楊春紅

(云南能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院,云南曲靖 655000)

淺議機電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢

楊春紅

(云南能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院,云南曲靖 655000)

機電一體化概要“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(jìn)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。因此,“機電一體化”涵蓋“技術(shù)”和“產(chǎn)品”兩個方面。

數(shù)控機床機器人機電一體化

1 機電一體化概要

“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(jìn)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)展至今已成為一門有著自身體系的新型學(xué)科，并且伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步還將被賦予新的內(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(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。

因此，“機電一體化”涵蓋“技術(shù)”和“產(chǎn)品”兩個方面。只是，機電一體化技術(shù)是基于上述群體技術(shù)有機融合的一種綜合技術(shù)，而不是機械技術(shù)、微電子技術(shù)以及其它新技術(shù)的簡單組合、拼湊。這是機電一體化與機械加電氣所形成的機械電氣化在概念上的根本區(qū)別。機械工程技術(shù)有純技術(shù)發(fā)展到機械電氣化，仍屬傳統(tǒng)機械，其主要功能依然是代替和放大的體力。但是發(fā)展到機電一體化后，其中的微電子裝置除可取代某些機械部件的原有功能外，還能賦予許多新的功能，如自動檢測、自動處理信息、自動顯示記錄、自動調(diào)節(jié)與控制自動診斷與保護等。即機電一體化產(chǎn)品不僅是人的手與肢體的延伸，還是人的感官與頭腦的眼神，具有智能化的特征是機電一體化與機械電氣化在功能上的本質(zhì)區(qū)別。

2 機電一體化技術(shù)發(fā)展歷程

“機電一體化”這個詞是日本安川電機公司在上世紀(jì)60年代末作商業(yè)注冊時最先創(chuàng)用的。當(dāng)時及70年代，人們一直把機電一體化看作是機械與電子的結(jié)合。國內(nèi)早期將機電一體化技術(shù)與機械電子學(xué)并用，近年來機電一體化則更加流行。

80年代，信息技術(shù)嶄露頭角。微處理機的性能提高，為更高級的機電一體化產(chǎn)品所采用，典型的機電一體化產(chǎn)品有數(shù)控機床、工業(yè)機器人和汽車的電子控制系統(tǒng)等。微機作為關(guān)鍵技術(shù)引入了飛行器系統(tǒng)后，使機械——電子系統(tǒng)在高度控制、排氣控制、振動控制和保險氣袋等方面獲得廣泛應(yīng)用。

信息技術(shù)驅(qū)使機械系統(tǒng)在不同程度上利用數(shù)據(jù)庫，連洗衣機和其他消費品也用上了數(shù)據(jù)庫驅(qū)動系統(tǒng)。這樣，對機電一體化的系統(tǒng)設(shè)計方法的探索、成型和系統(tǒng)集成以及并行工程設(shè)計和控制的實施日顯重要。此外，光學(xué)也進(jìn)入了機電一體化，產(chǎn)生了“光機電一體化”的新領(lǐng)域。

進(jìn)入90年代，通信技術(shù)進(jìn)入了機電一體化，機器可以像機器人系統(tǒng)那樣遙控和虛擬現(xiàn)實，多媒體等技術(shù)緊密聯(lián)系的計算機控制的網(wǎng)絡(luò)化機電一體化日益普及。有些機電一體化機械可兩用，有的在性能上更是多用途的，尤其是微傳感器和執(zhí)行器技術(shù)的發(fā)展，和半導(dǎo)體技術(shù)以光刻為基礎(chǔ)的方法以及和傳統(tǒng)機電一體化微型化方法的結(jié)合，開創(chuàng)了以精密工程和系統(tǒng)集成為特點的機電一體化新分支，即“微機電一體化”。雖然微加工方法尚未成熟，但將逐漸成為集成控制系統(tǒng)的一個組成部分。之后，機電一體化隨著自動化技術(shù)的發(fā)展而日益發(fā)展，穩(wěn)步進(jìn)入了21世紀(jì)。

