機(jī)電一體化發(fā)展?fàn)顩r及趨勢分析

顧嘉陽

（江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

[摘 要] 隨著技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷推廣，機(jī)電一體化的發(fā)展越來越快，分析機(jī)電一體化發(fā)展?fàn)顩r和總體的趨勢，可以讓人們把握發(fā)展方向，再度創(chuàng)新。

[關(guān)鍵詞] 機(jī)電一體化；電子技術(shù)；機(jī)電技術(shù)；定位控制

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2017. 07. 072

[中圖分類號] TP311 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2017）07- 0152- 03

0 前 言

幾十年以來，高新技術(shù)推動了遠(yuǎn)程操控?zé)o人值守系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展并取得了巨大進(jìn)步，其發(fā)展趨勢和主要特征如下：①具有比較明顯的機(jī)電化屬性。而更為重要的是其改變了以往的純機(jī)械屬性。②高新技術(shù)帶來嶄新的生命力。遠(yuǎn)程操控?zé)o人值守系統(tǒng)在高新技術(shù)推動下成為多種技術(shù)的綜合體。③我國遠(yuǎn)程操控?zé)o人值守系統(tǒng)技術(shù)以機(jī)電融合技術(shù)為基礎(chǔ)。自動化、自主化和智能化是我國遠(yuǎn)程操控?zé)o人值守系統(tǒng)發(fā)展的方向。 在機(jī)械技術(shù)、信息技術(shù)與電子技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合的條件下，機(jī)電一體化技術(shù)成為一種最新的技術(shù)實現(xiàn)了生產(chǎn)過程和工業(yè)產(chǎn)品的整體優(yōu)化。遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)是機(jī)電一體化系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展的結(jié)晶，它結(jié)合了機(jī)械、微電子與計算機(jī)、精密機(jī)械、自動控制與驅(qū)動裝置、傳感器及信息處理技術(shù)、人工智能等多個學(xué)科領(lǐng)域的最新科研成果。

1 國內(nèi)外機(jī)電一體化發(fā)展?fàn)顩r

1.1 發(fā)展概述

機(jī)電一體化起源于日本，伴隨著電子信息技術(shù)向傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品滲透的過程中產(chǎn)生了機(jī)電一體化，其發(fā)展大致分為三個階段。

初級階段即20世紀(jì)前期是第一階段。在第一階段期間，由于初步發(fā)展的電子技術(shù)對機(jī)械產(chǎn)品的性能的優(yōu)化。特別是在第二次世界大戰(zhàn)期間，為適應(yīng)戰(zhàn)爭的迫切需要，電子技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化了純機(jī)械產(chǎn)品的性能，在戰(zhàn)爭結(jié)束后，與軍用技術(shù)相結(jié)合的機(jī)電技術(shù)轉(zhuǎn)為民用，此新興技術(shù)加速了戰(zhàn)后經(jīng)濟(jì)的恢復(fù)。那個時期研制及開發(fā)整體上處于自發(fā)階段。因為當(dāng)時的電子技術(shù)發(fā)展水平還不是很高，電子技術(shù)和機(jī)械技術(shù)還不能很好的結(jié)合與滲透，導(dǎo)致已開發(fā)的產(chǎn)品不能得到大量快速地推廣。

20世紀(jì)中后期為第二階段，機(jī)電技術(shù)得到迅猛發(fā)展。這一階段，控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展又為機(jī)電一體化的快速發(fā)展埋下深基。除此之外，機(jī)電一體化的發(fā)展以大規(guī)模型和超大規(guī)模的微型 PC 和集成電路為中心。該時期的特點：①機(jī)電一體化技術(shù)及其產(chǎn)品快速發(fā)展；② mechatronics 一詞起源于日本，該詞直到20世紀(jì)80年代末才在世界范圍內(nèi)被廣泛承認(rèn)；③機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品均受到各國的關(guān)注和支持。

20世紀(jì)末期，機(jī)電一體化技術(shù)邁向智能化方向舞臺。發(fā)展出微機(jī)電一體化和光機(jī)電一體化等新分支領(lǐng)域；與此同時，開創(chuàng)了以光纖技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能技術(shù)等領(lǐng)域推動的發(fā)展新紀(jì)元。諸多研究促進(jìn)機(jī)電一體化進(jìn)一步發(fā)展并更加完善。

1.2 機(jī)電一體化裝置主要完成功能及組成

凡是系統(tǒng)，其內(nèi)部都有動力、檢測、控制等功能。機(jī)電一體化系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)動力和運動的轉(zhuǎn)換和傳遞，動力功能是向系統(tǒng)提供動力，能量應(yīng)與動力和運動的傳遞和轉(zhuǎn)換相匹配。使系統(tǒng)得以正常運轉(zhuǎn)。對整個系統(tǒng)的內(nèi)部信息、外部信息加工處理，控制系統(tǒng)實現(xiàn)正常運轉(zhuǎn)，并實現(xiàn)其工作目的。機(jī)電一體化裝置及系統(tǒng)由以機(jī)械部分、信息檢測控制部分和驅(qū)動單元等為主體部分組成，如圖1所示。

此系統(tǒng)在電動驅(qū)動方式下，利用部分信息處理指令，規(guī)定的運動即可在驅(qū)動執(zhí)行部分作用下完成。檢測部分將檢測到的信息送回信息處理與控制部分，作為發(fā)送信息的依據(jù)。傳動部分由光桿、滾珠絲杠副組成，驅(qū)動部分由電機(jī)組成，信息處理和控制部分作為信息處理和控制的核心，它將傳感器檢測的信號，根據(jù)一定的算法，對數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行存儲、變換等處理，并通過接口向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出執(zhí)行命令，完成規(guī)定的動作，同時，電源部分為系統(tǒng)提供所需的動力和能量。

