新世纪机电一体化技术的发展方向

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欢迎访问e展厅 展厅 1 CAD/CAM软件展厅 CAD软件, CAD/CAM, CAM, 钣金CAD/CAM, CAI, ... 机电一体化由“机械学”和“电子学”合而成，意味在传统机械产品中融入电子信息技术。本文详细介绍机电一体化的定义，并探讨其网络化、智能化、微型化和绿色化的发展方向。 机电一体化概念及其延伸 机电一体化概念是电子信息技术向传统机械产品渗透过程中提出来的，起源於日本。1971年3月日本政府在所颁布的《特定电子工业和特定机械工业振兴临时措施法》中说：“应特别注意促进为机械配备电子计算机和其他电子设备，从而实现控制的自动化和机械产品的其他功能”。同年，日本学者创造了一个新英文名词Mechatronics，它是由Mechanics（机械学）和Electronics（电子学）两词各取一半复合而成，中文直译为“机械电子学”，不过，人们为了反映其机电融合的本质而普遍称为“机电一体化”。 1981年，日本机械振兴会对机电一体化概念作出如下解释：“机电一体化这个词，是在机械主功能、动力功能、信息与控制功能上引进电子技术，并将机械装置与电子装置以及软件有机结合而成系统的总称”。上述解释不仅阐明了机电一体化的本质是多学科的融合，而且强调信息技术对推动机电一体化产品的发展起关键性的作用。 根据上述解释，机电一体化产品一般包含下述三个主要部分。 * 机械部分：它是机电一体化产品实现其使用功能的母体，离开了它就可能成为无本之木，因此精密机械制造技术仍是机电一体化技术的基础。比如典型的机电一体化产品数控机床，如果离开了结构优化、制造精密的机床主轴系统、进给系统和基础支承大件等机械部分，再好的数控和伺服系统也无能为力。 * 信息处理部分：这部分的主要任务是对外部输入的程序指令或（和）从多个传感器传来的数字信号进行处理和运算，然後输出各种控制指令去控制伺服机构和其他执行机构以完成所需的动作。此项任务目前主要由微计算机（含专用计算机系统）及相关软件来完成，是机电一体化产品最富活力的部分。 * 传感测量部分：对实际工况以及周围环境的变化，必须通过传感器来感知，这部分就像机电一体化产品的“感官”。首先，传感器要能灵敏地感受被测量信息并精确地转换成电信号。当前正重解决传感器的智能化问题，重点是把传感器感知的模拟量信号就地转化为标准的数字量信号，并就地完成基本判断与推理。 由机械零部件（含气压、液压元件）、电子和电气硬件（含光电元件）以及软件构成的机电一体化产品，是按整体最优化原则、通过系统分析和系统集成而组成的新系统，其功能和性能必较原有的机械产品有质的飞跃。比如作为机电一体产品的数控机床，开辟了柔性自动化加工的新纪元，在加工对象变化时只需改变加工程序指令，而且可以高速、精确地加工出复杂型面，其功能和性能是传统普通机床难於相比的。设计机电一体化产品时，要注意机械和电子的相互置换与有机结合，比如常采用伺服驱动技术来取代齿轮、凸轮和曲柄传动机构。而且现在来倾向用软件功能代替硬件功能，使控制更加灵活和切合实际工况的需要。 随科学技术的发展，机电一体化概念的涵义有所延伸，适用围也相应扩大。这种延伸和扩大，可以借用美国电气与电子工程师协会／美国机械工程师协会在1996年3月出版的《机电一体化专刊》中编者的提法来表达：“在本专刊中，我们把机电一体化初步定义为，在工业产品和过程设计与制造中，机械工程和电子与智能计算机的协同集成”。显然，这一定义已把机电一体化的适用围向两个方面扩展：一是所适用的产品对象已不局限於传统意义上的机械产品；二是适用领域的延伸，即从产品扩展到制造和过程控制领域。 机电一体化技术的几个主要发展方向 进入21世纪，在机电一体化技术的发展倾向中，笔者认为最主要的是：网络化、智能化、微型化、绿色化，下文对此略加探讨。 网络化 20世纪末，网络技术的迅速发展给世界带来巨大变革，同样也给机电一体化技术以重大影响，比如通过网络对机电一体化设备进行远程控制。机电一体化的产品种类很多，面向网络的方式也有差别，现仍以数控机床为例加以说明。 当代数控机床配装的CNC系统不少具有以太网接口，可以直接连入企业内部的局域网，实现制造过程的集成，当然进一步还要通过企业的主干通信网实现制造环境与企业级的ERP等系统的集成。在此基础上，再通过因特网就可以实现企业间的网络化了。此外，基於PC的CNC系统连接调制解调器和通信软件，还能借助因特网进行远程诊断。 智能化 近几年，处理器速度的飞速提高和微机的高性能化，为嵌入智能控制算法（专家系统、模糊逻辑、神经网络、遗传算法及其混合技术等）创造了条件，再加上传感器系统的集成化与智能化，有力地推动机电一体化产品向智能化方向发展，使其具有某种程度的判断推理、逻辑思维和自主决策能力。本文限於篇幅，只讨论当今最引人瞩目的智能型机电一体化产品智能机器人。智能机器人可以获取、处理和识别多种信号，自主地完成较为复杂的操作任务，比一般工业机器人具有更大的灵活性、机动性和更广泛的用途。在本世纪，具有像人的四肢、灵巧的双手、双目视觉、力觉及触觉感知功能的仿人型智能机器人必将被研制出来。 微型化 近十馀年来，微机电一体化系统（Micro-Electro-Mechanical System，即MEMS）作为机电一体化技术的新尖端分支而倍受重视。微机电一体化系统也被称为微机械，其几何尺寸不得超过1cm3，并正向微米、纳米级方向发展。MEMS高度融合了微机械技术、微电子技术和软件技术，其发展难点在於微机械并不是简单地将大尺寸的机械按比例缩小，由於其结构的微型化、在材料、机构设计、摩擦特性、加工方法、测试与定位、驱动方式等方面都产生了一些特殊问题。 由於微机电一体化系统体积微小，能耗少，可进入一般机械无法进入的空间，并易於进行精细操作，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。尽管目前技术上还存在一定困难，但预计取得重大技术突破已为期不远。当前重点发展的微机电一体化系统有：专用集成微型仪器、微型惯性仪表、微型机器人、以及小型、微型和纳米卫星等。 绿色化 保护环境是21世纪的时代要求，“绿色”的本质就是最有效地利用资源和最低限度地产生废弃物。机电一体化产品的绿色化，意味低能耗、低材耗、不危害人体健康、对环境无污染或低污染，操作舒适方便并且废弃後可回收利用，这显然涉及从设计、制造、使用直至废弃处置的全过程。要实现绿色化，从设计开始就要考虑产品生命周期全过程的环境属性，比如在设计时就要考虑产品的可拆卸性和可回收性等。 21世纪的机电一体化产品需要绿色化，而机电一体化技术往往又有利於促进产品的绿色化。比如汽车的绿色性现已成为全球关注的热点，相关的环保法规来严格，而汽车的机电一体化技术，即以微机为中心的自动控制系统取代原有的纯机械控制部件（比如发动机以及传动与行驶的电子控制系统等），则不仅可降低汽车的能耗和减少排气污染，更有助於实现汽车行驶的可靠性、安全性和操作的舒适方便。总之，机电一体化和绿色化完全有可能相互促进。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (10/14/2004)