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机电一体化及专业课程设置

更新时间:2010-7-22:  来源:毕业论文

机电一体化及专业课程设置
本文阐述了机电一体化的基本概念,分析了机电一体化的结构要素和技术基础,介绍了机电一体化所涉及的诸多学科领域,并在此基础上提出了中高职“3+2”五年一贯制机电一体化专业在中等职业学校的课程设置方案。

  [关键词]机电一体化 结构要素 技术基础 课程设置

  随着科学技术的不断发展,特别是微电子技术、计算机技术的迅速发展,促进了各学科多种技术间的有机结合,从而产生了许多综合性的边缘学科。机电一体化正是微电子技术、计算机技术等向机电技术不断渗透的产物,是机电工业发展的必然趋势。

  从机电技术发展的情况看,不论是生产制造系统还是试验和研究装置及各类终端产品,电子技术取代了许多机械本身的主要功能,电子元件代替了许多机械式的信息处理机构和控制机构,同时采用微电子技术增加了许多控制功能,如采用可编程序控制器代替原来的继电器——接触器控制电路,在空调机、洗衣机等家电产品中逐步采用交流变频调速系统、模糊技术等,及利用CPU控制伺服系统等等。所以我们学习、研究、传授电子电工技术,如果还停留在原有的单一的学科领域内,必然会导致知识结构的狭窄,从而不能满足技术进步带来的对人才的需求。

  笔者认为,电子电工专业的发展方向是机电一体化。

  何为机电一体化?机电一体化所包含的学科范畴,它的技术基础和结构要素是什么?我们中等职业学校机电一体化专业应涵盖那些学科领域,开设那些课程?这正是本文所要研究和阐述的内容。

  1、机电一体化的基本概念

  “机电一体化”这个名词出现于20世纪70年代,日本从1971年开始提出了“mechatronics”这个英语合成名词,其中词首mecha表示mechanics(机械学),词尾tronics表示electronics(电子学)。我国通常译为机电一体化或机械电子学。关于这个名词,如果从现代机械产品或技术角度上看,日本机械振兴协会经济研究所于1981年3月在“日本机械工业的存在条件(Ⅱ)——机械工业和电子化”报告中提出的定义体现了机电一体化产品及其技术的基本内容和特征,即“机电一体化这个词乃是在机械主功能、动力动能、信息处理与控制功能上引进了电子技术,并将机械装置与电子设备以及软件等有机结合起来而构成系统的总称”。

  “机电一体化”包含有两个含义:“机电一体化技术”和“机电一体化产品”。毫无疑问,机电一体化技术是微电技术、计算机技术、信息技术与机械技术相结合而产生的新的思想方法和技术手段,它不是简单的叠加,而是在信息论、控制论和系统论基础上建立起来的应用技术。例如机器中的精密定位,在机械技术中只能通过提高齿轮和丝杆螺母等传动机构的加工和安装精度来实现,其实际定位精度则利用传感器进行检测。定位精度的提高,受到机械传动机构精度的限制。采用机电一体化技术,就可利用传感器对定位过程和定位误差进行动态检测,把这个信息反馈到具有信息处理功能的控制器,再利用控制手段对定位误差进行“修正”或“外偿”,从而达到提高定位精度的目的。

  机电一体化技术用于传统的机械产品上就变成了机电一体化的产品。机电一体化产品既不同于传统的机械产品,也不同于普通的电子产品,它是机械与微电子器件,特别是与微处理器或微机相结合而开发出来的新一代机电一体化产品。随着科学技术的发展,机电一体化的“机”目前正扩大到电机、电器、仪表、乐器……,如交流变频调速。“电”也扩大到了光,如红外、激光。而且机电一体化的概念并非局限于某一产品的狭窄范围,如数控机床,机器人等,现已扩大到柔性制造系统(FMS)、计算机辅助设计/制造系统(CAD/CAM)及计算机集成制造系统(CIMS)。

  现将机电一体化技术与机电一体化产品进行展开,如图1。

  机 电 一 体 化

  

