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中图分类号TH-39 文献标识码A 文章编号 1674-6708(2012)78-0041-02
0 引言
当前,电子、通讯等方面的技术得到了革新,有效的推动了机电一体化的研究,并实现了机械和电子技术之间的融合。尤其是在微型计算机、集成电路产品进入到市场后,为机电一体化的深入研究和发展创设了积极的条件。与此同时,国内高等院校以及相关企业单位都在进行了相关的研究,为机电一体化的发展和技术革新搭建了坚实的基础。
1 我国机电一体化技术的发展现状
我国于上世纪80年代开始针对机电一体化技术进行了研究,国家也为此投入了多项人力物力,在2010年的发展纲要中,明确指出要针对机电一体化技术进行革新和发展,并提出了相关的策略。及至到上世纪90年代,机电一体化已经迈入到另一个发展的进程,其突出特征主要体现在以下三个方面:其一,光学、通信等社会领域的技术已经应用到机电一体化技术的研创过程中,尤其是随着微细加工技术在其中的广泛应用,有效的带动了微机电一体化技术的发展;其二,机电一体化系统无论是在设计阶段,还是在集成分析过程中,都已经迈入了智能化的发展阶段,并把其作为一门学科进行独立的研究;其三,随着光纤技术、人工智能技术等新型技术的深入研究和应用,有效的为机电一体化技术的发展创设了一个更为宽广的发展空间。
2 机电一体化的发展趋势
长期以来,工业一直都占据我国社会经济的主导地位,工业的领先发展也在不同程度上促进了机械制造产业的快速发展,特别是对机电一体化的技术发展上发挥了重要的作用。事实上,机电一体化是一种综合的技术领域,以电子技术及其相关的应用作为发展的中心部分,其中微型计算机在社会各个领域中发挥的作用更加的突出。
2.1 智能化
在机电一体化的不断发展进程中,智能化是作为它根本的发展趋势,同时也是体现相关机电产品的有效渠道。智能化是对工业机械操作系统的一种简述,它还具备多个方面的能力,如推断力、决策力等。现代化的机电一体化与传统的技术相比较,要真正保证它的智能化推进就应该基于现代机械理论的发展过程中,同时还应不断的结合生理学、计算机科学等方法和理念,在吸收芯片技术等取得的成果来实现。基于智能化的基础上,机电一体化的视角焦点集中在产品的整体性能上,当前自动清洁机等产品都已经步入到了研创的发展阶段,正是通过对这些产品实行智能化的控制和处理,才能进一步的保证产品的综合质量。
2.2 集中监控化
集中监控化在机电一体化中的应用日益深入,它的突出优势就是能有效的保证设备的正常运行和管理。它与传统的机电产品相对比可以得知,在集中监控下的设计过程中,更多的是注重各个支部功能的合一作用行,换句话说,在中央监控系统的监测下,只要其中某一个系统发生了阻碍,就可以得到及时的发现,并对其进行处理。随着机电一体化不断的发展,更加注重相关设备的安全性,并借助技术上的革新来保证机电设备的集中监控化。
2.3 网络化
当前已经进入到了计算机网络的时代,网络也已经覆盖到各个社会领域中,自上世纪90年代后,我国的机电一体化在研创的过程中就开始与网络技术相接轨,并在网络技术的支撑下取得了一定的成效。特别是进入到21世纪后,以网络技术为基本媒介的远程技术在社会上兴起,促使远程控制技术在我国的机电一体化领域中得到了广泛的应用,从而有效的引领机电技术迈向了新时代。在今后的机电一体化发展过程中,网络技术能在一定程度上保证产品的安全性和作用性。
2.4 微型化
微型化的基本特征是不需要对机械和控制进行相互的区别,而是实现了两者之间的充分融合,所以对于机电一体化的研究和应用来说,就不需要把传感器、CPU等核心部分进行相的分离,并且缩减了产品的体积,促使机电一体化在技术上取得了全新的成就。我国已经陆续的研创出一些微机电一体化产品,这些产品也在我国军事、通讯等领域中得到应用,但我国现今仍然还存在微机械技术处在低水平的棘手问题,在今后的技术研究中应针对这些问题进行突破。
2.5 PLC技术的应用
PLC的全称是可编程逻辑控制器,它具备逻辑监控、数据采集等功能,因此,它在机电一体化的领域中,可以实现高速脉冲输出与接收,并在这一功能下还具备了传感器。这与传统的机电系统相对比,PLC技术在机电一体化中广泛运用可以保证数量的控制,并可以使相关的数据得以显现,这就有助于管理人员对各种数据进行及时的统计。另外,PLC技术在机电一体化中的应用还表现出通讯功能,实现了运动控制、通信联网等功能的实现。
3 结论
总之,虽然我国的机电一体化技术已经取得了较为明显的成绩,但相对于发达国家来说仍然存在一定的差距。但是在我国社会经济的推动下,尤其是在机械制造业等领域的快速发展下,我国的机电一体化技术必然迈向新的发展道路,对于机电一体化今后发展趋势的研究也具有现实的意义,是实现农业大国转向工业大国的基础条件。与此同时,在推动机电一体化技术革新的过程中,我国也十分注重技术的创新发展,对现存的不合理技术格局进行全面的改编,并使其与国际的技术力量相融合。
中图分类号: TH-39 文献标识码: A 文章编号:
