高艷紅

（陜西省理工學(xué)校，陜西 西安 710054）

機(jī)電一體化的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)

高艷紅

（陜西省理工學(xué)校，陜西 西安 710054）

文章在研究機(jī)電一體化技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展背景的基礎(chǔ)上,進(jìn)而得出機(jī)電一體化的構(gòu)成和應(yīng)用領(lǐng)域，最后對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)予以展望。

機(jī)電一體化；應(yīng)用；發(fā)展趨勢(shì)；技術(shù)

1 機(jī)電一體化的發(fā)展進(jìn)程

當(dāng)前我國(guó)在機(jī)電一體化的任務(wù)一方面是廣泛深入地用機(jī)電一體化技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)；另一方面大張旗鼓地開(kāi)發(fā)機(jī)電一體化產(chǎn)品，促進(jìn)機(jī)電產(chǎn)品的更新?lián)Q代。經(jīng)過(guò)多年來(lái)的努力，我國(guó)機(jī)電一體化技術(shù)已經(jīng)取得了巨大的發(fā)展，正在加快趕超國(guó)際先進(jìn)的步伐?；仡櫃C(jī)電一體化的發(fā)展歷程，可從以下3個(gè)階段進(jìn)行闡明。

20世紀(jì)60年代以前為初級(jí)階段。在這一時(shí)期，人們自覺(jué)不自覺(jué)地利用電子技術(shù)的初步成果來(lái)完善機(jī)械產(chǎn)品的性能。特別是在二次世界大戰(zhàn)期間，戰(zhàn)爭(zhēng)刺激了機(jī)械產(chǎn)品與電子技術(shù)的結(jié)合,出現(xiàn)了許多性能相當(dāng)優(yōu)良的軍事用途的機(jī)電產(chǎn)品。這些機(jī)電結(jié)合的軍事用途的技術(shù),在戰(zhàn)后轉(zhuǎn)為民用,對(duì)戰(zhàn)后經(jīng)濟(jì)的恢復(fù)和技術(shù)的進(jìn)步起到了積極的作用。

20世紀(jì)70～80年代為蓬勃發(fā)展階段。這一時(shí)期，計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，為機(jī)電一體化的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路和微型計(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)展，為機(jī)電一體化的發(fā)展提供了充分的物質(zhì)基礎(chǔ)。

到了20世紀(jì)80、90年代，大規(guī)模集成電路和微型電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，使機(jī)電結(jié)合形式更加靈活、內(nèi)容更加豐富、應(yīng)用更加廣泛，因而在以機(jī)械工業(yè)為主的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中引發(fā)了一場(chǎng)大規(guī)模的機(jī)電一體化技術(shù)革命。

2 機(jī)電一體化技術(shù)的構(gòu)成與應(yīng)用

（1）機(jī)電一體化技術(shù)的構(gòu)成。①機(jī)械本體部分——就像人體的身軀骨架，它是系統(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。②傳感器部分——就像人的眼、鼻、耳、口等感覺(jué)器官，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。③控制及信息處理部分——猶如人的大腦指揮和控制全身運(yùn)動(dòng)并能記憶、思考和判斷問(wèn)題一樣，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，按照一定的程序和節(jié)奏發(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)的主要應(yīng)用領(lǐng)域。①計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)。CIMS的實(shí)現(xiàn)是全局動(dòng)態(tài)最優(yōu)綜合，它打破原有部門(mén)之間的界線(xiàn)，以制造為基干來(lái)控制“物流”和“信息流”，實(shí)現(xiàn)從經(jīng)營(yíng)決策、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)準(zhǔn)備、生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)到生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理的有機(jī)結(jié)合。企業(yè)集成度的提高可以使各種生產(chǎn)要素之間的配置得到更好地優(yōu)化，各種生產(chǎn)要素的潛力可以得到更大的發(fā)揮。②數(shù)控機(jī)床。③數(shù)控機(jī)床及相應(yīng)的數(shù)控技術(shù)經(jīng)過(guò)40年的發(fā)展，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)在：采用多CPU、多主總線(xiàn)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)；WOP技術(shù)和智能化；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。④柔性制造系統(tǒng)(FMS)。柔性制造系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)化的制造系統(tǒng)，主要由計(jì)算機(jī)、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、料盤(pán)、自動(dòng)搬運(yùn)小車(chē)和自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)等組成。它可以隨機(jī)地、實(shí)時(shí)地、按量地按照裝配部門(mén)的要求，生產(chǎn)其能力范圍內(nèi)的任何工件。⑤工業(yè)機(jī)器人。第1代機(jī)器人亦稱(chēng)示教再現(xiàn)機(jī)器人，它們只能根據(jù)示教進(jìn)行重復(fù)運(yùn)動(dòng)，對(duì)工作環(huán)境和作業(yè)對(duì)象的變化缺乏適應(yīng)性和靈活性；第2代機(jī)器人帶有各種先進(jìn)的傳感元件，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理、分析，做出一定的判斷，對(duì)動(dòng)作進(jìn)行反饋控制，表現(xiàn)出低級(jí)智能，以開(kāi)始走向?qū)嵱没?；?代機(jī)器人即智能機(jī)器人，具有多種感知功能，可進(jìn)行復(fù)雜的邏輯思維、判斷和決策，在作業(yè)環(huán)境中獨(dú)立行動(dòng)，與第5代計(jì)算機(jī)關(guān)系密切。

