品”兩個方面。只是，機電一體化技術(shù)是基于上述群體技術(shù)有機融合的一種綜合技術(shù)，而不是機械技術(shù)、微電子技術(shù)以及其他新技術(shù)的簡單組合、拼湊。這是機電一體化與機械加電氣所形成的機械電氣化在概念上的根本區(qū)別。機械工程技術(shù)由純技術(shù)發(fā)展到機械電氣化，仍屬傳統(tǒng)機械，其主要功能依然是代替和放大的體力。但是發(fā)展到機電一體化后，其中的微電子裝置除可取代某些機械部件的原有功能外，還能賦予許多新的功能，如自動檢測、自動處理信息、自動顯示記錄、自動調(diào)節(jié)與控制自動診斷與保護(hù)等。即機電一體化產(chǎn)品不僅是人的手與肢體的延伸，還是人的感官與頭腦的眼神，具有智能化的特征是機電一體化與機械電氣化在功能上的本質(zhì)區(qū)別。

2機電一體化的發(fā)展?fàn)顩r

機電一體化的發(fā)展大體可以分為3個階段。20世紀(jì)60年代以前為第一階段，這一階段稱為初級階段。在這一時期，人們自覺不自覺地利用電子技術(shù)的初步成果來完善機械產(chǎn)品的性能。

特別是在第二次世界大戰(zhàn)期間，戰(zhàn)爭刺激了機械產(chǎn)品與電子技術(shù)的結(jié)合，這些機電結(jié)合的軍用技術(shù)，戰(zhàn)后轉(zhuǎn)為民用，對戰(zhàn)后經(jīng)濟的恢復(fù)起了積極的作用，那時研制和開發(fā)從總體上看還處于自發(fā)狀態(tài)。由于當(dāng)時電子技術(shù)的發(fā)展尚未達(dá)到一定水平，機械技術(shù)與電子技術(shù)的結(jié)合還不可能廣泛和深入發(fā)展，已經(jīng)開發(fā)的產(chǎn)品也無法大量推廣。

20世紀(jì)90年代后期，開始了機電一體化技術(shù)向智能化方向邁進(jìn)的新階段，機電一體化進(jìn)入深入發(fā)展時期。一方面，光學(xué)、通信技術(shù)等進(jìn)入了機電一體化，微細(xì)加工技術(shù)也在機電一體化中嶄露頭腳，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(shè)計、分析和集成方法，機電一體化的學(xué)科體系和發(fā)展趨勢都進(jìn)行了深入研究。同時，由于人工智能技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及光纖技術(shù)等領(lǐng)域取得的巨大進(jìn)步，為機電一體化技術(shù)開辟了發(fā)展的廣闊天地。這些研究，將促使機電一體化進(jìn)一步建立完整的基礎(chǔ)和逐漸形成完整的科學(xué)體系。

我國是從20世紀(jì)80年代初開始在這方面研究和應(yīng)用。國務(wù)院成立了機電一體化領(lǐng)導(dǎo)小組并將該技術(shù)列入“863計劃”中。

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(yīng)用做了大量的工作，取得了一定成果，但與日本等先進(jìn)國家相比仍有相當(dāng)差距。

3機電一體化的發(fā)展趨勢

3.1智能化智能化是21世紀(jì)機電一體化技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。對人工智能在機電一體化中的研究日益得到重視，機器人與數(shù)控機床的智能化就是重要的應(yīng)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(chǔ)上，吸收人工智能、運籌學(xué)、計算機科學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)和混沌動力學(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電一體化產(chǎn)品賦有低級智能或人的部分智能，則是完全可能而又必要的。

3.2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(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠家繁多，研制和開發(fā)具有標(biāo)準(zhǔn)機械接口、電氣接口、動力接口、環(huán)境接口的機電一體化產(chǎn)品單元是一項十分復(fù)雜但又非常重要的事。如研制集減速、智能調(diào)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(biāo)準(zhǔn)單元迅速開發(fā)出新產(chǎn)品，同時也可以擴大生產(chǎn)規(guī)模。這需要制定各項標(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，無論是對生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)機電一體化單元的企業(yè)，還是對生產(chǎn)機電一體化產(chǎn)品的企業(yè)，規(guī)模化將給機電一體化企業(yè)帶來美好的前程。

3.3全息系統(tǒng)化———智能化

20世紀(jì)90年代，計算機技術(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、教育及人們?nèi)粘Ｉ疃紟砹司薮蟮淖兏?。網(wǎng)絡(luò)將全球經(jīng)濟、生產(chǎn)連成一片，企業(yè)間的競爭也將全球化。機電一體化新產(chǎn)品一旦研制出來，只要其功能獨到、質(zhì)量可靠，很快就會暢銷全球。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)程控制的終端設(shè)備本身就是機電一體化產(chǎn)品。

今后的機電一體化產(chǎn)品“全息”特征越來越明顯，智能化水平越來越高。這主要收益于模糊技術(shù)、信息技術(shù)（尤其是軟件及芯片技術(shù)）的發(fā)展。除此之外，其系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，也變簡單的“從上到下”的形式為復(fù)雜的、有較多冗余度的雙向聯(lián)系。

3.4微型機電化———微型化

微型化興起于20世紀(jì)80年代末，指的是機電一體化向微型機器和微觀領(lǐng)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1cm3的機電一體化產(chǎn)品，并向微米、納米級發(fā)展。微機電一體化產(chǎn)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(shù)，微機電一體化產(chǎn)品的加工采用精細(xì)加工技術(shù)，即超精密技術(shù)，它包括光刻技術(shù)和蝕刻技術(shù)兩類。

目前，利用半導(dǎo)體器件制造過程中的蝕刻技術(shù)，在實驗室中已制造出亞微米級的機械元件。當(dāng)將這一成果用于實際產(chǎn)品時，就沒有必要區(qū)分機械部分和控制器了。屆時，機械和電子完全可以“融合”，機體、執(zhí)行機構(gòu)、傳感器、CPU等可集成在一起，體積很小，并組成一種自律元件。這種微型機械學(xué)是機電一體化的重要發(fā)展方向。

3.5綠色化

工業(yè)的發(fā)達(dá)給人們生活帶來了巨大變化。一方面，物質(zhì)豐富，生活舒適；另一方面，資源減少，生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重污染。于是人們呼吁保護(hù)環(huán)境和資源，回歸自然。綠色產(chǎn)品概念在這種呼聲下應(yīng)運而生，綠色化是時代的趨勢。綠色產(chǎn)品在其設(shè)計、制造、使用和銷毀的生命過程中，符合特定的環(huán)境保護(hù)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(shè)計綠色的機電一體化產(chǎn)品，具有遠(yuǎn)大的發(fā)展前途。機電一體化產(chǎn)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。

