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1、機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展前景 摘要:機(jī)電一體化是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果,是一種復(fù)合技術(shù),是機(jī)械技術(shù)與微電子技術(shù)、信息技術(shù)互相滲透的產(chǎn)物,是機(jī)電工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。文章簡述了機(jī)電一體化技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)組成和主要應(yīng)用領(lǐng)域,并指出其發(fā)展趨勢(shì)。 關(guān)鍵詞:機(jī)械工業(yè);機(jī)電一體化;數(shù)控;模塊化 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展極大地推動(dòng)了不同學(xué)科的交叉與滲透,引起了工程領(lǐng)域的技術(shù)改造與革命。 機(jī)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)的不但發(fā)展，還將被賦予新的內(nèi)容。但其基本特征可概括為：機(jī)電一體化是從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，綜合運(yùn)用機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、自

2、動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、傳感測(cè)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(shí)現(xiàn)特定功能價(jià)值，并使整個(gè)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(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)或機(jī)電一體化產(chǎn)品。我國是從20世紀(jì)80年代初才開始在這方面研究和應(yīng)用。國務(wù)院成立了機(jī)電一體化領(lǐng)導(dǎo)小組并將該技術(shù)列為“863計(jì)劃”中。在制定“九五”規(guī)劃和2010年發(fā)展綱要時(shí)充分考慮了國際上關(guān)于機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向. 機(jī)電一體化是集機(jī)械、電子、光學(xué)、控制、計(jì)算機(jī)、信息等多學(xué)科的

3、交叉綜合，它的發(fā)展和進(jìn)步依賴并促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。 一、機(jī)電一體化的核心技術(shù) 機(jī)電一體化是指在機(jī)構(gòu)的主功能，動(dòng)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(jī)械裝置與電子化設(shè)計(jì)及軟件結(jié)合起來所構(gòu)成的系統(tǒng)的總稱。機(jī)電一體化包括軟件和硬件兩方面技術(shù)。硬件是由機(jī)械本體、傳感器、信息處理單元和驅(qū)動(dòng)單元等部分組成。 (一)機(jī)械本體技術(shù) 機(jī)械本體必須從改善性能、減輕質(zhì)量和提高精度等幾方面考慮?，F(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品一般都是以鋼鐵材料為主,為了減輕質(zhì)量除了在結(jié)構(gòu)上加以改進(jìn),還應(yīng)考慮利用非金屬復(fù)合材料。只有機(jī)械本體減輕了重量,才有可能實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的小型化,進(jìn)而在控制方面改善快速響應(yīng)特

4、性,減少能量消耗,提高效率。 (二)傳感技術(shù) 傳感器的問題集中在提高可靠性、靈敏度和精確度方面,提高可靠性與防干擾有著直接的關(guān)系。為了避免電干擾,目前有采用光纖電纜傳感器的趨勢(shì)。對(duì)外部信息傳感器來說,目前主要發(fā)展非接觸型檢測(cè)技術(shù)。 (三)信息處理技術(shù) 機(jī)電一體化與微電子學(xué)的顯著進(jìn)步、信息處理設(shè)備(特別是微型計(jì)算機(jī))的普及應(yīng)用緊密相連。為進(jìn)一步發(fā)展機(jī)電一體化,必須提高信息處理設(shè)備的可靠性,包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備的可靠性和分時(shí)處理的輸入輸出的可靠性,進(jìn)而提高處理速度,并解決抗干擾及標(biāo)準(zhǔn)化問題。 (四)驅(qū)動(dòng)技術(shù) 電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)已被廣泛采用,但在快速響應(yīng)和效率等方面還

