機(jī)電一體化的應(yīng)用及未來(lái)發(fā)展

王林峰

摘要：在機(jī)械工程這一領(lǐng)域中，機(jī)電一體化隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展以及向機(jī)械工業(yè)的滲透開(kāi)始逐漸形成并不斷完善，其對(duì)機(jī)械工業(yè)的產(chǎn)品機(jī)構(gòu)、技術(shù)結(jié)構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理體系產(chǎn)生了巨大的變化，我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)邁入了以“機(jī)電一體化”為特征的發(fā)展階段。文章論述了機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，并分析了我國(guó)機(jī)電一體化技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化技術(shù);數(shù)控機(jī)床;工業(yè)機(jī)器人

前 ?言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，不同學(xué)科之間有著極大的交叉與滲透，加速了工程領(lǐng)域的技術(shù)革命與改造。機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)的有機(jī)結(jié)合便是機(jī)電一體化技術(shù)，該技術(shù)在各行業(yè)中的廣泛應(yīng)用能夠大幅提高產(chǎn)品的性能、質(zhì)量以及可靠性等，提高產(chǎn)品制造水平?；跈C(jī)電一體化技術(shù)以上優(yōu)點(diǎn)。

一、機(jī)電一體化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

1.安全性高

相對(duì)而言，機(jī)電一體化產(chǎn)品在自動(dòng)監(jiān)視、報(bào)警、自動(dòng)診斷、自動(dòng)保護(hù)等方面具有更強(qiáng)的功能。當(dāng)遇到工作過(guò)程中的各種電力故障時(shí)，它都能自動(dòng)啟動(dòng)相應(yīng)保護(hù)措施，最大限度避免和減少人身和設(shè)備事故，使設(shè)備的使用安全性得到顯著提高。

2.使用性能高

由于數(shù)字顯示和程序控制的普遍采用，機(jī)電一體化產(chǎn)品的手柄數(shù)量和操作按鈕大大減少，簡(jiǎn)化操作，使用方便。由于預(yù)設(shè)程序開(kāi)始逐步被電子控制系統(tǒng)操控，機(jī)電一體化產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了對(duì)全部動(dòng)作的大量重復(fù)。此外，更高級(jí)的機(jī)電一體化產(chǎn)品甚至還可以實(shí)現(xiàn)隨機(jī)自動(dòng)尋找最佳的工作程序，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)最優(yōu)化操作。

3.生產(chǎn)能力高

由于具備了較強(qiáng)的信息自動(dòng)處理和自動(dòng)控制功能，機(jī)電一體化產(chǎn)品在控制和檢測(cè)靈敏度、精度、范圍等方面都有很大程度的提高。通過(guò)自身自動(dòng)控制系統(tǒng)，可確保機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作能夠按已設(shè)計(jì)的要求完成，工作質(zhì)量和產(chǎn)品的合格率也能得到最佳保證。此外，由于自動(dòng)化的成功實(shí)現(xiàn)，機(jī)電一體化產(chǎn)品的生產(chǎn)能力也有顯著的提高。

4.適用面廣

由于不受機(jī)電產(chǎn)品單技術(shù)、單功能的限制，機(jī)電一體化產(chǎn)品的復(fù)合技術(shù)和復(fù)合功能，大大提高了產(chǎn)品的自動(dòng)化程度和功能水平。另外，機(jī)電一體化產(chǎn)品還因具備了自動(dòng)化和智能化等多種功能而應(yīng)用于各種不同的場(chǎng)合和不同領(lǐng)域，對(duì)用戶需求的應(yīng)變能力較強(qiáng)。

二、機(jī)電一體化技術(shù)主要應(yīng)用領(lǐng)域

1.數(shù)控機(jī)床

經(jīng)過(guò) 40 多年的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床及相應(yīng)的數(shù)控技術(shù)在功能、結(jié)構(gòu)、操作和控制精度上都有廣泛的應(yīng)用以及快速的提高，其結(jié)構(gòu)的發(fā)展逐步趨向總線式、模塊化、緊湊型，且采用多CPU、多主總線的體系。由于開(kāi)放性設(shè)計(jì)能最大限度地提高用戶的使用效益，硬件體系的結(jié)

構(gòu)和功能模塊相對(duì)而言更具有層次性、兼容性、符合接口標(biāo)準(zhǔn)。為了面向車(chē)間編程技術(shù)和二、三維加工過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真的實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)一般會(huì)引入在線診斷、模糊控制等智能機(jī)制。此外，大量模塊化軟件的設(shè)計(jì)和大容量存儲(chǔ)器的廣泛應(yīng)用，在豐富數(shù)控功能的同時(shí)，也使系統(tǒng)的控制功能有了很大加強(qiáng)。一臺(tái)機(jī)床往往具備了同時(shí)控制多臺(tái)和多種機(jī)床、同時(shí)完成多個(gè)獨(dú)立加工任務(wù)的能力，實(shí)現(xiàn)了多過(guò)程、多通道的控制，同時(shí)，系統(tǒng)中也集成了包括刀具破損檢測(cè)、物料搬運(yùn)、機(jī)械手控制等操作。

2.工業(yè)機(jī)器人

由于第一代機(jī)器人即示教再現(xiàn)機(jī)器人只能局限于根據(jù)示教內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)單的重復(fù)運(yùn)動(dòng)，面對(duì)各種不同的工作環(huán)境和作業(yè)對(duì)象，其適應(yīng)性和靈活性存在明顯不足;隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)，第二代機(jī)器人具備了各種先進(jìn)的傳感元件，通過(guò)對(duì)作業(yè)環(huán)境和操作對(duì)象進(jìn)行簡(jiǎn)單的信息獲取、計(jì)算機(jī)處理與分析，機(jī)器人能夠做出一些相應(yīng)的判斷，并進(jìn)行反饋、控制動(dòng)作，其智能化程度還處比較低級(jí)階段，并已開(kāi)始走向?qū)嵱没?現(xiàn)代智能機(jī)器人也即第三代機(jī)器人，由于具有多種感知功能，它們能夠很好地處理復(fù)雜的邏輯思維、判斷與決策，而且能夠在各種作業(yè)環(huán)境中進(jìn)行獨(dú)立的行動(dòng)。

