论机电一傩化技市的应用坝状及发展趋势

黄豆豆

       [摘要]机电一体化是现代科学技术发展的必然结果，是一种复合枝术，是机械技术与微电子技术、信息技术互相渗透的产物，是机电工业发展的必然趋势。文章简述了机电一体化技术的基本结构组成和应用现状，并指出了其发展趋势。

　　[关键词]机电一体化技术现状发展趋势

      现代科学技术的发展极大地推动了不同学科的交叉与渗透，引起了工程领域的技术改造与革命。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由机械电气化迈入了机电一体化为特征的发展阶段。
　　一、机电一体化技术概述机电一体化是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术，将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。．机电一体化发展至今已经成为一门有着自身体系的新型学科，随着科学技术的不断发展，还将被赋予新的内容。但其基本特征可概括为：机电一体化是从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术及电力电子技术，根据系统功能目标要求，合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值，并使整个系统最优化的系统工程技术。由此而产生的功能系统，则成为一个机电一体化系统或机电一体化产品。因此，机电一体化涵盖技术.. 和产品两个方面。机电一体化技术是基于上述群体技术有机融合的一种综合技术，而不是机械技术、微电子技术及其它新技术的简单组合、拼凑。这是机电一体化与机械加电气所形成的机械电气化在概念上的根本区别。机械工程技术由纯技术发展到机械电气化，仍属传统机械，其主要功能依然是代替和放大的体系。但是，发展到机电一体化后，其中的微电子装置除可取代某些机械部件的原有功能外，还被赋予许多新的功能，如自动检测、自动处理信息、自动显示记录、自动调节与控制、自动诊断与保护等。也就是说，机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸，还是人的感官与头脑的延伸，智能化特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质区别。
　　机电一体化包括软件和硬件两方面技术。硬件是由机械本体、传感器、信息处理单元和驱动单元等部分组成。因此，为加速推进机电一体化的发展，必须从以下几方面着手。
　　一)机械本体技术机械本体必须从改善性能、减轻质量和提高精度等几方面考虑。现代机械产品一般都是以钢铁材料为主，为了减轻质量除了在结构上加以改进，还应考虑利用非金属复合材料。只有机械本体减轻了重量，才有可能实现驱动系统的小型化，进而在控制方面改善快速响应特性，减少能量消耗，提高效率。
　　二)传感技术传感器的问题集中在提高可靠性、灵敏度和精确度方面，提高可靠性与防干扰有着直接的关系。为了避免电干扰，目前有采用光纤电缆传感器的趋势。对外部信息传感器来说，目前主要发展非接触型检测技术。
　　三)信息处理技术机电一体化与微电子学的显著进步、信息处理设备(特别是微型计算机)的普及应用紧密相连。为进一步发展机电一体化，必须提高信息处理设备的可靠性，包括模／数转换设备的可靠性和分时处理的输入输出的可靠性，进而提高处理速度，并解决抗干扰及标准化问题。
　　四)驱动技术电机作为驱动机构已被广泛采用，但在快速响应和效率等方面还存在一些问题。目前，正在积极发展内部装有编码器的电机以及控制专用组件传感器一电机三位一体的伺服驱动单元。
　　五)接口技术为了与计算机进行通信，必须使数据传递的格式标准化、规格化。
　　接口采用同一标准规格不仅有利于信息传递和维修，而且可以简化设计。目前，技术人员正致力于开发低成本、高速串行的接V I，来解决信号电缆非接触化、光导纤维以及光藕器的大容量化、小型化、标准化等问题。
　　六)软件技术软件与硬件必须协调一致地发展。为了减少软件的研制成本，提高生产维修的效率，要逐步推行软件标准化，包括程序标准化、程序模块化、软件程序的固化、推行软件工程等。
　　二、机电一体化的发展状况机电一体化的发展大体可以分为三个阶段：
　　一) 20世纪.. 60年代以前为第一阶段，这一阶段称为初级阶段。在这一时期，人们自觉不自觉地利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。特别是在第二次世界大战期间，战争刺激了机械产品与电子技术的结合，这些机电结合的军用技术，战后转为民用，对战后经济的恢复起到了积极的作用。那时，研制和开发从总体上看还处于自发状态。由于当时电子技术的发展尚未达到一定水平，机械技术与电子技术的结合还不可能广泛和深入发展，已经开发的产品也无法大量推广。
