当前机电一体化技术的发展现状与前景畅想

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【摘要】本文主要从机电一体化的内容、机电一体化技术设计原理、机电一体化技术的应用、机电一体化的发展趋势等方面进行了全面的阐述。

【关键词】机电一体化；发展现状；发展趋势

中图分类号：F407文献标识码： A

一、前言

随着我国科技的不断进步与发展，机电一体化技术越来越受到企业及科研人员的重视，本文就该部分内容进行了探讨。

二、机电一体化的内容

1.机电一体化技术是从系统工程观点出发,应用机械、电子等有关技术,使机械、电子有机结合,实现系统或产品整体最优的综合性技术。机电一体化技术,主要包括技术原理和使用机电一体化产品(或系统)得以实现、使用和发展的技术。机电一体化技术是一个技术群(族)的总称。

2.机电一体化系统(产品)由若干具有特定功能的机械和电子要素组成的有机整体,具有满足人的使用要求的最佳功能,机电一体化系统(产品)。主要是指机械系统(或部件)与微电子系统(或部件)相互置换和有机结合,从而赋予新的功能和性能的新一代产品,有良好的人机协作关系。一个机电一体化的系统主要是由机械装置、执行装置、动力源、传感器、计算机这5个要素构成。

3.机电一体化工程(机械电子工程)是机械工程与电子工程的综合集成,即给定机电一体化系统(或产品)“目的功能”与“规格”后,机电一体化技术人员利用机电一体化技术进行设计、制造的整个过程体系。机电一体化工程是系统工程在机电一体化系统(产品)中的具体应用。

4.机电一体化思想体现了“系统设计原理”和“综合集成技巧”。系统工程、控制论和信息论是机电一体化技术的方法论。从某种意义上讲、机电一体化思想相当于“一体化”思想。它带来了诸如光电机一体化、机电液一体化、科工贸一体化、人机一体化等技术及其产品。

20世纪80年代中期以来,计算机特别是微型计算机已日益广泛应用于机械产品和生产过程的控制,使机、电有机地结合,发展成机电一体化技术。机电一体化技术的应用,给机械行业带来了显著的效益,提高了生产率,提高了产品的性能和质量,降低了原材料消耗,节约了能源,减轻了操作工人的劳动强度,增强了企业在市场中的竞争力。“机电一体化”是微电子技术、计算机技术、信息技术与机械技术相结合的综合性高新技术,是机械技术与微电子技术的有机结合。

三、机电一体化技术设计原理

从方法学的观点出发,机电一体化技术应遵循以下设计原理：

1.整体最优化原理

机电一体化技术要求从系统的观点出发,综合机械技术和信息技术,实现整体最优化。其实,“最优化原理”是人类进行科学技术活动的基本思想动力。“精益求精”是这一思想的生动描述。人们为达到一定的目标,采用直接或间接的方法求得达到该目标的最佳途径。这里强调“整体最优化”,正是运筹学思想在机电一体化技术中的体现。

2.智能化原理

这是机电一体化技术与传统机械自动化技术的主要区别之一,也是21世纪机电一体化技术发展的主要方向。关于“智能”的定义。目前尚无确切和统一的说法。但是,它首先是对人类行为的描述。“智能”主要概括出人类有以下能力:感知能力;记忆能力;思维能力―包括形成概念的能力、判断能力、推理能力。

我们这里所说的“智能化”。是对机器行为的描述,是“仿人智能”,或者称之为“人工智能”(artificialintelligence)。具体地说,智能化就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,以求得到更高的控制目标。

3.仿生原理

如果说智能化是“仿人智能”,那么“仿生”便是对所有生物行为的模仿。生物世界是亿万年生物进化的结果,是“适者生存”这条自然规律“精雕细刻”的结果,是人类的学习宝库。现代信息技术和机械技术使这一“模仿”比较容易,成为可能。

4.柔性化原理

也可称之为“软化原理”。由于使用了微电子技术,可以而且应当尽量用软件功能代替硬件功能。因为“软化”可以使机械系统近乎完全“贴近”实际工况的需要,极大地提高产品的性能。例如,加工中心机床、电梯的“加减速无感控制”、汽车发动机的电喷技术、汽车的防抱死装置… ,都广泛地采用了软件控制原理。

四、机电一体化技术的应用

在人们的日常生活当中,自动机械、信息处理设备、办公室设备、车辆电子设备、医疗器械、光学装置、智能家电、楼宇安全系统等机电一体化系统都离不开执行元件为其提供动力。而执行元件和电子控制装置之间是无法直接连接的,因此需要一个驱动部件。该驱动部件在电子控制装置的控制下,接收指令,进行能量转换,从而得到目标输出。对于精密传动来说,需要在执行元件输出终端进行传动测量,如测量其位置、速度、加速度,同时将所测得的数据反馈给电子控制装置,让其进行比较,进行误差修正控制,最终实现精密传动。

当有多个执行元件,其输出动作规律各不相同时,一方面要根据各执行元件工作情况来考虑其控制的形式,另一方面需要确定它们之间是否存在输出的联系。如果它们之间没有联系,可以让它们单独来工作,也可以通过构建PC机上位控制来统一管理。若工作联动内容经常变化,就应该构建一个可以直接识别联动输出的软件,将联动输出写入软件当中,让其直接转化为控制程序,这样就能灵活地应对动作输出的需求。

五、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。进入 21 世纪,在机电一体化技术的发展方向中,最主要的是:智能化、数字化、网络化、微型化、绿色化,下文对此略加探讨:

1.智能化

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。人工智能在机电一体化建设者的研究日益得到重视,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。诚然,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,则是完全可能而又必要的。

2.数字化

微控制器及其发展奠定了机电产品数字化的基础,如不断发展的数控机床和机器人;而计算机网络的迅速崛起,为数字化设计与制造铺平了道路. 如虚拟设计、计算机集成制造等。数字化要求机电一体化产品的软件具有高可靠性、易操作性、可维护性、自诊断能力以及友好人机界面。数字化的实现将便于远程操作、诊断和修复。

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。网络技术的兴起和飞速发展给科学技术、工业生产、政治、军事、教育义举人么日常生活都带来了巨大的变革。各种网络将全球经济、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是家用电器网络化已成大势,利用家庭网络(home net)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(computer integrated appliancesystem, CIAS),使人们在家里分享各种高技术带来的便利与快乐。因此, 机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。

六、结束语

只有加强对机电一体化技术发展的研究，才能使机电一体化技术的应用越来越广泛，是非常具有现实意义的研究。

参考文献：

[1] 彭海辉.机电一体化技术的发展及应用[J].工程技术.2013（3）:166-168.

[2] 王朝.机电一体化技术的发展及应用[J].新西部下半.2012（3）:16-18.

[3] 高洁.机电一体化技术的发展及应用[J].价值工程.2013（6）:66-69.