機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展

張劍

摘 要：隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域交叉滲透已在當(dāng)今科學(xué)研究中屢見(jiàn)不鮮，這也加速了工程領(lǐng)域的技術(shù)革命與改造。機(jī)電一體化作為機(jī)械工程領(lǐng)域中發(fā)展比較迅速的一個(gè)學(xué)科，其隨著微電技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展不斷完善和成熟。本文對(duì)機(jī)電一體化的基本結(jié)構(gòu)、應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)作了一個(gè)分析研究。

關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化；應(yīng)用；發(fā)展

一、引言

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，在當(dāng)今的工業(yè)科技中機(jī)電一體化技術(shù)已成為其重要組成部分。在很多高校，機(jī)電一體化專(zhuān)業(yè)是重點(diǎn)建設(shè)專(zhuān)業(yè)，當(dāng)然如今的機(jī)械工業(yè)行業(yè)對(duì)這方面的人才技術(shù)都是非?？粗械?，所以發(fā)展機(jī)電一體化無(wú)論是對(duì)整個(gè)機(jī)械工程行業(yè)還是對(duì)國(guó)家的發(fā)展都是極其重要的。

那么，什么是機(jī)電一體化技術(shù)呢？從字面上我們可以很容易明白，機(jī)電一體化是幾門(mén)學(xué)科或技術(shù)綜合運(yùn)用的產(chǎn)物。從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，機(jī)電一體化綜合運(yùn)用了機(jī)械、微電子、傳感測(cè)控、電力電子、接串口、信息變換及軟件編程等群體技術(shù)。它是一門(mén)多學(xué)科技術(shù)綜合運(yùn)用的學(xué)科，而非簡(jiǎn)單的組合、拼湊，這是機(jī)電一體化與機(jī)械電氣化的根本區(qū)別。機(jī)電一體化包含兩個(gè)方面的內(nèi)容：技術(shù)與產(chǎn)品。一方面，機(jī)電一體化技術(shù)是指其技術(shù)原理和使機(jī)電一體化產(chǎn)品得以實(shí)現(xiàn)、使用和發(fā)展的技術(shù)，它是集機(jī)械技術(shù)、傳感測(cè)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等一體的綜合技術(shù)；另一方面，機(jī)電一體化產(chǎn)品并非傳統(tǒng)純機(jī)械式的產(chǎn)品，如果把傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品比做成人的各個(gè)器官，那么機(jī)電一體化產(chǎn)品就是融合這些器官同時(shí)擁有感官、大腦的智能產(chǎn)品。傳統(tǒng)機(jī)械制造業(yè)在以往的生產(chǎn)中依靠的是企業(yè)規(guī)模大小，生產(chǎn)批量和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等因素來(lái)獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的，集機(jī)電一體化技術(shù)的現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)則是通過(guò)先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)、生產(chǎn)模式、生產(chǎn)系統(tǒng)和管理系統(tǒng)來(lái)獲得高速發(fā)展的。近些年來(lái)，制造工程領(lǐng)域中一大批新興技術(shù)相繼誕生，如計(jì)算機(jī)數(shù)字控制、柔性制造技術(shù)、虛擬制造、逆向工程、現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)等等，這些都為機(jī)電一體化發(fā)展提供夯實(shí)的基礎(chǔ)。

二、機(jī)電一體化技術(shù)的基本構(gòu)成和意義

（一）機(jī)械本體單元。任何機(jī)械，要想其能夠完成預(yù)定功能動(dòng)作就少不了機(jī)械本體單元，它猶如人的軀干，是系統(tǒng)所有功能單元的機(jī)械支持結(jié)構(gòu)，大體包括機(jī)身、機(jī)架、連接等部分。

（二）動(dòng)力單元。任何機(jī)械，要使其完成相應(yīng)動(dòng)作就必須要有動(dòng)力單元。機(jī)器常用的原動(dòng)部件有電機(jī)、液壓系統(tǒng)以及人工手動(dòng)等方式，所以動(dòng)力單元是為系統(tǒng)提供動(dòng)力和能量，使系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的重要保證。

