機電一體化技術的應用及發展

　　摘 要： 自從電子技術問世，電子技術與機械技術的結合就開始了，出現了半導體集成電路，尤其是出現了以微處理器為代表的大規模集成電路后，機電一體化技術有了明顯發展，從而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，機械、機電融為一體，相得益彰。
　　關鍵詞： 機電一體化技術 應用 發展趨勢
　　
　　機電一體化又稱機械電子學，亦可稱為機電整合，英語稱為Mechatronics，它是由英文機械學Mechanics的前半部分與電子學Electronics的后半部分組合而成。隨著機電一體化技術的快速發展，機電一體化的概念為人們廣泛接受和普遍應用。隨著計算機技術的迅猛發展和廣泛應用，機電一體化技術獲得了前所未有的發展。現在的機電一體化技術，是機械和微電子技術緊密集合的一門技術，它的發展使冷冰冰的機器人性化、智能化。
　　一、機電一體化的應用
　　機電一體化包括軟件和硬件兩方面技術。硬件是由機械技術、傳感器、信息處理單元等部分組成。因此，必須加速推進機電一體化的發展。
　　（一）機械技術
　　機械技術必須從改善性能、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。
　　（二）傳感技術
　　傳感技術能感受規定的被測量，并按照一定規律轉換成輸出信號的器件或裝置。傳感技術是將被測的某一物理量按一定規律轉換為另一種物理量并輸出的裝置。有些國家和科學領域，為了避免電磁干擾，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。
　　（三）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（特別是微型計算機）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。
　　（四）自動控制技術
　　自動控制技術范圍很廣，可進行系統設計、設計后的系統仿真、現場調試。控制技術包括高精度定位控制、速度控制、自適應控制、自診斷校正、檢索等。
　　二、機電一體化發展趨勢
　　（一）光機電一體化
　　一般的機電一體化系統是由傳感系統、能源系統、信息處理系統、機械結構等部件組成的。因此，引進光學技術，實現光學技術的先天優點是能有效地改進機電一體化系統的傳感系統、能源（動力）系統和信息處理系統。光機電一體化是機電產品發展的重要趨勢。
　　（二）自律分配系統化——柔性化
　　未來的機電一體化產品，控制和執行系統有足夠的“冗余度”，有較強的“柔性”，能較好地應付突發事件，被設計成“自律分配系統”。在自律分配系統中，各個子系統是相互獨立工作的，子系統為總系統服務，同時具有本身的“自律性”，可根據不同的環境條件作出不同反應。其特點是子系統可產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的適應能力（柔性），又不因某一子系統的故障而影響整個系統。
　　（三）全息系統化——智能化
　　今后的機電一體化產品“全息”特征越來越明顯，智能化水平越來越高。這主要得益于模糊技術、信息技術（尤其是軟件及芯片技術）的發展。除此之外，其系統的層次結構，也變簡單的“從上到下”的形式而為復雜的、有較多冗余度的雙向聯系。
　　（四）工業機器人
　　第一代機器人亦稱示教再現機器人，它們只能根據示教進行重復運動，對工作環境和作業對象的變化缺乏適應性和靈活性；第二代機器人帶有各種先進的傳感元件，能獲取作業環境和操作對象的簡單信息，通過計算機處理、分析，作出一定的判斷，對動作進行反饋控制，表現出低級智能，已開始走向實用化；第三代機器人即智能機器人，具有多種感知功能，可進行復雜的邏輯思維、判斷和決策，在作業環境中獨立行動，與第五代計算機關系密切。
　　三、機電一體化技術的主要應用領域
　　（一）數控機床
　　1.WOP技術和智能化。系統能提供面向車間的編程技術和實現二、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。
　　2.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。
　　3.能實現多過程、多通道控制。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。
　　四、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。企業集成度的提高可以使各種生產要素之間的配置得到更好的優化，各種生產要素的潛力可以得到最大化的發揮。
　　五、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、設計修改頻繁的離散零件的批量生產。
　　六、機電一體化技術的發展趨勢
　　（一）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。
　　（二）數字化
　　微控制器和接口技術的發展奠定了機電產品數字化的基礎，如不斷發展的數控機床和機器人；而計算機網絡的迅速崛起，為數字化設計與制造鋪平了道路，如虛擬設計、計算機集成制造等。數字化要求機電一體化產品的軟件具有高可靠性、通用性、易操作性、可維護性、自診斷能力及友好人機界面。數字化的實現將便于遠程控制操作、診斷和修復。
　　（三）系統化
　　系統化的表現特征之一就是系統體系結構進一步采用開放式和模式化的總線結構。系統可以靈活組態，進行任意的剪裁和組合，同時尋求實現多子系統協調控制和綜合管理。表現特征之二是通信功能大大加強。一般除RS232等常用通信方式外，實現遠程及多系統通信聯網需要的局部網絡正逐漸被采用。機電一體化產品還可根據一些生物體優良的構造研究某種新型機體，使其向著生物系統化方向發展。
　　（四）模塊化
　　模塊化也是機電一體化產品的一個發展趨勢，是一項重要而艱巨的工程。由于機電一體化產品種類和生產廠家繁多，研制和開發具有標準機械接口、電氣接口、動力接口、信息接口的機電一體化產品單元是一件復雜而重要的事，它需要制定一系列標準，以便各部件、單元的匹配和接口。機電一體化產品生產企業可利用標準單元迅速開發新產品，同時也可以不斷擴大生產規模。
　　機電一體化產業覆蓋面非常廣，而我們的財力、人力和物力是有限的，因此我們在抓機電一體化產業發展時不能面面俱到，而應分清主次，大膽取舍，有所為，有所不為。要注意抓兩個層次上的工作。第一個層次是“面上”的工作，即用電子信息技術對傳統產業進行改造，在傳統的機電設備上植入或嫁接上微電子（計算機）裝置，使“機械”和“電子”技術在淺層次上結合。第二個層次是“提高”工作，即在新產品設計之初，就把“機械”與“電子”統一起來進行考慮，使“機械”與“電子”密不可分，深度結合，生產出來的新產品真正做到機電一體化，使產品向智能化、系統化、輕量化、微型化方向發展，從而為國家帶來更大的經濟效益與社會效益。