5、存在一些問題。目前,正在積極發(fā)展內(nèi)部裝有編碼器的電機(jī)以及控制專用組件-傳感器-電機(jī)三位一體的伺服驅(qū)動(dòng)單元。 (五)接口技術(shù) 為了與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信,必須使數(shù)據(jù)傳遞的格式標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)格化。接口采用同一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格不僅有利于信息傳遞和維修,而且可以簡化設(shè)計(jì)。目前,技術(shù)人員正致力于開發(fā)低成本、高速串行的接口,來解決信號(hào)電纜非接觸化、光導(dǎo)纖維以及光藕器的大容量化、小型化、標(biāo)準(zhǔn)化等問題。 (六)軟件技術(shù) 軟件與硬件必須協(xié)調(diào)一致地發(fā)展。為了減少軟件的研制成本,提高生產(chǎn)維修的效率,要逐步推行軟件標(biāo)準(zhǔn)化,包括程序標(biāo)準(zhǔn)化、程序模塊化、軟件程序的固化、推行軟件工程等。 二、機(jī)電一體化技

6、術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域 (一)數(shù)控機(jī)床 數(shù)控機(jī)床及相應(yīng)的數(shù)控技術(shù)經(jīng)過40年的發(fā)展,在結(jié)構(gòu)、功能、操作和控制精度上都有迅速提高,具體表現(xiàn)在: 1、總線式、模塊化、緊湊型的結(jié)構(gòu),即采用多C PU、多主總線的體系結(jié)構(gòu)。 2、開放性設(shè)計(jì),即硬件體系結(jié)構(gòu)和功能模塊具有層次性、兼容性、符合接口標(biāo)準(zhǔn),能最大限度地提高用戶的使用效益。 3、W O P技術(shù)和智能化。系統(tǒng)能提供面向車間的編程技術(shù)和實(shí)現(xiàn)二、三維加工過程的動(dòng)態(tài)仿真,并引入在線診斷、模糊控制等智能機(jī)制。 4、大容量存儲(chǔ)器的應(yīng)用和軟件的模塊化設(shè)計(jì),不僅豐富了數(shù)控功能,同時(shí)也加強(qiáng)了C N C系統(tǒng)的控制功能。

7、 5、能實(shí)現(xiàn)多過程、多通道控制,即具有一臺(tái)機(jī)床同時(shí)完成多個(gè)獨(dú)立加工任務(wù)或控制多臺(tái)和多種機(jī)床的能力,并將刀具破損檢測(cè)、物料搬運(yùn)、機(jī)械手等控制都集成到系統(tǒng)中去。 6、系統(tǒng)的多級(jí)網(wǎng)絡(luò)功能,加強(qiáng)了系統(tǒng)組合及構(gòu)成復(fù)雜加工系統(tǒng)的能力。 7、以單板、單片機(jī)作為控制機(jī),加上專用芯片及模板組成結(jié)構(gòu)緊湊的數(shù)控裝置。 (二)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS) C IM S的實(shí)現(xiàn)不是現(xiàn)有各分散系統(tǒng)的簡單組合,而是全局動(dòng)態(tài)最優(yōu)綜合。它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(shí)現(xiàn)從經(jīng)營決策、產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)準(zhǔn)備、生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)到生 產(chǎn)經(jīng)營管理的有機(jī)結(jié)合。企業(yè)集成度的提

8、高可以使各種生產(chǎn)要素之間的配置得到更好的優(yōu)化,各種生產(chǎn)要素的潛力可以得到更大的發(fā)揮。 (三)柔性制造系統(tǒng)(FMS) 柔性制造系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)化的制造系統(tǒng),主要由計(jì)算機(jī)、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、料盤、自動(dòng)搬運(yùn)小車和自動(dòng)化倉庫等組成。它可以隨機(jī)地、實(shí)時(shí)地、按量地按照裝配部門的要求,生產(chǎn)其能力范圍內(nèi)的任何工件,特別適于多品種、中小批量、設(shè)計(jì)更改頻繁的離散零件的批量生產(chǎn)。 (四)工業(yè)機(jī)器人 第1代機(jī)器人亦稱示教再現(xiàn)機(jī)器人, 它們只能根據(jù)示教進(jìn)行重復(fù)運(yùn)動(dòng),對(duì)工作環(huán)境和作業(yè)對(duì)象的變化缺乏適應(yīng)性和靈活 性;第2代機(jī)器人帶有各種先進(jìn)的傳感元件,能獲取作業(yè)環(huán)境和操作對(duì)象的簡單信 息,通過計(jì)算

