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机电一体化的研究现状及发展应用前景前言机电一体化是微电子技术向传统机械工业渗透过程中逐渐形成的一个新概念,是机械技术与微电子技术相互融合的产物。机电一体化打破了传统的机械工程、电子工程、化学工程、建筑工程、信息工程、控制工程等旧模块的划分,形成了融机械技术、微电子技术、信息技术等多种技术为一体的一门新兴的交叉学科。目前,国内对机电一体化的涵义有各种各样的认识及各自的出发点和着眼点不尽相同,再加上机电一体化本身的涵义还在随着生产和科学技术的发展不断被赋予新的内容。到目前为止,较为人们所接受的涵义是日本机械振兴协会经济研究所1981年3月提出的解释:机电一体化是机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术,并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。随着微电子技术、传感器技术、精密机械技术、自动控制技术以及微型计算机技术、人工智能技术等新技术的发展。以机械为主体的工业产品和民用产品,不断采用诸学科的新技术,在机械化的基础上,正向自动化和智能化方向发展,以机械技术、微电子技术的有机结合为主体的机电一体化技术是机械工业发展的必然趋势。机电一体化的内容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。机电一体化发展至今也已成为一门有着自身体系的新型学科,随着科学技术的不但发展,还将被赋予新的内容。但其基本特征可概括为:(1)机电一体化技术是一种技术群的总称。机电一体化是从系统的观点出发,综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术,根据系统功能目标和优化组织目标,合理配置与布局各功能单元,在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值,并使整个系统最优化的系统工程技术。由此而产生的功能系统,则成为一个机电一体化系统或机电一体化产品。(2)机电一体化系统由若干具有特定功能的机械和电子要素组成的有机整体,具有满足人的使用要求的最佳功能。机电一体化系统主要是指机械系统与微电子系统相互置换和有机结合,从而赋予新功能的戏能的新一代产品,有良好的人际协作关系。(3)机电一体化思想体现了“系统设计原理”和“综合集成技巧”。系统工程、控制论和信息论是机电一体化的方法论。从某种意义上讲,机电一体化思想相当于“一体化”思想。它带来了诸如光电一体化、科工贸一体化、人机一体化等技术及其产品。(4)机电一体化与机械电器化的区别。机电一体化技术是基于上述群体技术有机融合的一种综合技术,而不是机械技术、微电子技术以及其它新技术的简单组合、拼凑。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。机械工程技术由纯技术发展到机械电气化,仍属传统机械,其主要功能依然是代替和放大体力。但是发展到机电一体化后,其中的微电子装置除可取代某些机械部件的原有功能外,还能赋予许多新的功能,如自动检测、自动处理信息、自动显示记录、自动调节与控制自动诊断与保护等。即机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸,还是人的感官与头脑的延伸,具有智能化的特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质区别。机电一体化的现状近年来机电一体化研究进展很快,成果累累,在以下几个方面取得了较快发展。1.1计算机数控机床计算机数控机床(CNC)是一种由计算机或专用电子计算装置控制的高效自动化机床。它综合应用了计算机技术、自动控制、精密测量和机械设计等方面的最新成就,是典型的机电一体化产品,是机床发展的必然趋势�数控机床发展至今,已经经历了从电子管数控、晶体管数控、集成电路数控、计算机数控、微型计算机数控等五代演变�3�当前计算机数控机床已经成为促进国民经济发展的重要产品。近10多年来,随着微电子技术的飞跃发展,能自动更换刀具的高度自动化的计算机数控机床-机械加工中心(MC)发展更为迅速。1.2工业机器人工业机器人(IR)一般应由机械系统、驱动系统、控制系统、检测传感系统和人工智能系统等组成�4�是一种能模拟人的手、臂的部分动作,按照预定程序、轨迹及其他要求,实现抓取、搬运工件或操作工具的自动化装置,是具有发展前途的机电一体化典型产品,将在实现柔性自动化生产,提高产品质量,代替人在恶劣环境条件下工作中发挥重大作用。机器人技术的发展,要求提高机器人机构实用效果,扩大其应用范围,使虚拟轴机器有进一步发展。1.3先进制造系统目前,先进制造系统有柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)、柔性生产线等几种形式。柔性制造单元(FMC)是由加工中心(MC)与自动交换工件的装置,同时,数控系统还增加了自动检测与工况自动监控等功能。柔性制造单元可以作为组成柔性制造系统的基础,也可用作独立的自动化加工设备。近来FMC以惊人的速度在发展。柔性制造系统是由若干个柔性制造单元或3~20台CNC机床、物料输送装置或无人搬运小车、自动化储料仓库等组成的自动化生产系统。目前全世界拥有的柔性制造系统很多,并以很快的速度增长,具有良好的经济效益和社会效益,加工质量稳定,单机使用率从50%提高到70%~90%。1985年,我国第一条FMS(JCS-FMS-1型系统),由北京机床研究所与精密机床厂研制成功。1.4汽车的机电一体化汽车的机电一体化的中心内容是以微机为中心的自动控制改善汽车的性能,增加汽车的功能,实现汽车降低油耗,减少排气污染,提高汽车行驶的安全性、可靠性、操作方便和舒适性。汽车行驶控制的重点是发动机的正时点火、燃油喷射、空燃比和废气再循环,使燃烧充分,减少污染,节省能源;汽车行驶中的自动变速和排气净化控制,以使其行驶状态最佳化;汽车的防滑制动、防碰撞,以提高行驶的安全性;汽车的自动空调,自动高速车控制,以提高其舒适性。近几十年,国际各大汽车公司都加大了对汽车一体化的研究,使汽车发展有了质的飞跃。1.5智能控制系统智能控制是由人工智能与自动控制两部分组成,目标就是使计算机去做那些只有人才能做具有智能的工作。由于科技发展,人工智能按照两条不同途径探索电脑对人脑智能的模拟:仿学脑模型,即从结构和功能模拟人脑;不考虑脑结构,直接通过启发式程序模拟人脑。智能控制系统有多级递阶智能控制系统、专家控制系统、仿人智能控制系统、自寻优模糊智能控制系统、自学习控制系统、学习控制系统、基于神经元网络的控制系统几种类型。近年来,智能控制技术在工程上的应用有了很大突破,各种机电设备和建设工程的智能化控制广泛普及。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,作者认为现阶段我国机电一体化的主要发展方向为:3.1网络一体化知识经济时代的突出特征是计算机技术和网络技术的迅猛发展。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。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(homenet)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(computerintegratedappliancesystem,CIAS),使人们在家里分享各种高技术带来的便利与快乐。因此,机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。3.2模块标准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。3.3人工智能化智能化是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中日益得到重视,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。3.4微型机电化微型化兴起于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。3.5环保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。3.6仿生物系统化今后的机电一体化装置对信息的依赖性很大,并且往往在结构上是处于“静态”时不稳定,但在动态(工作)时却是稳定的。这有点类似于活的生物:当控制系统(大脑)停止工作时,生物便“死亡”,而当控制系统(大脑)工作时,生物就很有活力。机电一体化产品虽然有向生物系统化发展趋,但有一段漫长的道路要走。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。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,研制各种机电一体花产品。事实上,许多机电一体化产品都是受动物行为的启发而研制出来的。4结语机电一体化已经从单纯研究机械技术、微电子技术、信息技术、材料技术等发展成为一门有机融合各项技术的一个整体。机电一体化是一门应用性很强的技术学科,必将有力促进机电产品的创新和开发,在高科技和经济发展中起重要作用。