机电一体化技术是面向应用的跨学科技术,是机械、微电子、信息和控制技术等有机融合、相互渗透的结果。今天机电一体化技术发展飞速,机电一体化产品更日新月异。
一、机电一体化的核心技术
1.机械技术:是机电一体化的基础,机械技术的着眼点在于如何与机电一体化技术相适应,利用其高、新技术来更新概念,实现结构上、材料上、性能上变更,满足减小重量、缩小体积、提高精度、提高刚度及改善性能要求。
2.计算机与信息技术:其中信息交换、存取、运算、判断与决策、人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术均属于计算机信息处理技术。
3.系统技术:即以整体概念组织应用各种相关技术,从全局角度和系统目标出发,将总体分解成相互关联的若干功能单元,接口技术是系统技术中一个重要方面,是实现系统各部分有机连接的保证。
4.自动控制技术:其范围很广,在控制理论指导下,进行系统设计,设计后的系统仿真,现场调试,控制技术包括如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿、再现、检索等。
5.传感检测技术:是系统的感受器官,是实现自动控制、自动调节的关键环节。其功能越强,系统的自动化程序就越高。
6.伺服传动技术:包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置,伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部件、对系统的动态性能、控制质量和功能有决定性的影响。
二、机电一体化的发展进程
1.数控机床问世:自从1952年美国第1台数控铣床问世至今已50个年头。我国数控机床制造业在80年代曾有过高速发展阶段,尤其是在1999年后,国家向国防工业及关键民用工业部门投入大量技改资金,使数控设备制造市场一派繁荣。
2.微电子技术的发展:我国的集成电路产业起步于1965年,经过30多年发展,已初步形成包括设计、制造、包装业共同发展的产业结构。
3.可编程序控制器(PLC)的应用于工业:上世纪60年代后期,美国汽车制造业开发一种Modular DigitalController(MODICON)取代继电控制盘。MODICON是世界上第一种投入商业生产的PLC.70年代是PLC崛起,并首先在汽车工业获得大量应用。80年代是它走向成熟,全面采用微电子及微处理器技术。90年代又开始了PLC的第三个发展时期。90年代后期进入了第四阶段。其特征是:在保留PLC功能的前提下,采用面向现场总线网络的体系结构,采用开放的通信接口,如以太网、高速串口;采用各种相关的国际工业标准和一系列的事实上的标准;从而使PLC和DCS这些原来处于不同硬件平台的系统,正随着计算技术、通信技术和编程技术的发展,趋向于建立同一硬件平台,运用同一个操作系统、同一个编程系统,执行不同的DCS和PLC功能。这就是真正意义上的EIC三电一体化。
4.激光技术、模糊技术、信息技术等新技术的出现:以激光技术为首的光电子技术是未来信息技术发展的关键技术,它集中了固体物理、波导光学、材料科学、微细加工和半导体科学技术的科研成就,成为电子技术与光子技术自然结合与扩展、具有强烈应用背景的新兴交叉学科,对于国家经济、科技和国防都具有重要的战略意义。
三、机电一体化向智能化迈进
20世纪90年代后期,各主要发达国家开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段。一方面,光学、通信技术等进入了机电一体化,微细加工技术也在机电一体化中崭露头角,出现了光机电一体化和微机电一体化等新支;另一方面,对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法,机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。同时,由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步,为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地,也为产业化发展提供了坚实的基础。未来机电一体化的主要发展方向有:
1.智能化:是21世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向,是在控制理论的基础上,吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法,模拟人类智能,使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力,以求得到更高的控制目标。
2.网络化:20世纪90年代,计算机技术等的突出成就是网络技术。机电一体化新产品一旦研制出来,只要其功能独到,质量可靠,很快就会畅销全球。因此,机电一体化产品无疑将朝着网络化方向发展。
