機電一體化技術的發展趨勢

劉喜

(神華北電勝利能源有限公司，內蒙古自治區 錫林郭勒盟 026015)

1 機電一體化概述

機電一體化是指在機構的主要執行功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進電子技術，將機械裝置與電子化設計及軟件結合起來所構成的系統的總稱［1］。機電一體化發展至今已成為一門有著自身體系的新型學科，隨著科學技術的不但發展，還將被賦予新的內容。但其基本特征可概括為:機電一體化是從系統的觀點出發，綜合運用機械技術、微電子技術、自動控制技術、計算機技術、信息技術、傳感測控技術、電力電子技術、接口技術、信息變換技術以及軟件編程技術等群體技術，根據系統功能目標和優化組織目標，合理配置與布局各功能單元，在多功能、高質量、高可靠性、低能耗的意義上實現特定功能價值，并使整個系統最優化的系統工程技術。由此而產生的功能系統，則成為一個機電一體化系統或機電一體化產品。

因此，“機電一體化”涵蓋“技術”和“產品”兩個方面。只不過，機電一體化技術是基于上述群體技術有機融合的一種綜合技術，而不是機械技術、微電子技術以及其他新技術的簡單組合、拼湊。這是機電一體化與機械加電氣所形成的機械電氣化在概念上的根本區別。機械工程技術由純技術發展到機械電氣化，仍屬傳統機械，其主要功能依然是代替和放大的體力。但是發展到機電一體化后，其中的微電子裝置除可取代某些機械部件的原有功能外，還能賦予許多新的功能，如自動檢測、自動處理信息、自動顯示記錄、自動調節與控制自動診斷與保護等。即機電一體化產品不僅是人的手與肢體的延伸，還是人的感官與頭腦的延伸，具有智能化的特征是機電一體化與機械電氣化在功能上的本質區別。

2 機電一體化的核心技術［2］

機電一體化包括軟件和硬件兩方面技術。硬件是由機械本體、傳感器、信息處理單元和驅動單元等部分組成。因此，為加速推進機電一體化的發展，必須從以下幾方面著手。

2.1 機械本體技術

機械本體必須從改善性能、減輕質量和提高精度等幾方面考慮。現代機械產品一般都是采用鋼鐵材料為主創造的，為了減輕質量，除了在結構上加以改進外，主要應考慮利用非金屬復合材料。只有機械本體減輕了質量，才有可能實現驅動系統的小型化，在控制方面才能夠改善快速響應特性，減少消耗能量，提高效率。

2.2 傳感技術

傳感器的問題集中在提高可靠性、靈敏度和精確度方面，提高可靠性與防干擾有著直接的關系。為了避免電干擾，目前有采用光纖電纜傳感器的趨勢。對外部信息傳感器來說，目前主要發展非接觸型檢測技術。

2.3 信息處理技術

機電一體化是與微電子學的顯著進步、信息處理設備(特別是微型計算機)的普及應用分不開的。為進一步發展機電一體化，必須提高信息處理設備的可靠性，包括模/數轉換設備的可靠性和分時處理的輸入輸出的可靠性，進而提高處理速度，并解決抗干擾及標準化問題。

2.4 驅動技術

電機作為驅動機構已被廣泛采用，但在快速響應和效率等方面還存在一些問題。目前，正在積極發展內部裝有編碼器的電機以及控制專用組件－傳感器－電機三位一體的伺服驅動單元。

2.5 接口技術

為了與計算機進行通信，必須使數據傳遞的格式標準化、規格化。接口采用同一標準規格不僅給信息傳遞和維修帶來方便，而且可以簡化設計。目前，正致力于發展低成本、高速串行的接口，來解決信號電纜非接觸化、光導纖維以及光藕器的大容量化、小型化、標準化等問題。

2.6 軟件技術

軟件與硬件必須協調一致地發展。為了減少軟件的研制成本，提高生產維修的效率，要逐步推行軟件標準化，包括程序標準化、程序模塊化、軟件程序的固化、推行軟件工程等。

3 機電一體化技術的發展趨勢［3］

3.1 光電一體化方向

一般機電一體化系統是由傳感系統、能源(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，就能有效的改進機電一體化系統的傳感系統、能源系和信息處理系統。