3.6“生物—軟件”化———仿生物系統(tǒng)化系統(tǒng)化的表現(xiàn)特征之一就是系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)一步采用開放式和模式化的總線結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)可以靈活組態(tài)，進(jìn)行任意剪裁和組合，同時尋求實現(xiàn)多子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制和綜合管理。表現(xiàn)之二是通信功能的大大加強，一般除RS232外，還有RS485、DCS人格化。

未來的機電一體化更加注重產(chǎn)品與人的關(guān)系，機電一體化的人格化有兩層含義，一層是機電一體化產(chǎn)品的最終使用對象是人，如何賦予機電一體化產(chǎn)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。另一層是模仿生物機理，研制各種機電一體壓產(chǎn)品。事實上，許多機電一體化產(chǎn)品都是受動物的啟發(fā)研制出來的。

今后的機電一體化裝置對信息的依賴性很大，并且往往在結(jié)構(gòu)上是處于“靜態(tài)”時不穩(wěn)定，但在動態(tài)（工作）時卻是穩(wěn)定的。

這有點類似于活的生物：當(dāng)控制系統(tǒng)（大腦）停止工作時，生物便“死亡”，而當(dāng)控制系統(tǒng)（大腦）工作時，生物就很有活力。仿生學(xué)研究領(lǐng)域中已發(fā)現(xiàn)的一些生物體優(yōu)良的機構(gòu)可為機電一體化產(chǎn)品提供新型機體，但如何使這些新型機體具有活的“生命”還有待于深入研究。這一研究領(lǐng)域稱為“生物—軟件”或“生物系統(tǒng)”，而生物的特點是硬件（肌體）—軟件（大腦）一體，不可分割?？磥恚瑱C電一體化產(chǎn)品雖然有向生物系統(tǒng)化發(fā)展趨，但有一段漫長的道路要走。

3．7自律分配系統(tǒng)化———柔性化未來的機電一體化產(chǎn)品，控制和執(zhí)行系統(tǒng)有足夠的“冗余度”，有較強的“柔性”，能較好地應(yīng)付突發(fā)事件，被設(shè)計成“自律分配系統(tǒng)”。在自律分配系統(tǒng)中，各個子系統(tǒng)是相互獨立工作的，子系統(tǒng)為總系統(tǒng)服務(wù)，同時，具有本身的“自律性”，可根據(jù)不同的環(huán)境條件做出不同反應(yīng)。其特點是子系統(tǒng)可產(chǎn)生本身的信息并附加所給信息，在總的前提下，具體“行動”是可以改變的。這樣，既明顯地增加了系統(tǒng)的適應(yīng)能力（柔性），又不因某一子系統(tǒng)的故障而影響整個系統(tǒng)。

綜上所述，機電一體化的出現(xiàn)不是孤立的，它是許多科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶，是社會生產(chǎn)力發(fā)展到一定階段的必然要求。當(dāng)然，與機電一體化相關(guān)的技術(shù)還有很多，并且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種技術(shù)相互融合的趨勢將越來越明顯，機電一體化技術(shù)的發(fā)展前景也將越來越光明

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[2]圖表要求:圖面整潔,布局合理,線條粗細(xì)均勻,弧線連接光滑,尺寸標(biāo)注規(guī)范,符合制圖標(biāo)準(zhǔn).插圖和表格均需有編號和標(biāo)題,圖標(biāo)題為5號字,表標(biāo)題為小4號.如: 表一 學(xué)生學(xué)習(xí)情況調(diào)查表 圖1 相軌跡圖

5,曲線,圖表要求:所有曲線,圖表,線路圖,程序框圖,示意圖等不得簡單徒手畫,必須按工程要求繪制.3,字?jǐn)?shù)要求: [1] 本科論文字?jǐn)?shù)文科不得少于1.2萬字,理工科不得少于8千字;[2] ?？普撐淖?jǐn)?shù)不得少于6000字.4,最后應(yīng)交的東西: [1]任務(wù)書(指導(dǎo)教師撰寫的)[2]開題報告

[3]畢業(yè)論文定稿

[4]畢業(yè)論文定稿的電子文檔存到教務(wù)處 注: [1]關(guān)于開題報告的格式和要求,后面有說明;[2]修改論文期間,請將word文稿以附件的形式發(fā)給指導(dǎo)老師;[3]收集資料的方法:

第二篇：典型的機電一體化產(chǎn)品

第2章典型的機電一體化產(chǎn)品

機電一體化產(chǎn)品分系統(tǒng)(整機)和基礎(chǔ)元、部件兩大類。典型的機電一體化系統(tǒng)有：數(shù)控機床、機器人、汽車電子化產(chǎn)品、智能化儀器儀表、電子排版印刷系統(tǒng)、CAD／CAM系統(tǒng)等。典型的機電一體化基礎(chǔ)元、部件有：電力電子器件及裝置、可編程序控制器、模糊控制器、微型電機、傳感器、專用集成電路、伺服機構(gòu)等。下面，我將針對其中的幾種產(chǎn)品的進(jìn)一步發(fā)展趨勢進(jìn)行詳細(xì)說明。

2.1數(shù)控機床

目前我國是全世界機床擁有量最多的國家（近320萬臺），但數(shù)控機床只占約5％且大多數(shù)是普通數(shù)控（發(fā)達(dá)國家數(shù)控機床占10％）。近些年來數(shù)控機床為適應(yīng)加工技術(shù)的發(fā)展，在以下幾個技術(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12000～40000r/min以上；快速移動速度由過去的10～20m/min提高到48m/min，60m/mni，80m/min，120m/min；在提高速度的同時要求提高運動部件起動的加速度，由過去一般機床的0.5G（重力加速度）提高到1.5G～2G，最高可達(dá)15G；直線電機在機床上開始使用，主軸上大量采用內(nèi)裝式主軸電機。

2．高精度化。數(shù)控機床的定位精度已由一般的0.01～0.02mm提高到0.008左右；亞微米級機床達(dá)到0.0005mm左右；納米級機床達(dá)到0.005～0.01um；最小分辨率為1nm（0.000001mm）的數(shù)控系統(tǒng)和機床已問世。

數(shù)控中兩軸以上插補技術(shù)大大提高，納米級插補使兩軸聯(lián)動出的圓弧都可以達(dá)到1u的圓度，插補前多程序預(yù)讀，大大提高了插補質(zhì)量，并可進(jìn)行自動拐角處理等。

3．復(fù)合加工，新結(jié)構(gòu)機床大量出現(xiàn)。如5軸5面體復(fù)合加工機床，5軸5聯(lián)動加工各類異形零件。同時派生出各種新穎的機床結(jié)構(gòu)，包括6軸虛擬軸機床，串并聯(lián)絞鏈機床等，采用特殊機械結(jié)構(gòu)，數(shù)控的特殊運算方式，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．?dāng)?shù)控機床的開放性和聯(lián)網(wǎng)管理。數(shù)控機床的開放性和聯(lián)網(wǎng)管理已是使用數(shù)控機床的基本要求，它不僅是提高數(shù)控機床開動率、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，計算機集成制造、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)展的一個主要潮流。

