機電一體化
——人類工業史上的新革命

許泓

(上海海得控制系統股份有限公司,上海 200000)

機電一體化
——人類工業史上的新革命

許泓

(上海海得控制系統股份有限公司,上海 200000)

隨著人類自動化技術的日新月異以及計算機技術的迅猛發展和廣泛應用,機電一體化的概念與技術開始迅速發展。機電一體化又稱機械電子工程,是機械工程與自動化的一種,英語稱為Mechatronics,它是由英文機械學Mechanics的前半部分與電子學Electronics的后半部分組合而成。現在的機電一體化技術,是機械和微電子技術緊密集合的一門技術,他的發展使冷冰冰的機器有了人性化,智能化。毫無疑問,機電一體化技術的出現堪稱人類的又一次工業革命。

機電一體化 微電子技術

1 起源與發展

機電一體化技術是將機械技術、電工電子技術、微電子技術、信息技術、傳感器技術、接口技術、信號變換技術等多種技術進行有機地結合,并綜合應用到實際中去的綜合技術,現代化的自動生產設備幾乎可以說都是機電一體化的設備。

研究將電子器件的信息處理和控制功能附加或融合在機械裝置中的一種復合化技術俗稱機電一體化。機械電子學(mechatronics)是由機械學(mechanics)和電子學(electronics)兩個詞結合而成的新詞,其全稱為機械電子工程學,英語為mechanical and electronical engineering。機械電子學主要研究目的是把機械技術與微電子技術和信息技術有機地結合為一體,實現整個系統的最優化。機械電子學可以充分發揮機械技術、微電子技術和信息技術各自的長處和特點,促進機械產品的更新換代。機械電子學系統主要由機械主體、傳感器、信息處理和執行機構等部分組成。較高級的系統不但有硬件,而且還有相應的軟件,利用軟件技術可以實現硬件難以實現的功能,使機械系統增加柔性。典型的機械電子系統有數控機床、加工中心、工業機器人等。機械電子學技術除用于單個機器、設備或一般的生產系統的技術改造之外,還用于柔性制造系統、計算機集成制造系統、工廠自動化、辦公自動化、家庭自動化等方面。

機電一體化的核心技術主要包含以下5個方面:

(1)機械技術。機械技術是一切機電一體化技術的基礎與根本。機械技術著眼點在于如何與機電一體化技術相適應,利用其它高新技術來更新概念,實現結構上、材料上、性能上的變更,滿足減小重量、縮小體積、提高精度、提高剛度及改善性能的要求。在機電一體化系統制造過程中,經典的機械理論與工藝應借助于計算機輔助技術,同時采用人工智能與專家系統等,形成新一代的機械制造技術。

(2)電腦技術。電腦技術的應用遍布于當今人類生活的方方面面,尤其在工業與機電一體化方面,其中的信息交換、存取、運算、判斷與決策、人工智能技術、專家系統技術、神經網絡技術均是不可或缺的。

(3)系統技術。系統技術即以整體的概念組織應用各種相關技術,從全局角度和系統目標出發,將總體分解成相互關聯的若干功能單元,接口技術是系統技術中一個重要方面,它是實現系統各部分有機連接的保證。

(4)傳感技術。傳感檢測技術是系統的感受器官,是實現自動控制、自動調節的關鍵環節。其功能越強,系統的自動化程序就越高。現代工程要求傳感器能快速、精確地獲取信息并能經受嚴酷環境的考驗,它是機電一體化系統達到高水平的保證。

(5)伺服技術。伺服技術包括電動、氣動、液壓等各種類型的傳動裝置,伺服系統是實現機電信號到機械動作的轉換裝置與部件、對系統的動態性能、控制質量和功能有決定性的影響。

2 革命性

(1)智能化。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中日益得到重視,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想、新方法,模擬人類智能,使它具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力,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或人的部分智能,則是完全可能而且必要的。

(2)網絡化。二十一世紀初,計算機技術等的突出成就是網絡技術。網絡技術的興起和飛速發展給科學技術、工業生產、政治、軍事、教育及人們的日常生活都帶來了巨大的變革。各種網絡將全球經濟、生產連成一片,企業間的競爭也將全球化。機電一體化新產品一旦研制出來,只要其功能獨到,質量可靠,很快就會暢銷全球。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使家用電器網絡化已成大勢,利用家庭網絡(home net)將各種家用電器連接成以計算機為中心的計算機集成家電系統(computer integrated appliance system,CIAS),使人們在家里分享各種高技術帶來的便利與快樂。同樣,在工業領域通過現場總線和網絡技術將各種生產資源、生產過程和設備進行聯接,從而實現對生產資源和生產過程的最優化利用、調度和維護。因此,機電一體化產品無疑將朝著網絡化方向發展。

(3)系統化。系統化的表現特征之一就是系統體系結構進一步采用開放式和模式化的總線結構。系統可以靈活組態,進行任意剪裁和組合,同時尋求實現多子系統協調控制和綜合管理。表現之二是通信功能的大大加強,特別是“人格化”發展引人注目,即未來的機電一體化更加注重產品與人的關系。機電一體化的人格化有兩層含義。一是機電一體化產品的最終使用對象是人,如何賦予機電一體化產品人的智能、情感、人性顯得越來越重要,特別是對機器人,其高層境界就是人機一體化。另一層含義是模仿生物機理,研制各種機電一體化產品。

[1]李建勇.機電一體化技術[M].北京:科學出版社,2004.

[2]洪鐘洲.數控系統的發展現狀和趁勢.機電一體化.1996.

[3]胡泓,姚伯威主編.機電一體化原理及應用.北京:國防工業出版社, 1999.

[4]徐志毅主編.機電一體化實用技術.上海:上海科學技術文獻出版社,1995.

[5]百度百科http://baike.baidu.com/subview/18397/5071481.htm mfr=aladdin.

許泓(1966—),男,漢,上海人,現任職上海海得控制系統股份有限公司董事長。