机电一体化趋势探析

摘 要：机电一体化是多学科的交叉综合,是机械技术与微电子技术、信息技术等互相渗透的产物,是机电工业发展的必然趋势.简述了机电一体化技术的概念、核心技术、发展状况,并对发展趋势进行了分析.

关 键 词：机电一体化；发展；趋势

中图分类号：TP　文献标识码：A　文章编号：1672-3198(2010)11-0330-01

1　机电一体化概述

机电一体化是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术,将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称.“机电一体化”涵盖“技术”和“产品”两个方面,是一种综合技术,这是机电一体化与机械加电气所形成的机械电气化在概念上的根本区别.

2　机电一体化的核心技术

2.1　机械技术

是机电一体化的基础,机械技术的着眼点在于如何与机电一体化技术相适应,利用其高、新技术来更新概念,实现结构上、材料上、性能上变更,满足减小重量、缩小体积、提高精度、提高刚度及改善性能要求.

2.2　计算机与信息技术

其中信息交换、存取、运算、判断与决策、人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术均属于计算机信息处理技术.

2.3　系统技术

即以整体概念组织应用各种相关技术.从全局角度和系统目标出发,将总体分解成相互关联的若干功能单元,接口技术是系统技术中一个重要方面,是实现系统各部分有机连接的保证.

2.4　自动控制技术

其范围很广,在控制理论指导下,进行系统设计,设计后的系统仿真,现场调试,控制技术包括如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿、再现、检索等.

2.5　传感检测技术

传感检测技术是系统的感受器官,是实现自动控制、自动调节的关键环节.其功能越强,系统的自动化程序就越高.

3　机电一体化的发展过程

机电一体化的发展过程大体可以分为三个阶段：

3.1　初级阶段

20世纪60年代以前为第一阶段,也称为初级阶段.在这一时期,人们自觉不自觉地利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能.特别是在第二次世界大战期间,战争刺激了机械产品与电子技术的结合,这些机电结合的军用技术,战后转为民用,对战后经济的恢复起到了积极的作用.那时,研制和开发从总体上看还处于自发状态.由于当时电子技术的发展尚未达到一定水平,机械技术与电子技术的结合还不可能广泛和深入发展,已经开发的产品也无法大量推广.

3.2　高速发展阶段

20世纪70-80年代为第二阶段,也称为高速发展阶段.这一时期,计算机技术、控制技术、通信技术的发展,为机电一体化的发展奠定了技术基础.大规模、超大规模集成电路和微型计算机的出现,为机电一体化的发展提供了充分的物质基础.这个时期的特点是：mechatronics一词首先在日本被普遍接受,大约到20世纪80年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认；机电一体化技术和产品得到了极大发展；各国均开始对机电一体化技术和产品给予很大的关注和支持.

3.3　智能化阶段

20世纪90年代后期,开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段,机电一体化进入深入发展时期.一方面,光学、通信技术等进入机电一体化,微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚,出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支；另一方面,对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法,机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究.同时,人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步,为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地.这些研究,使机电一体化进一步建立了坚实的基础,并且逐渐形成完整的学科体系.

4　机电一体化的发展趋势

机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合,它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步.因此,机电一体化的主要发展方向如下.

4.1　智能化

智能化是21世纪机电一体化技术的一个重要发展方向.人工智能在机电一体化建设研究中得到日益重视,机器人与数控机床的智能化就是重要应用.这里所说的“智能化”是对机器行为的描述,是在控制理论的基础上,吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学等新思想新方法,模拟人类智能,使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力,以求达到更高的控制目标.诚然,要使机电一体化产品具有与人完全相同的智能,是不可能的,也是不必要的.但是,高性能、高速的微处理器使机电一体化产品赋有低级智能或人的部分智能,则是完全可能的和必要的.

4.2　模块化

模块化是一项重要而艰巨的工程.由于机电一体化产品的种类和生产厂家繁多,研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元是一项十分复杂和非常重要的事.例如研制集减速、智能调速、电机于一体的动力单元,具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的控制单元,以及各种能完成典型操作的机械装置.若能利用标准单元迅速开发出新产品,也可扩大生产规模.但这需要制定各项标准,以便各部件、单元的匹配和接口.由于利益冲突,近期很难制定国际或国内的标准,但可通过组建一些大企业逐渐形成.显然,从电气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定,无论是对生产标准机电一体化单元的企业还是对生产机电一体化产品的企业,规模化将给机电一体化企业带来美好的前程.

4.3　网络化

20世纪90年代,计算机技术等的突出成就是网络技术.网络技术的兴起和发展给科学技术、工业生产、政治、军事、教育、人们日常生活,都带来了巨大变革.各种网络将全球经济和生产连成一片,企业间的竞争也将全球化.机电一体化新产品一旦研制出来,只要其功能独到,质量可靠.很快就会畅销全球.由于网络的普及,基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾,而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品.现场总线和局域网技术使家用电器网络化已成大势,利用家庭网络,将各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电系统,使人们在家里分享各种高技术带来的便利和快乐.因此,机电一体化产品无疑应朝着网络化方向发展.

4.4　微型化

微型化兴起于20世纪80年代末.机电一体化有向微型机器和微观领域发展的趋势.国外称其为微电子机械系统,泛指几何尺寸不超过lcm3的机电一体化产品,并向微米、纳米级发展.微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活,在生物医疗、军事、信息等方面具有显著优势.微机电一体化发展的瓶颈在于微机械技术,微机电一体化产品的加工采用精细加工技术(即超精密技术),它包括光刻技术和蚀刻技术两类.

4.5　绿色化

工业的发达给人们生活带来巨大变化.一方面,物质丰富,生活舒适；另一方面,资源减少,生态环境受到严重污染.于是,人们呼吁保护环境资源,回归自然；‘绿色产品’概念在这种呼声下应运而生,绿色化是时代的趋势.绿色产品在其设计、制造、使用、销毁的生命过程中,符合特定的环境保护和人类健康的要求,对生态环境无害或危害极少,资源利用率极高.设计绿色的机电一体化产品,具有远大的发展前途.机电一体化产品的绿色化,主要是指使用时不污染生态环境,报废后能回收利用.

4.6　系统化

系统化的表现特征之一就是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构.系统可以灵活组态,进行任意剪裁和组合,同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理.表现特征之二是通信功能的大大加强,一般除RS232外,还有RS485、DCS人格化.未来的机电一体化更加注重产品与人的关系,机电一体化的人格化有两层含义：

(1)机电一体化产品的最终使用对象是人,如何赋予机电一体化产品人的智能、情感、人性显得越来越重要,特别是对家用机器人,其高层境界就是人机一体化.

(2)模仿生物机理,研制各种机电一体化产品.事实上,许多机电一体化产品都是受动物的启发研制出来的.