論述機電一體化的核心及其發(fā)展

論述機電一體化的核心及其發(fā)展摘要：機電一體化技術(shù)是機械技術(shù)和微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)的有機結(jié)合、柔和融匯在一起的、正在發(fā)展的新興科技技術(shù)，隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進步，機電一體化技術(shù)在我國得到發(fā)展和普及，不僅是傳統(tǒng)機械工業(yè)技術(shù)改造的重要手段和內(nèi)容，而且是加速我國機械工業(yè)現(xiàn)代化的主要途徑。作為一種新興的科學(xué)技術(shù)，機電一體化技術(shù)促進了傳統(tǒng)機械產(chǎn)品的更新?lián)Q代，提高了我國在國際市場的競爭力。提高了社會效益和經(jīng)濟效益。文章詳細探索了機電一體化的核心內(nèi)容和核心技術(shù)，并分析了機電一體化的未來發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：機械工業(yè)；核心技術(shù)；機電一體化；模塊化；前景展望以微電子技術(shù)、軟件技術(shù)、計算機技術(shù)及通信技術(shù)為核心而引發(fā)的智能化、仿生物系統(tǒng)化方向、網(wǎng)絡(luò)化、集成化、帶源化、綠色化、人性化，不僅深刻地影響著全球的科技、經(jīng)濟、社會和軍事的發(fā)展，而且也深刻影響著機電一體化的發(fā)展趨勢?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展極大地推動了不同學(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。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機電一體化的核心技術(shù)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)的總稱。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)功能目標和優(yōu)化組織目標，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。1.1機械本體技術(shù)機械本體技術(shù)是機電一體化的基礎(chǔ)，機械技術(shù)的著眼點在于如何與機電一體化技術(shù)相適應(yīng)，利用其高、新技術(shù)來更新概念，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)上、材料上、性能上變更，滿足減小重量、縮小體積、提高精度、提高剛度及改善性能要求。機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，還應(yīng)考慮利用非金屬復(fù)合材料。只有機械本體減輕了重量，才有可能實現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)的小型化，進而在控制方面改善快速響應(yīng)特性，減少能量消耗，提高效率。1.2信息處理技術(shù)機電一體化與微電子學(xué)的顯著進步、信息處理設(shè)備(特別是微型計算機)的普及應(yīng)用緊密相連。為進一步發(fā)展機電一體化，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)備的可靠性和分時處理的輸入輸出的可靠性，進而提高處理速度，并解決抗干擾及標準化問題。1.3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。對外部信息傳感器來說，目前主要發(fā)展非接觸型檢測技術(shù)。1.4驅(qū)動技術(shù)電機作為驅(qū)動機構(gòu)已被廣泛采用，但在快速響應(yīng)和效率等方面還存在一些問題。目前，正在積極發(fā)展內(nèi)部裝有編碼器的電機以及控制專用組件-傳感器-電機三位一體的伺服驅(qū)動單元。1.5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，要逐步推行軟件標準化，包括程序標準化、程序模塊化、軟件程序的固化、推行軟件工程等。1.6接口技術(shù)為了與計算機進行通信，必須使數(shù)據(jù)傳遞的格式標準化、規(guī)格化。接口采用同一標準規(guī)格不僅有利于信息傳遞和維修，而且可以簡化設(shè)計。目前，技術(shù)人員正致力于開發(fā)低成本、高速串行的接口，來解決信號電纜非接觸化、光導(dǎo)纖維以及光耦器的大容量化、小型化、標準化等問題。機電一體化產(chǎn)品的最終使用對象是人，如何對機電一體化產(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，對人來說還是一種藝術(shù)享受，如家用機器人的最高境界就是人機一體化。2.8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)過程中同時處理加工、裝配、檢測、管理等多種工序。為了實現(xiàn)多品種、小批量生產(chǎn)的自動化與高效率，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)而又安全地運轉(zhuǎn)，然后再通過軟、硬件將各個層次有機地聯(lián)系起來，使其性能最優(yōu)、功能最強。2.9綠色化工業(yè)的發(fā)達使人們物質(zhì)豐富、生活舒適的同時也使資源減少，生態(tài)環(huán)境受到嚴重污染，于是綠色產(chǎn)品應(yīng)運而生。綠色化是時代的趨勢，其目標是使產(chǎn)品從設(shè)計、制造、包裝、運輸、使用到報廢處理的整個生命周期中，對生態(tài)環(huán)境無危害或危害極小，資源利用率極高。