機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

李財(cái)勇

摘要：本文簡(jiǎn)要闡述了機(jī)電一體化基本結(jié)構(gòu)要素，對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)在數(shù)控機(jī)床、工程機(jī)械以及智能制造中的應(yīng)用進(jìn)行了探討，并對(duì)其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化；應(yīng)用與發(fā)展；發(fā)展趨勢(shì)

機(jī)電一體化是在機(jī)械的主功能、動(dòng)力功能、信息處理功能和控制功能上引進(jìn)微電子技術(shù)，并將機(jī)械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成的系統(tǒng)的總稱。機(jī)電一體化的概念最早由日本人提出，目前已經(jīng)發(fā)展成為一門(mén)有著自身體系的新型學(xué)科。機(jī)電一休化技術(shù)將機(jī)械、電子、信息處理和控制以及軟件等技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，是當(dāng)前自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的最高階段。本文將就其技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探討。

1機(jī)電一體化的結(jié)構(gòu)要素

機(jī)電一體化的基本結(jié)構(gòu)要素包括：機(jī)械本體部分、動(dòng)力部分、傳感部分、驅(qū)動(dòng)部分、執(zhí)行部分、控制及信息處理部分等。

機(jī)械本體是系統(tǒng)所有功能元素的機(jī)械支持結(jié)構(gòu)，包括機(jī)身、框架、機(jī)械連接等。動(dòng)力部分為系統(tǒng)提供能量和動(dòng)力功能，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使系統(tǒng)按照控制要求正常運(yùn)行。傳感部分將系統(tǒng)運(yùn)行中所需要的本身和外界環(huán)境的各種參數(shù)及狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，變成可識(shí)別的信號(hào)，傳輸?shù)叫畔⑻幚韱卧?jīng)過(guò)分析、處理后產(chǎn)生相應(yīng)的控制信息，其功能一般由專門(mén)的傳感器和儀器儀表完成。驅(qū)動(dòng)部分在控制信息作用下，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成各種動(dòng)作和功能。執(zhí)行部分根據(jù)控制信息和指令，完成各種動(dòng)作和功能，一般采用機(jī)械、電磁、電液等機(jī)構(gòu)。控制及信息處理部分將來(lái)自各傳感器的檢測(cè)信息集中、存儲(chǔ)、分析、加工，并根據(jù)信息處理的結(jié)果，按照一定的程序發(fā)出相應(yīng)的指令控制整個(gè)系統(tǒng)有目的的運(yùn)行。它一般由計(jì)算機(jī)、可編程序控制器、數(shù)控裝置以及邏輯電路、A/D 與 D/A 轉(zhuǎn)換、I/O（輸入輸出）接口和計(jì)算機(jī)外部設(shè)備等組成。

2機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

2.1機(jī)電一體化技術(shù)在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用

機(jī)電一體化技術(shù)在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用，使得數(shù)控機(jī)床在在結(jié)構(gòu)、功能、操作和控制精度上都有迅速提高。具體表現(xiàn)為總線式、模塊化、緊湊型的結(jié)構(gòu)，即采用多CPU、多主總線的體系結(jié)構(gòu)；硬件體系結(jié)構(gòu)和功能模塊具有層次性、兼容性、符合接口標(biāo)準(zhǔn)，能最大限度地提高用戶的使用效益；系統(tǒng)能提供面向車(chē)間的編程技術(shù)和實(shí)現(xiàn)二、三維加工過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真，并引入在線診斷、模糊控制等智能機(jī)制；大容量存儲(chǔ)器的應(yīng)用和軟件的模塊化設(shè)計(jì)，不僅豐富了數(shù)控功能，同時(shí)也加強(qiáng)了 CNC 系統(tǒng)的控制功能；能實(shí)現(xiàn)多過(guò)程、多通道控制，即具有一臺(tái)機(jī)床同時(shí)完成多個(gè)獨(dú)立加工任務(wù)或控制多臺(tái)和多種機(jī)床的能力，并將刀具破損檢測(cè)、物料搬運(yùn)、機(jī)械手等控制都集成到系統(tǒng)中；系統(tǒng)的多級(jí)網(wǎng)絡(luò)功能，加強(qiáng)了系統(tǒng)組合及構(gòu)成復(fù)雜加工系統(tǒng)的能力；以單板、單片機(jī)作為控制機(jī)，加上專用芯片及模板組成結(jié)構(gòu)緊湊的數(shù)控裝置。

2.2工程機(jī)械中機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用

機(jī)電一體化技術(shù)在很大程度上提升了工程機(jī)械的性能，并改善了工程機(jī)械的投入使用效果，增加了可靠性和經(jīng)濟(jì)性。在當(dāng)前的工程機(jī)械制造中，機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用主要通過(guò)微電子處理器，來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化、綜合處理和全面總結(jié)工程項(xiàng)目中所需的所有系統(tǒng)設(shè)備。其應(yīng)用特點(diǎn)是自動(dòng)檢測(cè)、高精度以及機(jī)械自動(dòng)化。

