機電一體化技術的潛在發展趨勢

摘要：機電一體化是機械技術與微電子技術、信息技術互相滲透的產物，是一種復合技術、是機電工業發展的必然趨勢和現代科學技術發展的必然結果。機電一體化技術對于改變整個機械制造業面貌所起的重要作用文章主要簡述。機電一體化技術的結構組成和主要應用的領域，并指出其必然發展趨勢。

關鍵詞：機械工業 機電一體化 數字控制 模塊化 信息技術 發展趨勢

0 引言

現代科學技術的發展極大地推動機械工業領域的技術改造與革命。在機械工業領域，由于微電子技術和計算機技術的迅速發展及其向機械工業的滲透所形成的機電一體化，使機械工業的技術結構、產品機構、功能與構成、生產方式及管理體系發生了巨大變化，使工業生產由“機械電氣化”邁入了“機電一體化”的發展階段。以微電子技術、軟件技術、計算機技術及通信技術為核心而引發的智能化、仿生物系統化方向、網絡化、集成化、帶源化、綠色化、人性化，不僅深刻地影響著全球的科技、經濟、社會和軍事的發展，而且也深刻影響著機電一體化的發展趨勢

1 機電一體化的核心

機電一體化主要包括軟件和硬件兩方面。硬件是由機械本體、傳感器、信息處理單元和驅動單元等部分組成。因此，為加速推進機電一體化的發展，必須從以下幾方面著手。

1.1 機械本體技術 機械本體必須從改善性能、減輕質量和提高精度等幾方面考慮。現代機械產品一般都是以鋼鐵材料為主，為了減輕質量除了在結構上加以改進，還應考慮利用非金屬復合材料。只有機械本體減輕了重量，才有可能實現驅動系統的小型化，進而在控制方面改善快速響應特性，減少能量消耗，提高效率。

1.2 驅動技術 電機作為驅動機構已被廣泛采用，但在快速響應和效率等方面還存在一些問題。目前，正在積極發展內部裝有編碼器的電機以及控制專用組件-傳感器-電機三位一體的伺服驅動單元。

1.3 信息處理技術 機電一體化與微電子學的顯著進步、信息處理設備，特別是計算機的普及應用緊密相連。為進一步發展機電一體化，必須提高信息處理設備的可靠性，包括模/數轉換設備的可靠性和分時處理的輸入輸出的可靠性，進而提高處理速度，并解決抗干擾及標準化問題。

1.4 傳感技術 傳感器的問題集中在提高可靠性、靈敏度和精確度方面，提高可靠性與防干擾有著直接的關系。為了避免電干擾，目前有采用光纖電纜傳感器的趨勢。對外部信息傳感器來說，目前主要發展非接觸型檢測技術。在機電一體化系統中，傳感器處系統之首，其作用相當于系統感受器官，能快速、精確地獲取信息并能經受嚴酷環境考驗，是機電一體化系統達到高水平的保證。如缺少這些傳感器對系統狀態和對信息精確而可靠的自動檢測，系統的信息處理、控制決策等功能就無法談及和實現

1.5 接口技術 為了與計算機進行通信，必須使數據傳遞的格式標準化、規格化。接口采用同一標準規格不僅有利于信息傳遞和維修，而且可以簡化設計。目前開發低成本、高速串行的接口，來解決信號電纜非接觸化、光導纖維以及光藕器的大容量化、小型化、標準化等問題。

1.6 軟件技術 軟件與硬件必須協調一致地發展。為了減少軟件的研制成本，提高生產維修的效率，要逐步推行軟件標準化，包括程序標準化、程序模塊化、推行軟件工程等。

2 機電一體化技術的主要應用領域

2.1 數控機床 數控機床及相應的數控技術經過幾十年的發展，在結構、功能、操作和控制精度上都有迅速提高，具體表現在：①總線式、模塊化、緊湊型的結構，即采用多CPU、多主總線的體系結構。②開放性設計，即硬件體系結構和功能模塊具有層次性、兼容性、符合接口標準，能最大限度地提高使用效益。③WOP技術和智能化。系統能提供面向車間的編程技術和實現三維加工過程的動態仿真，并引入在線診斷、模糊控制等智能機制。④大容量存儲器的應用和軟件的模塊化設計，不僅豐富了數控功能，同時也加強了CNC系統的控制功能。⑤能實現多過程、多通道控制，即具有一臺機床同時完成多個獨立加工任務或控制多臺和多種機床的能力，并將刀具破損檢測、物料搬運、機械手等控制都集成到系統中去。⑥系統的多級網絡功能，加強了系統組合及構成復雜加工系統的能力。⑦以單板、單片機作為控制機，加上專用芯片及模板組成結構緊湊的數控裝置。