2 國內(nèi)外機(jī)電一體化發(fā)展的趨勢

2.1 智能化

智能化是機(jī)電一體化與傳統(tǒng)機(jī)械自動化的主要區(qū)別之一， 也是21世紀(jì)機(jī)電一體化的發(fā)展方向。近幾年，處理器速度的提高和微機(jī)的高性能化、傳感器系統(tǒng)的集成化與智能化為嵌入智能控制算法創(chuàng)造了條件，有力地推動著機(jī)電一體化產(chǎn)品向智能化方向發(fā)展。智能機(jī)電一體化產(chǎn)品可以模擬人類智能，具有某種程度的判斷推理、邏輯思維和自主決策能力，從而取代制造工程中人的部分腦力勞動。目前， 專家系統(tǒng)、模糊系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及遺傳算法，是機(jī)電一體化產(chǎn)品（系統(tǒng)） 實現(xiàn)智能化的4種主要技術(shù)，它們各自獨立發(fā)展又彼此相互滲透。隨著制造自動化程度的不斷提高，將會出現(xiàn)智能制造系統(tǒng)控制器來模擬人類專家的智能制造活動， 并會對制造中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析、判斷、推理、構(gòu)思和決策。例如，在CNC數(shù)控機(jī)床上增加人機(jī)對話功能，設(shè)置智能I/O接口和智能工藝數(shù)據(jù)庫，會給使用、操作和維護(hù)帶來極大的方便。隨著模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色理論、心理學(xué)、生理學(xué)和混沌動力學(xué)等人工智能技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，為機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展開辟了廣闊天地。

2.2 集成模塊化

模塊化是一項重要而艱巨的任務(wù)，研制具有標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)械接口，動力接口，信號接口很有必要。模塊化也給機(jī)電一體化企業(yè)帶來美好的發(fā)展未來。

2.3 微型化

微型化是指機(jī)電一體化向微型機(jī)器和微觀領(lǐng)域發(fā)展的趨勢。它是一個新興的、多學(xué)科交叉的高科技領(lǐng)域，面臨許多課題，涉及許多關(guān)鍵技術(shù)。由于微機(jī)電一體化系統(tǒng)具有體積小、耗能小、運動靈活等特點，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)乃至國防等領(lǐng)域，都有廣闊的應(yīng)用前景。微型機(jī)械加工技術(shù)作為微型機(jī)械的最關(guān)鍵技術(shù)，也必將有一個大的發(fā)展。硅加工、LIGA加工和準(zhǔn)LIGA加工正向著更復(fù)雜、更高深度適合各種要求的材料特性和表面特性的微結(jié)構(gòu)以及制作不同材料特別是功能材料微結(jié)構(gòu)，更易于與電路集成的方向發(fā)展，多種加工技術(shù)結(jié)合也是其重要方向。目前，利用半導(dǎo)體器件制造過程中的蝕刻技術(shù)，在實驗室中已制造出亞微米級的機(jī)械元件。

2.4 系統(tǒng)化

系統(tǒng)可以靈活組態(tài)，進(jìn)行任意剪裁和組合，同時尋求實現(xiàn)多子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制和綜合管理。 它的表現(xiàn)特征之一就是系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)一步采用開放式和模式化的總線結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)可以靈活組態(tài)，進(jìn)行任意的剪裁和組合，同時尋求實現(xiàn)多子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制和綜合管理。表現(xiàn)特征之二是通信功能大大加強(qiáng)，一般除R S232等常用通信方式外，實現(xiàn)遠(yuǎn)程及多系統(tǒng)通信聯(lián)網(wǎng)需要的局部網(wǎng)絡(luò)正逐漸被采用。未來的機(jī)電一體化更加注重產(chǎn)品與人的關(guān)系，如何賦予機(jī)電一體化產(chǎn)品以人的智能、情感、人性顯得越來越重要以及模仿生物機(jī)理等方面的產(chǎn)品。機(jī)電一體化產(chǎn)品還可根據(jù)一些生物體優(yōu)良的構(gòu)造研究某種新型機(jī)體，使其向著生物系統(tǒng)化方向發(fā)展。

2.5 自源化

自源化是指機(jī)電一體化產(chǎn)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(jī)電一體化產(chǎn)品，自帶動力源具有獨特的好處。

2.6 環(huán)?；?/p>

工業(yè)的發(fā)達(dá)給人們生活帶來巨大變化。一方面，物質(zhì)豐富，生活舒適；另一方面，資源減少，生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重污染。于是，人們呼吁保護(hù)環(huán)境資源，回歸自然。綠色產(chǎn)品概念在這種呼聲下應(yīng)運而生，綠色化是時代的趨勢。綠色產(chǎn)品在其設(shè)計、制造、使用和銷毀的生命過程中，符合特定的環(huán)境保護(hù)和人類健康的要求，對生態(tài)環(huán)境無害或危害極少，資源利用率極高。設(shè)計綠色的機(jī)電一體化產(chǎn)品，具有遠(yuǎn)大的發(fā)展前景。

主要參考文獻(xiàn)

[1]徐元昌.機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2005.

[2]張立勛.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2004.