第三篇：數(shù)控系統(tǒng)是多種先進(jìn)技術(shù)的機電一體化典型產(chǎn)品

數(shù)控系統(tǒng)是多種先進(jìn)技術(shù)的機電一體化典型產(chǎn)品，是數(shù)控機床的心臟。本文介紹了機床數(shù)控系統(tǒng)的組成，重點介紹了數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。引言

近幾年來，機械加工業(yè)大量采用數(shù)控機床取代傳統(tǒng)的普通機床進(jìn)行機械加工，普通機械逐漸被數(shù)控機械所代替。數(shù)控機床綜合了微電子、計算機、信息處理、自動檢測、自動控制、電機與拖動，電子和電力、精密測量、氣液壓及現(xiàn)代機械制造技術(shù)等多種先進(jìn)技術(shù)的機電一體化產(chǎn)品，是數(shù)控機床的心臟。具有高精度，高效率，柔性自動化等特點決定了今后發(fā)展數(shù)控機床是我國機械制造業(yè)技術(shù)改造的必由之路，是工廠自動化的基礎(chǔ)。數(shù)控機床在各個機械制造企業(yè)已成為大、中型企業(yè)的主要技術(shù)裝備。機床數(shù)控系統(tǒng)，即計算機數(shù)字控制(cnc)系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的硬件數(shù)控(nc)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它主要由硬件和軟件兩大部分組成。通過系統(tǒng)控制軟件與硬件的配合，完成對進(jìn)給坐標(biāo)控制、主軸控制、刀具控制、輔助功能控制等。cnc系統(tǒng)利用計算機來實現(xiàn)零件程序編輯、坐標(biāo)系偏移、刀具補償、插補運算、公英制變換、圖形顯示和固定循環(huán)等。使數(shù)控機床按照操作設(shè)計要求，加工出需要的零件。1 數(shù)控系統(tǒng)的組成

是由系統(tǒng)程序、輸入輸出設(shè)備、通信設(shè)備、數(shù)控裝置、可編程控制器、伺服驅(qū)動裝置和測量裝置等組成。數(shù)控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心，數(shù)控裝置有兩種類型：一是完全由硬件邏輯電路的專用硬件組成的數(shù)控裝置即nc裝置；二是由計算機硬件和軟件組成的計算機數(shù)控裝置即cnc裝置。由于計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是微處理器和微型計算機應(yīng)用于數(shù)控裝置后，現(xiàn)在nc裝置已逐步被cnc裝置所取代。

數(shù)控系統(tǒng)的硬件除了一般計算機具有的cpu、eprom、ram接口外，還具有數(shù)控位置控制器、手動數(shù)據(jù)輸入(mda)接口、視頻顯示(crt或lcd)接口和plc接口等。所以cnc裝置是一種專用計算機。目前cnc系統(tǒng)大都采用體積小，成本低，功能強的微處理機。系統(tǒng)主要由微機及其相應(yīng)的i／o設(shè)備、外部設(shè)備、機床控制及其i／o通道組成。

數(shù)控系統(tǒng)的軟件分為管理軟件和控制軟件兩種。管理軟件用來管理零件程序的輸入、輸出、刀具位置、系統(tǒng)參數(shù)、零件程序顯示、機床狀態(tài)及報警，故障診斷等。控制軟件由譯碼、插補運算、刀具補償、速度控制、位置控制等軟件組成。系統(tǒng)程序存于計算機內(nèi)存儲器。所有的數(shù)控功能基本上都依靠該程序來實現(xiàn)。硬件是軟件活動的物理基礎(chǔ)。而軟件則是整個系統(tǒng)的靈魂，整個cnc裝置的活動均依靠系統(tǒng)軟件來指揮。2 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢來看，數(shù)控系統(tǒng)正在向電氣化、電子化、高速化、精密化等方面高速發(fā)展，其主要研究熱點有以下幾個方面： 2.1 性能發(fā)展方面

2.1.1 高精高速高效化速度

效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)關(guān)鍵的性能指標(biāo)，是先進(jìn)制造技術(shù)的主體。若采用高速cpu芯片、risc芯片、多cpu控制系統(tǒng)、高分辨率檢測元件、交流數(shù)字伺服系統(tǒng)、配套電主軸、直線電機等技術(shù)可極大地提高效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。在今后的幾年，超精密數(shù)控機床正在向精密化、高速化、智能化和納米化發(fā)展，匯合而成的新一代數(shù)控機床。2.1.2 柔性化

數(shù)控系統(tǒng)采用新一代模塊化設(shè)計，功能覆蓋面更寬，可靠性更強，可滿足不同用戶的需求。同一群控系統(tǒng)能根據(jù)不同生產(chǎn)流程，自動進(jìn)行信息流動態(tài)調(diào)整，發(fā)揮群控系統(tǒng)的功能。2.1.3 多軸化

多軸聯(lián)動加工，零件在一臺數(shù)控機床上一次裝夾后，可進(jìn)行自動換刀、旋轉(zhuǎn)主軸頭、旋轉(zhuǎn)工作臺等操作，完成多工序、多表面的復(fù)合加工，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。2.1.4 軟硬件開放化

用戶可根據(jù)自己的需要，對數(shù)控系統(tǒng)軟件進(jìn)行二次開發(fā)，用戶的使用范圍不再受生產(chǎn)商的制約。2.1.5 實時智能化

在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，實時智能控制的研究和應(yīng)用正沿著：自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制、學(xué)習(xí)控制、前饋控制等方面發(fā)展。如編程專家系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)出了故障時，診斷、維修等實現(xiàn)智能化。

數(shù)控機床發(fā)展史

數(shù)控機床

數(shù)字控制機床是用數(shù)字代碼形式的信息（程序指令），控制刀具按給定的工作程序、運動速度和軌跡進(jìn)行自動加工的機床，簡稱數(shù)控機床。特點

數(shù)控機床具有廣泛的適應(yīng)性，加工對象改變時只需要改變輸入的程序指令；加工性能比一般自動機床高，可以精確加工復(fù)雜型面，因而適合于加工中小批量、改型頻繁、精度要求高、形狀又較復(fù)雜的工件，并能獲得良好的經(jīng)濟效果。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)控系統(tǒng)的機床品種日益增多，有車床、銑床、鏜床、鉆床、磨床、齒輪加工機床和電火花加工機床等。此外還有能自動換刀、一次裝卡進(jìn)行多工序加工的加工中心、車削中心等。發(fā)展簡史

