機(jī)電一體化的技術(shù)應(yīng)用及其未來發(fā)展趨勢

張建軍

（內(nèi)蒙古碩達(dá)智水生態(tài)科技有限公司，內(nèi)蒙古呼和浩特 010050）

0.引言

從20世紀(jì)60年代以來，機(jī)電一體化（以下簡稱一體化）的技術(shù)在其傳統(tǒng)的機(jī)械工業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)上，伴隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，以及電子信息技術(shù)，特別是微電子技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展而建立的一門系統(tǒng)技術(shù)。它是以機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)為主體，多門技術(shù)學(xué)科相互滲透、相互結(jié)合的產(chǎn)物，是正在發(fā)展和逐漸完善的一門新興的學(xué)科。目前，機(jī)電一體化技術(shù)正逐步向正向智能機(jī)電一體化技術(shù)方向發(fā)展，其應(yīng)用范圍也呈現(xiàn)出不斷擴(kuò)大化的趨勢。

1.機(jī)電一體化技術(shù)的分類

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)電一體化技術(shù)的概念不再為某一具體產(chǎn)品所限制，其概念范圍已經(jīng)擴(kuò)大成為控制系統(tǒng)、被控制系統(tǒng)結(jié)合的產(chǎn)品制造與過程控制的大系統(tǒng)。目前，全球業(yè)界通常認(rèn)為機(jī)電一體技術(shù)逐步形成2個(gè)大分支，一個(gè)是機(jī)電一體化生產(chǎn)的過程，另一個(gè)是機(jī)電一體化的機(jī)電產(chǎn)品。機(jī)電一體化生產(chǎn)的過程意味著整個(gè)工業(yè)體系的機(jī)電一體化，如機(jī)械制造機(jī)電一體化加工過程、冶金鑄造機(jī)電一體化生產(chǎn)過程、化工合成機(jī)電一體化生產(chǎn)過程、紡織印染工業(yè)的機(jī)電一體化生產(chǎn)過程等。機(jī)電一體化生產(chǎn)過程根據(jù)生產(chǎn)工藝流程的特點(diǎn)（如生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)工藝是否連續(xù)）又可劃分為離散機(jī)電一體化的制造過程和機(jī)電一體化連續(xù)生產(chǎn)過程。前者以機(jī)械制造業(yè)為代表，后者以化工生產(chǎn)流程為代表。機(jī)電一體化的全部生產(chǎn)過程囊括5個(gè)部分即產(chǎn)品深化設(shè)計(jì)、原材料加工、成品組裝、成套設(shè)備檢驗(yàn)的全部過程生產(chǎn)自動(dòng)化，自動(dòng)化經(jīng)營管理等，其中包含多個(gè)自動(dòng)化生產(chǎn)線，它的高端模式就是計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，簡稱CIMS。其具體包括的系統(tǒng)有計(jì)算機(jī)的輔助制造、輔助設(shè)計(jì)、輔助工藝過程設(shè)計(jì)、CAD/CAM集成、柔性制造等系統(tǒng)。

2.機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢

2.1 智能化趨勢

機(jī)電一體化和傳統(tǒng)的機(jī)械自動(dòng)化最主要的區(qū)別中，其中一個(gè)就是智能化趨勢，這也是21世紀(jì)機(jī)電一體化技術(shù)非常大的繁榮發(fā)展趨勢。人工智能技術(shù)在機(jī)電一體化發(fā)展過程逐漸被人們重點(diǎn)關(guān)注，最重要的應(yīng)用就是機(jī)器具與數(shù)控機(jī)床智能化進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。這里提到的“智能化”指對機(jī)器操作控制的具體表述，是以控制理論為基礎(chǔ)，集人工智能技術(shù)、運(yùn)籌學(xué)理論、計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、模糊數(shù)學(xué)理論、心理學(xué)理論、生理醫(yī)學(xué)理論等新思維、新舉措的優(yōu)點(diǎn)，通過模擬人類智能使其具有人類特有的推理、判斷、自主決策及邏輯思維，從而達(dá)到更高更多的控制目標(biāo)。近年來可以在制造過程中替代一部分人腦勞動(dòng)[1]。

