淺談國(guó)內(nèi)機(jī)電一體化發(fā)展和現(xiàn)狀

文/盛國(guó)棟(黑龍江哈爾濱盛和置業(yè)有限公司）

機(jī)電一體化發(fā)展至今已經(jīng)成為一門有著自身體系的新型學(xué)科，機(jī)電一體化綜合運(yùn)用機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、傳感測(cè)控技術(shù)及電力電子技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)功能目標(biāo)要求，合理配置與布局各功能單元，在多功能、高質(zhì)量、高可靠性、低能耗的意義上實(shí)現(xiàn)特定功能價(jià)值，并使整個(gè)系統(tǒng)最優(yōu)化的系統(tǒng)工程技術(shù)。

1 .機(jī)電一體化總述

機(jī)電一體化的發(fā)展大體可以分為三個(gè)階段：(1）20世紀(jì)60年代以前為第一階段，這一階段稱為初級(jí)階段。在這一時(shí)期，人們自覺不自覺地利用電子技術(shù)的初步成果來完善機(jī)械產(chǎn)品的性能。特別是在第二次世界大戰(zhàn)期間，戰(zhàn)爭(zhēng)刺激了機(jī)械產(chǎn)品與電子技術(shù)的結(jié)合，這些機(jī)電結(jié)合的軍用技術(shù)，戰(zhàn)后轉(zhuǎn)為民用，對(duì)戰(zhàn)后經(jīng)濟(jì)的恢復(fù)起到了積極的作用。那時(shí)，研制和開發(fā)從總體上看還處于自發(fā)狀態(tài)。由于當(dāng)時(shí)電子技術(shù)的發(fā)展尚未達(dá)到一定水平，機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)的結(jié)合還不可能廣泛和深入發(fā)展，已經(jīng)開發(fā)的產(chǎn)品也無法大量推廣。(2）20世紀(jì)70-80年代為第二階段，可稱為蓬勃發(fā)展階段。這一時(shí)期，計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，為機(jī)電一體化的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路和微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，為機(jī)電一體化的發(fā)展提供了充分的物質(zhì)基礎(chǔ)。這個(gè)時(shí)期的特點(diǎn)是：mechatronics一詞首先在日本被普遍接受，大約到20世紀(jì)80年代末期在世界范圍內(nèi)得到比較廣泛的承認(rèn)；機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品得到了極大發(fā)展；各國(guó)均開始對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品給予很大的關(guān)注和支持。

2.機(jī)電一體化技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 數(shù)控機(jī)床

數(shù)控機(jī)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：

1、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)。

2、開放性設(shè)計(jì)，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(biāo)準(zhǔn)，能最大限度地提高用戶的使用效益。

3、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(shí)現(xiàn)二、三維加工過程的動(dòng)態(tài)仿真，并引入在線診斷、模糊控制等智能機(jī)制。

4、大容量存儲(chǔ)器的應(yīng)用和軟件的模塊化設(shè)計(jì)，不僅豐富了數(shù)控功能，同時(shí)也加強(qiáng)了CNC系統(tǒng)的控制功能。

5、能實(shí)現(xiàn)多過程、多通道控制，即具有一臺(tái)機(jī)床同時(shí)完成多個(gè)獨(dú)立加工任務(wù)或控制多臺(tái)和多種機(jī)床的能力，并將刀具破損檢測(cè)、物料搬運(yùn)、機(jī)械手等控制都集成到系統(tǒng)中去。

6、系統(tǒng)的多級(jí)網(wǎng)絡(luò)功能，加強(qiáng)了系統(tǒng)組合及構(gòu)成復(fù)雜加工系統(tǒng)的能力。

7、以單板、單片機(jī)作為控制機(jī)，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 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。

3.機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展表現(xiàn)

3.1微型機(jī)電一體化系統(tǒng)高度融合了微機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)和軟件技術(shù)，是機(jī)電一體化的一個(gè)新的發(fā)展方向。國(guó)外稱微電子機(jī)械系統(tǒng)的幾何尺寸一般不超過1cm3，并正向微米、納米級(jí)方向發(fā)展。由于微機(jī)電一體化系統(tǒng)具有體積小、耗能小、運(yùn)動(dòng)靈活等特點(diǎn)，可進(jìn)入一般機(jī)械無法進(jìn)入的空間并易于進(jìn)行精細(xì)操作，故在生物醫(yī)學(xué)、航空航天、信息技術(shù)、工農(nóng)業(yè)乃至國(guó)防等領(lǐng)域，都有廣闊的應(yīng)用前景。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。

3.2模塊化也是機(jī)電一體化產(chǎn)品的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，是一項(xiàng)重要而艱巨的工程。由于機(jī)電一體化產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠家繁多，研制和開發(fā)具有標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口、電氣接口、動(dòng)力接口、信息接口的機(jī)電一體化產(chǎn)品單元是一項(xiàng)復(fù)雜而重要的事，它需要制訂一系列標(biāo)準(zhǔn)，以便各部件、單元的匹配和接口。機(jī)電一體化產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)可利用標(biāo)準(zhǔn)單元迅速開發(fā)新產(chǎn)品，同時(shí)也可以不斷擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。

3.3網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展對(duì)機(jī)電一體化有重大影響，使其朝著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。機(jī)電一體化產(chǎn)品的種類很多，面向網(wǎng)絡(luò)的方式也不同。由于網(wǎng)絡(luò)的普及，基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視技術(shù)方興未艾，而遠(yuǎn)程控制的終端設(shè)備本身就是機(jī)電一體化產(chǎn)品。

4.機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢(shì)

4.1光機(jī)電一體化。一般的機(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)等部件組成的。因此，引進(jìn)光學(xué)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)光學(xué)技術(shù)的先天優(yōu)點(diǎn)是能有效地改進(jìn)機(jī)電一體化系統(tǒng)的傳感系統(tǒng)、能源(動(dòng)力）系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)。光機(jī)電一體化是機(jī)電產(chǎn)品發(fā)展的重要趨勢(shì)。

4.2未來的機(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)”。在自律分配系統(tǒng)中，各個(gè)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)不同的環(huán)境條件作出不同反應(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，具體“行動(dòng)”是可以改變的。這樣，既明顯地增加了系統(tǒng)的適應(yīng)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)。

4.4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(jiǎn)單的“從上到下”的形勢(shì)而為復(fù)雜的、有較多冗余度的雙向聯(lián)系。

4.5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)上是處于“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。

綜上所述，機(jī)電一體化是眾多科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶，是社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展到一定階段的必然要求。它促使機(jī)械工業(yè)發(fā)生戰(zhàn)略性的變革，使傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)概念發(fā)生著革命性的變化。大力發(fā)展新一代機(jī)電一體化產(chǎn)品，不僅是改造傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備的要求，而且是推動(dòng)機(jī)械產(chǎn)品更新?lián)Q代和開辟新領(lǐng)域、發(fā)展與振興機(jī)械工業(yè)的必由之路。