3 機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢(shì)

（1）智能化。這里所說(shuō)的“智能化”是在控制理論的基礎(chǔ)上，吸收人工智能、運(yùn)籌學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)和混沌動(dòng)力學(xué)等新思想、新方法，模擬人類(lèi)智能，使它具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力，以求得到更高的控制目標(biāo)。隨著全數(shù)字式現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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，且操作便利性、安全性、燃油經(jīng)濟(jì)性都得到了大幅提高。

（2）網(wǎng)絡(luò)化。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的興起和飛速發(fā)展給機(jī)電一體化技術(shù)帶來(lái)了重大影響。各種網(wǎng)絡(luò)將全球經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)連成一片，機(jī)電一體化新產(chǎn)品一旦研制出來(lái)，只要其功能獨(dú)到、質(zhì)量可靠，很快就會(huì)暢銷(xiāo)全球。由于網(wǎng)絡(luò)的普及，基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視技術(shù)方興未艾，而遠(yuǎn)程控制的終端設(shè)備本身就是機(jī)電一體化產(chǎn)品?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)和局域網(wǎng)技術(shù)使家用電器網(wǎng)絡(luò)化已成大勢(shì)，利用家庭網(wǎng)絡(luò)將各種家用電器連接成以計(jì)算機(jī)為中心的計(jì)算機(jī)集成家電系統(tǒng)，使人們?cè)诩依锓窒砀鞣N高技術(shù)帶來(lái)的便利與快樂(lè)。

（3）綠色化。工業(yè)的發(fā)展使得資源減少，生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重污染，綠色化成了時(shí)代的趨勢(shì)，產(chǎn)品的綠色化更成了適應(yīng)未來(lái)發(fā)展的一大特色。綠色機(jī)電一體化產(chǎn)品在其設(shè)計(jì)、制造、使用和銷(xiāo)毀的生命過(guò)程中，符合特定的環(huán)境保護(hù)和人類(lèi)健康的要求，對(duì)生態(tài)環(huán)境無(wú)害或危害極少，資源利用率極高，使用時(shí)也不污染生態(tài)環(huán)境，報(bào)廢后又能回收利用。

（4）微型化。微型化指的是機(jī)電一體化向微型機(jī)器和微觀領(lǐng)域發(fā)展的趨勢(shì)。國(guó)外稱(chēng)其為微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS），泛指幾何尺寸不超過(guò)1cm3的機(jī)電一體化產(chǎn)品，并向微米、納米級(jí)發(fā)展。微機(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、信息等方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。因此在生物醫(yī)學(xué)、航空航天、信息技術(shù)、工農(nóng)業(yè)乃至國(guó)防等領(lǐng)域，都有廣闊的應(yīng)用前景。

（5）模塊化。機(jī)電一體化產(chǎn)品和技術(shù)可分為機(jī)械、電子和軟件三大部分。模塊化技術(shù)是這三者的共同技術(shù)。模塊化技術(shù)可以減少產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)成本，提高不同產(chǎn)品間的零部件通用化程度，提高產(chǎn)品的可裝配性、可維修性和可擴(kuò)展性等。融合機(jī)械、電子和軟件三大部分的機(jī)電一體化模塊代表了未來(lái)產(chǎn)品的發(fā)展方向，具有高度自主性、良好協(xié)調(diào)性和自組織性的特點(diǎn)。

綜上所述，機(jī)電一體化已經(jīng)顯示出了強(qiáng)大的生命力，并正以空前的速度和力度沖擊著傳統(tǒng)的技術(shù)思想、生產(chǎn)方式和方法以及傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。與機(jī)電一體化相關(guān)的技術(shù)還有很多，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種技術(shù)相互融合的趨勢(shì)將越來(lái)越明顯，機(jī)電一體化技術(shù)的廣闊發(fā)展前景也將越來(lái)越光明。

[1]李建勇.機(jī)電一體化技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2004.

[2]曹新生.析機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[J].職大學(xué)報(bào)，2009，（6）.

A Introduction of the Application and Development Tendency of ElectromechanicalIntegration

GAO Yan-hong
(Shaanxi polytechnic school,Xi'an,Shaanxi 710054,China)

Based on the current status and development background ofelectromechanical integration technology,this paper concluded the constitution and application fields of electromechanical integration,finally,it made a prospect on electromechanical integration technique.

electromechanical integration;application;development trend;technology

TH-39

A

2095-980X（2015）04-0058-02

2015-02-15

高艷紅（1985-），女，山西原平人，大學(xué)本科，主要研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。