3.微型化:兴起于20世纪80年代末,指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。国外称其为微电子机械系统(MEMS),泛指几何尺寸不超过1立方厘米的机电一体化产品,并向微米、纳米级发展。微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活,在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。
4.绿色化:机电一体化产品的绿色化主要是指,使用时不污染生态环境,报废后能回收利用。绿色产品在其设计、制造、使用和销毁的生命过程中,符合特定的环境保护和人类健康的要求,对生态环境无害或危害极少,资源利用率极高。设计绿色的机电一体化产品,具有远大的发展前途。
5.系统化:其表现特征之一就是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构。系统可以灵活组态,进行任意剪裁和组合,同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。表现特征之二是通信功能的大大加强,特别是“人格化”发展引人注目,即未来的机电一体化更加注重产品与人的关系。一是如何赋予机电一体化产品人的智能、情感、人性显得越来越重要,特别是对家用机器人,其高层境界就是人机一体化。另一层含义是模仿生物机理,研制各种机电一体化产品。
结束语:
当然,机电一体化的发展不是孤立的,与机电一体化相关的技术还有很多,并随着科学技术的发展,各种技术相互融合的趋势将越来越明显,机电一体化技术的发展与应用也将更加广阔。
近些年来,光机电一体化技术得到迅猛发展,在民用工业和军事领域得到广泛地应用。因此,光机电一体化技术成为当今机械工业技术发展的一个主要趋势。
一、光机电一体化技术特征
光机电一体化系统主要由动力、机构、执行器、计算机和传感器五个部分组成,相互构成一个功能完善的柔性自动化系统。其中计算机软硬件和传感器是光机电一体化技术的重要组成要素。与传统的机械产品比较,光机电一体化产品具有以下技术特征。
1、体积小,重量轻,适应性强,操作更方便
光机电一体化技术使得操作人员摆脱了以往必须按规定操作程序或节后频繁紧张地进行单调重复操作的工作方式,可以灵活方便地按需控制和改变生产操作程序,任何一台光机电一体化装置的动作,可由预设的程序一步一步控制实现,甚至实现操作全自动化和智能化。
2、功能增加,精度大幅提高
光机电一体化系统包括以激光、电脑等现代技术集成开发的自动化、智能化机构设备、仪器仪表和元器件。电子技术的采用使得包馈控制?水平提高,运算速度加快,通过电子自动控制系统可精确按预设动作,其自行诊断、校正、补偿功能可减少误差,达到靠单纯机械方式所不能实现的工作精度。同时,由于机械传动部件减少,机械磨损及配合间隙等引起的误差也大大减小。
3、部分硬件实现软件化,智能化程度提高
传统机械设备一般不具有自维修或自诊断功能。光机电一体化技术使得电子装置能按照人的意图进行自动控制、自动检测、信息采集及处理、调节、修正、补偿、自诊断、自动保护直至自动记录、显示、打印工作结果。通过改变程序,指令等软件内容而无需改动硬件部分就可变换产品的功能,使机械控制功能内容的确定和变化趋势向“软件化”和“智能化”。
4、?产品可靠性得到提高,使用寿命增长
传统的机械装置的运动部分,一般都伴随着磨损及运动部件配合间隙所引起的动作误差,导致可动摩擦、撞击、振动等加重,严格影响装置寿命、稳定性和可靠性。而光机电一体化技术的应用,使装置的可动部件减少,磨损也大为减少,像集成化接近开关甚至无可动部件、无机械磨损。因此,装置的寿命提高,故障率降低,从而提高了产品的可靠性和稳定性。
5、?产品系统性增强,各部分系统间协调性要求提高
光机电一体化是一门学科的边缘科学技术,多种技术的综合及多个部分的组合,使得光机电一体化技术及产品更具有系统性、完整性和科学性。其各个组成部分在综合成一个完整的系统中相互配合有严格的要求,这就要求各种技术扬长避短,提高系统协调性。
二、研究现状和发展趋势
1、研究现状
自从我国实行改革开放以来,科技领域急起直追,我国的光机电一体化技术已取得明显的成效,数控产品有了很大的提高,尤其是经济型灵敏数控装置发展很快,是我国特有的经济实用产品,不但适用国内市场的需要,部分产品还随主机配套出口。国内的机械产品采用可编程控制器(PC)和微电子技术控制设备也越来越多,覆盖面也日益扩大,从纺织机械、轴承加工设备、机床、注塑机到橡胶轮胎成型机、重型机械、轻工业机械都是如此,我国自行研制和生产的光机电设备,在质量上也有重大突破,为今后的推广应用打下了良好的基础。
2、发展趋势
光机电一体化技术已经渗透到各个学科、领域,成为一种新兴的学科,并逐渐成为一种产业,而这些产业作为新的经济增长点越来越受到高度重视。?从世界科学技术的发展情况来看,光机电一体化技术的未来技术热点主要包括。
(1)激光技术
1)高单色性,利用激光高单色性作精密测量时,可极大地提高测量精度和量程。
2)高方向性,因具有很远距离传输光能和传输控制指令的能力,从而可以进行远距离激光通信、激光测距、激光雷达、激光导航以及遥控。
