談機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

李英明

摘?要：機(jī)電一體化技術(shù)是跨學(xué)科技術(shù)，近年來發(fā)展迅速。其發(fā)展趨勢(shì)是光機(jī)電一體化、柔性化、智能化、仿生物系統(tǒng)化、微型化。

關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化技術(shù);信息技術(shù);發(fā)展趨勢(shì)

機(jī)電一體化技術(shù)是面向應(yīng)用的跨學(xué)科的技術(shù)，它是機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)和控制技術(shù)等有機(jī)融合、相互滲透的結(jié)果。今天機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展飛速，機(jī)電一體化產(chǎn)品更新日新月異。

一、機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展歷程

“機(jī)電一體化”這個(gè)詞是日本安川電機(jī)公司在上世紀(jì)60年代末作商業(yè)注冊(cè)時(shí)最先創(chuàng)用的。當(dāng)時(shí)及70年代，人們一直把機(jī)電一體化看作是機(jī)械與電子的結(jié)合。國(guó)內(nèi)早期將“機(jī)電一體化技術(shù)”與“機(jī)械電子學(xué)”并用，近年來“機(jī)電一體化”更流行使用。80年代，信息技術(shù)嶄露頭角。微處理機(jī)的性能提高，為更高級(jí)的機(jī)電一體化產(chǎn)品所采用，典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品如數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人和汽車的電子控制系統(tǒng)等。微機(jī)作為關(guān)鍵技術(shù)引入了飛行器系統(tǒng)后，使機(jī)械—電子系統(tǒng)在高度控制、排氣控制、振動(dòng)控制和保險(xiǎn)氣袋等方面獲得廣泛應(yīng)用。信息技術(shù)驅(qū)使機(jī)械系統(tǒng)在不同程度上利用數(shù)據(jù)庫(kù)，連洗衣機(jī)和其他消費(fèi)品也用上了數(shù)據(jù)庫(kù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。這樣，對(duì)機(jī)電一體化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的探索、成型和系統(tǒng)集成以及并行工程設(shè)計(jì)和控制的實(shí)施日顯重要。此外，光學(xué)也進(jìn)入了機(jī)電一體化，產(chǎn)生了“光機(jī)電一體化”的新領(lǐng)域。進(jìn)入90年代，通信技術(shù)進(jìn)入了機(jī)電一體化，機(jī)器可像機(jī)器人系統(tǒng)那樣遙控和虛擬現(xiàn)實(shí)多媒體等技術(shù)緊密聯(lián)系的計(jì)算機(jī)控制的網(wǎng)絡(luò)化機(jī)電一體化日益普及。有些機(jī)電一體化機(jī)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(zhí)行器技術(shù)的發(fā)展，和半導(dǎo)體技術(shù)以光刻為基礎(chǔ)的方法以及和傳統(tǒng)機(jī)電一體化微型化方法的結(jié)合，開創(chuàng)了以精密工程和系統(tǒng)集成為特點(diǎn)的機(jī)電一體化新分支“微機(jī)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(tǒng)的一個(gè)組成部分。之后，機(jī)電一體化隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展而日益發(fā)展，穩(wěn)步進(jìn)入了21世紀(jì)。

二、典型機(jī)電一體化產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)

2.1數(shù)控機(jī)床

目前我國(guó)是全世界機(jī)床擁有量最多的國(guó)家（近320萬(wàn)臺(tái)），但數(shù)控機(jī)床只占約5%且大多數(shù)是普通數(shù)控（發(fā)達(dá)國(guó)家數(shù)控機(jī)床占10%）。近些年來數(shù)控機(jī)床為適應(yīng)加工技術(shù)的發(fā)展，在以下幾個(gè)技術(shù)領(lǐng)域都有巨大進(jìn)步。

1.高速化。由于高速加工技術(shù)普及，機(jī)床普遍提高了各方面的速度。車床主軸轉(zhuǎn)速有3000～4000r/min提高到8000～10000r/min;銑床和加工中心主軸轉(zhuǎn)速由4000～8000r/min提高到12000～40000r/min以上;快速移動(dòng)速度由過去的10～20m/min提高到48m/min，60m/mni，80m/min，120m/min;在提高速度的同時(shí)要求提高運(yùn)動(dòng)部件起動(dòng)的加速度，由過去一般機(jī)床的0.5G（重力加速度）提高到1.5G～2G，最高可達(dá)15G;直線電機(jī)在機(jī)床上開始使用，主軸上大量采用內(nèi)裝式主軸電機(jī)。

2.高精度化。數(shù)控機(jī)床的定位精度已由一般的0.01～0.02mm提高到0.008左右;亞微米級(jí)機(jī)床達(dá)到0.0005mm左右;納米級(jí)機(jī)床達(dá)到0.005～0.01um;最小分辨率為1nm（0.000001mm）的數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床已問世。數(shù)控中兩軸以上插補(bǔ)技術(shù)大大提高，納米級(jí)插補(bǔ)使兩軸聯(lián)動(dòng)出的圓弧都可以達(dá)到1u的圓度，插補(bǔ)前多程序預(yù)讀，大大提高了插補(bǔ)質(zhì)量，并可進(jìn)行自動(dòng)拐角處理等。

