机电一体化技术的

摘 要：机电一体化技术是众多科学技术发展的结晶,是社会生产力发展到一定阶段的必然要求.它促使机械工业发生战略性的变革,使传统的机械设计方法和设计概念发生着革命性的变化.其产品具有自动化、智能化和多功能的特性.其发展趋势是朝智能化、模块化、网络化、微型化、绿色化、系统化方面发展.

关 键 词：机电一体化；特点；发展趋势

中图分类号：TH-39文献标识码：A文章编号：1009-8631（2011）06-0113-02

一、机电一体化的基本概念

机电一体化技术是在微型计算机为代表的微电子技术、信息技术迅速发展,向机械工业领域迅猛渗透,机械电子技术深度结合的现代工业的基础上,综合应用机械技术、微电子技术、信息技术、自动控制技术、传感测试技术、电力电子技术、接口技术及软件编程技术等群体技术,从系统理论出发,根据系统功能目标和优化组织结构目标,以智力、动力、结构、运动和感知组成要素为基础,对各组成要素及其间的信息处理,接口耦合,运动传递,物质运动,能量变换进行研究,使得整个系统有机结合与综合集成,并在系统程序和微电子电路的有序信息流控制下,形成物质的和能量的有规则运动,在高功能、高质量、高精度、高可靠性、低能耗等诸方面实现多种技术功能复合的最佳功能价值系统工程技术.

二、机电一体化的发展概况

机电一体化的发展大体可以分为3个阶段.20世纪60年代以前为第一阶段,这一阶段称为初级阶段.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.

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、通信技术等进入了机电一体化,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,由于人工智能技术、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,将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系.

我国是从20世纪80年代初才开始在这方面研究和应用.国务院成立了机电一体化领导小组并将该技术列为“863计划”中.在制定“九五”规划和2010年发展纲要时充分考虑了国际上关于机电一体化技术的发展动向和由此可能带来的影响.许多大专院校、研究机构及一些大中型企业对这一技术的发展及应用做了大量的工作,取得了一定成果,但与日本等先进国家相比仍有相当差距.

三、机电一体化产品的构成及特点

机电一体化产品的功能是通过其内部各组成部分功能的协调和综合来共同实现的.从其结构来看,机电一体化产品具有自动化、智能化和多功能的特性,而实现这种多功能一般需要机电一体化产品具备五种内部功能,即主功能、动力功能、检测功能、控制功能和执行功能,而实现这些功能的各个组成部分及其技术就构成了机电一体化产品的总体或系统.

1．机械系统.机电一体化产品的机械系统包括机身、框架、机械传动和联接等机械部分.这部分是实现产品功能的基础,因此对机械结构提出了更高的要求,需在结构、材料、工艺加工及几何尺寸等方面满足机电一体化产品高效、多功能、可靠、节能和小型轻量等要求.

2．动力系统.动力系统为机电一体化产品提供能量和动力功能,去驱动执行机构工作以完成预定的主功能.动力系统包括电、液、气等动力源.机电一体化产品以电能利用为主,包括电源、电动机及驱动电路等.

3．传感与检测系统.传感器的作用是将机电一体化产品在运行过程中所需要的自身和外界环境的各种参数转换成可以测定的物理量,同时利用检测系统的功能对这些物理量进行测定,为机电一体化产品提供运行控制所需的各种信息.传感与检测系统的功能一般由测量仪器或仪表来实现,对其要求是体积小、便于安装与联接、检测精度高、抗干扰等.

4．信息处理及控制系统.根据机电一体化产品的功能和性能要求,信息处理及控制系统接收传感与检测系统反馈的信息,并对其进行相应的处理、运算和决策,以对产品的运行施以按照要求的控制,实现控制功能.机电一体化产品中,信息处理及控制系统主要是由计算机的软件和硬件以及相应的接口所组成.

5．执行机构.执行机构在控制信息的作用下完成要求的动作,实现产品的主功能.机电一体化产品的执行机构一般是运动部件,常采用机械、电液、气动等机构.执行机构因机电一体化产品的种类和作业对象不同而有较大的差异.执行机构是实现产品目的功能的直接执行者,其性能好坏决定着整个产品的性能,因而是机电一体化产品中最重要的组成部分.机电一体化产品的五个组成部分在工作时相互协调,共同完成所规定的目的功能.在结构上,各组成部分通过各种接口及其相应的软件有机地结合在一起,构成一个内部匹配合理、外部效能最佳的完整产品.

四、机电一体化的发展趋势

1.智能化

智能化是21世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向.人工智能在机电一体化建设者的研究日益得到重视,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、生理学和混沌动力学等新思想、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,以求得到更高的控制目标.诚然,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,则是完全可能而又必要的.

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但又是非常重要的事.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.这样,可利用标准单元迅速开发出新产品,同时也可以扩大生产规模.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这方面的标准,但可以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.

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.网络技术的兴起和飞速发展给科学技术、工业生产、政治、军事、教育以及人们日常生活都带来了巨大的变革.各种网络将全球经济、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.

4.微型化

微型化兴起于20世纪80年代末,指的是机电一体化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（MEMS）,泛指几何尺寸不超过1cm3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、信息等方面具有不可比拟的优势.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.

5.绿色化

工业的发达给人们生活带来了巨大变化.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、使用和销毁的生命过程中,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.

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.一层是,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.另一层是模仿生物机理,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.

综上所述,机电一体化技术是众多科学技术发展的结晶,是社会生产力发展到一定阶段的必然要求.它促使机械工业发生战略性的变革,使传统的机械设计方法和设计概念发生着革命性的变化.大力发展新一代机电一体化产品,不仅是改造传统机械设备的要求,而且是推动机械产品更新换代和开辟新领域、发展与振兴机械工业的必由之路.