淺談機(jī)電一體化的科學(xué)性和先進(jìn)性

機(jī)電一體化技術(shù)是一項(xiàng)先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)，由機(jī)械本體、檢測(cè)機(jī)構(gòu)、計(jì)算機(jī)控制中心、執(zhí)行機(jī)構(gòu)四部分組成，計(jì)算機(jī)通過對(duì)檢測(cè)機(jī)構(gòu)提供的信息進(jìn)行處理、判斷，將指令發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過機(jī)械本體完成系統(tǒng)的功能。機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化技術(shù)產(chǎn)品，它具有科學(xué)性和先進(jìn)性，機(jī)電一體化技術(shù)使整個(gè)人類社會(huì)發(fā)生了巨大的變革。

早在20世紀(jì)50年代，美國科學(xué)家模仿人類的器官、外形、功能發(fā)明了世界上第一臺(tái)機(jī)器人，在機(jī)器人的基礎(chǔ)上又發(fā)明了數(shù)控機(jī)床等自動(dòng)化產(chǎn)品和設(shè)備。這些自動(dòng)化產(chǎn)品和設(shè)備就是機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)明。擅長(zhǎng)引進(jìn)、吸收和消化的日本人對(duì)機(jī)電一體化這項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了大力的推廣宣傳和研究。20世紀(jì)70年代，日本人將這項(xiàng)技術(shù)命名為機(jī)電一體化。 我國從1985年開始引進(jìn)并發(fā)展了這項(xiàng)技術(shù)。目前，機(jī)電一體化技術(shù)已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、建筑、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療及家庭等領(lǐng)域，并向智能化網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。

機(jī)電一體化技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景，使整個(gè)工業(yè)和人類社會(huì)發(fā)生了巨大的變革，極大地改善了人類的生活，發(fā)展了社會(huì)的經(jīng)濟(jì)。機(jī)電一體化技術(shù)的先進(jìn)在于它的科學(xué)性，機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化技術(shù)產(chǎn)品，是當(dāng)今世界先進(jìn)技術(shù)的典型代表，它來源于人類。人類是大自然的產(chǎn)物，它的器官、外形及功能是十分科學(xué)的，因此，機(jī)電一體化技術(shù)產(chǎn)品也是十分科學(xué)的。機(jī)電一體化系統(tǒng)由四部分組成，機(jī)械本體即系統(tǒng)主體(相當(dāng)于人的身體)，檢測(cè)部分即傳感器(相當(dāng)于人的五官)，控制部分即計(jì)算機(jī)(相當(dāng)于人的大腦)，還有執(zhí)行部分即電機(jī)（相當(dāng)于人的肢體），這四部分組成一個(gè)既動(dòng)作協(xié)調(diào)一致，又能適應(yīng)條件變化的有機(jī)統(tǒng)一體，自動(dòng)地完成規(guī)定的動(dòng)作和功能。

一、機(jī)電一體化技術(shù)的科學(xué)性

機(jī)電一體化系統(tǒng)是一個(gè)自動(dòng)化的控制系統(tǒng)，具有微型化和強(qiáng)大信息處理功能的計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)的控制中心，具有高精度和智能化的傳感器作為檢測(cè)機(jī)構(gòu)，具有良好動(dòng)態(tài)品質(zhì)的機(jī)電產(chǎn)品作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過精密、可靠、穩(wěn)定、輕巧的機(jī)械本體實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。檢測(cè)機(jī)構(gòu)將檢測(cè)到的信息傳遞給控制中心，控制中心將收到的信息經(jīng)分析、判斷后向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成動(dòng)作，檢測(cè)機(jī)構(gòu)將動(dòng)作結(jié)果反饋到控制中心進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1.機(jī)械本體

機(jī)械本體是機(jī)電一體化系統(tǒng)中的被控制對(duì)象，是完成給定工作的主體，是系統(tǒng)技術(shù)的載體，它將整個(gè)系統(tǒng)連接為一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)特定功能。機(jī)電一體化技術(shù)中的機(jī)械技術(shù)是在傳統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而成，具有明顯的綜合性和先進(jìn)性。傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)是手工繪圖，人工調(diào)研，機(jī)電一體化機(jī)械設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)繪圖，網(wǎng)絡(luò)調(diào)研；傳統(tǒng)的機(jī)械制造是普通機(jī)床加工，精度低、效率低，機(jī)電一體化機(jī)械制造是高精度的數(shù)控機(jī)床加工，高效率，低勞動(dòng)強(qiáng)度。因此，機(jī)電一體化的機(jī)械本體可靠、穩(wěn)定、精密、輕巧、實(shí)用美觀、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、通用性強(qiáng)，賦予系統(tǒng)巧妙的靈巧性實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的靈巧動(dòng)作和規(guī)定功能。

2.檢測(cè)及傳感器

傳感器應(yīng)用在各種自動(dòng)控制系統(tǒng)中，在機(jī)電一體化系統(tǒng)中作為傳感器的檢測(cè)機(jī)構(gòu)，是機(jī)電一體化系統(tǒng)的主要組成部分，它能快速、準(zhǔn)確地獲取信息，并經(jīng)轉(zhuǎn)換、測(cè)量傳遞給電腦控制器，作為電腦做出準(zhǔn)確判斷的依據(jù)。傳感器的應(yīng)用可追溯的18世紀(jì)，當(dāng)時(shí)，傳感器代替人的眼、耳、觸覺等獲得被測(cè)的物理量變換成電信號(hào)，隨著控制技術(shù)和材料學(xué)的發(fā)展，出現(xiàn)了半導(dǎo)體傳感器、有機(jī)材料傳感器、生物傳感器等，傳感器的速度和精度越來越高，種類越來越齊全，應(yīng)用越來越廣泛，未來的集成化傳感器和智能化傳感器更快速、更準(zhǔn)確、更穩(wěn)定、可靠性更高，人們期待的嗅覺和味覺傳感器不久終能問世。