3.2 智能化方向

機電一體化產品“全息”特性越來越明顯，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。智能化是21世紀機電一體化技術發展的一個重要發展方向。人工智能在機電一體化建設者的研究日益得到重視，機器人與數控機床的智能化就是重要應用。這里所說的“智能化”是對機器行為的描述，是在控制理論的基礎上，吸收人工智能、運籌學、計算機科學、模糊數學、心理學、生理學和混沌動力學等新思維、新方法，模擬人類智能，是它具有判斷推理、邏輯思維、自主決策能力，以求得到更高的控制目標。誠然，使機電一體化產品具有與人完全相同的智能，是不可能的，也是不必要的。但是，高性能、高速的微處理器使機電一體化產品賦有低級智能活人的部分智能則是完全可能而又必要的［4］。

3.3 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。

3.4 微型化方向

微型化指的是機電一體化向微型機器和微觀領域發展的趨勢。國外稱其為微電子機械系統(Micro E-lectronic Mechanical System簡稱MEMS)，泛指幾何尺寸不超過1cm3的機電一體化產品，并向微米、納米級發展。微機電一體化產品體積小、耗能低、運動靈活，在生物醫療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優勢。微機電一體化發展的瓶頸在于微機械技術，微機電一體化產品的加工采用精細加工技術，即超精密技術，它包括光刻技術和蝕刻技術兩類。

3.5 模塊化方向

由于機電一體化產品種類和生產廠家繁多，研制和開發具有標準機械接口、動力接口、環境接口的機電一體化產品單元模塊式一項復雜而有前途的工作。如研制具有集減速、變頻調速電機一體的動力驅動單元，具有視覺、圖像處理、識別和測距等功能的電機一體控制單元等。這樣，在產品開發設計時，可以利用這些標準模塊化單元迅速開發出新產品。

3.6 網絡化方向

由于網絡的普及，基于網絡的各種遠程控制和監視技術方興未艾。而遠程控制的終端設備本身就是機電一體化產品，現場總線和局域網技術是家用電器網絡化成為可能，為了把各種家用電器連接成以計算機為中心的計算機集成家用電器系統，使人們在家里可充分享受各種高科技帶來的好處。因此，機電一體化產品無疑應朝著網絡化方向發展。

3.7 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。

3.8 帶源化方向

機電一體化產品自身帶有能源，如太陽能電池、燃料電池和大容量電池。由于在許多場合無法使用電能，因而對于運動的機電一體化產品，自帶動力源具有獨特的好處。帶源化是機電一體化產品的發展方向之一。

3.9 綠色化方向

科學技術的發展給人們的生活帶來巨大變化，在物質豐富的同時也帶來資源減少、生態環境惡化的后果。所以，人們呼喚保護環境，回歸自然，實現可持續發展，綠色產品概念在這種呼聲中應運而生。綠色產品是指低能耗、低材耗、低污染、舒適、協調而可再生的產品。在其設計、制造、使用和銷毀時應符合環保和人類健康的要求，機電一體化產品的綠色化主要是指在其使用時不污染生態環境，產品壽命結束時，可分解和再利用。

4 典型機電一體化產品的發展趨勢［5］

4.1 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。

4.1.1 高速化

由于高速加工技術普及，機床普通提高了各方面的速度。車床主軸轉速由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/min，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1.5～2G，最高可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。

4.1.2 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0.008mm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(0.000001mm)的數控系統和機床已問世。

4.1.3 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面動加工各類異形零件。同時派生出各種新城的機床結構，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。

4.1.4 使用各種高效特殊功能的刀具使數控機床“知虎添翼”

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。加工鋼件切削速度能達1000m/min，加工鋁件能達5000m/min。

4.1.5 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、盛擬制造、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。

4.2 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。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世紀90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。

5 結束語

機電一體化的出現不是孤立的，它是許多科學技術發展的結晶，是社會生產力發展到一定階段的必然產物。機電一體化技術促使機械工業發生了戰略性變革，傳統的機械設計方法和設計概念正在發生著革命性的變化，新的方法有待去創造、去發現。機電一體化是科學技術發展的結晶，是社會生產力發展到一定階段的必然要求，是振興傳統機電工業的新鮮血液和原動力。隨著科技的發展，機電一體化技術必將得到進一步發展和更廣泛的應用。

［1］李建勇.機電一體化技術［M］.北京:科學出版社，2004.

［2］楊明路琴.機電一體化的研究現狀與發展趨勢［J］.農機化研究，2006.

［3］韓瑞寶.我國電一體化技術的發展趨勢［J］.應用科學，2008.

［4］李運華.機電控制［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2003.

［5］王斌.論機電一體化技術的發展趨勢略述［J］.產業與科技論壇產業，2006.