  微电子技术 主体技术 信息技术

  采 信 运 数 精 电 仪 系 数 诊 优

  样 息 算 模 密 气 器 统 学 断 化

  记 交 处 控 机 传 仪 识 建 分 决

  忆 换 理 制 械 动 表 别 模 析 策

  

  信 息 库 常规控制 知 识 库

  

  组 合 技 术

  (控制论、信息论、系统论的理论与方法)

  

  产品化 及 商品化

  

  装置型 人机工程 系统型

  仿生工程

  

  加工中心 工业机器人 综合自动化

  数控专用设备 大型成套设备

  

  生产过程控制与管理

  (信息流优化处理,物质流最佳控制)

  图1 机电一体化技术与产品展开图

  所以,机电一体化是在大规模集成电路和微型计算机为代表的微电子技术高度发展,向传统机械工业领域迅速渗透,机械电子技术深度结合的现代工业基础上,综合应用机械技术、微电子技术、自动控制技术、信息技术、传感测试技术、电力电子技术、接口技术、信号变换技术以及软件编程技术等群体技术,根据系统功能目标和优化组织结构目标,合理配置布局机械本体、执行机构、动力驱动单元、传感测试元件、控制元件、微电子信息接收、分析、加工、处理、生产、传输单元和线路以及衔接接口元件等硬件元素,并使之在软件程序和微电子电路逻辑的有目的的信息流向导引下,相互协调、有机融合和集成,形成物质和能量的有序规则运动,在高功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值的系统工程技术。由此而产生的功能系统则成为一个以微电子技术为主导的现代高新技术支持下的机电一体化系统或机电一体化产品。

  2、机电一体化的结构要素

  机电一体化的结构要素很多,但归纳起来,有五大要素是必需的,如图二所示,这是与人体的五大要素进行对比,而从中得到启发的。

  内脏 动力

  

  五官 头脑 四肢 检测 控制 动作

  

  肌、筋、腱、骨骼 构造

  图2—1 人体的五大要素 图2—2 人体五大要素的功能

  动力 运转

  

  传感器 计算机 执行机构 检测 控制 驱动

  

  机械机构 结构

  图2—3机电一体化系统的五大要素 图2—4机电一体化的五大功能

  机电一体化的动力部分,就像人体内脏产生能量去维持生命运动一样,为系统提供能量和动力功能,去驱动执行机构,使系统正常运转。

  传感部分,仿佛是人的五官将检测到的信息传递给大脑,再由大脑作出相应的反应一样,其功能就是将系统运行中所需要的各种参数及状况检测出来,变成一种可以测定的物理量,传递到信息处理部分,经过处理后根据需要作出“反应”。

  驱动部分,就像人体的肌、筋、腱、骨骼接受大脑指挥去驱动四肢运动一样,在控制部分的指挥下,去驱动各执行机构完成各种动作和功能。

  执行部分如同人的四肢由大脑指挥去完成每项任务和工作一样,当接到信息处理部分发出的指令后,便去执行指令所要求的功能和动作。

  控制和信息处理部分犹如人的大脑指挥和控制全身运动并能记忆、思考和判断问题那样,将来自各传感器的检测信息集中、储存并进行处理,然后按照一定的程序和节奏发出各种指令去指挥和控制整个系统的运行。

  3、机电一体化的技术基础

  3.1机械技术

  机械技术是机电一体化的基础,它对系统的结构、重量、体积、刚性与耐用性等有着重要的影响,机械结构的合理性与控制的复杂程度有直接关系,从而也影响了系统的性能和可靠性。机械技术的着眼点在于如何与机电一体化技术相适应,利用其他高新技术来更新概念,实现结构上、材料上、性能上的变更,满足减少重量、减少体积、提高精度、提高刚性、改善性能的要求。

  3.2计算机与信息处理技术

  信息处理技术包括信息的输入、交换、运算、存储和输出技术。信息处理的硬件应包括有输入/输出设备、显示器、硬盘、计算机、可编程序控制器和数控装置等。信息处理的能力和水平(正确性、及时性),直接影响机电一体化的质量和效率,因而成为机电一体化的关键技术。

