機電一體化技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展前景
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摘要:機電一體化是一種復(fù)合技術(shù),是機械技術(shù)與微電子技術(shù)、信息技術(shù)互相滲透的產(chǎn)物,是機電工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。文章簡述了機電一體化技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)組成和主要應(yīng)用領(lǐng)域,并指出其發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞:機械工業(yè);機電一體化;數(shù)控;模塊化
現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展極大地推動了不同學(xué)科的交叉與滲透,引起了工程領(lǐng)域的技術(shù)改造與革命。
在機械工程領(lǐng)域,由于微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展及其向機械工業(yè)的滲透所形成的機電一體化,使機械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化,使工業(yè)生產(chǎn)由“機械電氣化”邁入了“機電
一體化”為特征的發(fā)展階段。
一、機電一體化的核心技術(shù)
機電一體化包括軟件和硬件兩方面技術(shù)。硬件是由機械本體、傳感器、信息處
理單元和驅(qū)動單元等部分組成。因此,為加速推進機電一體化的發(fā)展,必須從以下
幾方面著手。
(一)機械本體技術(shù)
機械本體必須從改善性能、減輕質(zhì)量和提高精度等幾方面考慮�，F(xiàn)代機械產(chǎn)品一般都是以鋼鐵材料為主,為了減輕質(zhì)量除了在結(jié)構(gòu)上加以改進,還應(yīng)考慮利用非金屬復(fù)合材料。只有機械本體減輕了重量,才有可能實現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)的小型化,進而在控制方面改善快速響應(yīng)特性,減少能量消耗,提高效率。
(二)傳感技術(shù)
傳感器的問題集中在提高可靠性、靈
敏度和精確度方面,提高可靠性與防干擾
有著直接的關(guān)系。為了避免電干擾,目前
有采用光纖電纜傳感器的趨勢。對外部信
息傳感器來說,目前主要發(fā)展非接觸型檢
測技術(shù)。
(三)信息處理技術(shù)
機電一體化與微電子學(xué)的顯著進步、
信息處理設(shè)備(特別是微型計算機)的普
及應(yīng)用緊密相連。為進一步發(fā)展機電一體
化,必須提高信息處理設(shè)備的可靠性,包
括模/數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備的可靠性和分時處理
的輸入輸出的可靠性,進而提高處理速
度,并解決抗干擾及標準化問題。
(四)驅(qū)動技術(shù)
電機作為驅(qū)動機構(gòu)已被廣泛采用,但
在快速響應(yīng)和效率等方面還存在一些問
題。目前,正在積極發(fā)展內(nèi)部裝有編碼器
的電機以及控制專用組件-傳感器-電
機三位一體的伺服驅(qū)動單元。
(五)接口技術(shù)
為了與計算機進行通信,必須使數(shù)據(jù)
傳遞的格式標準化、規(guī)格化。接口采用同
一標準規(guī)格不僅有利于信息傳遞和維修,
而且可以簡化設(shè)計。目前,技術(shù)人員正致
力于開發(fā)低成本、高速串行的接口,來解
決信號電纜非接觸化、光導(dǎo)纖維以及光藕
器的大容量化、小型化、標準化等問題。
(六)軟件技術(shù)
軟件與硬件必須協(xié)調(diào)一致地發(fā)展。為
了減少軟件的研制成本,提高生產(chǎn)維修的
效率,要逐步推行軟件標準化,包括程序
標準化、程序模塊化、軟件程序的固化、推
行軟件工程等。
二、機電一體化技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域