（三）傳感單元。與傳統(tǒng)的機(jī)械相比，機(jī)電一體化產(chǎn)品具有傳感單元。傳統(tǒng)的機(jī)械往往缺少這一部分，那么在動(dòng)作執(zhí)行完成后缺少反饋調(diào)節(jié)機(jī)制。傳感單元猶如人的眼、鼻、耳等器官，它能夠?qū)⑾到y(tǒng)運(yùn)行所需要的本身及外部環(huán)境的各種參數(shù)及工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，然后經(jīng)過(guò)處理產(chǎn)生可識(shí)別的信號(hào)，最后通過(guò)相應(yīng)的分析處理得到可控制的信息，傳感部分大多通過(guò)傳感器，監(jiān)控器，儀表儀盤(pán)來(lái)完成。

（四）驅(qū)動(dòng)單元。驅(qū)動(dòng)單元是機(jī)器完成預(yù)定動(dòng)作的中間傳遞部分，猶如人體的四肢，在控制信息及控制系統(tǒng)的作用下，完成相應(yīng)的動(dòng)作與功能。

（五）執(zhí)行單元。執(zhí)行部分與上著相比就是完成最終動(dòng)作的末端執(zhí)行的部分，通過(guò)控制信息與指令完成簡(jiǎn)單或復(fù)雜的功能動(dòng)作。在當(dāng)前企業(yè)使用較多的機(jī)械手的末端執(zhí)行器就屬于該部分，執(zhí)行單元一般是運(yùn)動(dòng)件，如機(jī)械、電液與電磁等機(jī)構(gòu)。

（六）信息處理及控制單元。傳統(tǒng)機(jī)械大多都不含此部分，在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，本部分是很重要的一個(gè)部分?，F(xiàn)代制造系統(tǒng)采用的都是生產(chǎn)半自動(dòng)或全自動(dòng)化的模式，那么這就必須要有對(duì)傳感器所采集到的信息進(jìn)行集中、存儲(chǔ)、分析、加工并處理，然后根據(jù)編制完成的指定程序來(lái)使整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。本部分采用的技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)有很大相關(guān)，如采用數(shù)控裝置、邏輯轉(zhuǎn)換、I/O接口與計(jì)算機(jī)外部設(shè)備等部分組成。

機(jī)電一體化技術(shù)在現(xiàn)代化生產(chǎn)中有及其極其重要的意義。首先，在完成指定動(dòng)作的角度上來(lái)說(shuō)，機(jī)電一體化產(chǎn)品是多功能復(fù)合的產(chǎn)品，它超越傳統(tǒng)機(jī)械只能完成某一單一動(dòng)作的局限。例如，加工中心集車(chē)、銑、鉆、磨等多功能于一體，將多臺(tái)機(jī)床的多道工序通過(guò)編程控制在一次裝夾中完成。這樣既提高了生產(chǎn)效率又提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。其次，機(jī)電一體化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)趨于簡(jiǎn)化，由于采用了微處理器，大規(guī)模集成電路與電子電路元器件，機(jī)電一體化產(chǎn)品的體積，數(shù)量都變小。所以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化后的產(chǎn)品的實(shí)用性更強(qiáng)。再者，機(jī)電一體化產(chǎn)品的可靠性有了顯著的提高，高集成的電路，高性能的材料，搭載安全聯(lián)鎖控制、過(guò)載失控保護(hù)等技術(shù)都進(jìn)一步提高了其產(chǎn)品的安全可靠性能。最后，機(jī)電一體化產(chǎn)品改善了操作的繁瑣性，提高了柔性?；谟?jì)算機(jī)技術(shù)的機(jī)電一體化產(chǎn)品的控制平臺(tái)是計(jì)算機(jī)，代替按鍵操縱桿，構(gòu)件了良好的人際界面。當(dāng)需要修改及其工作的狀態(tài)時(shí)只需修改相應(yīng)的指令程序即可，所以這大大提高了柔性。簡(jiǎn)言之，極限一體化產(chǎn)品的意義在于使生產(chǎn)更加簡(jiǎn)便、高效、高質(zhì)與安全。

