機電一體化技術的發展趨勢

胡志闊

(唐山國豐鋼鐵有限公司,河北 唐山 063300)

1 機電一體化技術的發展歷程

“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”更流行使用。

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如數控機床、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“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。

2 典型機電一體化產品的發展趨勢

2.1 數控機床

目前我國是全世界機床擁有量最多的國家（近320萬臺），但數控機床只占約5%且大多數是普通數控（發達國家數控機床占10%）。近些年來數控機床為適應加工技術的發展，在以下幾個技術領域都有巨大進步。

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

高精度化。數控機床的定位精度已由一般的0.01～0.02mm提高到0.008左右；亞微米級機床達到0.0005mm左右；納米級機床達到0.005～0.01um；最小分辨率為 1nm（0.000001m m）的數控系統和機床已問世。

數控中兩軸以上插補技術大大提高，納米級插補使兩軸聯動出的圓弧都可以達到1u的圓度，插補前多程序預讀，大大提高了插補質量，并可進行自動拐角處理等。

復合加工，新結構機床大量出現。如5軸5面體復合加工機床，5軸5聯動加工各類異形零件。同時派生出各種新穎的機床結構，包括6軸虛擬軸機床，串并聯絞鏈機床等，采用特殊機械結構，數控的特殊運算方式，特殊編程要求。

使用各種高效特殊功能的刀具使數控機床“如虎添翼”。如內冷轉頭由于使高壓冷卻液直接冷卻轉頭切削刃和排除切屑，在轉深孔時大大提高效率。加工剛件切削速度能達1000m/min，加工鋁件能達5000m/min。

數控機床的開放性和聯網管理。數控機床的開放性和聯網管理已是使用數控機床的基本要求，它不僅是提高數控機床開動率、生產率的必要手段，而且是企業合理化、最佳化利用這些制造手段的方法。因此，計算機集成制造、網絡制造、異地診斷、虛擬制造、并行工程等等各種新技術都在數控機床基礎上發展起來，這必然成為21世紀制造業發展的一個主要潮流。

2.2 自動機與自動生產線

在國民經濟生產和生活中廣泛使用的各種自動機械、自動生產線及各種自動化設備，是當前機電一體化技術應用的又一具體體現。如：2000～80000瓶/h的啤酒自動生產線；18000～120000瓶/h的易拉罐灌裝生產線；各種高速香煙生產線；各種印刷包裝生產線；郵政信函自動分撿處理生產線；易拉罐自動生產線；FEBOPP型三層共擠雙向拉伸聚丙烯薄膜生產線等等，這些自動機或生產線中廣泛應用了現代電子技術與傳感技術。如可編程序控制器，變頻調速器，人機界面控制裝置與光電控制系統等。我國的自動機與生產線產品的水平，比10多年前躍升了一大步，其技術水平已達到或超過發達國家上一世紀80年代后期的水平。使用這些自動機和生產線的企業越來越多，對維護和管理這些設備的相關人員的需求也越來越多。

3 機電一體化技術的發展趨勢

以微電子技術、軟件技術、計算機技術及通信技術為核心而引發的數字化、網絡化、綜合化、個性化信息技術革命，不僅深刻地影響著全球的科技、經濟、社會和軍事的發展，而且也深刻影響著機電一體化的發展趨勢。專家預測，機電一體化技術將向以下幾個方向發展：

3.1 光機電一體化方向

一般機電一體化系統是由傳感系統、能源（下轉第80頁）（上接第81頁）（動力）系統、信息處理系統、機械結構等部件組成。引進光學技術，利用光學技術的先天特點，就能有效地改進機電一體化系統的傳感系統、能源系統和信息處理系統。

3.2 柔性化方向

未來機電一體化產品，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”。在這系統中，各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”，可根據不同環境條件做出不同反應。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，具有“行動”是可以改變的。這樣，既明顯地增加了系統的能力（柔性），又不因某一子系統的故障而影響整個系統。

3.3 智能化方向

今后的機電一體化產品“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與信息技術（尤其是軟件及芯片技術）的發展。

4 仿生物系統化方向

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：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。就目前情況看，機電一體化產品雖然有仿生物系統化方向發展的趨勢，但還有一段很漫長的道路要走。

5 微型化方向

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。當這一成果用于實際產品時，就沒有必要再區分機械部分和控制器部分了。那時，機械和電子完全可以“融合”機體，執行結構、傳感器、CPU等可集成在一起，體積很小，并組成一種自律元件。這種微型化是機電一體化的重要發展方向。

[1]戴勇.高職機電一體化技術專業課程開發[M].北京：機械工業出版社，2004.

[2]顧京.現代機床設備[M].北京：化學工業出版社，2001.