2.2 系統(tǒng)化趨勢

系統(tǒng)體系的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步采用總線結(jié)構(gòu)為模式化和開放式，是系統(tǒng)化的第一個(gè)表現(xiàn)特征。其通信功能可以大大加強(qiáng)，是系統(tǒng)化的第二個(gè)特征。目前，除了RS232等常用的通信方式之外，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程以及多系統(tǒng)的通信需要，這樣的局域網(wǎng)正逐步被應(yīng)用。在未來，機(jī)電一體化將更注重其產(chǎn)品和人的連接，研究某種最新型機(jī)體為依據(jù)，促使其向生物系統(tǒng)化的方向深入發(fā)展。

2.3 微型化趨勢

微型化在20世紀(jì)80年代末興起，主要指的是一體化朝向微型機(jī)器微觀領(lǐng)域與發(fā)展的趨勢。在國外，將其定名為微電子機(jī)械系統(tǒng)簡稱MEMS，泛指在幾何大小上不超過1cm的一體化的產(chǎn)品，并逐步向微米以及納米級過度。因?yàn)槲C(jī)電一體化系統(tǒng)在耗能、體積、運(yùn)動(dòng)靈活等方面極具優(yōu)勢，可以在一般機(jī)械都沒有辦法進(jìn)入的空間內(nèi)輕松進(jìn)行精細(xì)化作業(yè)，故其被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、信息技術(shù)、航天航空、工農(nóng)業(yè)乃至軍事國防等許多研究范圍。

2.4 模塊化趨勢

模塊化的發(fā)展趨勢是一體化產(chǎn)品的一個(gè)重要發(fā)展方向，是一項(xiàng)任重而道遠(yuǎn)的工程。目前，生產(chǎn)這些產(chǎn)品的品種和生產(chǎn)廠商的水平殘次不齊，開發(fā)、研制電氣接口、標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械接口、信息接口、動(dòng)力接口的一體化的產(chǎn)品單元就變成了一項(xiàng)艱巨而繁雜的工程。其過程需要通過制定一系列標(biāo)準(zhǔn)，保證各個(gè)部件以及各個(gè)單元的匹配與接口的對接其產(chǎn)品的生產(chǎn)廠商可以應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的單元提升新產(chǎn)品研發(fā)的速度，從而持續(xù)不斷的擴(kuò)大原本的生產(chǎn)規(guī)模。比如：研制具有集變頻、減速、調(diào)速電機(jī)作為一個(gè)整體的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)單元；集圖像各種處理功能為一體的電機(jī)一體化控制單元等。如此，在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)之初就可以將這些標(biāo)準(zhǔn)的模塊化單元整合并快速研發(fā)出新產(chǎn)品。

2.5 網(wǎng)絡(luò)化趨勢

進(jìn)入20世紀(jì)90年代，以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為代表的計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)等取得了顯著的成就。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起與快速發(fā)展，科學(xué)與技術(shù)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事政治、教育以及人們的普通日常都發(fā)生了翻天覆地的轉(zhuǎn)變。龐大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將全世界經(jīng)濟(jì)、生活生產(chǎn)連成網(wǎng)格狀，促使企業(yè)的競爭呈現(xiàn)全球化趨勢。受網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的影響，機(jī)電一體化也逐漸向網(wǎng)絡(luò)的方向不斷發(fā)展，機(jī)電一體化的產(chǎn)品種類繁多，與網(wǎng)絡(luò)對接的方式也有所不同，局域網(wǎng)技術(shù)和現(xiàn)場總線的發(fā)展使我們?nèi)粘Ｊ褂玫碾娖髦悄芑靡詫?shí)現(xiàn)。以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為中心的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)集成家用電器系統(tǒng)將各種家里使用的電器通過家庭互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連接起來，給人類的家庭帶來了更多高科技。所以，機(jī)電一體化產(chǎn)品的發(fā)展走向更清晰地指向了網(wǎng)絡(luò)化。