(一)數(shù)控機床
數(shù)控機床及相應(yīng)的數(shù)控技術(shù)經(jīng)過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:
1、總線式、模塊化、緊湊型的結(jié)構(gòu),即
采用多C PU、多主總線的體系結(jié)構(gòu)。
2、開放性設(shè)計,即硬件體系結(jié)構(gòu)和功
能模塊具有層次性、兼容性、符合接口標
準,能最大限度地提高用戶的使用效益。
3、W O P技術(shù)和智能化。系統(tǒng)能提供
面向車間的編程技術(shù)和實現(xiàn)二、三維加工
過程的動態(tài)仿真,并引入在線診斷、模糊
控制等智能機制。
4、大容量存儲器的應(yīng)用和軟件的模
塊化設(shè)計,不僅豐富了數(shù)控功能,同時也
加強了C N C系統(tǒng)的控制功能。
5、能實現(xiàn)多過程、多通道控制,即具
有一臺機床同時完成多個獨立加工任務(wù)
或控制多臺和多種機床的能力,并將刀具
破損檢測、物料搬運、機械手等控制都集
成到系統(tǒng)中去。
6、系統(tǒng)的多級網(wǎng)絡(luò)功能,加強了系統(tǒng)
組合及構(gòu)成復(fù)雜加工系統(tǒng)的能力。
7、以單板、單片機作為控制機,加上專
用芯片及模板組成結(jié)構(gòu)緊湊的數(shù)控裝置。
(二)計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)
C IM S的實現(xiàn)不是現(xiàn)有各分散系統(tǒng)
的簡單組合,而是全局動態(tài)最優(yōu)綜合。它
打破原有部門之間的界線,以制造為基干
來控制“物流”和“信息流”,實現(xiàn)從經(jīng)營
決策、產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)準備、生產(chǎn)實驗到生
產(chǎn)經(jīng)營管理的有機結(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
更好的優(yōu)化,各種生產(chǎn)要素的潛力可以得
到更大的發(fā)揮。
(三)柔性制造系統(tǒng)(FMS)
柔性制造系統(tǒng)是計算機化的制造系
統(tǒng),主要由計算機、數(shù)控機床、機器人、料
盤、自動搬運小車和自動化倉庫等組成。
它可以隨機地、實時地、按量地按照裝配
部門的要求,生產(chǎn)其能力范圍內(nèi)的任何工
件,特別適于多品種、中小批量、設(shè)計更改
頻繁的離散零件的批量生產(chǎn)。
(四)工業(yè)機器人
第1代機器人亦稱示教再現(xiàn)機器人,
它們只能根據(jù)示教進行重復(fù)運動,對工作
環(huán)境和作業(yè)對象的變化缺乏適應(yīng)性和靈活
性;第2代機器人帶有各種先進的傳感元
件,能獲取作業(yè)環(huán)境和操作對象的簡單信
息,通過計算機處理、分析,做出一定的判
斷,對動作進行反饋控制,表現(xiàn)出低級智
能,已開始走向?qū)嵱没?第3代機器人即智
能機器人,具有多種感知功能,可進行復(fù)雜
的邏輯思維、判斷和決策,在作業(yè)環(huán)境中獨
立行動,與第5代計算機關(guān)系密切。
三、機電一體化技術(shù)的發(fā)展前景
縱觀國內(nèi)外機電一體化的發(fā)展現(xiàn)狀
和高新技術(shù)的發(fā)展動向,機電一體化將朝
著以下幾個方向發(fā)展。
(一)智能化
智能化是機電一體化與傳統(tǒng)機械自
動化的主要區(qū)別之一,也是21世紀機電
一體化的發(fā)展方向。近幾年,處理器速度
的提高和微機的高性能化、傳感器系統(tǒng)的
集成化與智能化為嵌入智能控制算法創(chuàng)
造了條件,有力地推動著機電一體化產(chǎn)品
向智能化方向發(fā)展。智能機電一體化產(chǎn)品
可以模擬人類智能,具有某種程度的判斷推理、邏輯思維和自主決策能力,從而取
代制造工程中人的部分腦力勞動。
(二)系統(tǒng)化
系統(tǒng)化的表現(xiàn)特征之一就是系統(tǒng)體
系結(jié)構(gòu)進一步采用開放式和模式化的總