三、機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用

（一）數(shù)控機(jī)床。數(shù)控機(jī)床的發(fā)展歷史有40余年，從開(kāi)始發(fā)展到現(xiàn)在，數(shù)控機(jī)床及數(shù)控技術(shù)在功能、結(jié)構(gòu)、操作、控制上都在迅猛發(fā)展，具體表現(xiàn)為其結(jié)構(gòu)的發(fā)展逐步向總線式、模塊化、緊湊型、多CPU、多主總線體系的方向發(fā)展。WOP技術(shù)和智能化，系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)要求提供相應(yīng)的編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)二維、三維加工動(dòng)態(tài)仿真。由于其設(shè)計(jì)采用的是開(kāi)放性設(shè)計(jì)，所以它能夠最大限度的提高使用效益，硬件體系結(jié)構(gòu)，功能模塊兼容性更強(qiáng)，接口符合一定的標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)算機(jī)技術(shù)的融入大大提高了數(shù)控機(jī)床的操作性，豐富了其功能。同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)多過(guò)程、多通道的控制，例如將刀具的破損檢測(cè)，產(chǎn)品質(zhì)量的檢測(cè)，物料的運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)都融入到系統(tǒng)中去。系統(tǒng)的多級(jí)網(wǎng)絡(luò)控制，增強(qiáng)了系統(tǒng)組合，構(gòu)成復(fù)雜加工系統(tǒng)的能力。以大規(guī)模集成電路，單板或單片機(jī)作為控制機(jī)，使數(shù)控裝置結(jié)構(gòu)更加緊湊。近些年，我國(guó)數(shù)控機(jī)床技術(shù)取得了很大進(jìn)步與一些不錯(cuò)的成績(jī)，但與歐美一些國(guó)家相比，還存在一定的差距。

（二）工業(yè)機(jī)器人。機(jī)器人技術(shù)代表了機(jī)電一體化技術(shù)的最高研究成果，涉及機(jī)械工程、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制理論及人工智能等多門(mén)學(xué)科，是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。機(jī)器人的研究、制造和應(yīng)用程度是一個(gè)國(guó)家和公司科技水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的象征。目前，國(guó)際上許多大公司都競(jìng)相研制各類(lèi)先進(jìn)機(jī)器人，向人們展示其科技實(shí)力。從機(jī)器人技術(shù)發(fā)展至今一共經(jīng)歷了三代。第一代機(jī)器人指局限于示教內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)單的重復(fù)動(dòng)作，其適應(yīng)性靈活性不能應(yīng)對(duì)多變的工作環(huán)境和對(duì)象；第二代機(jī)器人擁有能夠反饋的傳感元件，它們能夠獲取信息，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理分析信息進(jìn)行反饋，然后做出相應(yīng)的應(yīng)隨措施。這一代機(jī)器人已基本上走上實(shí)用化的道路；第三代機(jī)器人也即現(xiàn)代智能化機(jī)器人，這代機(jī)器人擁有多重感知能力，它們能夠處理復(fù)雜的邏輯運(yùn)算，做出判斷和決策，并且能夠在各種不同的環(huán)境中獨(dú)立作業(yè)。因此，機(jī)器人技術(shù)能夠很好的闡述什么是機(jī)電一體化的相關(guān)應(yīng)用。

（三）計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（Com

puter Integrated Manufacturing System 簡(jiǎn)稱(chēng)CIMS）是隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造的發(fā)展而產(chǎn)生的。通過(guò)將計(jì)算機(jī)技術(shù)運(yùn)用到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，使機(jī)械生產(chǎn)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)整體效益的智能化和集成化制造系統(tǒng)。企業(yè)集成度的提高可以使生產(chǎn)要素發(fā)揮到最大極限，大大提高生產(chǎn)效益。

（四）柔性制造系統(tǒng)。柔性制造系統(tǒng)是信息控制、物料運(yùn)輸、數(shù)字控制加工與一體的系統(tǒng)，能夠適應(yīng)加工對(duì)象的變化。