2.6 綠色化趨勢

工業(yè)的快速發(fā)展使人們物質(zhì)及其豐富、生活愜意舒適的同時(shí)也讓資源絕對減少，生態(tài)環(huán)境遭到非常嚴(yán)重破壞。于是，人們開始關(guān)注環(huán)境保護(hù)以及資源再利用，盡可能少地破壞自然。時(shí)代呼喚綠色產(chǎn)品，綠色產(chǎn)品應(yīng)時(shí)而生。綠色化是當(dāng)今時(shí)代的走向，其目的就是讓產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、包裝、制造、使用運(yùn)輸、直到報(bào)廢的整個(gè)運(yùn)作循環(huán)當(dāng)中，將對生態(tài)環(huán)境的破壞極小化，在資源利用上最大化，不斷提高資源的利用率。機(jī)電一體化產(chǎn)品，其綠色化最主要強(qiáng)調(diào)的是在使用過程中不對自然生態(tài)造成污染，在報(bào)廢時(shí)可以進(jìn)行回收再利用，綠色制造業(yè)的確是當(dāng)代制造業(yè)的升級與可持續(xù)發(fā)展方式。

3.發(fā)展“機(jī)電一體化”形勢嚴(yán)峻，任務(wù)艱巨

機(jī)電一體化的工作層面有2個(gè)：第一個(gè)是開發(fā)機(jī)電技術(shù)自動(dòng)化、智能化、數(shù)字化的機(jī)電產(chǎn)品，促進(jìn)產(chǎn)品的更新迭代；第二個(gè)是利用微電子技術(shù)來改造我們傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)，其根本性目的是節(jié)能降耗、節(jié)材，提高經(jīng)濟(jì)效益，提高產(chǎn)品質(zhì)量，將傳統(tǒng)工業(yè)的技術(shù)水平進(jìn)行進(jìn)一步提高[2]。

3.1 目前“機(jī)電一體化”面臨現(xiàn)狀

（1）我國目前微電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)存在對傳統(tǒng)工業(yè)改造任務(wù)量大且廣的問題，具有一定難度。機(jī)電一體的產(chǎn)品具有功能超強(qiáng)、性能極好、質(zhì)量高、成本較低，而且具有柔性的特點(diǎn)，在市場需求與用戶反饋生產(chǎn)過程及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的問題時(shí)可以及時(shí)做出必要多次的調(diào)整，而無須進(jìn)行設(shè)備更換。（2）目前我國存在利用機(jī)電一體化技術(shù)在加速技術(shù)產(chǎn)品的更新迭代，增加市場絕對占有率的呼聲越來越高的現(xiàn)象，存在較大壓力。最近幾年，在工業(yè)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上雖進(jìn)行了多次調(diào)整，但礙于多種原因，成效不夠顯著。（3）我國以機(jī)電一體化產(chǎn)品來替代不環(huán)保不綠色產(chǎn)品的責(zé)任重大，而且具有重要的意義。在我國，耗能、耗水，造成環(huán)境嚴(yán)重污染的企業(yè)在企業(yè)總數(shù)中占有非常大的比重。這里面也存在上級領(lǐng)導(dǎo)監(jiān)管部門對政策的把控程度及尺度問題。很多企業(yè)還存在思想理念比較保守的問題。但不可否認(rèn)的是，也存在不能優(yōu)化出理想的產(chǎn)業(yè)與不能優(yōu)選出中意的產(chǎn)品的問題。其實(shí)最佳回答早就放在這些污染企業(yè)的案頭，那就是——大力發(fā)展機(jī)電一體化。加大資金投入，大力研發(fā)生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)相關(guān)的一體化產(chǎn)品，這也是發(fā)展機(jī)電產(chǎn)品少批量多品種生產(chǎn)的重要思路，這一方式可以為我國傳統(tǒng)的機(jī)械工業(yè)加入新鮮活力，用機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)將工人從繁重單調(diào)的體力勞動(dòng)解放，實(shí)現(xiàn)企業(yè)現(xiàn)代化。另外，從國內(nèi)市場實(shí)際需求及市場競爭的方面來看，由于我國研制、開發(fā)一體化的產(chǎn)品歷史時(shí)間很短，差距相對比較大，許多產(chǎn)品的數(shù)量、品種、質(zhì)量、檔次、使用性能都不能滿足消費(fèi)者的實(shí)際需求，每年都需進(jìn)口大量的國外產(chǎn)品，來彌補(bǔ)國內(nèi)市場需求，因此亟需發(fā)展附加值高，性能優(yōu)良的機(jī)電產(chǎn)品。