3 機電一體化發(fā)展趨勢

機電一體化是集機械、電子、光學(xué)、控制、計算機、信息等多學(xué)科的交叉綜合，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。因此，機電一體化的主要發(fā)展方向如下:

3.1 光機電一體化

一般的機電一體化系統(tǒng)是由傳感系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)等部件組成的。因此，引進(jìn)光學(xué)技術(shù)，實現(xiàn)光學(xué)技術(shù)的先天優(yōu)點能有效地改進(jìn)機電一體化系統(tǒng)的傳感系統(tǒng)、能源(動力)系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)。光機電一體化是機電產(chǎn)品發(fā)展的重要趨勢。

3.2 自律分配系統(tǒng)化——柔性化

未來的機電一體化產(chǎn)品，控制和執(zhí)行系統(tǒng)有足夠的“冗余度”，有較強的“柔性”，能較好地應(yīng)付突發(fā)事件，被設(shè)計成“自律分配系統(tǒng)”。在自律分配系統(tǒng)中，各個子系統(tǒng)是相互獨立工作的，子系統(tǒng)為總系統(tǒng)服務(wù)，同時具有本身的“自律性”，可根據(jù)不同的環(huán)境條件作出不同反應(yīng)。其特點是，子系統(tǒng)可產(chǎn)生本身的信息并附加所給信息，在總的前提下，具體“行動”是可以改變的。這樣，既明顯地增加了系統(tǒng)的適應(yīng)能力，即柔性，又不會因某一子系統(tǒng)的故障而影響整個系統(tǒng)。

3.3 全息系統(tǒng)化——智能化

今后的機電一體化產(chǎn)品“全息”特征將越來越明顯，智能化水平也越來越高。這主要得益于模糊技術(shù)、信息技術(shù)尤其是軟件及芯片技術(shù)的發(fā)展。除此之外，其系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)也由簡單的“從上到下”的形勢轉(zhuǎn)而變?yōu)閺?fù)雜的、有較多冗余度的雙向聯(lián)系。

3.4 “生物一軟件”化——仿生物系統(tǒng)化

今后的機電一體化裝置對信息的依賴性很大，并且往往在結(jié)構(gòu)上是處于“靜態(tài)”時不穩(wěn)定，但在動態(tài)(工作)時卻是穩(wěn)定的。這有點類似于活的生物，即當(dāng)控制系統(tǒng)(大腦)停止工作時，生物便“死亡”，而當(dāng)控制系統(tǒng)(大腦)工作時，生物就很有活力。仿生學(xué)研究領(lǐng)域中已發(fā)現(xiàn)的一些生物體優(yōu)良的機構(gòu)可為機電一體化產(chǎn)品提供新型機體，但如何使這些新型機體具有活的“生命”還有待于深入研究。這一研究領(lǐng)域稱為“生物——軟件”或“生物——系統(tǒng)”，而生物的特點是硬件(肌體)與軟件(大腦)一體，不可分割。由此看來，機電一體化產(chǎn)品雖然有向生物系統(tǒng)化發(fā)展的趨勢，但要達(dá)到這一目的還需要有一段漫長的道路去走。

3.5 微型機電化——微型化

目前，利用半導(dǎo)體器件制造過程中的蝕刻技術(shù)，在實驗室中已制造出亞微米級的機械元件。當(dāng)我們將這一成果用于實際產(chǎn)品時，就沒有必要區(qū)分機械部分和控制器了。屆時機械和電子完全可以“融合”，機體、執(zhí)行機構(gòu)、傳感器、CPU等可集成在一起，體積很小，并組成一種自律元件。這種微型機械學(xué)是機電一體化的重要發(fā)展方向。

[1]袁中凡.《機電一體化技術(shù)》[M].電子工業(yè)出版社,2004.

[2]唐懷斌.《工業(yè)控制的進(jìn)展與趨勢》[J].自動化與儀器儀表,1996.

[3]陳子銀.《數(shù)控機床結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用》[M].出版社:北京理工大學(xué)出版社,2007.