3.復(fù)合加工，新結(jié)構(gòu)機(jī)床大量出現(xiàn)。如5軸5面體復(fù)合加工機(jī)床，5軸5聯(lián)動(dòng)加工各類異形零件。同時(shí)派生出各種新穎的機(jī)床結(jié)構(gòu)，包括6軸虛擬軸機(jī)床，串并聯(lián)絞鏈機(jī)床等，采用特殊機(jī)械結(jié)構(gòu)，數(shù)控的特殊運(yùn)算方式，特殊編程要求。

4.使用各種高效特殊功能的刀具使數(shù)控機(jī)床“如虎添翼”。如內(nèi)冷轉(zhuǎn)頭由于使高壓冷卻液直接冷卻轉(zhuǎn)頭切削刃和排除切屑，在轉(zhuǎn)深孔時(shí)大大提高效率。加工剛件切削速度能達(dá)1000m/min，加工鋁件能達(dá)5000m/min。

5.數(shù)控機(jī)床的開放性和聯(lián)網(wǎng)管理。數(shù)控機(jī)床的開放性和聯(lián)網(wǎng)管理已是使用數(shù)控機(jī)床的基本要求，它不僅是提高數(shù)控機(jī)床開動(dòng)率、生產(chǎn)率的必要手段，而且是企業(yè)合理化、最佳化利用這些制造手段的方法。因此，計(jì)算機(jī)集成制造、網(wǎng)絡(luò)制造、異地診斷、虛擬制造、并行工程等等各種新技術(shù)都在數(shù)控機(jī)床基礎(chǔ)上發(fā)展起來，這必然成為21世紀(jì)制造業(yè)發(fā)展的一個(gè)主要潮流。

2.2自動(dòng)機(jī)與自動(dòng)生產(chǎn)線

在國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)和生活中廣泛使用的各種自動(dòng)機(jī)械、自動(dòng)生產(chǎn)線及各種自動(dòng)化設(shè)備，是當(dāng)前機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用的又一具體體現(xiàn)。如：2000～80000瓶/h的啤酒自動(dòng)生產(chǎn)線;18000～120000瓶/h的易拉罐灌裝生產(chǎn)線;各種高速香煙生產(chǎn)線;各種印刷包裝生產(chǎn)線;郵政信函自動(dòng)分撿處理生產(chǎn)線;易拉罐自動(dòng)生產(chǎn)線;FEBOPP型三層共擠雙向拉伸聚丙烯薄膜生產(chǎn)線等等，這些自動(dòng)機(jī)或生產(chǎn)線中廣泛應(yīng)用了現(xiàn)代電子技術(shù)與傳感技術(shù)。如可編程序控制器，變頻調(diào)速器，人機(jī)界面控制裝置與光電控制系統(tǒng)等。我國(guó)的自動(dòng)機(jī)與生產(chǎn)線產(chǎn)品的水平，比10多年前躍升了一大步，其技術(shù)水平已達(dá)到或超過發(fā)達(dá)國(guó)家上一世紀(jì)80年代后期的水平。使用這些自動(dòng)機(jī)和生產(chǎn)線的企業(yè)越來越多，對(duì)維護(hù)和管理這些設(shè)備的相關(guān)人員的需求也越來越多。

三、機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

以微電子技術(shù)、軟件技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及通信技術(shù)為核心而引發(fā)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、綜合化、個(gè)性化信息技術(shù)革命，不僅深刻地影響著全球的科技、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和軍事的發(fā)展，而且也深刻影響著機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢(shì)。專家預(yù)測(cè)，機(jī)電一體化技術(shù)將向以下幾個(gè)方向發(fā)展：

3.1光機(jī)電一體化方向

一般機(jī)電一體化系統(tǒng)是由傳感系統(tǒng)、能源（動(dòng)力）系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)等部件組成。引進(jìn)光學(xué)技術(shù)，利用光學(xué)技術(shù)的先天特點(diǎn)，就能有效地改進(jìn)機(jī)電一體化系統(tǒng)的傳感系統(tǒng)、能源系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)。

3.2柔性化方向

未來機(jī)電一體化產(chǎn)品，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)付突發(fā)事件，被設(shè)計(jì)成“自律分配系統(tǒng)”。在這系統(tǒng)中，各子系統(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，具有“行動(dòng)”是可以改變的。這樣，既明顯地增加了系統(tǒng)的能力（柔性），又不因某一子系統(tǒng)的故障而影響整個(gè)系統(tǒng)。

3.3智能化方向

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。這主要得益于模糊技術(shù)與信息技術(shù)（尤其是軟件及芯片技術(shù)）的發(fā)展。

四、仿生物系統(tǒng)化方向

今后的機(jī)電一體化裝置對(duì)信息的依賴性很大，并且往往在結(jié)構(gòu)上處于“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)類似于活的生物：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。就目前情況看，機(jī)電一體化產(chǎn)品雖然有仿生物系統(tǒng)化方向發(fā)展的趨勢(shì)，但還有一段很漫長(zhǎng)的道路要走。

五、微型化方向

目前，利用半導(dǎo)體器件制造過程中的蝕刻技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)室中已制造出亞微米級(jí)的機(jī)械元件。當(dāng)這一成果用于實(shí)際產(chǎn)品時(shí)，就沒有必要再區(qū)分機(jī)械部分和控制器部分了。那時(shí)，機(jī)械和電子完全可以“融合”機(jī)體，執(zhí)行結(jié)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。這種微型化是機(jī)電一體化的重要發(fā)展方向。

【參考文獻(xiàn)】

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