3.分布式控制系統(tǒng)

由一臺(tái)中央計(jì)算機(jī)對(duì)若干臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控計(jì)算機(jī)或智能控制單元進(jìn)行指揮控制，便是分布式控制系統(tǒng)，一般可分為兩級(jí)、三級(jí)或者更多級(jí)。對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程中的集中操作、監(jiān)視、管理和分散控制等，計(jì)算機(jī)都能順利完成。隨著測(cè)控技術(shù)的不斷發(fā)展與創(chuàng)新，分布式控制系統(tǒng)的功能也越來(lái)越強(qiáng)大，除了可對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，還可以對(duì)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)度、在線最優(yōu)化、生產(chǎn)計(jì)劃統(tǒng)計(jì)管理等功能，成為一種集測(cè)、控、管于一體的綜合系統(tǒng)。分布式控制系統(tǒng)特點(diǎn)主要表現(xiàn)在控制功能多、系統(tǒng)可擴(kuò)展、可靠性高、操作簡(jiǎn)便、維護(hù)方便等方面，其故障影響面較小。除此之外系統(tǒng)還具有連鎖保護(hù)的功能，通過(guò)系統(tǒng)故障人工手動(dòng)控制，較好地提高了系統(tǒng)的可靠性。相比較集中型控制系統(tǒng)，分布式控制系統(tǒng)功能更加強(qiáng)大，安全性也更高，成為當(dāng)前大型機(jī)電一體化系統(tǒng)的主流。

三、機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

1.高性能化

現(xiàn)實(shí)應(yīng)用對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)提出越來(lái)越高的要求，為了滿足社會(huì)生產(chǎn)快速發(fā)展的需要，新一代機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)速度、精度、效率以及可靠度等方面的要求更高了。所以，以高速度、高精度、高效率和高可靠度為標(biāo)準(zhǔn)的高性能化是未來(lái)機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展的一大趨勢(shì)。

2.微型化

所謂微型化，就是指機(jī)電一體化技術(shù)趨向微型機(jī)器或微型領(lǐng)域發(fā)展，它源于人們對(duì)高新技術(shù)不斷微型化的追求。比較而言，微型機(jī)電一體化的產(chǎn)品在生物醫(yī)療、軍事、信息等方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)有產(chǎn)品的體積小、少耗能、運(yùn)動(dòng)靈活等，對(duì)常人無(wú)法想象的各種任務(wù)都能成功勝任。

3.智能化

作為 21 世紀(jì)機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展的主要方向之一，人工智能日益引起了機(jī)電一體化建設(shè)者的研究重視，主要應(yīng)用包括有機(jī)器人智能化與數(shù)控機(jī)床智能化?！爸悄芑笔敲枋鰴C(jī)器行為而言的，它在控制理論的基礎(chǔ)上，吸收了各種新的思想和方法，通過(guò)對(duì)人類(lèi)智能的模擬，使其具備了進(jìn)行推理判斷、邏輯思維、自主決策的能力，控制的目標(biāo)也就更高。雖然我們沒(méi)有必要也不可能要求機(jī)電一體化產(chǎn)品具有與人類(lèi)完全相同的智能，但是，我們完全有可能、有必要通過(guò)高性能、高速的微處理器的使用，使機(jī)電一體化產(chǎn)品擁有一定的高級(jí)智能或人類(lèi)部分智能。

4.系統(tǒng)化

系統(tǒng)化主要有兩大特征：特征一就是開(kāi)放式和模式化總線結(jié)構(gòu)的采用更進(jìn)一步，系統(tǒng)可以進(jìn)行任意的剪裁和組合，靈活組態(tài)，尋求多子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制和綜合管理;特征二就是通信功能有了很大的升級(jí)，產(chǎn)品與人的關(guān)系將得到未來(lái)機(jī)電一體化技術(shù)的更多關(guān)注，機(jī)電一體化產(chǎn)品將向更人性化的方向發(fā)展。現(xiàn)實(shí)中的許多機(jī)電一體化產(chǎn)品大都是受到動(dòng)物或人類(lèi)的啟發(fā)而研制成功的，如何賦予機(jī)電一體化產(chǎn)品更多智能、情感、人性和通過(guò)生物機(jī)理的模擬，研制出各種人性化的產(chǎn)品是機(jī)電一體化技術(shù)未來(lái)的兩個(gè)研究方向。

5.網(wǎng)絡(luò)化

由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的興起和飛速發(fā)展，使得市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境有了重大的變革，這必將促使網(wǎng)絡(luò)化與機(jī)電一體化的互相融合。隨著網(wǎng)絡(luò)的不斷普及，基于網(wǎng)絡(luò)的各種監(jiān)視技術(shù)和遠(yuǎn)程控制也不斷地涌現(xiàn)，而遠(yuǎn)程控制的終端設(shè)備就其本身而言，就是機(jī)電一體化產(chǎn)品。另外，大量家用電器因現(xiàn)場(chǎng)總線和局域網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用也必將走向網(wǎng)絡(luò)化，通過(guò)以計(jì)算機(jī)為中心的計(jì)算機(jī)集成家電系統(tǒng)，人們便能足不出戶地就可以在家享受各種高技術(shù)帶來(lái)的便利與快樂(lè)。所以，產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)化是未來(lái)機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)之一。

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