1948年，美國帕森斯公司接受美國空軍委托，研制飛機螺旋槳葉片輪廓樣板的加工設(shè)備。由于樣板形狀復(fù)雜多樣，精度要求高，一般加工設(shè)備難以適應(yīng)，于是提出計算機控制機床的設(shè)想。1949年，該公司在美國麻省理工學(xué)院（MIT）伺服機構(gòu)研究室的協(xié)助下，開始數(shù)控機床研究，并于1952年試制成功第一臺由大型立式仿形銑床改裝而成的三坐標(biāo)數(shù)控銑床，不久即開始正式生產(chǎn)，于1957年正式投入使用。這是制造技術(shù)發(fā)展過程中的一個重大突破，標(biāo)志著制造領(lǐng)域中數(shù)控加工時代的開始。數(shù)控加工是現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)，這一發(fā)明對于制造行業(yè)而言，具有劃時代的意義和深遠(yuǎn)的影響。世界上主要工業(yè)發(fā)達(dá)國家都十分重視數(shù)控加工技術(shù)的研究和發(fā)展。當(dāng)時的數(shù)控裝置采用電子管元件，體積龐大，價格昂貴，只在航空工業(yè)等少數(shù)有特殊需要的部門用來加工復(fù)雜型面零件；1959年，制成了晶體管元件和印刷電路板，使數(shù)控裝置進(jìn)入了第二代，體積縮小，成本有所下降；1960年以后，較為簡單和經(jīng)濟的點位控制數(shù)控鉆床，和直線控制數(shù)控銑床得到較快發(fā)展，使數(shù)控機床在機械制造業(yè)各部門逐步獲得推廣。我國于1958年開始研制數(shù)控機床，成功試制出配有電子管數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機床，1965年開始批量生產(chǎn)配有晶體管數(shù)控系統(tǒng)的三坐標(biāo)數(shù)控銑床。

1965年，出現(xiàn)了第三代的集成電路數(shù)控裝置，不僅體積小，功率消耗少，且可靠性提高，價格進(jìn)一步下降，促進(jìn)了數(shù)控機床品種和產(chǎn)量的發(fā)展。60年代末，先后出現(xiàn)了由一臺計算機直接控制多臺機床的直接數(shù)控系統(tǒng)（簡稱DNC），又稱群控系統(tǒng)；采用小型計算機控制的計算機數(shù)控系統(tǒng)（簡稱CNC）,使數(shù)控裝置進(jìn)入了以小型計算機化為特征的第四代。

1974年，研制成功使用微處理器和半導(dǎo)體存貯器的微型計算機數(shù)控裝置（簡稱MNC），這是第五代數(shù)控系統(tǒng)。第五代與第三代相比，數(shù)控裝置的功能擴大了一倍，而體積則縮小為原來的1/20，價格降低了3/4，可靠性也得到極大的提高。80年代初，隨著計算機軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了能進(jìn)行人機對話式自動編制程序的數(shù)控裝置；數(shù)控裝置愈趨小型化，可以直接安裝在機床上；數(shù)控機床的自動化程度進(jìn)一步提高，具有自動監(jiān)控刀具破損和自動檢測工件等功能。

數(shù)控機床發(fā)展趨向

高速化、高精度化、高可靠性、復(fù)合化、智能化、柔性化、集成化和開放性是當(dāng)今數(shù)控機床行業(yè)的主要發(fā)展方向。

數(shù)控技術(shù)的問世已有40多年的歷史，它是由機械學(xué)、控制學(xué)、電子學(xué)、計算機科學(xué)四大基礎(chǔ)學(xué)科發(fā)展起來的一門綜合性新型學(xué)科。技術(shù)發(fā)展的需要對21 世紀(jì)的數(shù)控技術(shù)提出了更高的要求。

一、個性化的發(fā)展趨勢

1.高速化、高精度化、高可靠性

高速化：提高進(jìn)給速度與提高主軸轉(zhuǎn)速。

高精度化：其精度從微米級到亞微米級，乃至納米級(高可靠性：一般數(shù)控系統(tǒng)的可靠性要高于數(shù)控設(shè)備的可靠性在一個數(shù)量級以上，但也不是可靠性越高越好，因為商品受性能價格比的約束。

2.復(fù)合化

數(shù)控機床的功能復(fù)合化的發(fā)展，其核心是在一臺機床上要完成車、銑、鉆、攻絲、絞孔和擴孔等多種操作工序，從而提高了機床的效率和加工精度，提高生產(chǎn)的柔性。

3.智能化

智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化；為提高驅(qū)動性能及使用連接方便等方面的智能化；簡化編程、簡化操作方面的智能化；還有如智能化的自動編程、智能化的人機界面等，以及智能診斷、智能監(jiān)控等方面的內(nèi)容，方便系統(tǒng)的診斷及維修。

4.柔性化、集成化

當(dāng)今世界上的數(shù)控機床向柔性自動化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是：從點(數(shù)控單機、加工中心和數(shù)控復(fù)合加工機床)、線（FMC、FMS、FTL、FML）向面(工段車間獨立制造島FA)、體（CIMS、分布式網(wǎng)絡(luò)集成制造系統(tǒng)）的方向發(fā)展，另一方面向注重應(yīng)用性和經(jīng)濟性方向發(fā)展。柔性自動化技術(shù)是制造業(yè)適應(yīng)動態(tài)市場需求及產(chǎn)品迅速更新的主要手段，是各國制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢，是先進(jìn)制造領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)。

二、個性化是市場適應(yīng)性發(fā)展趨勢

當(dāng)今的市場，國際合作的格局逐漸形成，產(chǎn)品競爭日趨激烈，高效率、高精度加工手段的需求在不斷升級，用戶的個性化要求日趨強烈，專業(yè)化、專用化、高科技的機床越來越得到用戶的青睞。

三、開放性是體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢

新一代數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)核心是開放性。開放性有軟件平臺和硬件平臺的開放式系統(tǒng)，采用模塊化，層次化的結(jié)構(gòu)，并通過形式向外提供統(tǒng)一的應(yīng)用程序接口。

為解決傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)封閉性和數(shù)控應(yīng)用軟件的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)存在的問題。目前許多國家對開放式數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行研究，數(shù)控系統(tǒng)開放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來之路。目前開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運行平臺、數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當(dāng)前研究的核心。網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年的一個新的焦點。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求，也是實現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎(chǔ)單元。國內(nèi)外一些著名數(shù)控機床和數(shù)控系統(tǒng)制造公司都在近兩年推出了相關(guān)的新概念和樣機。

