淺談機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

張振華　趙燦林

機(jī)電一體化是在機(jī)械的主功能、動(dòng)力功能、信息功能和控制功能上引進(jìn)微電子技術(shù)，并將機(jī)械裝置和電子裝置用相關(guān)軟件有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成的系統(tǒng)的總稱。“機(jī)電一體化”是機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)及信息技術(shù)相互交叉、融合(有機(jī)結(jié)合)的產(chǎn)物(圖1)。

一、機(jī)電一體化產(chǎn)品的優(yōu)越性

1．使用安全性和可靠性提高

機(jī)電一體化產(chǎn)品具有自動(dòng)監(jiān)視、報(bào)警、自動(dòng)診斷、自動(dòng)保護(hù)等功能。在工作過程中，遇到過載、過壓、過流、短路等電力故障時(shí)，能自動(dòng)采取保護(hù)措施，避免和減少人身和設(shè)備事故，顯著提高設(shè)備的使用安全性。

2．生產(chǎn)能力和工作質(zhì)量提高

機(jī)電一體化產(chǎn)品大都具有信息自動(dòng)處理和自動(dòng)控制功能，可通過自動(dòng)控制系統(tǒng)精確保證機(jī)械的執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照設(shè)計(jì)的要求完成預(yù)定動(dòng)作，保證最佳工作質(zhì)量和產(chǎn)品合格率。同時(shí)，由于機(jī)電一體化產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了工作的自動(dòng)化，使得生產(chǎn)能力大大提高。

3．使用性能改善

機(jī)電一體化產(chǎn)品普遍采用程序控制和數(shù)字顯示，操作按鈕和手柄數(shù)量顯著減少，使得操作大大簡(jiǎn)化。機(jī)電一體化產(chǎn)品的工作過程根據(jù)預(yù)設(shè)程序逐步由電子控制系統(tǒng)指揮實(shí)現(xiàn)，全部動(dòng)作可重復(fù)。高級(jí)的機(jī)電一體化產(chǎn)品可通過被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型及外界參數(shù)的變化隨機(jī)自尋最佳工作程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)最優(yōu)化操作。

4．具有復(fù)合功能并且適用面廣

機(jī)電一體化產(chǎn)品一般具有自動(dòng)化控制、自動(dòng)補(bǔ)償、自動(dòng)校驗(yàn)、自動(dòng)調(diào)節(jié)、自動(dòng)保護(hù)和智能化等多種功能，能應(yīng)用于不同場(chǎng)合和不同領(lǐng)域。例如，電子式空氣斷路器具有保護(hù)特性可調(diào)、選擇性脫扣、正常通過電流與脫扣時(shí)電流的測(cè)量、顯示和故障自動(dòng)診斷等功能，應(yīng)用范圍大為擴(kuò)大。

5．調(diào)整和維護(hù)方便

機(jī)電一體化產(chǎn)品在安裝調(diào)試時(shí)，可通過改變控制程序來實(shí)現(xiàn)工作方式的改變，以適應(yīng)不同用戶對(duì)象及現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)變化的需要。這些控制程序可通過多種手段輸入到機(jī)電一體化產(chǎn)品的控制系統(tǒng)中，而不需要改變產(chǎn)品中的任何部零件。對(duì)于具有存儲(chǔ)功能的機(jī)電一體化產(chǎn)品，可以事先存入若干套不同的執(zhí)行程序，然后根據(jù)不同的工作對(duì)象，輸入一個(gè)給定代碼信號(hào)，即可按指定的程序進(jìn)行自動(dòng)工作。機(jī)電一體化產(chǎn)品的自動(dòng)化檢驗(yàn)和自動(dòng)監(jiān)視功能可對(duì)工作過程中出現(xiàn)的故障自動(dòng)采取措施，使工作恢復(fù)正常。

二、機(jī)電一體化系統(tǒng)的要素及功能構(gòu)成

機(jī)電一體化系統(tǒng)由機(jī)械系統(tǒng)(機(jī)構(gòu))、電子信息處理系統(tǒng)(計(jì)算機(jī))、動(dòng)力系統(tǒng)(動(dòng)力源)、傳感檢測(cè)系統(tǒng)(傳感器)、執(zhí)行元件系統(tǒng)(如電動(dòng)機(jī))五個(gè)子系統(tǒng)組成。

