機(jī)電一體化的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，學(xué)科的數(shù)字化，學(xué)科之間的整體化、交叉化迅速深化，機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，產(chǎn)業(yè)也越來越成熟。本文通過對(duì)機(jī)電一體化基本概念的闡述，研究了現(xiàn)階段機(jī)電一體化產(chǎn)品的應(yīng)用，并以數(shù)控機(jī)床為實(shí)例深入分析，最后提出了關(guān)于機(jī)電一體化的若干發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化；產(chǎn)品應(yīng)用；數(shù)控機(jī)床；發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：TH-39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）05（c）-0000-00

1機(jī)電一體化概述

1.1基本概念

機(jī)電一體化的英文單詞是Mechatronics。它分別取了機(jī)械技術(shù)（Mechanics）的前半部分和電子技術(shù)（Electron-ics）的后半部分。通常，我們認(rèn)為機(jī)電一體化技術(shù)是機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、信息技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，又稱之為機(jī)械電子技術(shù)。

1.2五要素和四原則

五要素——機(jī)電一體化系統(tǒng)的硬件組成：指的是機(jī)電一體化系統(tǒng)的五大組成要素，具體包括結(jié)構(gòu)組成要素、動(dòng)力組成要素、運(yùn)動(dòng)組成要素、感知組成要素、智能組成要素。（1）結(jié)構(gòu)組成要素：系統(tǒng)的框架、支撐、定位、聯(lián)接部件。（2）動(dòng)力組成要素：為系統(tǒng)提供能量、動(dòng)力維護(hù)運(yùn)行的部件。（3）感知組成要素：對(duì)系統(tǒng)內(nèi)外各種狀況進(jìn)行檢測(cè)、轉(zhuǎn)換、傳輸、分析、處理，產(chǎn)生控制信息。（4）智能組成要素：將感知組成要素傳來的控制信息進(jìn)行匯總、存儲(chǔ)、分析、處理，發(fā)出指令。（5）運(yùn)動(dòng)組成要素：根據(jù)智能組成要素發(fā)出的指令，完成既定的執(zhí)行功能。

四原則——機(jī)電一體化系統(tǒng)的運(yùn)作規(guī)律：指的是五大組成要素在互相作用時(shí)必須遵循的結(jié)構(gòu)耦合、運(yùn)動(dòng)傳遞、信息控制與能量轉(zhuǎn)換四大原則。（1）接口耦合：信息交換涉及到的兩個(gè)環(huán)節(jié)，通過接口耦合來解決信息模式不兼容而不能傳遞的問題。（2）能量轉(zhuǎn)換：這也是兩個(gè)環(huán)節(jié)由于模式不兼容的問題導(dǎo)致無法直接進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。（3）信息控制：智能組成要素完成信息的采集、傳輸、存儲(chǔ)等操作。（4）運(yùn)動(dòng)傳遞：機(jī)電一體化系統(tǒng)的各組成要素之間通過運(yùn)動(dòng)傳遞原則達(dá)到優(yōu)化不同類型運(yùn)動(dòng)的變換與傳輸。

2機(jī)電一體化的應(yīng)用

機(jī)電一體化的不斷發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品整體優(yōu)化，也實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品質(zhì)量提升、生產(chǎn)效率提高。在新產(chǎn)品的生產(chǎn)和準(zhǔn)備周期上，機(jī)電一體化也有其巨大優(yōu)勢(shì)。

2.1機(jī)電一體化在現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用

與建立在規(guī)模經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)上，依靠規(guī)模、產(chǎn)量來爭(zhēng)取競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的傳統(tǒng)機(jī)械制造業(yè)不同，先進(jìn)機(jī)械制造業(yè)強(qiáng)調(diào)以信息為主導(dǎo)。表一為傳統(tǒng)機(jī)械制造業(yè)與先進(jìn)機(jī)械制造業(yè)的類比。

表一 傳統(tǒng)機(jī)械制造業(yè)與先進(jìn)機(jī)械制造業(yè)類比

本質(zhì)

競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)

綜合特點(diǎn)

傳統(tǒng)機(jī)械制造業(yè)

規(guī)模經(jīng)濟(jì)

1、企業(yè)規(guī)模大；

2、生產(chǎn)批量；

3、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和重復(fù)性取勝；

4、資源利用率高。

1、專業(yè)加工復(fù)雜；

2、機(jī)器替代人力。

先進(jìn)機(jī)械制造業(yè)

信息產(chǎn)業(yè)

1、先進(jìn)生產(chǎn)模式；

2、先進(jìn)制造系統(tǒng)；

3、先進(jìn)制造技術(shù)；

4、先進(jìn)組織管理形式。

1、全球化、網(wǎng)絡(luò)化

2、虛擬化、智能化、

3、環(huán)保協(xié)調(diào)

