機電一體化應(yīng)用及發(fā)展趨勢

王慶會　王世豪　褚朝陽　王鵬飛

摘 要：機電一體化是機械、微電子、控制、計算機、信息處理等多學(xué)科的交叉融合，其發(fā)展和進步有賴于相關(guān)技術(shù)的進步與發(fā)展，其主要發(fā)展方向有數(shù)字化、智能化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、人性化、微型化、集成化、帶源化和綠色化。

關(guān)鍵字：機電一體化；融合；發(fā)展

1 機電一體化技術(shù)發(fā)展歷程

自電子技術(shù)一問世，電子技術(shù)與機械技術(shù)的結(jié)合就開始了，只是出現(xiàn)了半導(dǎo)體集成電路，尤其是出現(xiàn)了以微處理器為代表的大規(guī)模集成電路以后，"機電一體化"技術(shù)之后有了明顯進展，引起了人們的廣泛注意?！皺C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(yè)注冊時最先創(chuàng)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(jié)合。國內(nèi)早期將“機電一體化技術(shù)”與“機械電子學(xué)”并用，近年來“機電一體化”更流行使用。

80年代，信息技術(shù)嶄露頭角。微處理機的性能提高，為更高級的機電一體化產(chǎn)品所采用，典型的機電一體化產(chǎn)品如數(shù)控機床、工業(yè)機器人和汽車的電子控制系統(tǒng)等。微機作為關(guān)鍵技術(shù)引入了飛行器系統(tǒng)后，使機械-電子系統(tǒng)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(yīng)用。

進入90年代，通信技術(shù)進入了機電一體化，機器可像機器人系統(tǒng)那樣遙控和虛擬現(xiàn)實多媒體等技術(shù)緊密聯(lián)系的計算機控制的網(wǎng)絡(luò)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(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)集成為特點的機電一體化新分支“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(tǒng)的一個組成部分。之后，機電一體化隨著自動化技術(shù)的發(fā)展而日益發(fā)展，穩(wěn)步進入了21世紀

1.1 光機電一體化

一般的機電一體化系統(tǒng)是由傳感系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)等部件組成的.因此，引進光學(xué)技術(shù)，實現(xiàn)光學(xué)技術(shù)的先天優(yōu)點是能有效地改進機電一體化系統(tǒng)的傳感系統(tǒng)、能源（動力）系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng).光機電一體化是機電產(chǎn)品發(fā)展的重要趨勢. 二、機電一體化的發(fā)展進程

1.2 全息系統(tǒng)化——智能化

今后的機電一體化產(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)，也變簡單的“從上到下”的形勢而為復(fù)雜的、有較多冗余度的雙向聯(lián)系。

1.3 微型機電化——微型化

目前，利用半導(dǎo)體器件制造過程中的蝕刻技術(shù)，在實驗室中已制造出亞微米級的機械元件。當將這一成果用于實際產(chǎn)品時，就沒有必要區(qū)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(zhí)行機構(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。這種微型機械學(xué)是機電一體化的重要發(fā)展方向。

2 機電一體化技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 數(shù)控機床

數(shù)控機床及相應(yīng)的數(shù)控技術(shù)經(jīng)過40年的發(fā)展，在結(jié)構(gòu)、功能、操作和控制精度上都有迅速提高，具體表現(xiàn)在：總線式、模塊化、緊湊型的結(jié)構(gòu)，即采用多CPU、多主總線的體系結(jié)構(gòu)。開放性設(shè)計，即硬件體系結(jié)構(gòu)和功能模塊具有層次性、兼容性、符合接口標準，能最大限度地提高用戶的使用效益。

WOP技術(shù)和智能化。系統(tǒng)能提供面向車間的編程技術(shù)和實現(xiàn)二、三維加工過程的動態(tài)仿真，并引入在線診斷、模糊控制等智能機制。

大容量存儲器的應(yīng)用和軟件的模塊化設(shè)計，不僅豐富了數(shù)控功能，同時也加強了CNC系統(tǒng)的控制功能。

能實現(xiàn)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(wù)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(tǒng)中去。系統(tǒng)的多級網(wǎng)絡(luò)功能，加強了系統(tǒng)組合及構(gòu)成復(fù)雜加工系統(tǒng)的能力。以單板、單片機作為控制機，加上專用芯片及模板組成結(jié)構(gòu)緊湊的數(shù)控裝置。

2.2 計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）

CIMS的實現(xiàn)不是現(xiàn)有各分散系統(tǒng)的簡單組合，而是全局動態(tài)最優(yōu)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(xiàn)從經(jīng)營決策、產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)準備、生產(chǎn)實驗到生產(chǎn)經(jīng)營管理的有機結(jié)合。企業(yè)集成度的提高可以使各種生產(chǎn)要素之間的配置得到更好的優(yōu)化，各種生產(chǎn)要素的潛力可以得到更大的發(fā)揮。

2.3 柔性制造系統(tǒng)（FMS）

柔性制造系統(tǒng)是計算機化的制造系統(tǒng)，主要由計算機、數(shù)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(chǎn)其能力范圍內(nèi)的任何工件，特別適于多品種、中小批量、設(shè)計更改頻繁的離散零件的批量生產(chǎn)。

2.4 工業(yè)機器人

第1代機器人亦稱示教再現(xiàn)機器人，它們只能根據(jù)示教進行重復(fù)運動，對工作環(huán)境和作業(yè)對象的變化缺乏適應(yīng)性和靈活性；第2代機器人帶有各種先進的傳感元件，能獲取作業(yè)環(huán)境和操作對象的簡單信息，通過計算機處理、分析，做出一定的判斷，對動作進行反饋控制，表現(xiàn)出低級智能，已開始走向?qū)嵱没?；?代機器人即智能機器人，具有多種感知功能，可進行復(fù)雜的邏輯思維、判斷和決策，在作業(yè)環(huán)境中獨立行動，與第5代計算機關(guān)系密切。

3 結(jié)語

機電一體化的發(fā)展歷程見證了人類走向了高科技的時代，機電一體化化的發(fā)展趨勢見證了人類對于高智能化的向往。

機電一體化不是孤立的，它是許多科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶，是社會生產(chǎn)力發(fā)展到一定階段的必然要求。在走向高智能化的時代步伐下，機電一體化技術(shù)的廣闊發(fā)展前景也將越來越光明。

參考文獻

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