除以上列舉的應(yīng)用領(lǐng)域，還有諸如自動(dòng)機(jī)與自動(dòng)生產(chǎn)線、微型機(jī)電化與汽車(chē)電子化產(chǎn)品的應(yīng)用。所以機(jī)電一體化在現(xiàn)在生產(chǎn)領(lǐng)域中是處處可見(jiàn)的，可以這樣說(shuō)，沒(méi)有機(jī)電一體化技術(shù)，很多先進(jìn)產(chǎn)品或技術(shù)無(wú)法制造或?qū)崿F(xiàn)運(yùn)用。

四、機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)與前景

縱觀國(guó)內(nèi)外機(jī)電一體化的發(fā)展現(xiàn)狀和高新技術(shù)的開(kāi)發(fā)動(dòng)向，機(jī)電一體化技術(shù)將朝著一下幾個(gè)方向發(fā)展。

（一）智能化。智能化發(fā)展是當(dāng)今機(jī)械領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)，機(jī)電一體化技術(shù)要想獲得更快的發(fā)展，在這方面必須予以足夠的重視。隨著處理器運(yùn)行速度的提高、微機(jī)存儲(chǔ)能力和性能的提升、傳感系統(tǒng)的集成化，智能化發(fā)展也更加迅猛。智能機(jī)電一體化產(chǎn)品可以模擬人類(lèi)智能，其擁有獨(dú)立運(yùn)算，決策和控制的能力，可以逐步取代工程中人的腦力勞動(dòng)。

（二）微型化。隨著微型機(jī)械技術(shù)、微型電子技術(shù)和軟件技術(shù)的開(kāi)發(fā)，微型化是機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展的一個(gè)大的趨勢(shì)。與傳統(tǒng)機(jī)械比較，微型機(jī)電一體化產(chǎn)品在生物醫(yī)療、軍事、信息等方面都具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，主要在于其體積小、運(yùn)動(dòng)靈活、耗能低等特點(diǎn)。

（三）系統(tǒng)化。系統(tǒng)化特征之一為采用開(kāi)放式和模式化總線結(jié)構(gòu)并行；系統(tǒng)化特征之二為升級(jí)了通訊系統(tǒng)。機(jī)電一體化產(chǎn)品往往是根據(jù)現(xiàn)實(shí)生活中動(dòng)物或人來(lái)設(shè)計(jì)，所以系統(tǒng)化的產(chǎn)品更能夠滿足要求。

（四）柔性化。在上述機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用中已提及到柔性制造系統(tǒng)，在該技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)中柔性化仍然是其發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)。柔性化也即自律分配系統(tǒng)化的特點(diǎn)是能夠生成自身信息和附加信息，根據(jù)生產(chǎn)需求自動(dòng)改變動(dòng)作，因此這樣會(huì)極大提高系統(tǒng)的靈活性、適應(yīng)性。

除上述的幾個(gè)機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)之外，還有光機(jī)電一體化、區(qū)域模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、環(huán)保綠色化等方向。機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展不僅僅只是朝著某一單一方向發(fā)展，它的發(fā)展方向?qū)⒃摷夹g(shù)編制成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，猶如高速公路網(wǎng)絡(luò)，在各個(gè)方向領(lǐng)域都能夠互通。

五、結(jié)束語(yǔ)

機(jī)電一體化技術(shù)是多學(xué)科交叉發(fā)展的一個(gè)綜合學(xué)科，它集多學(xué)科的優(yōu)點(diǎn)于一體。因此機(jī)電一體化產(chǎn)品具有其他產(chǎn)品所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。機(jī)電一體化技術(shù)促使著機(jī)械工業(yè)發(fā)生戰(zhàn)略性的變革，它超越了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造理念的局限。大力開(kāi)發(fā)新興機(jī)電一體化產(chǎn)品，是推動(dòng)機(jī)械產(chǎn)品更新?lián)Q代的重要因素，同時(shí)它還是開(kāi)辟新領(lǐng)域、發(fā)展與振興機(jī)械工業(yè)的必經(jīng)之路，在各個(gè)方面它將帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，同時(shí)它自身也具有廣闊的發(fā)展前景。

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