第四篇：機電一體化典型實例

8機電一體化系統(tǒng)典型實例

8.1 機器人

8.1.1概述

機器人是能夠自動識別對象或其動作，根據(jù)識別，自動決定應(yīng)采取動作的自動化裝置。

它能模擬人的手、臂的部分動作，實現(xiàn)抓取、搬運工件或操縱工具等。它綜合了精密機械技

術(shù)、微電子技術(shù)、檢測傳感技術(shù)和自動控制技術(shù)等領(lǐng)域的最新成果，是具有發(fā)展前途的機電

一體化典型產(chǎn)品。機器人技術(shù)的應(yīng)用會越來越廣，將對人類的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生巨大的影響。

可以說，任何一個國家如不擁有一定數(shù)量和質(zhì)量的機器人，就不具備進(jìn)行國際競爭所必需的工業(yè)基礎(chǔ)。

機器人的發(fā)展大致經(jīng)過了三個階段。第一代機器人為示教再現(xiàn)型機器人，為了讓機器人

完成某項作業(yè)，首先由操作者將完成該作業(yè)所需的各種知識（如運動軌跡、作業(yè)條件、作業(yè)

順序、作業(yè)時間等）通過直接或間接的手段，對機器人進(jìn)行示教，機器人將這些知識記憶下

來，然后根據(jù)再現(xiàn)指令，在一定的精度范圍內(nèi)，忠實地重復(fù)再現(xiàn)各種被示教的動作。第二代

機器人通常是指具有某種智能（如觸覺、力覺、視覺等）的機器人，即由傳感器得到的觸覺、聽覺、視覺等信息經(jīng)計算機處理后，控制機器人完成相應(yīng)的操作。第三代機器人通常是指具

有高級智能的機器人，其特點是具有自學(xué)習(xí)和邏輯判斷能力，可以通過各類傳感器獲取信息，經(jīng)過思考做出決策，以完成更復(fù)雜的操作。

信息處理機

圖8-1機器人三要素 圖8-2生物空間

一般認(rèn)為機器人具備以下要素：思維系統(tǒng)（相當(dāng)于腦），工作系統(tǒng)（相當(dāng)于手），移動系

統(tǒng)（相當(dāng)于腳），非接觸傳感器（相當(dāng)于耳、鼻、目）和接觸傳感器（相當(dāng)于皮膚）（圖8-1）。

如果對機器人的能力評價標(biāo)準(zhǔn)與對生物能力的評價標(biāo)準(zhǔn)一樣，即從智能、機能和物理能三個

方面進(jìn)行評價，機器人能力與生物能力具有一定的相似性。圖8-2是以智能度、機能度和物

理能度三座標(biāo)表示的“生物空間”，這里，機能度是指變通性或通用性以及空間占有性等；物

理能度包括力、速度、連續(xù)運行能力、均一性、可靠性等；智能度則指感覺、知覺、記憶、運算邏輯、學(xué)習(xí)、鑒定、綜合判斷等。把這些概括起來可以說，機器人是具有生物空間三座

標(biāo)的三元機械。某些工程機械有移動性，占有空間不固定性，因而是二元機械。計算機等信

息處理機，除物理能之外，還有若干智能，因而也屬于二元機械。而一般機械都只有物理能，所以都是一元機械。

8.1.2機器人的組成及基本機能

機器人一般由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，檢測傳感系統(tǒng)和人工智能系統(tǒng)等組成，各系統(tǒng)功能如下所述。① 執(zhí)行系統(tǒng)。執(zhí)行系統(tǒng)是完成抓取工件（或工具）實現(xiàn)所需運動的機械部件，包括手部、119

腕部、臂部、機身以及行走機構(gòu)。

② 驅(qū)動系統(tǒng)。驅(qū)動系統(tǒng)的作用是向執(zhí)行機構(gòu)提供動力。隨驅(qū)動目標(biāo)的不同，驅(qū)動系統(tǒng)的傳動方式有液動、氣動、電動和機械式四種。

③ 控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)是機器人的指揮中心，它控制機器人按規(guī)定的程序運動?？刂葡到y(tǒng)可記憶各種指令信息（如動作順序，運動軌跡，運動速度及時間等），同時按指令信息向各執(zhí)行元件發(fā)出指令。必要時還可對機器人動作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動作有誤或發(fā)生故障時即發(fā)出警報信號。

④ 檢測傳感系統(tǒng)。它主要檢測機器人執(zhí)行系統(tǒng)的運動位置、狀態(tài)，并隨時將執(zhí)行系統(tǒng)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行系統(tǒng)以一定的精度達(dá)到設(shè)定的位置狀態(tài)。

⑤ 人工智能系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要賦予機器人自動識別、判斷和適應(yīng)性操作。8.1.4BJDP-1型機器人

該機器人是全電動式、五自由度、具有連續(xù)軌跡控制等功能的多關(guān)節(jié)型示教再現(xiàn)機器人，用于高噪聲，高粉塵等惡環(huán)境的噴砂作業(yè)。

該機器人的五個自由度，分別是立柱回轉(zhuǎn)（L）、大臂回轉(zhuǎn)（D）小臂回轉(zhuǎn)（X）、腕部俯仰（W1）和腕部轉(zhuǎn)動（W2），其機構(gòu)原理如圖8-3所示，機構(gòu)的傳動關(guān)系如圖8-4所示。R

2小臂

M2

諧波減速器R圖8-3機器人的結(jié)構(gòu)原理

圖8-4機器人機構(gòu)傳動關(guān)系

8.2視覺傳感式變量噴藥系統(tǒng)簡介

在農(nóng)業(yè)方面，近年來發(fā)達(dá)國家（如美國、英國）都投入大量資金進(jìn)行現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的開發(fā)。

先后開發(fā)出了精確變量播種機、精確變量施肥機以及精確變量噴藥機等。它們都是與機器人極為相似的自動化系統(tǒng)，是高新技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用。

視覺傳感變量噴藥系統(tǒng)，是以較少藥劑而有效控制雜草、提高產(chǎn)量、減少成本的一種自動化藥物噴撒機械。近年來，隨著雜草識別的視覺感知技術(shù)與變量噴藥控制等技術(shù)的成熟，這種視覺傳感式變量噴藥機械也趨于成熟。下面就以這種系統(tǒng)為例，對它的組成及工作原理作一簡要介紹。

（1）系統(tǒng)的組成一般地說，這種機器由圖像信息獲取系統(tǒng)、圖像信息處理系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)、變量噴撒系統(tǒng)等組成（圖8-5）。各子系統(tǒng)的主要功能如下所述。

① 圖像信息獲取系統(tǒng)。主要由彩色數(shù)碼像機（如PULNIX，TMC-7ZX等）和高速圖像數(shù)據(jù)采集卡（如CX100，IMAGENATION，INC等）組成。采集卡一般置于機載計算機中。

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② 圖像信息處理系統(tǒng)。是一種基于影像信息的提取算法，由計算機高級語言（如C++等）開發(fā)出的一種軟件系統(tǒng)。它能夠快速準(zhǔn)確地提取出影像數(shù)據(jù)中包含的人們所需的信息（如雜草密度，草葉數(shù)量，無作物間距區(qū)域面積等）。