3)高亮度性,利用激光的高亮度特性,中等亮度激光束在焦点附近可产生几千到几万度的高温,可使照射点物体熔化或汽化,对各种各样材料和产品进行特种加工。
4)相干性,由于激光速频率单一、相位方向相同。适用于激光通信、全息照相、激光印刷以及光学计算机的研制,而在实际运用中也会通过一些激光技术改变激光辐射的特性,应用范围更广。
(2)传感检测技术
1)激光准直,能够测量平直度、平面度、平行度、垂直度,也可以做三维空间的基准测量。
2)激光测距,其探测距离远,测距精度高,抗干扰性强,体积小,重量轻,但受天然影响大。
3)光纤探测器,在目标很小,间隔受限或危险的环境中,最常选用的是光纤探测器。
其他还有激光打孔、刻槽=标记、光化学沉积等加工技术。
(3)激光快速成型技术
激光快速成型是利用计算机将复杂的三维物体转化为二维层,将热塑性塑料粉末或胶粘衬底片材纸张烧结,由点、线构造零件的面(层),然后逐层成型。激光快速成型技术可使新产品及早投放市场,极大地提高了汽车生产企业对市场的适应能力和产品的竞争能力。
(4)光能驱动技术
利用光致变形材料可制作光致动器和光机器人。现已研制成功一种光致动器,其工作原理是将光照在形状记忆合金上,反复地通、断使材料伸缩,再利用感温磁性体的温度特性,将材料末端吸附在衬底上。利用材料本身的伸缩和端部的吸附特性,加上光的通断便能实现所要求的动作。实验验证,该致动器能可在顶面步行。这种状态目标处于初级阶段,如果能发现具有优异光作用特性的动态物质,则可使光能驱动技术广泛应用。
3.结语
技术上的改革和与之相配套的技术支持是创新技术的基础。开发光机电一体化产品有不同的层次和灵活的自由度。在机械技术中恰当地引入电子技术,产品的面貌和行业的面貌就可以迅速发生巨大变化。产品一旦实现光机电一体化,便具有很高的功能水平和附加价值,将给开发生产者和用户带来巨大的社会经济效益。
参考文献
中图分类号:TP 文献标识码:A 文章编号:1672-3198(2010)11-0330-01
1 机电一体化概述
机电一体化是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术,将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。“机电一体化”涵盖“技术”和“产品”两个方面,是一种综合技术,这是机电一体化与机械加电气所形成的机械电气化在概念上的根本区别。
2 机电一体化的核心技术
2.1 机械技术
是机电一体化的基础,机械技术的着眼点在于如何与机电一体化技术相适应,利用其高、新技术来更新概念,实现结构上、材料上、性能上变更,满足减小重量、缩小体积、提高精度、提高刚度及改善性能要求。
2.2 计算机与信息技术
其中信息交换、存取、运算、判断与决策、人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术均属于计算机信息处理技术。
2.3 系统技术
即以整体概念组织应用各种相关技术。从全局角度和系统目标出发,将总体分解成相互关联的若干功能单元,接口技术是系统技术中一个重要方面,是实现系统各部分有机连接的保证。
2.4 自动控制技术
其范围很广,在控制理论指导下,进行系统设计,设计后的系统仿真,现场调试,控制技术包括如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿、再现、检索等。
2.5 传感检测技术
传感检测技术是系统的感受器官,是实现自动控制、自动调节的关键环节。其功能越强,系统的自动化程序就越高。
3 机电一体化的发展过程
机电一体化的发展过程大体可以分为三个阶段:
3.1 初级阶段
20世纪60年代以前为第一阶段,也称为初级阶段。在这一时期,人们自觉不自觉地利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。特别是在第二次世界大战期间,战争刺激了机械产品与电子技术的结合,这些机电结合的军用技术,战后转为民用,对战后经济的恢复起到了积极的作用。那时,研制和开发从总体上看还处于自发状态。由于当时电子技术的发展尚未达到一定水平,机械技术与电子技术的结合还不可能广泛和深入发展,已经开发的产品也无法大量推广。
3.2 高速发展阶段
20世纪70-80年代为第二阶段,也称为高速发展阶段。这一时期,计算机技术、控制技术、通信技术的发展,为机电一体化的发展奠定了技术基础。大规模、超大规模集成电路和微型计算机的出现,为机电一体化的发展提供了充分的物质基础。这个时期的特点是:mechatronics一词首先在日本被普遍接受,大约到20世纪80年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认;机电一体化技术和产品得到了极大发展;各国均开始对机电一体化技术和产品给予很大的关注和支持。
3.3 智能化阶段