3.2 “機(jī)電一體化”工作的責(zé)任

（1）利用國家現(xiàn)有有利的扶持政策，積極主動(dòng)地開發(fā)、創(chuàng)新、制造性能優(yōu)越的機(jī)電一體化產(chǎn)品，促進(jìn)機(jī)電產(chǎn)品的更新迭代。（2）積極利用挖掘現(xiàn)有資源優(yōu)勢，更加深入更為廣泛地以機(jī)電一體化技術(shù)提升傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能，為企業(yè)的發(fā)展增值?？偟哪繕?biāo)是利用國家政策優(yōu)勢，自主創(chuàng)新，逐步形成機(jī)電一體新型產(chǎn)業(yè)規(guī)模、打造我國產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的新格局。一體化技術(shù)不僅僅是振興民族傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的不竭動(dòng)力與新的力量，也是重塑產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵所在。

4.發(fā)展“機(jī)電一體化”的應(yīng)對策略

4.1 加強(qiáng)全局統(tǒng)籌，整體協(xié)調(diào)發(fā)展的策略

當(dāng)前，國內(nèi)從事“機(jī)電一體化”開發(fā)、研究及生產(chǎn)的部門較多。其發(fā)展策略各成體系、各自為政。各個(gè)單位所做的計(jì)劃受到各自規(guī)劃、利益發(fā)展的立足點(diǎn)的制約，在整體發(fā)展方面偏于側(cè)重局部利益，在制定計(jì)劃和規(guī)劃時(shí)，缺乏整體考慮，統(tǒng)籌安排不足，缺乏全局觀與權(quán)威性的戰(zhàn)略發(fā)展計(jì)劃與籌謀。建議上級主管部門進(jìn)行全局規(guī)劃，并責(zé)成相關(guān)單位在深入調(diào)查研究、科學(xué)討論分析的基礎(chǔ)上，科學(xué)決策統(tǒng)，制定作出符合“機(jī)電一體化”全局發(fā)展的研究計(jì)劃、發(fā)展策略與規(guī)劃大綱，避免重復(fù)建設(shè)與惡性競爭。

4.2 加強(qiáng)本行業(yè)內(nèi)管理，充施展“協(xié)會(huì)”的積極作用

目前，我國“一體化”正處于熱度期，就目前的形勢來看，“政出多門”在所難免。所以，建立健全“一體化”行業(yè)統(tǒng)一管理機(jī)構(gòu)，充分結(jié)合我國政治經(jīng)濟(jì)改革的深刻內(nèi)涵，結(jié)合機(jī)電一體化行業(yè)內(nèi)的特性，加快北京“一體化協(xié)會(huì)”的建設(shè)進(jìn)程，并賦予其行業(yè)內(nèi)管理職能是十分必要的?！皡f(xié)會(huì)”應(yīng)逐步擴(kuò)大其領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)職能理事會(huì)代表性與影響范圍，加快秘書處和辦公室的建立建設(shè)，通過高效、廉潔的辦事機(jī)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)實(shí)體，擬定行業(yè)整體發(fā)展計(jì)劃、戰(zhàn)略發(fā)展藍(lán)圖，進(jìn)一步就行業(yè)整體布局與重點(diǎn)調(diào)整起到指揮棒作用，發(fā)現(xiàn)行業(yè)發(fā)展創(chuàng)新的突破口，狠抓試點(diǎn)項(xiàng)目與重點(diǎn)工程的發(fā)標(biāo)、招標(biāo)工作等[3]。