對(duì)于工程機(jī)械而言，機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用將設(shè)備系統(tǒng)的全程、動(dòng)態(tài)電子監(jiān)控變成現(xiàn)實(shí)，一旦出現(xiàn)運(yùn)行故障將會(huì)立即發(fā)出警報(bào)，以此來(lái)警示工作人員。有些更加進(jìn)步的機(jī)電一體化可自發(fā)清除系統(tǒng)故障，及時(shí)修復(fù)，保證工程機(jī)械的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而降低機(jī)械故障對(duì)正常生產(chǎn)的影響程度。機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用可調(diào)整施工精度，具體表現(xiàn)在電子控制系統(tǒng)中。在工程機(jī)械中裝設(shè)電子控制系統(tǒng)，不僅能增加稱量結(jié)果的精確度，還將自動(dòng)化稱量變成現(xiàn)實(shí)，有效避免和降低了人工操作誤差，為施工精度提供重要保障。另外，電子控制系統(tǒng)的應(yīng)用還能減少力投入，減輕工作強(qiáng)度，大大提升了工程施工的現(xiàn)代化水平。

2.3機(jī)電一體技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用

智能制造技術(shù)隨著工業(yè)生產(chǎn)的需要發(fā)展迅速，當(dāng)前，機(jī)電一體化技術(shù)正在逐步的和智能制造技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，用以滿足多樣化生產(chǎn)需要，同時(shí)兩種技術(shù)的有機(jī)結(jié)合也為兩者的發(fā)展提供了更為廣闊的發(fā)展空間。機(jī)電一體化技術(shù)在智能制造中的逐步應(yīng)用必然會(huì)應(yīng)用到一些核心的技術(shù)。傳感技術(shù)就是其中的核心技術(shù)之一，傳感技術(shù)如若應(yīng)用到智能生產(chǎn)當(dāng)中來(lái)必須要保證其準(zhǔn)確性和靈敏性，并且保證傳感器不被目標(biāo)信號(hào)以外的其他信號(hào)所干擾。在傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，傳感器用于目標(biāo)信號(hào)的收集，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息的傳輸，通過(guò)計(jì)算機(jī)收集的信息進(jìn)行分析和處理，最終達(dá)到對(duì)于整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的控制。就目前生產(chǎn)制造而言，主要采用的是非接觸性的檢測(cè)手段以及光纖電纜傳感器，采用統(tǒng)一且標(biāo)淮化的接口，將設(shè)計(jì)的難度適當(dāng)降低，主要開(kāi)發(fā)成本較低的串行接口。

3機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

機(jī)電一體化技術(shù)在未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)總的來(lái)說(shuō)趨向于智能化、微型化、柔性化、網(wǎng)絡(luò)化以及光機(jī)電一體化等，其內(nèi)涵隨著技術(shù)的發(fā)展及需求的變化在不斷的拓展。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，以全數(shù)字式現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)為代表現(xiàn)場(chǎng)控制儀表、設(shè)備大量應(yīng)用，使得傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)控制技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備發(fā)生了巨大的變化。電子技術(shù)的飛速發(fā)展及在機(jī)械上的廣泛應(yīng)用，使得機(jī)械設(shè)備的智能化程度越來(lái)越高，特別是在控制器技術(shù)被引入機(jī)械控制領(lǐng)域后，機(jī)械設(shè)備的操作便利性、安全性、燃油經(jīng)濟(jì)性都得到了大幅提高。

微型機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）是指那些外形輪廓尺寸在毫米量級(jí)以下，構(gòu)成元件是微米量級(jí)的可控制、可運(yùn)動(dòng)的微型機(jī)電裝置。它是自微電子技術(shù)問(wèn)世以來(lái)，人們不斷追求高新技術(shù)微型化的必然結(jié)果。微型機(jī)電一體化產(chǎn)品體積小、耗能少、運(yùn)動(dòng)靈活，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)，能夠完成常人無(wú)法想象的任務(wù)。目前，利用半導(dǎo)體器件制造過(guò)程中的蝕刻技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)室中已制造出亞微米級(jí)的機(jī)械元件。

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展給世界帶來(lái)了巨大變革，同樣也給機(jī)電一體化技術(shù)以重大影響，例如通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)機(jī)電一體化設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。機(jī)電一體化的產(chǎn)品種類(lèi)很多，面向網(wǎng)絡(luò)的方式也有差別，以數(shù)控機(jī)床為例，當(dāng)代數(shù)控機(jī)床配裝的CNC系統(tǒng)不少具有以太網(wǎng)接口，可以直接連入企業(yè)內(nèi)部的局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程的集成，當(dāng)然進(jìn)一步還要通過(guò)企業(yè)的主干通信網(wǎng)實(shí)現(xiàn)制造環(huán)境與企業(yè)級(jí)的ERP等系統(tǒng)的集成。在此基礎(chǔ)上，再通過(guò)因特網(wǎng)就可以實(shí)現(xiàn)企業(yè)間的網(wǎng)絡(luò)化了。此外，基于PC的CNC系統(tǒng)連接調(diào)制解調(diào)器和通信軟件，還能借助因特網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷。

4結(jié)束語(yǔ)

機(jī)電一體化是當(dāng)今世界機(jī)械工業(yè)發(fā)展的主要趨向，它的應(yīng)用與發(fā)展已引起工農(nóng)業(yè)、科技、經(jīng)濟(jì)、軍事、社會(huì)乃至生活的巨大變革。從某種程度而言，機(jī)電一體化技術(shù)的水平高低反映著一個(gè)國(guó)家制造業(yè)的整體實(shí)力，而其技術(shù)的演變與發(fā)展十分迅速，重視機(jī)電一體化技術(shù)的研究取得技術(shù)優(yōu)勢(shì)將成為21世紀(jì)國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力的一個(gè)重要方面。

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