2.2在飲料行業(yè)中的應(yīng)用

機(jī)電一體化應(yīng)于食品、飲料行業(yè)已經(jīng)有很長(zhǎng)的歷史了。在包裝機(jī)械的開發(fā)設(shè)計(jì)和制造中，機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)揮了非常大的作用，它的出現(xiàn)使包裝生產(chǎn)線的各項(xiàng)指標(biāo)（如自動(dòng)化水平、系統(tǒng)控制水平、生產(chǎn)能力）得到了極大的提高，競(jìng)爭(zhēng)力產(chǎn)生了質(zhì)的飛越，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過同類傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備，同時(shí)也使單機(jī)的自動(dòng)化程度大大提高。

2.3在鋼鐵企業(yè)中的應(yīng)用

機(jī)電一體化技術(shù)在鋼鐵企業(yè)中的應(yīng)用有很多。在鋼鐵生產(chǎn)的全局控制中，計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）發(fā)揮重要的作用。CIMS將生產(chǎn)管理的各項(xiàng)宏觀與微觀過程與人有機(jī)地聯(lián)系在一起，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)要素的統(tǒng)籌管理。在鋼鐵生產(chǎn)的傳動(dòng)環(huán)節(jié)，交流傳動(dòng)技術(shù)一出現(xiàn)就受到各大廠家的青睞，它使矢量控制技術(shù)得以在實(shí)現(xiàn)。其于交流傳動(dòng)技術(shù)在調(diào)速方面的巨大優(yōu)勢(shì)，它取代傳統(tǒng)的直流傳動(dòng)指日可待。

3機(jī)電一體化產(chǎn)品舉例

以數(shù)控機(jī)床為例，闡述機(jī)電一體化產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用。

數(shù)控機(jī)床綜合應(yīng)用了電子計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、伺服驅(qū)動(dòng)、精密測(cè)量等技術(shù)，是一種高效率、高精度、多功能的先進(jìn)機(jī)床，與傳統(tǒng)機(jī)床相比有巨大優(yōu)勢(shì)，取代傳統(tǒng)機(jī)床是大勢(shì)所趨，是成本、技術(shù)和時(shí)間問題。

圖1為數(shù)控機(jī)床工作過程原理圖，圖2為數(shù)控機(jī)床的組成結(jié)構(gòu)。

圖1 數(shù)控機(jī)床工作過程原理圖

圖2 數(shù)控機(jī)床的組成

4機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢(shì)

隨著機(jī)電一體化越來越廣泛的應(yīng)用，各行各業(yè)都不斷涌現(xiàn)出機(jī)電一體化的應(yīng)用實(shí)例。每每出現(xiàn)機(jī)電一體化的產(chǎn)品，都會(huì)引起一場(chǎng)革命，造成一個(gè)行業(yè)的蓬勃發(fā)展或者另一個(gè)落后產(chǎn)業(yè)的加速衰亡。

隨著新產(chǎn)品的研發(fā)及高精密等設(shè)備的發(fā)展，要求新一代機(jī)電一體化技術(shù)、產(chǎn)品及系統(tǒng)朝著高性能、智能化、系統(tǒng)化以及輕量化、微型化方向發(fā)展，從而為國(guó)家?guī)砀蟮慕?jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

未來，機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢(shì)不可避免地向以下幾個(gè)方面發(fā)展。

4.1智能化

機(jī)電一體化技術(shù)越來越成熟。首先表現(xiàn)在其智能化程度越來越高，甚至具備了一定的AI（人工智能，Artificial Intelligence）能力。這給用戶在使用、維護(hù)上帶來了極大的方便。

4.2數(shù)字化

機(jī)電一體化產(chǎn)品也將會(huì)更數(shù)字化，如數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人，這也是進(jìn)一步增強(qiáng)機(jī)電一體化產(chǎn)品可靠性、通用性、可操作性的重要保障。

4.3模塊化

產(chǎn)品配件模塊化的最主要好處是使產(chǎn)品配件標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，不僅更加容易應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，也使接口規(guī)則更加簡(jiǎn)單和體系化?，F(xiàn)階段機(jī)電一體化蓬勃發(fā)展但仍處于初級(jí)階段，產(chǎn)品種類繁多而不成體系，模塊化這項(xiàng)工作潛力巨大。

5結(jié) 語

機(jī)電一體化技術(shù)是機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、信息技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。機(jī)電一體化在各行各業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，產(chǎn)品層出不窮，引領(lǐng)各行各業(yè)發(fā)生翻天覆地的改變。機(jī)電一體化在未來不可避免地向智能數(shù)字、模塊設(shè)計(jì)生產(chǎn)、互聯(lián)共享、人性便攜和環(huán)保綠色等方向發(fā)展。

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