4.3 優(yōu)化營氛圍、加大政府支撐

優(yōu)化營商環(huán)境是指通過加大群眾口碑效應(yīng)，形成一種企業(yè)內(nèi)外以及社會(huì)上下全民重視、營造“一體化”良好的營商環(huán)境。如：在營商環(huán)境上為外商進(jìn)駐我們國家開展“一體化”產(chǎn)業(yè)提前提供便利條件；在政策上對興辦開發(fā)、生產(chǎn)機(jī)電一體化產(chǎn)品的高新技術(shù)實(shí)體企業(yè)給予切實(shí)優(yōu)惠支持；相關(guān)部門統(tǒng)籌安排，在資源調(diào)配工作上為開發(fā)、生產(chǎn)機(jī)電一體化產(chǎn)品創(chuàng)建暢通渠道。不斷增加支持力度是在產(chǎn)業(yè)調(diào)整結(jié)構(gòu)層面，要對耗電、耗水、耗材高的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品發(fā)展進(jìn)行嚴(yán)格限制，對未采用一體化技術(shù)的過時(shí)產(chǎn)品進(jìn)行限期整改與強(qiáng)制替換；大力倡導(dǎo)一體化技術(shù)，升級改造落后的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，對相關(guān)具有實(shí)用新型技術(shù)研發(fā)、應(yīng)用型項(xiàng)目給予優(yōu)先立項(xiàng)、優(yōu)先發(fā)展的政策扶持，對在技術(shù)應(yīng)用、有杰出貢獻(xiàn)的實(shí)體單位及個(gè)人應(yīng)給予相應(yīng)的獎(jiǎng)勵(lì)、表彰等。

4.4 強(qiáng)調(diào)發(fā)展重點(diǎn)統(tǒng)籌“兩個(gè)層次”

機(jī)電一體化產(chǎn)業(yè)的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋的范圍非常寬。但是我們在財(cái)力、人力和物力等支持方面與實(shí)際需要的增長速度存在一定落差。所以，在抓機(jī)電一體化產(chǎn)業(yè)充分發(fā)展的同時(shí)，不可能做到事無巨細(xì)，點(diǎn)面結(jié)合，而應(yīng)突出重點(diǎn)，主次分明，大膽取舍。更要注意2個(gè)層面上的工作：（1）注重面上工程。也就是利用信息電子技術(shù)對傳統(tǒng)制造業(yè)改造升級，將微電子設(shè)備嵌入或嫁接到傳統(tǒng)設(shè)備上，促使“電子”和“機(jī)械”技術(shù)在表層實(shí)現(xiàn)初步融合。（2）“提升”作用。在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)，就將“電子”與“機(jī)械”進(jìn)行整合，使“電子”與“機(jī)械”呈現(xiàn)綁定發(fā)展?fàn)顟B(tài)，深度融合，使創(chuàng)造出的新產(chǎn)品即為機(jī)電一體化產(chǎn)品。

5.結(jié)語

機(jī)電一體化技術(shù)是我國社會(huì)發(fā)展到特定階段必然的產(chǎn)物，是許多科學(xué)技術(shù)融合發(fā)展的創(chuàng)新結(jié)晶。它催化了機(jī)械工業(yè)戰(zhàn)略性的革新，促使傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法不斷發(fā)生翻天覆地的變化，不斷推動(dòng)機(jī)械產(chǎn)品的更新迭代與新領(lǐng)域的開發(fā)建設(shè)，是發(fā)展與振興機(jī)械工業(yè)的必經(jīng)之路。微機(jī)電一體化又是機(jī)電一體化的一個(gè)非常重要的分支和未來發(fā)展方向，是當(dāng)代微機(jī)械技術(shù)和先進(jìn)微電子技術(shù)的提升發(fā)展，是微米（納米）水平的一體化。微機(jī)電一體化技術(shù)的阻礙是微機(jī)械技術(shù)，雖然軟件和電子技術(shù)已經(jīng)完全符合設(shè)計(jì)要求，但是機(jī)械元件卻難以做到微型化，無法連接微小空間中的接口，也無法控制和協(xié)調(diào)這些機(jī)電動(dòng)作。因此，微機(jī)電一體化技術(shù)是未來重要一體化技術(shù)之一。