③ 決策支持系統(tǒng)。也是由高級語言開發(fā)出的一種軟件系統(tǒng)。它能夠基于信息處理系統(tǒng)，把得到的有用信息與人們的決策要求作綜合判斷，最后作出所需的決策。

④ 變量噴撒系統(tǒng)。是基于視覺信息的控制器，由若干可調(diào)節(jié)噴藥流量與霧滴大小的變量噴頭組成。

⑤ 機器行走系統(tǒng)。有發(fā)動機、機身、車輪等組成（圖中省略）。

（2）工作原理

當(dāng)機器在田間行走時，置于機器上離地面具有一定高度的彩色數(shù)碼像機就會掃描一定大小的地面。一般彩色數(shù)碼像機可覆蓋2.44m ? 3.05m范圍分辨率可達(dá)到0.005m?0.005m。與此同時，高速圖像數(shù)據(jù)采集卡將彩色數(shù)碼像機獲取的信息存入計算機中。然后，由圖像信息處理系統(tǒng)快速地將地面雜草的密度、草葉數(shù)量、作物密度以及無植被區(qū)域面積等信息提取出來，并由決策支持系統(tǒng)調(diào)用這些信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到所需的行走速度、藥液流量和霧滴大小等的決策。這些決策被傳輸給藥滴大小控制器以及流量控制器，隨之它們就控制管路中的壓力和PWM脈寬調(diào)制變量噴頭。從而實現(xiàn)了精確變量噴藥。這樣一方面減少了藥量、降低了成本，另一方面保護(hù)作物、減少對環(huán)境的污染。據(jù)報道，與傳統(tǒng)的噴撒方法比較，變量噴藥系統(tǒng)在雜草高密區(qū)可節(jié)約藥液18 %，在雜草低密區(qū)可節(jié)約藥液17 %。

圖8-5精確變量噴藥系統(tǒng)

8.3數(shù)控機床

數(shù)控機床是由計算機控制的高效率自動化機床。它綜合應(yīng)用了電子計算機、自動控制、伺服驅(qū)動、精密測量和新型機械結(jié)構(gòu)等多方面的技術(shù)成果，是今后機床控制的發(fā)展方向。隨著數(shù)控技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)控機床在機械加工中的地位將越來越重要。8.3.1 數(shù)控機床的工作原理和組成(1)數(shù)控機床的工作原理

數(shù)控機床加工零件時，是將被加工零件的工藝過程、工藝參數(shù)等用數(shù)控語言編制成加工程序，這些程序是數(shù)控機床的工作指令。將加工程序輸入到數(shù)控裝置，再由數(shù)控裝置控制機

21床主運動的變速、起停，進(jìn)給運動的方向、速度和位移量，以及其它輔助裝置嚴(yán)格地按照加工程序規(guī)定的順序、軌跡和參數(shù)進(jìn)行工作，從而加工出符合要求的零件。為了提高加工精度，一般還裝有位置檢測反饋回路，這樣就構(gòu)成了閉環(huán)控制系統(tǒng)，其加工過程原理如圖8-6所示。

（2）數(shù)控機床的組成從工作原理可以看出，數(shù)控機床主要由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服檢測系統(tǒng)和機床本體等四部分組成，其組成框圖如圖8-7所示。

① 控制介質(zhì)。用于記載各種加工信息（如零件加工的工藝過程、工藝參數(shù)和位移數(shù)據(jù)等），以控制機床的運動，實現(xiàn)零件的機械加工。常用的控制介質(zhì)有磁帶、磁盤和光盤等。控制介質(zhì)上記載的加工

信息經(jīng)輸入裝置輸送

給數(shù)控裝置。常用的輸入裝置有磁盤驅(qū)動器和光盤驅(qū)動器等，對于用微處理機控制的數(shù)控機床，也用操作面板上的按鈕和鍵盤將加工程序直接用鍵盤輸入，并在CRT

顯示器顯示。② 數(shù)控裝置。數(shù)控裝置是數(shù)控機床的核心，它的功能是接受輸入裝置輸送給的加工信息，經(jīng)過數(shù)控裝置的系圖8-7 數(shù)控機床的組成 統(tǒng)軟件或電路進(jìn)行譯碼、運算和邏輯處理后，發(fā)出相應(yīng)的脈沖指令送給伺服系統(tǒng)，通過伺服系統(tǒng)控制機床的各個運動部件按規(guī)定要求動作。

③ 伺服系統(tǒng)及位置檢測裝置。伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動電機和伺服驅(qū)動裝置組成，它是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分。由機床的執(zhí)行部件和機械傳動部件組成數(shù)控機床的進(jìn)給系統(tǒng)，它根據(jù)數(shù)控裝置發(fā)來的速度和位移指令控制執(zhí)行部件的進(jìn)給速度、方向和位移量。每個進(jìn)給運動的執(zhí)行部件都配有一套伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)有開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)之分，在閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，還需配有位置測量裝置，直接或間接測量執(zhí)行部件的實際位移量，④ 機床本體及機械部件。數(shù)控機床的本體及機械部件包括：主動運動部件、進(jìn)給運動執(zhí)行部件（如工作臺、刀架）、傳動部件和床身立柱等支承部件，此外還有冷卻，潤滑、轉(zhuǎn)位和夾緊等輔助裝置，對于加工中心類的數(shù)控機床，還有存放刀具的刀庫，交換刀具的機械手等部件。

8.4計算機集成制造系統(tǒng)

近年來世界各國都在大力開展計算機集成制造系統(tǒng)CIMS（ComputerIntergratedManufacturingSystem）方面的研究工作。CIMS是計算機技術(shù)和機械制造業(yè)相結(jié)合的產(chǎn)物，是機械制造業(yè)的一次技術(shù)革命。

(1)CIMS的結(jié)構(gòu)

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，機械工業(yè)自動化已逐步從過去的大批量生產(chǎn)方式向高效率、低成本的多品種、小批量自動化生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變。CIMS就是為了實現(xiàn)機械工廠的全盤自動化和無人化而提出來的。其基本思想就是按系統(tǒng)工程的觀點將整個工廠組成一個系統(tǒng)，用計算機對