機(jī)電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)是由若干具有特定功能的機(jī)械與微電子要素組成的有機(jī)整體，具有滿足人們使用要求的功能(且的功能)。根據(jù)不同的使用目的，要求系統(tǒng)對(duì)輸入的物質(zhì)、能量和信息(即工業(yè)三大要素)進(jìn)行某一處理，輸出所需要的物質(zhì)、能量和信息。所以系統(tǒng)必須具下三大“目的功能”：變換(加工、處理)功能：傳遞(移動(dòng)、輸送)功能；儲(chǔ)存(保持、積蓄、記錄)功能(圖2)。

系統(tǒng)必須具備主功能、動(dòng)力功能、檢測(cè)功能、控制功能、構(gòu)造功能五種內(nèi)部功能。主功能是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)目的功能必需的功能，主要是對(duì)物質(zhì)、能量、信息或其相互結(jié)合進(jìn)行交換、傳遞和存儲(chǔ)。動(dòng)力功能是向系統(tǒng)提供動(dòng)力，讓系統(tǒng)得以運(yùn)轉(zhuǎn)的功能。檢測(cè)功能和控制功能的作用是根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部信息和外部信息對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，使系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)施目的功能。而構(gòu)造功能則是使構(gòu)成系統(tǒng)的子系統(tǒng)及元、部件維持所定的時(shí)間和空間上的相互關(guān)系所必需的功能。

機(jī)電一體化系統(tǒng)的五大要素及相應(yīng)的五大功能如圖3所示。

1、光機(jī)電一體化

一般的機(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)等部件組成的。因此，引進(jìn)光學(xué)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)光學(xué)技術(shù)的先天優(yōu)點(diǎn)是有效改進(jìn)機(jī)電一體化系統(tǒng)的傳感系統(tǒng)、能源(動(dòng)力)系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)。光機(jī)電一體化是機(jī)電產(chǎn)品發(fā)展的重要趨勢(shì)。

2、自律分配系統(tǒng)化——柔性化

未來的機(jī)電一體化產(chǎn)品被設(shè)計(jì)成“自律分配系統(tǒng)”，控制和執(zhí)行系統(tǒng)有足夠的“冗余度”，有較強(qiáng)的“柔性”，能較好地應(yīng)對(duì)突發(fā)事件。在自律分配系統(tǒng)中，各個(gè)子系統(tǒng)是相互獨(dú)立工作的，子系統(tǒng)為總系統(tǒng)服務(wù)，同時(shí)具有本身的“自律性”，可根據(jù)不同的環(huán)境條件做出不同反應(yīng)。其特點(diǎn)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(dòng)”是可以改變的。這樣，既明顯地增加了系統(tǒng)的適應(yīng)能力(柔性)，又不因某一子系統(tǒng)的故障而影響整個(gè)系統(tǒng)。

3、全息系統(tǒng)化——智能化

今后的機(jī)電一體化產(chǎn)品“全息”特征越來越明顯，智能化水平越來越高。這主要收益于模糊技術(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)，也變簡(jiǎn)單的“從上到下”的形勢(shì)為復(fù)雜的、有較多冗余度的雙向聯(lián)系。

4、“生物－軟件”化——仿生物系統(tǒng)化

今后的機(jī)電一體化裝置對(duì)信息的依賴性很大，并且往往處于“靜態(tài)”時(shí)不穩(wěn)定，但在動(dòng)態(tài)(工作)時(shí)卻是穩(wěn)定的。這有點(diǎn)類似于生物：當(dāng)控制系統(tǒng)(大腦)停止工作時(shí)，生物便“死亡”，而當(dāng)控制系統(tǒng)(大腦)工作時(shí)，生物就很有活力。仿生學(xué)研究已發(fā)現(xiàn)的一些生物體優(yōu)良的機(jī)構(gòu)可為機(jī)電一體化產(chǎn)品提供新型機(jī)體，但如何使這些新型機(jī)體具有活的“生命”還有待深入研究。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(diǎn)是硬件(肌體)－軟件(大腦)一體，不可分割。看來，機(jī)電一體化產(chǎn)品雖有向生物系統(tǒng)化趨勢(shì)，但有一段漫長的道路要走。

5．微型機(jī)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)，已在實(shí)驗(yàn)室制造出亞微米級(jí)的機(jī)械元件。當(dāng)這一成果用于實(shí)際產(chǎn)品時(shí)，就沒有必要區(qū)分機(jī)械部分和控制器了。屆時(shí)機(jī)械和電子可以完全“融合”，機(jī)體、執(zhí)行機(jī)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(jī)械學(xué)是機(jī)電一體化的重要發(fā)展方向。