20世纪90年代后期,开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段,机电一体化进入深入发展时期。一方面,光学、通信技术等进入机电一体化,微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚,出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支;另一方面,对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法,机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。同时,人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步,为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。这些研究,使机电一体化进一步建立了坚实的基础,并且逐渐形成完整的学科体系。
4 机电一体化的发展趋势
机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合,它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。因此,机电一体化的主要发展方向如下。
4.1 智能化
智能化是21世纪机电一体化技术的一个重要发展方向。人工智能在机电一体化建设研究中得到日益重视,机器人与数控机床的智能化就是重要应用。这里所说的“智能化”是对机器行为的描述,是在控制理论的基础上,吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学等新思想新方法,模拟人类智能,使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力,以求达到更高的控制目标。诚然,要使机电一体化产品具有与人完全相同的智能,是不可能的,也是不必要的。但是,高性能、高速的微处理器使机电一体化产品赋有低级智能或人的部分智能,则是完全可能的和必要的。
4.2 模块化
模块化是一项重要而艰巨的工程。由于机电一体化产品的种类和生产厂家繁多,研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元是一项十分复杂和非常重要的事。例如研制集减速、智能调速、电机于一体的动力单元,具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的控制单元,以及各种能完成典型操作的机械装置。若能利用标准单元迅速开发出新产品,也可扩大生产规模。但这需要制定各项标准,以便各部件、单元的匹配和接口。由于利益冲突,近期很难制定国际或国内的标准,但可通过组建一些大企业逐渐形成。显然,从电气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定,无论是对生产标准机电一体化单元的企业还是对生产机电一体化产品的企业,规模化将给机电一体化企业带来美好的前程。
4.3 网络化
20世纪90年代,计算机技术等的突出成就是网络技术。网络技术的兴起和发展给科学技术、工业生产、政治、军事、教育、人们日常生活,都带来了巨大变革。各种网络将全球经济和生产连成一片,企业间的竞争也将全球化。机电一体化新产品一旦研制出来,只要其功能独到,质量可靠。很快就会畅销全球。由于网络的普及,基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾,而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。现场总线和局域网技术使家用电器网络化已成大势,利用家庭网络,将各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电系统,使人们在家里分享各种高技术带来的便利和快乐。因此,机电一体化产品无疑应朝着网络化方向发展。
4.4 微型化
微型化兴起于20世纪80年代末。机电一体化有向微型机器和微观领域发展的趋势。国外称其为微电子机械系统,泛指几何尺寸不超过lcm3的机电一体化产品,并向微米、纳米级发展。微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活,在生物医疗、军事、信息等方面具有显著优势。微机电一体化发展的瓶颈在于微机械技术,微机电一体化产品的加工采用精细加工技术(即超精密技术),它包括光刻技术和蚀刻技术两类。
4.5 绿色化
工业的发达给人们生活带来巨大变化。一方面,物质丰富,生活舒适;另一方面,资源减少,生态环境受到严重污染。于是,人们呼吁保护环境资源,回归自然;‘绿色产品’概念在这种呼声下应运而生,绿色化是时代的趋势。绿色产品在其设计、制造、使用、销毁的生命过程中,符合特定的环境保护和人类健康的要求,对生态环境无害或危害极少,资源利用率极高。设计绿色的机电一体化产品,具有远大的发展前途。机电一体化产品的绿色化,主要是指使用时不污染生态环境,报废后能回收利用。
4.6 系统化