  在信息交换、存取、运算、判断和决策中,处理工具是计算机,因此信息处理技术和计算机技术是密切相关的。计算机技术包括硬件技术、软件技术、网络与通讯技术、数据库技术等。

  3.3系统技术

  系统技术就是以整体的概念组织应用各种相关技术,从全局角度和系统目标出发,将总体分解成相互有联系的若干功能单元,以功能单元为子系统进行再次分解,或成为功能更单一、更具体的子功能单元。这些子功能单元同样可以继续逐层分解,直到能够找出一个可以实现的技术方案。

  在系统技术中,接口技术是一个重要方面,它是实现系统各部分有机连接的保证。接口包括电气接口,实现系统间电气信号连接;机械接口,完成机械间的连接;人——机接口,提供人与机电一体化系统间的交互界面等等。

  3.4自动控制技术

  在机电一体化系统中,自动控制包括高精度定位控制、速度控制、自适应、自诊断、校正、补偿、再现、检索等。由于微机的广泛应用,自动控制技术越来越多地与计算机技术联系在一起,成为机电一体化中十分重要的关键技术。 毕业论文http://www.lwfree.cn

  3.5传感与检测技术

  传感与检测装置与信息系统输入端相联并将检测到的信号输送到信息处理部分。传感与检测是实现自动控制的关键环节,它的功能越强,系统的自动化程度就越高。在传感与检测技术中,要求传感器及其放大处理电路能快速、精确地获取信息,并能经受各种工种中的严酷环境的考验。传感与检测技术不仅是发展机电一体化技术的关键,而且对现有技术的改造也具有重要意义。

  3.6伺服传动技术

  伺服传动包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置,由微型计算机通过接口与这些传动装置相连接,控制它的运动,并带动工作机械做回转、直线或其他各种复杂的运动。因此,伺服传动是实现电信号到机械动作转换的转换装置与部件,对系统的动态性能、控制质量和功能具有决定性的影响。伺服传动技术的发展,为机电一体化提供了小型号、大功率、高精度、使用简便的操作执行部件,极大地推进了机电一体化技术的发展。

  4、机电一体化的学科领域

  机电一体化技术是一门跨学科的综合性边缘科学,是由近年来蓬勃发展的微电子技术、计算机科学、机械工程和电力电子技术互相渗透而成的一门新兴学科,是在信息论、控制论和系统论基础上建立起来的应用技术,它所联系的主要学科领域如图3所示。

  机 械 学 电 子 学

  机 械 动态系 机 微处理机及 电机、电器及

  设 计 统分析 电 常规仪器仪表 电力、电子学

  一

  体

  控 制 论 化 计算机科学

  经典 数字 现代 软 件 微处理机

  控制 控制 控制 工 程 系统设计

  图3 机电一体化所联系的主要学科

  从图3可知,支撑“机电一体化”这门学科的有:1)机械学。2)控制论。3)电子学。4)计算机科学。这四大基础学科中又可细分为九大组成部分。图3中的机械设计、动态系统分析、电机、电器及电力、电子学是传统机械学和电子学的学科范围,其它则是适应机电一体化需要而开拓的部分。在控制论学科中,从经典的反馈控制,经过数字控制,发展为以状态参量为基础的多变量自适应控制、模式认别、系统仿真、人工智能等新技术所形成的现代控制。在电子学学科中,包括了传统的强电与弱电两个领域,也包括了电子学学科的新发展如微处理机等。在计算机学科中,软件工程包括系统软件与应用软件两个方面;系统软件是计算机本身的操作系统、编译系统等的总称;应用软件则是CNC、DNC、CAD、CAM、CAT、FMS以及计算机辅助管理等方面的技术基础;微处理机系统设计应包括两个方面,一方面是定型机种的系统开发,另一方面是专用微处理机与集成电路的设计与组装,它对于设计和制造机电一体化产品至关重要无。

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