線結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)可以靈活組態(tài),進行任意的
剪裁和組合,同時尋求實現(xiàn)多子系統(tǒng)協(xié)調(diào)
控制和綜合管理。表現(xiàn)特征之二是通信功
能大大加強,一般除R S232等常用通信
方式外,實現(xiàn)遠程及多系統(tǒng)通信聯(lián)網(wǎng)需要
的局部網(wǎng)絡(luò)正逐漸被采用。未來的機電一
體化更加注重產(chǎn)品與人的關(guān)系,如何賦予
機電一體化產(chǎn)品以人的智能、情感、人性
顯得越來越重要。機電一體化產(chǎn)品還可根
據(jù)一些生物體優(yōu)良的構(gòu)造研究某種新型
機體,使其向著生物系統(tǒng)化方向發(fā)展。
(三)微型化
微型機電一體化系統(tǒng)高度融合了微
機械技術(shù)、微電子技術(shù)和軟件技術(shù),是機
電一體化的一個新的發(fā)展方向。國外稱微
電子機械系統(tǒng)的幾何尺寸一般不超過
1cm 3,并正向微米、納米級方向發(fā)展。由于
微機電一體化系統(tǒng)具有體積小、耗能小、
運動靈活等特點,可進入一般機械無法進
入的空間并易于進行精細操作,故在生物
醫(yī)學(xué)、航空航天、信息技術(shù)、工農(nóng)業(yè)乃至國
防等領(lǐng)域,都有廣闊的應(yīng)用前景。目前,利
用半導(dǎo)體器件制造過程中的蝕刻技術(shù),在
實驗室中已制造出亞微米級的機械元件。
(四)模塊化
模塊化也是機電一體化產(chǎn)品的一個
發(fā)展趨勢,是一項重要而艱巨的工程。由
于機電一體化產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠家繁多,
研制和開發(fā)具有標準機械接口、電氣接
口、動力接口、信息接口的機電一體化產(chǎn)
品單元是一項復(fù)雜而重要的事,它需要制
訂一系列標準,以便各部件、單元的匹配
和接口。機電一體化產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)可利用
標準單元迅速開發(fā)新產(chǎn)品,同時也可以不
斷擴大生產(chǎn)規(guī)模。
(五)網(wǎng)絡(luò)化
網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展對機電一體化
有重大影響,使其朝著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。
機電一體化產(chǎn)品的種類很多,面向網(wǎng)絡(luò)的
方式也不同。由于網(wǎng)絡(luò)的普及,基于網(wǎng)絡(luò)
的各種遠程控制和監(jiān)視技術(shù)方興未艾,而
遠程控制的終端設(shè)備本身就是機電一體
化產(chǎn)品。
(六)綠色化
工業(yè)的發(fā)達使人們物質(zhì)豐富、生活舒
適的同時也使資源減少,生態(tài)環(huán)境受到嚴
重污染,于是綠色產(chǎn)品應(yīng)運而生。綠色化
是時代的趨勢,其目標是使產(chǎn)品從設(shè)計、
制造、包裝、運輸、使用到報廢處理的整個生命周期中,對生態(tài)環(huán)境無危害或危害極
小,資源利用率極高。機電一體化產(chǎn)品的
綠色化主要是指使用時不污染生態(tài)環(huán)境,
報廢時能回收利用。綠色制造業(yè)是現(xiàn)代制
造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展模式。
綜上所述,機電一體化是眾多科學(xué)技
術(shù)發(fā)展的結(jié)晶,是社會生產(chǎn)力發(fā)展到一定
階段的必然要求。它促使機械工業(yè)發(fā)生戰(zhàn)
略性的變革,使傳統(tǒng)的機械設(shè)計方法和設(shè)
計概念發(fā)生著革命性的變化。大力發(fā)展新
一代機電一體化產(chǎn)品,不僅是改造傳統(tǒng)機
械設(shè)備的要求,而且是推動機械產(chǎn)品更新
換代和開辟新領(lǐng)域、發(fā)展與振興機械工業(yè)
的必由之路。
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