3.控制器及計(jì)算機(jī)

計(jì)算機(jī)作為機(jī)電一體化系統(tǒng)的控制中心，是機(jī)電一體化技術(shù)的重要內(nèi)容和主導(dǎo)技術(shù)，作為系統(tǒng)的核心，它將收到的信息進(jìn)行判斷計(jì)算后，向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，從而將系統(tǒng)中的各部分有機(jī)地組合成一體，計(jì)算機(jī)的控制性能是機(jī)電一體化系統(tǒng)性能好壞的關(guān)鍵。計(jì)算機(jī)不僅計(jì)算速度快，計(jì)算精度高，而且具有記憶和邏輯判斷能力，能更快、更準(zhǔn)確地處理更多被控參數(shù)的復(fù)雜情況。一般自動(dòng)控制系統(tǒng)是利用比較器或調(diào)節(jié)器(作為控制器)將被控參數(shù)值和目標(biāo)值進(jìn)行比較，比較之后的差值，經(jīng)過控制器的處理之后送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，速度較慢，精度較低，操作較復(fù)雜。自從上世紀(jì)40年代計(jì)算機(jī)產(chǎn)生以來，自動(dòng)化系統(tǒng)的控制器逐漸被計(jì)算機(jī)所代替，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（工控機(jī)）發(fā)展迅速，可編程序控制器，單片機(jī)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

4.驅(qū)動(dòng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)

在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，由控制中心發(fā)出的指令，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成特定的動(dòng)作。機(jī)電一體化系統(tǒng)為了準(zhǔn)確、靈敏地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的軌跡、速度、方向、起止點(diǎn)位置等要求，執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的工作部分形狀與結(jié)構(gòu)依據(jù)工作對(duì)象的性能，導(dǎo)向部分多采用滑動(dòng)軸承、含油軸承、滑動(dòng)導(dǎo)軌及非接觸式軸承和導(dǎo)軌，保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)受力狀態(tài)和高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下的軌跡和定位精度、運(yùn)動(dòng)剛度、熱變形和摩擦特性等動(dòng)態(tài)品質(zhì)，減小質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，提高傳動(dòng)剛性，減小摩擦和轉(zhuǎn)動(dòng)間隙，使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，從而能高質(zhì)量地保證機(jī)電一體化系統(tǒng)特定功能的實(shí)現(xiàn)。

二、機(jī)電一體化技術(shù)的先進(jìn)性

機(jī)電一體化技術(shù)既不同于傳統(tǒng)的機(jī)電技術(shù)，也不同于普通計(jì)算機(jī)技術(shù)，而是在這些技術(shù)的基礎(chǔ)上，使他們科學(xué)地結(jié)合并產(chǎn)生飛躍而形成的新技術(shù)。

1.機(jī)電一體化技術(shù)具有綜合性和系統(tǒng)性

機(jī)電一體化技術(shù)是由機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等相結(jié)合而形成的一門跨學(xué)科的邊緣學(xué)科，一個(gè)多功能的完整系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，各項(xiàng)技術(shù)揚(yáng)長(zhǎng)避短、取長(zhǎng)補(bǔ)短，達(dá)到整體的高性能、高效率。機(jī)電一體化技術(shù)不僅用在單機(jī)產(chǎn)品中，而且可以應(yīng)用在整個(gè)工程系統(tǒng)，在不同的技術(shù)層次中，覆蓋著更廣闊的領(lǐng)域。機(jī)電一體化產(chǎn)品都具有自動(dòng)控制、自動(dòng)校驗(yàn)、自動(dòng)診斷、自動(dòng)恢復(fù)、自動(dòng)保護(hù)和智能等多種功能，它能應(yīng)用于不同的場(chǎng)合，不同的領(lǐng)域，并具有極強(qiáng)的應(yīng)變能力，可以滿足用戶各種需要。

2.機(jī)電一體化技術(shù)增強(qiáng)了產(chǎn)品功能，提高了精度，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)和操作

機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用了計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過改變程序、指令，無需改變硬件結(jié)構(gòu)就可以對(duì)產(chǎn)品的功能進(jìn)行變換，使機(jī)械功能的給定和改變向著軟件化和智能化的方向發(fā)展。機(jī)電一體化技術(shù)使機(jī)械的傳動(dòng)部件減少，磨損和誤差大大減小，同時(shí)，采用了電子技術(shù)和反饋控制對(duì)誤差的補(bǔ)償，因而提高了工作精度。機(jī)電一體化技術(shù)用密集型技術(shù)和密集型知識(shí)，簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，改善了操作性能，甚至可以實(shí)現(xiàn)操作的全自動(dòng)化。

3.機(jī)電一體化技術(shù)節(jié)能、安全、可靠、競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)

機(jī)電一體化產(chǎn)品通過采用低能耗的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和最佳的調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，大大提高了能源的利用率，平均節(jié)能20%左右。機(jī)電一體化產(chǎn)品的自動(dòng)保護(hù)功能和自動(dòng)操作功能，顯著地提高了安全性。機(jī)械結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化和機(jī)械磨損的減小，提高了壽命、穩(wěn)定性和可靠性。機(jī)電一體化技術(shù)賦予產(chǎn)品更新?lián)Q代的活力，產(chǎn)品在功能、水平、質(zhì)量、品種和使用效果等方面都能更好地滿足國內(nèi)外市場(chǎng)的需要，因而增強(qiáng)了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)能力。

作者單位 陜西省經(jīng)貿(mào)學(xué)校

責(zé)任編輯 張曉楠