　　二) 2O世纪.. 7 O一80年代为第二阶段，可称为蓬勃发展阶段。这一时期，计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展奠定了技术基础。大规模、超大规模集成电路和微型计算机的出现，为机电一体化的发展提供了充分的物质基础。这个时期的特点是：mecha一词首先在日本被普遍接受，大约到.. 2O世纪.. 8O年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认；机电一体化技术和产品得到了极大发展；各国均开始对机电一体化技术和产品给予很大的关注和支持。
　　三) 2O世纪.. 9O年代后期，开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段，机电一体化进入深入发展时期。一方面，光学、通信技术等进入机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支；另一方面，对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。同时，人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。这些研究，使机电一体化进一步建立了坚实的基础，并且逐渐形成完整的学科体系。
　　我国是从.. 20世纪80年代初才开始进行这方面的研究和应用。国务院成立了机电一体化领导小组，并将该技术列入.. 863计划.. 中。在制定九五规划和2 010年发展纲要时充分考虑了国际上关于机电一体化技术的发展动向和由此可能带来的影响。许多大专院校、研究机构及一些大中型企业对这一技术的发展及应用做了大量的工作，取得了一定成果。但与日本等先进国家相比，仍有相当差距。
　　三、机电一体化技术的主要应用领域一)数控机床数控机床及相应的数控技术经过.. 40年的发展，在结构、功能、操作和控制精度上都有迅速提高，具体表现在：
　　总线式、模块化、紧凑型的结构，即采用多.. CPU、多主总线的体系结构。
　　开放性设计，即硬件体系结构和功能模块具有层次性、兼容性、符合接口标准，能最大限度地提高用户的使用效益。
　　WOP技术和智能化。系统能提供面向车间的编程技术和实现二、三维加工过程的动态仿真，并引入在线诊断、模糊控制等智能机制。
　　大容量存储器的应用和软件的模块化设计，不仅丰富了数控功能，同时也加强了CNC系统的控制功能。
　　能实现多过程、多通道控制，即具有一台机床同时完成多个独立加工任务或控制多台和多种机床的能力，并将刀具破损检测、物料搬运、机械手等控制都集成到系统中去。
　 系统的多级网络功能，加强了系统组合及构成复杂加工系统的能力。
　 以单板、单片机作为控制机，加上专用芯片及模板组成结构紧凑的数控装置。
　　二计算机集成制造系统的实现不是现有各分散系统的简单组合，而是全局动态最优综合。它打破原有部门之间的界线，以制造为基干来控制物流和信息流，实现从经营决策、产品开发、生产准备、生产实验到生产经营管理的有机结合。
　　三)柔性制造系统柔性制造系统是计算机化的制造系统，主要由计算机、数控机床、机器人、料盘、自动搬运小车和自动化仓库等组成。它可以随机地、实时地、按量地按照装配部门的要求，生产其能力范围内的任何工件，特别适于多品种、中小批量、设计更改频繁的离散零件的批量生产。
　　四)工业机器人第 1代机器人亦称示教再现机器人，它们只能根据示教进行重复运动，对工作环境和作业对象的变化缺乏适应性和灵活性；第 2代机器人带有各种先进的传感元件，能获取作业环境和操作对象的简单信息，通过计算机处理、分析做出一定的判断对动作进行反馈控制，表现低级智能，已开始走向实用化；第 3代机器人即智能机器人，具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑思维、判断和决策，存作业环境中独立行动，与第.. 5代计算机关系密切。
　　四、机电一体化技术的发展趋势纵观国内外机电一体化的发展现状和高新技术的发展动向，机电一体化将朝着以下几个方向发展。
　　一)智能化智能化是机电一体化与传统机械自动化的主要区别之一，也是世纪机电一体化的发展方向。近几年，处理器速度的提高和微机的高性能化、传感器系统的集成化与智能化为嵌入智能控制算法创造了条件，有力地推动着机电一体化产品向智能化方向发展。智能机电一体化产品可以模拟人类智能，具有某种程度的判断推理、逻辑思维和自主决策能力，从而取代制造工程中人的部分脑力劳动：