2產(chǎn)品的初始構(gòu)思和設(shè)計直至最終的裝配和檢驗的全過程實現(xiàn)管理和控制。對于CIMS，只需輸入所需產(chǎn)品的有關(guān)市場及設(shè)計的信息和原材料，就可以輸出經(jīng)過檢驗的合格產(chǎn)品。它是一種以計算機為基礎(chǔ)，將企業(yè)全部生產(chǎn)活動的各個環(huán)節(jié)與各種自動化系統(tǒng)有機地聯(lián)系起來，借以獲得最佳經(jīng)濟效果的生產(chǎn)經(jīng)營系統(tǒng)。它利用計算機將獨立發(fā)展起來的計算機輔助設(shè)計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、柔性制造系統(tǒng)（FMS），管理信息系統(tǒng)（MIS）以及決策支持系統(tǒng)（DSS）綜合為一個有機的整體，從而實現(xiàn)產(chǎn)品訂貨、設(shè)計、制造、管理和銷售過程的自動化。它是一種把工程設(shè)計、生產(chǎn)制造、市場分析以及其它支持功能合理地組織起來的計算機集成系統(tǒng)。CIMS是在柔性制造技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)和系統(tǒng)科學(xué)的基礎(chǔ)上，將制造工廠經(jīng)營活動所需的各種自動化系統(tǒng)有機地集成起來，使其能適應(yīng)市場變化和多品種、小批量生產(chǎn)要求的高效益、高柔性的智能生產(chǎn)系統(tǒng)。

由此可見，計算機集成制造系統(tǒng)是在新的生產(chǎn)組織原理和概念指導(dǎo)下形成的生產(chǎn)實體，它不僅是現(xiàn)有生產(chǎn)模式的計算機化和自動化，而且是在更高水平上創(chuàng)造的一種新的生產(chǎn)模式。從機械加工自動化及自動化技術(shù)本身的發(fā)展看，智能化和綜合化是未來的主要特征，也是CIMS最主要的技術(shù)特征。智能化體現(xiàn)了自動化深度，即不僅涉及物質(zhì)流控制的傳統(tǒng)體力勞動自動化，還包括了信息流控制的腦力勞動自動化；而綜合化反映了自動化的廣度，它把系統(tǒng)空間擴展到市場、設(shè)計、制造、檢驗、銷售及用戶服務(wù)等全部過程。

CIMS系統(tǒng)構(gòu)成的原則，是按照在制造工廠形成最終產(chǎn)品所必需的功能劃分系統(tǒng)，如設(shè)計管理、制造管理等子系統(tǒng)，它們分別處理設(shè)計信息與管理信息，各子系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)，并且具有相對的獨立性。因此，從大的結(jié)構(gòu)來講，CIMS系統(tǒng)可看成是由經(jīng)營決策管理系統(tǒng)、計算機輔助設(shè)計與制造系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)等組成的（圖8-8）。經(jīng)營決策管理系統(tǒng)完成企業(yè)經(jīng)營管理，如市場分析預(yù)測、風(fēng)險決策、長期發(fā)展規(guī)劃、生產(chǎn)計劃與調(diào)度、企業(yè)內(nèi)部信息流的協(xié)調(diào)

圖8-8 CIMS主要結(jié)構(gòu)框圖

與控制等；計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)完成產(chǎn)品及零部件的設(shè)計、自動編程、機器人程序設(shè)計、工程分析、輸出圖紙和材料清單等；計算機輔助制造系統(tǒng)則完成工藝過程設(shè)計、自動編程、機器人程序設(shè)計等；柔性制造系統(tǒng)完成物料加工制造的全過程，實現(xiàn)信息流和物料流的統(tǒng)一管理，如將CIMS的系統(tǒng)功能細(xì)化，可得到如圖8-9所示的框圖。

（2）CIMS的主要技術(shù)關(guān)鍵

CIMS是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，它適用于多品種、中小批量的高效益、高柔性的智能化生產(chǎn)與制造。它是由很多子系統(tǒng)組成的，而這些子系統(tǒng)本身又都是具有相當(dāng)規(guī)模的復(fù)雜系統(tǒng)。雖然世界上很多發(fā)達(dá)國家已投入大量資金和人力研究它，但仍存在不少技術(shù)問題有待進(jìn)一步探索和解決。歸納起來，大致有以下五個方面。

① CIMS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計。這是系統(tǒng)集成的理論基礎(chǔ)及工具。如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組織學(xué)和多級遞階決策理論、離散事件動態(tài)系統(tǒng)理論、建模技術(shù)與仿真、系統(tǒng)可靠性理論與容錯控制以及面向目標(biāo)的系統(tǒng)設(shè)計方法等。

3② 支持集成制造系統(tǒng)的分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)及系統(tǒng)應(yīng)用支撐軟件。其中包括支持CAD／CAPP/CAM集成的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，支持分布式多級生產(chǎn)管理調(diào)度的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，分布式數(shù)據(jù)系統(tǒng)與實時在線遞階控制系統(tǒng)的綜合與集成。

③ 工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)。CIMS系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的互連是通過工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的，因此必然要涉及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)通信的協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)的互連與通信、網(wǎng)絡(luò)的可靠性與安全性等問題的研究，甚至進(jìn)一步還可能需要對支持?jǐn)?shù)據(jù)、語言、圖像信息傳輸?shù)膶拵ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行探討。

④ 自動化制造技術(shù)與設(shè)備。這是實現(xiàn)CIMS的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)，其中包括自動化制造設(shè)備FMS、自動化物料輸送系統(tǒng)、移動機器人及裝配機器人、自動化倉庫以及在線檢測及質(zhì)量保障等技術(shù)。

⑤ 軟件開發(fā)環(huán)境。良好的軟件開發(fā)環(huán)境是系統(tǒng)開發(fā)和研究的保證。這里涉及面向用戶的圖形軟件系統(tǒng)、適用于CIMS分析設(shè)計的仿真軟件系統(tǒng)、CAD直接檢查軟件系統(tǒng)以及面向制造控制與規(guī)劃開發(fā)的專家系統(tǒng)。

綜上所述，涉及CIMS的技術(shù)關(guān)鍵很多，制定和開發(fā)計算機集成制造系統(tǒng)是一項重要而艱巨的任務(wù)。而對計算機集成制造系統(tǒng)的投資則更是一項長遠(yuǎn)的戰(zhàn)略決策。一旦取得突破，CIMS技術(shù)必將深刻地影響企業(yè)的組織結(jié)構(gòu)，使機械制造工業(yè)產(chǎn)生一次巨大飛躍。

圖 8-9CIMS 系統(tǒng)框圖

124

第五篇：新機電一體化典型實例

機電一體化系統(tǒng)典型實例

8.4 計算機集成制造系統(tǒng)

近年來世界各國都在大力開展計算機集成制造系統(tǒng)CIMS（ComputerIntergratedManufacturingSystem）方面的研究工作。CIMS是計算機技術(shù)和機械制造業(yè)相結(jié)合的產(chǎn)物，是機械制造業(yè)的一次技術(shù)革命。

(1)CIMS的結(jié)構(gòu)