9、機(jī)處理、分析,做出一定的判斷,對(duì)動(dòng)作進(jìn)行反饋控制,表現(xiàn)出低級(jí)智 能,已開始走向?qū)嵱没?第3代機(jī)器人即智能機(jī)器人,具有多種感知功能,可進(jìn)行復(fù)雜的邏輯思維、判斷和決策,在作業(yè)環(huán)境中獨(dú)立行動(dòng),與第5代計(jì)算機(jī)關(guān)系密切。 三、機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展前景 縱觀國內(nèi)外機(jī)電一體化的發(fā)展現(xiàn)狀和高新技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向,機(jī)電一體化將朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展。 (一)智能化 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

10、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 (二)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)行任意的剪裁和組合,同時(shí)尋求實(shí)現(xiàn)多子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制和綜合管理。表現(xiàn)特征之二是通信功能大大加強(qiáng),一般除R S232等常用通信方式外,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程及多系統(tǒng)通信聯(lián)網(wǎng)需要的局部網(wǎng)絡(luò)正逐漸被采用。未

11、來的機(jī)電一體化更加注重產(chǎn)品與人的關(guān)系,如何賦予機(jī)電一體化產(chǎn)品以人的智能、情感、人性顯得越來越重要。機(jī)電一體化產(chǎn)品還可根據(jù)一些生物體優(yōu)良的構(gòu)造研究某種新型機(jī)體,使其向著生物系統(tǒng)化方向發(fā)展。 (三)微型化 微型化是機(jī)電一體化向微型機(jī)器和微觀領(lǐng)域發(fā)展的趨勢(shì)。國外稱其為微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS），泛指幾何尺寸不超過1cm3的機(jī)電一體化產(chǎn)品，并向微米、納米級(jí)發(fā)展。微機(jī)電一體化產(chǎn)品體積小、耗能少、運(yùn)動(dòng)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(shì)。微機(jī)電一體化發(fā)展的瓶頸在于微機(jī)械技術(shù)，微機(jī)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。 (四)模

12、塊化 模塊化也是機(jī)電一體化產(chǎn)品的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì),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、信息接口的機(jī)電一體化產(chǎn)品單元是一項(xiàng)復(fù)雜而重要的事,它需要制訂一系列標(biāo)準(zhǔn),以便各部件、單元的匹配和接口。機(jī)電一體化產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)可利用標(biāo)準(zhǔn)單元迅速開發(fā)新產(chǎn)品,同時(shí)也可以不斷擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。 (五)網(wǎng)絡(luò)化 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展對(duì)機(jī)電一體化有重大影響,使其朝著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。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(jī)電一體化產(chǎn)品?，F(xiàn)場(chǎng)總線和局域網(wǎng)技術(shù)是家用電器網(wǎng)絡(luò)化已成大勢(shì)，利用家庭網(wǎng)絡(luò)(ho

13、me net)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)(computer 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。 (六)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)境資源，回歸自然。綠色產(chǎn)品概念在這種呼聲下應(yīng)運(yùn)而生，綠色化是時(shí)代的趨勢(shì)。綠色產(chǎn)品在其設(shè)計(jì)、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(duì)生態(tài)環(huán)境無害或危害極少，資源利用率極高。設(shè)計(jì)綠色的機(jī)電一體化產(chǎn)品，具有遠(yuǎn)大的發(fā)展前途。機(jī)電一體化產(chǎn)品的綠色化主要是指，使用時(shí)不污染生態(tài)環(huán)境，報(bào)廢后能回收利用。 參考文獻(xiàn): 1、李運(yùn)華.機(jī)電控制[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2003. 2、芮延年.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京機(jī)械工業(yè)出版社,2004. 3、王中杰,余章雄,柴天佑.智能控制綜述[J].基礎(chǔ)自動(dòng)化,2006(6). 4、章浩,張西良,周士沖.機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究,2006(7). 5、梁俊彥,李玉翔.機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].科技資訊,2007(9). 8