淺議機電一體化技術的發展趨勢

楊春紅

(云南能源職業技術學院,云南曲靖 655000)

淺議機電一體化技術的發展趨勢

楊春紅

(云南能源職業技術學院,云南曲靖 655000)

機電一體化概要“機電一體化”是指在機構的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進電子技術,將機械裝置與電子化設計及軟件結合起來所構成的系統的總稱。因此,“機電一體化”涵蓋“技術”和“產品”兩個方面。

數控機床機器人機電一體化

1 機電一體化概要

“機電一體化”是指在機構的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進電子技術，將機械裝置與電子化設計及軟件結合起來所構成的系統的總稱。

機電一體化發展至今已成為一門有著自身體系的新型學科，并且伴隨著科學技術的不斷進步還將被賦予新的內容。但其基本特征可概括為:機電一體化是從系統的觀點出發，綜合運用機械技術、微電子技術、自動控制技術、計算機技術、信息技術、傳感測控技術、電力電子技術、接口技術、信息變換技術以及軟件編程技術等群體技術，根據系統功能目標和優化組織目標，合理配置與布局各功能單元，在多功能、高質量、高可靠性、低能耗的意義上實現特定功能價值，并使整個系統最優化的系統工程技術。由此而產生的功能系統，則成為一個機電一體化系統或機電一體化產品。

因此，“機電一體化”涵蓋“技術”和“產品”兩個方面。只是，機電一體化技術是基于上述群體技術有機融合的一種綜合技術，而不是機械技術、微電子技術以及其它新技術的簡單組合、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別。機械工程技術有純技術發展到機械電氣化，仍屬傳統機械，其主要功能依然是代替和放大的體力。但是發展到機電一體化后，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、自動調節與控制自動診斷與保護等。即機電一體化產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區別。

2 機電一體化技術發展歷程

“機電一體化”這個詞是日本安川電機公司在上世紀60年代末作商業注冊時最先創用的。當時及70年代，人們一直把機電一體化看作是機械與電子的結合。國內早期將機電一體化技術與機械電子學并用，近年來機電一體化則更加流行。

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

信息技術驅使機械系統在不同程度上利用數據庫，連洗衣機和其他消費品也用上了數據庫驅動系統。這樣，對機電一體化的系統設計方法的探索、成型和系統集成以及并行工程設計和控制的實施日顯重要。此外，光學也進入了機電一體化，產生了“光機電一體化”的新領域。

進入90年代，通信技術進入了機電一體化，機器可以像機器人系統那樣遙控和虛擬現實，多媒體等技術緊密聯系的計算機控制的網絡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行器技術的發展，和半導體技術以光刻為基礎的方法以及和傳統機電一體化微型化方法的結合，開創了以精密工程和系統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的一個組成部分。之后，機電一體化隨著自動化技術的發展而日益發展，穩步進入了21世紀。

3 機電一體化發展趨勢

機電一體化是集機械、電子、光學、控制、計算機、信息等多學科的交叉綜合，它的發展和進步依賴并促進相關技術的發展和進步。因此，機電一體化的主要發展方向如下:

3.1 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。

3.2 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，即柔性，又不會因某一子系統的故障而影響整個系統。

3.3 全息系統化——智能化

今后的機電一體化產品“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、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由簡單的“從上到下”的形勢轉而變為復雜的、有較多冗余度的雙向聯系。

3.4 “生物一軟件”化——仿生物系統化

今后的機電一體化裝置對信息的依賴性很大，并且往往在結構上是處于“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，即當控制系統(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。仿生學研究領域中已發現的一些生物體優良的機構可為機電一體化產品提供新型機體，但如何使這些新型機體具有活的“生命”還有待于深入研究。這一研究領域稱為“生物——軟件”或“生物——系統”，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，機電一體化產品雖然有向生物系統化發展的趨勢，但要達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，利用半導體器件制造過程中的蝕刻技術，在實驗室中已制造出亞微米級的機械元件。當我們將這一成果用于實際產品時，就沒有必要區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、執行機構、傳感器、CPU等可集成在一起，體積很小，并組成一種自律元件。這種微型機械學是機電一體化的重要發展方向。

[1]袁中凡.《機電一體化技術》[M].電子工業出版社,2004.

[2]唐懷斌.《工業控制的進展與趨勢》[J].自動化與儀器儀表,1996.

[3]陳子銀.《數控機床結構原理與應用》[M].出版社:北京理工大學出版社,2007.