　　二)系统化系统化的表现特征之一就是系统体系结构进一步采用玎放式和模式化的总线结构。系统可以灵活组态，进行任意的剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。表现特征之二是通信功能大大加强，一般除.. RS232等常用通信方式外，实现远程及多系统通信联网需要的局部网络正逐渐被采用。未来的机电一体化更加注重产品与人的关系，如何赋予机电一体化产品以人的智能、情感、人性显得越来越重要。机电一体化产品还可根据一些生物体优良的构造研究某种新型机体，使其向着生物系统化方向发展。
　　三)微型化微型机电一体化系统高度融合了微机械技术、微电子技术和软件技术，是机电一体化的一个新的发展方向。国外称微电子机械系统的几何尺寸一般不超过.. 1em，并正向微米、纳米级方向发展。由于微机电一体化系统具有体积小、耗能小、运动灵活等特点，可进入一般机械无法进入的空间并易于进行精细操作故在生物医学、航空航天、信息技术、工农业乃至国防等领域，都有广阔的(，) 应用前景。目前，利用半导体器件法是内部质量考核落到实处的关键所在。
　　建立新的质量考核体系的主要对策在目前国有大中型企业普遍处于经营困难的情况下，如何使企业改正旧的质量考核体系，建立适应新的市场经济体制下的质量考核体系，使企业走出困境，笔者认为，主要应从如下几个方面着手：
　　实行全方位的企业内部质量考核机制。企业不仅应对操作工人进行产品质量的考核，更应该对管理人员、辅助人员的工作质量进行考核。只有这样，才能起到预防作用，确实杜绝不合格产品的出现，从根本上扭转产品质量低下又长期得不到解决这一普遍现象。
　　对管理人员和辅助人员的岗位技能工资进行彻底的工资改革。过分地论资排辈势必严重挫伤大部分中青年职ZI~'劳动积极性，对提高产品质量没有益处。
　　严格划分出产品质量等级。根据工人生产出的产品质量状况进行分类并加以考核，且与计件工资制相挂钩。只有这样，才能充分体现优质优价，按劳取酬的公平竞争的原则，充分调动工人的劳动积极性。
　　加大考核力度，采用经济杠杆作用，来衡量产品质量、工作质量的优劣。同时更应注意不能以奖代罚、只奖不罚。从过去的经验看，任何质量问题只要落实到经济考核中并确实落实到责任者头上就能起到立竿见影的作用对厂长(经理)的决策质量与T作质量进行考核，应纳入企业质量工作及上级主管部门的议事.. 13程。发挥企业党委和职工代表大会的监督制约机制，也是完善企业质量工作的一项具体的任务。只有领导带头执行，起表率作用，才能顺应民心，企业的各项质量工作才能真正踏上正轨。
　　综上所述，企业在制订与贯彻内部质量考核体系的工作过程中，只有进一步制订H{符合社会主义市场经济体制的各项质量方面的制度和政策，才能使企业在实际生产过程中有法可依；在实际操作过程中，只有知法守法和严肃执法，才能从根本上扭转当前国有大中型企业产品质量长期低下又得不到根本解决的不良现象，才能使企业走出当前的经营困境，才能增加效益、降低成本，才能生产出使消费者满意的合格产品，才能使企业在市场竞争中立于不败之地。
　　制造过程中的蚀刻技术，在实验室中已制造出亚微米级的机械元件。
　　四)模块化模块化也是机电一体化产品的一个发展趋势，是一项重要而艰巨的]程。由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、信息接口的机电一体化产品单元是一项复杂而重要的事，它需要制订一系列标准，以便各部件、单元的匹配和接口。机电一体化产品生产企业可利用标准单元迅速开发新产品，同时也可以不断扩大生产规模。
　　五)网络化网络技术的飞速发展对机电一体化有重大影响，使其朝着网络化方向发展。机电一体化产品的种类很多，面向网络的方式也不同。由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾，而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品六)绿色化工业的发达使人们物质丰富、生活舒适的同时也使资源减少，生态环境受到严重污染，于是绿色产品应运而生。绿色化是时代的趋势，其标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期中，对生态环境无危害或危害极小，资源利用率极高。机电一体化产品的绿色化主要是指使用时不污染生态环境，报废时能回收利用。绿色制造业是现代制造业的可持续发展模式。
　　综上所述，机电一体化是众多科学技术发展的结晶，是社会生产力发展到一定阶段的必然要求。它促使机械]：业发生战略性的变革，使传统的机械设计方法和设计概念发生着革命性的变化。大力发展新一代机电一体化产品，不仅是改造传统机械设备的要求，而且是推动机械产品更新换代和开辟新领域、发展与振兴机械T业的必由之路。