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，報廢時能回收利用。綠色制造業(yè)是現(xiàn)代制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展模式。3機電一體化技術(shù)應(yīng)用展望為了提高機電產(chǎn)品的性能質(zhì)量，發(fā)展高新技術(shù)，現(xiàn)在有許多零件要求制造精度越來越高，形狀也越來越復(fù)雜。一些零件為了提高效率、減少阻力和降低噪聲，往往被設(shè)計成復(fù)雜的空間曲面，如螺桿壓縮機包絡(luò)成型螺旋曲面、膨脹機的葉輪葉片、飛機螺旋槳、潛水艇的推進器等都具有極其復(fù)雜的空間曲面；現(xiàn)代汽車發(fā)動機的活塞也不是圓柱形，而是要求具有橢圓鼓形；為提高強度和使用壽命，機械軸也不再是圓柱形，而是由幾段圓弧組成的復(fù)合圓柱體；衛(wèi)星天線中饋源要求有方與圓光滑過渡實體；而各類特殊刀具與模具，其型面也極其復(fù)雜。所有這些，都要求新一代機電一體化技術(shù)、產(chǎn)品及系統(tǒng)朝著高性能、智能化、系統(tǒng)化以及輕量化、微型化方向發(fā)展。3.1機電一體化的高性能化高性能化一般包含高速化、高精度、高效率和高可靠性。新一代CNC系統(tǒng)就是為滿足此“四高”而誕生的。它采用32位或者64位CPU結(jié)構(gòu)，以多總線連接，高速數(shù)據(jù)傳遞。因而，在相當高的分辨率情況下，系統(tǒng)仍有高速度，可控及聯(lián)動坐標達16軸，并且有豐富的圖形功能和自動程序設(shè)計功能。在數(shù)字伺服控制中使用超高速數(shù)字信號處理器(DSP)，并應(yīng)用現(xiàn)代控制理論的各種算法，如魯棒控制、前饋控制和特定方式下的加、減速控制等控制策略以及非線性補償技術(shù)，可在系統(tǒng)中進行在線控制。它可以進行非線性補償以及靜、動態(tài)慣性補償值的自動設(shè)定和更新等。在給定精度要求下，可使響應(yīng)速度大幅度提高。至于系統(tǒng)可靠性方面，則采用了冗余、故障診斷、自動檢錯、糾錯、系統(tǒng)自動恢復(fù)、軟硬件可靠性等技術(shù)予以保證，使得這種典型的機電一體化產(chǎn)品具有高性能，即高速、高效、高精度和高可靠性。它代表了機電一體化高性能的發(fā)展趨勢。3.2機電一體化的智能化趨勢人工智能在機電一體化技術(shù)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應(yīng)用。智能機器人通過視覺、觸覺和聽覺等各類傳感器檢測工作狀態(tài)，根據(jù)實際變化過程反饋信息并作出判斷與決定。數(shù)控機床的智能化通過各類傳感器對切削加工前后和加工過程中的各種參數(shù)進行監(jiān)測，并通過計算機系統(tǒng)作出判斷，自動對異常現(xiàn)象進行調(diào)整與補償，以保證加工過程的順利進行，并保證加工出合格產(chǎn)品。隨著制造業(yè)自動化程度的提高，信息量與柔性也同樣提高，出現(xiàn)以智能制造系統(tǒng)(IMS)控制器來模擬人類專家的智能制造活動；對制造中的問題進行分析、判斷、推理、構(gòu)思和決策，其目的在于取代或延伸制造工程中人的部分腦力勞動，并對人類專家的制造智能進行收集、存儲、完善、共享、繼承和發(fā)展。3.3機電一體化產(chǎn)品的輕量化隨著社會進步和科技發(fā)展，機電一體化產(chǎn)品，除了機械主體部分以外，其他部分均涉及電子技術(shù)，隨著片式元器件(SMD)的發(fā)展，表面組裝技術(shù)(SMT)逐漸取代傳統(tǒng)的通孔插裝技術(shù)(THT)成為電子組裝的重要手段，電子設(shè)備正朝著小型化、輕量化、多功能、高可靠方向發(fā)展。20世紀80年代以來，國外SMT發(fā)展異常迅速，1997年電子設(shè)備平均60%以上采用SMT，同年世界電子元件片式化率達到45%以上。因此，機電一體化中具有智能、動力、運動、感知特征的組成部分將逐漸向輕量化、小型化方向發(fā)展。利用集成電路的微細加工技術(shù)，實現(xiàn)了將機構(gòu)及其驅(qū)動器、傳感器、控制器及電源集成在一個很小的多晶硅上，因而，獲得了完備的微型電子機械系統(tǒng)(MicroElectroMechanicalSystem,簡稱MEMS)，整個尺寸縮小到幾個毫米甚至幾百微米。這是機電一體化的微型化研究領(lǐng)域?？茖W(xué)家預(yù)言，本世紀，這種微型機電一體化系統(tǒng)將在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航天、軍事、生物醫(yī)學(xué)、航海及家庭服務(wù)等各個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，它的發(fā)展將使現(xiàn)行的某些產(chǎn)業(yè)或領(lǐng)域發(fā)生深刻的技術(shù)革命。4結(jié)語綜上所述，機電一體化的出現(xiàn)不是孤立的，它是眾多科學(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。它促使機械工業(yè)發(fā)生戰(zhàn)略性的變革，使傳統(tǒng)的機械設(shè)計方法和設(shè)計概念發(fā)生革命性的變化。大力發(fā)展新一代機電一體化產(chǎn)品，不僅是改造傳統(tǒng)機械設(shè)備的要求，而且是推動機械產(chǎn)品更新?lián)Q代和開辟新領(lǐng)域、發(fā)展與振興機械工業(yè)的必由之路。當然，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)的廣闊發(fā)展前景