2.2 計算機集成制造系統（CIMS） CIMS的實現不是現有各分散系統的簡單組合，而是全局動態最優綜合。它打破原有部門之間的界線，以制造為基干來控制“物流”和“信息流”，實現從經營決策、產品開發、生產準備、生產實驗到生產經營管理的有機結合。

2.3 柔性制造系統（FMS） 柔性制造系統是計算機化的制造系統，主要由計算機、數控機床、機器人、料盤、自動搬運小車和自動化倉庫等組成。它可以隨機地、實時地、按量地按照裝配部門的要求，生產其能力范圍內的任何工件，特別適于多品種、中小批量、設計更改頻繁的離散零件的批量生產。

2.4 自動機與自動生產線 在國民經濟生產和生活中廣泛使用的各種自動機械、自動生產線及各種自動化設備，是當前機電一體化技術應用的又一具體體現。如：2000～80000瓶/h的啤酒自動生產線；18000～120000瓶/h的易拉罐灌裝生產線；各種高速香煙生產線；各種印刷包裝生產線；郵政信函自動分撿處理生產線；易拉罐自動生產線；FEBOPP型三層共擠雙向拉伸聚丙烯薄膜生產線等等，這些自動機或生產線中廣泛應用了現代電子技術與傳感技術。如可編程序控制器，變頻調速器，人機界面控制裝置與光電控制系統等。我國的自動機與生產線產品的水平，比10多年前躍升了一大步，其技術水平已達到或超過發達國家上一世紀80年代后期的水平。使用這些自動機和生產線的企業越來越多，對維護和管理這些設備的相關人員的需求也越來越多。

3 機電一體化技術的發展趨勢

縱觀國內外機電一體化的發展現狀和高新技術的發展動向，機電一體化將朝著以下幾個方向形成發展趨勢。

3.1 智能化 智能化是機電一體化與傳統機械自動化的主要區別之一，也是21世紀機電一體化的發展方向。近幾年，處理器速度的提高和微機的高性能化、傳感器系統的集成化與智能化為嵌入智能控制算法創造了條件，有力地推動著機電一體化產品向智能化方向發展。智能機電一體化產品可以模擬人類智能，具有某種程度的判斷推理、邏輯思維和自主決策能力，從而取代制造工程中人的部分腦力勞動。

3.2 仿生物系統化方向 今后的機電一體化裝置對信息的依賴性很大，并且往往在結構上處于“靜態”時不穩定，但在動態（工作）時卻是穩定的。這有點類似于活的生物：當控制系統（大腦）停止工作時，生物便“死亡”，而當控制系統（大腦）工作時，生物就很有活力。就目前情況看，機電一體化產品雖然有仿生物系統化方向發展的趨勢，但還有一段很漫長的道路要走

3.3 網絡化 網絡技術的飛速發展對機電一體化有重大影響，使其朝著網絡化方向發展。機電一體化產品的種類很多，面向網絡的方式也不同。由于網絡的普及，基于網絡的各種遠程控制和監視技術方興未艾，而遠程控制的終端設備本身就是機電一體化產品

3.4 集成化 集成化既包含各種技術的相互滲透、相互融合和各種產品不同結構的優化與復合，又包含在生產過程中同時處理加工、裝配、檢測、管理等多種工序。為了實現多品種、小批量生產的自動化與高效率，應使系統具有更廣泛的柔性。首先可將系統分解為若干層次，使系統功能分散，并使各部分協調而又安全地運轉，然后再通過軟、硬件將各個層次有機地聯系起來，使其性能最優、功能最強。

3.5 帶源化 是指機電一體化產品自身帶有能源，如太陽能電池、燃料電池和大容量電池。由于在許多場合無法使用電能，因而對于運動的機電一體化產品，自帶動力源具有獨特的好處。帶源化是機電一體化產品的發展方向之一。

3.6 綠色化 科學技術的發展給人們的生活帶來巨大變化，在物質豐富的同時也帶來資源減少、生態環境惡化的后果。所以，人們呼喚保護環境，回歸自然，實現可持續發展，綠色產品概念在這種呼聲中應運而生。綠色產品是指低能耗、低材耗、低污染、舒適、協調而可再生利用的產品。在其設計、制造、使用和銷毀時應符合環保和人類健康的要求，機電一體化產品的綠色化主要是指在其使用時不污染生態環境，產品壽命結束時，產品可分解和再生利用。

3.7 人性化 機電一體化產品的最終使用對象是人，如何給機電一體化產品賦予人的智能、情感和人性顯得愈來愈重要，機電一體化產品除了完善的性能外，還要求在色彩、造型等方面與環境相協調，使用這些產品，對人來說還是一種藝術享受，如家用機器人的最高境界就是人機一體化。

機電一體化是眾多科學技術發展的結晶，是社會生產力發展到一定階段的必然要求。是推動機械產品更新換代和開辟新領域、發展與振興機械工業的方向。

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