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，機械工業(yè)自動化已逐步從過去的大批量生產(chǎn)方式向高效率、低成本的多品種、小批量自動化生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變。CIMS就是為了實現(xiàn)機械工廠的全盤自動化和無人化而提出來的。其基本思想就是按系統(tǒng)工程的觀點將整個工廠組成一個系統(tǒng)，用計算機對產(chǎn)品的初始構(gòu)思和設(shè)計直至最終的裝配和檢驗的全過程實現(xiàn)管理和控制。對于CIMS，只需輸入所需產(chǎn)品的有關(guān)市場及設(shè)計的信息和原材料，就可以輸出經(jīng)過檢驗的合格產(chǎn)品。它是一種以計算機為基礎(chǔ)，將企業(yè)全部生產(chǎn)活動的各個環(huán)節(jié)與各種自動化系統(tǒng)有機地聯(lián)系起來，借以獲得最佳經(jīng)濟效果的生產(chǎn)經(jīng)營系統(tǒng)。它利用計算機將獨立發(fā)展起來的計算機輔助設(shè)計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、柔性制造系統(tǒng)（FMS），管理信息系統(tǒng)（MIS）以及決策支持系統(tǒng)（DSS）綜合為一個有機的整體，從而實現(xiàn)產(chǎn)品訂貨、設(shè)計、制造、管理和銷售過程的自動化。它是一種把工程設(shè)計、生產(chǎn)制造、市場分析以及其它支持功能合理地組織起來的計算機集成系統(tǒng)。CIMS是在柔性制造技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)和系統(tǒng)科學(xué)的基礎(chǔ)上，將制造工廠經(jīng)營活動所需的各種自動化系統(tǒng)有機地集成起來，使其能適應(yīng)市場變化和多品種、小批量生產(chǎn)要求的高效益、高柔性的智能生產(chǎn)系統(tǒng)。

由此可見，計算機集成制造系統(tǒng)是在新的生產(chǎn)組織原理和概念指導(dǎo)下形成的生產(chǎn)實體，它不僅是現(xiàn)有生產(chǎn)模式的計算機化和自動化，而且是在更高水平上創(chuàng)造的一種新的生產(chǎn)模式。

從機械加工自動化及自動化技術(shù)本身的發(fā)展看，智能化和綜合化是未來的主要特征，也是CIMS最主要的技術(shù)特征。智能化體現(xiàn)了自動化深度，即不僅涉及物質(zhì)流控制的傳統(tǒng)體力勞動自動化，還包括了信息流控制的腦力勞動自動化；而綜合化反映了自動化的廣度，它把系統(tǒng)空間擴展到市場、設(shè)計、制造、檢驗、銷售及用戶服務(wù)等全部過程。

CIMS系統(tǒng)構(gòu)成的原則，是按照在制造工廠形成最終產(chǎn)品所必需的功能劃分系統(tǒng)，如設(shè)計管理、制造管理等子系統(tǒng)，它們分別處理設(shè)計信息與管理信息，各子系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)，并且具有相對的獨立性。因此，從大的結(jié)構(gòu)來講，CIMS系統(tǒng)可看成是由經(jīng)營決策管理系統(tǒng)、計算機輔助設(shè)計與制造系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)等組成的（圖8-8）。經(jīng)營決策管理系統(tǒng)完成企業(yè)經(jīng)營管理，如市場分析預(yù)測、風(fēng)險決策、圖8-8 CIMS主要結(jié)構(gòu)框圖 長期發(fā)展規(guī)劃、生

產(chǎn)

計劃與調(diào)度、企業(yè)內(nèi)部信息流的協(xié)調(diào)

與控制等；計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)完成產(chǎn)品及零部件的設(shè)計、自動編程、機器人程序設(shè)計、工程分析、輸出圖紙和材料清單等；計算機輔助制造系統(tǒng)則完成工藝過程設(shè)計、自動編程、機器人程序設(shè)計等；柔性制造系統(tǒng)完成物料加工制造的全過程，實現(xiàn)信息流和物料流的統(tǒng)一管理，如將CIMS的系統(tǒng)功能細(xì)化，可得到如圖8-9所示的框圖。

（2）CIMS的主要技術(shù)關(guān)鍵

CIMS是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，它適用于多品種、中小批量的高效益、高柔性的智能化生產(chǎn)與制造。它是由很多子系統(tǒng)組成的，而這些子系統(tǒng)本身又都是具有相當(dāng)規(guī)模的復(fù)雜系統(tǒng)。雖然世界上很多發(fā)達(dá)國家已投入大量資金和人力研究它，但仍存在不少技術(shù)問題有待進(jìn)一步探索和解決。歸納起來，大致有以下五個方面。

① CIMS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計。這是系統(tǒng)集成的理論基礎(chǔ)及工具。如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組織學(xué)和多級遞階決策理論、離散事件動態(tài)系統(tǒng)理論、建模技術(shù)與仿真、系統(tǒng)可靠性理論與容錯控制以及面向目標(biāo)的系統(tǒng)設(shè)計方法等。

② 支持集成制造系統(tǒng)的分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)及系統(tǒng)應(yīng)用支撐軟件。其中包括支持CAD／CAPP/CAM集成的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，支持分布式多級生產(chǎn)管理調(diào)度的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，分布式數(shù)據(jù)系統(tǒng)與實時在線遞階控制系統(tǒng)的綜合與集成。

③ 工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)。CIMS系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的互連是通過工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)實

圖 8-9CIMS 系統(tǒng)框圖

現(xiàn)的，因此必然要涉及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)通信的協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)的互連與通信、網(wǎng)絡(luò)的可靠性與安全性等問題的研究，甚至進(jìn)一步還可能需要對支持?jǐn)?shù)據(jù)、語言、圖像信息傳輸?shù)膶拵ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行探討。

④ 自動化制造技術(shù)與設(shè)備。這是實現(xiàn)CIMS的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)，其中包括自動化制造設(shè)備FMS、自動化物料輸送系統(tǒng)、移動機器人及裝配機器人、自動化倉庫以及在線檢測及質(zhì)量保障等技術(shù)。

⑤ 軟件開發(fā)環(huán)境。良好的軟件開發(fā)環(huán)境是系統(tǒng)開發(fā)和研究的保證。這里涉及面向用戶的圖形軟件系統(tǒng)、適用于CIMS分析設(shè)計的仿真軟件系統(tǒng)、CAD直接檢查軟件系統(tǒng)以及面向制造控制與規(guī)劃開發(fā)的專家系統(tǒng)。

綜上所述，涉及CIMS的技術(shù)關(guān)鍵很多，制定和開發(fā)計算機集成制造系統(tǒng)是一項重要而艱巨的任務(wù)。而對計算機集成制造系統(tǒng)的投資則更是一項長遠(yuǎn)的戰(zhàn)略決策。一旦取得突破，CIMS技術(shù)必將深刻地影響企業(yè)的組織結(jié)構(gòu)，使機械制造工業(yè)產(chǎn)生一次巨大飛躍。