对机电一体化的认识

引言

现代科学技术的不断发展,极大地推动了不同学科的交叉与渗透,工程领域的技术改造与革命。在机械工程领域,由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化,使机械工业的技术结构、产品结构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化,使工业生产由“机械电气化”迈入以“机电一体化”为特征的发展阶段。

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。

机电一体化发展至今也已成为一门有着自身体系的新型学科，随着科学技术的不但发展，还将被赋予新的内容。但其基本特征可概括为：机电一体化是从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标和优化组织目标，合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值，并使整个系统最优化的系统工程技术。由此而产生的功能系统，则成为一个机电一体化系统或机电一体化产品。

机械工业是整个国民经济的装备工业，是基础的基础。没有“精良”的机械工业，其它工业的“精良”就无从谈起。因此，“精益求精”地把基础搞好，对国民经济有非常重要的意义。机电一体化技术的构成问题就有了一个共同的思想基础。机电一体化包括软件和硬件两方面技术。硬件是由机械本体、传感器、信息处理单元和驱动单元等部分组成。因此，为加速推进机电一体化的发展，必须从以下几方面着手：⑴机械本体技术⑵传感技术⑶信息处理技术⑷驱动技术⑸接口技术⑹软件技术。

机电一体化的发展大体可以分为3个阶段。20世纪60年代以前为第一阶段，

这一阶段称为初级阶段。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。

20世纪70~80年代为第二阶段，可称为蓬勃发展阶段。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迅猛发展，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：①mechatronics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；②机电一体化技术和产品得到了极大发展；③各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持。

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、通信技术等进入了机电一体化，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，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。这些研究，将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。

我国是从20世纪80年代初才开始在这方面研究和应用。国务院成立了机电一体化领导小组并将该技术列为“863计划”中。在制定“九五”规划和2010年发展纲要时充分考虑了国际上关于机电一体化技术的发展动向和由此可能带来的影响。许多大专院校、研究机构及一些大中型企业对这一技术的发展及应

用做了大量的工作，不取得了一定成果，但与日本等先进国家相比仍有相当差距。

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：

⑴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。

⑵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。

⑶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。

⑷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。

⑸融合原理

也可称之为“合二为一原理”。这里指的是产品的各个部分的相互融合。例如，机械传动部分的轴与电动机的轴的联接，传统方法是用联轴节。在机电

一体化设计中，就可以把电机设计成机械传动的一部分，在一些家电、航空航天和纺织机械等产品中，已经这样设计了，并且取得节材、节能和提高性能的显著效果。

⑹可再生原理

可再生原理要求：从开始设计之初，就应当考虑当产品生命结束时，产品残存部分的可分解性和再生利用问题。在一些国家已经制定了有关产品可回收的法律。可以预见，在不久的将来，我国也一定会制订要求产品可回收的法律。

⑺美学原理

人们的生活本身就追求美好。用机电一体化技术设计的产品，除了完美的性能之外，还要求设计者从美学的角度出发，使其无论在色彩方面，或是在造型方面都与环境相协调，柔和一体，小巧玲珑、精益求精。使用这些产品，对人来说还是一种艺术享受。

机电一体化技术在数控机床及相应的数控技术的得到了很大的应用。经过40年的发展，在结构、功能、操作和控制精度上都有迅速提高，具体表现在：

①总线式、模块化、紧凑型的结构，即采用多CPU、多主总线的体系结构。

②开放性设计，即硬件体系结构和功能模块具有层次性、兼容性、符合接口标准，能最大限度地提高用户的使用效益。

③ WOP技术和智能化。系统能提供面向车间的编程技术和实现二、三维加工过程的动态仿真，并引入在线诊断、模糊控制等智能机制。

④大容量存储器的应用和软件的模块化设计，不仅丰富了数控功能，同时也加强了CNC系统的控制功能。

⑤能实现多过程、多通道控制，即具有一台机床同时完成多个独立加工任务或控制多台和多种机床的能力，并将刀具破损检测、物料搬运、机械手等控制都集成到系统中去。

⑥系统的多级网络功能，加强了系统组合及构成复杂加工系统的能力。

⑦以单板、单片机作为控制机，加上专用芯片及模板组成结构紧凑的数控装置。

随着机电一体化的深入发展，它的发展越来越表现出智能化、数字化、模块化、网络化、自源化、人性化、微型化、绿色化的趋势。

我国用机电一体化技术加速产品更新换代，提高市场占有率的呼声高，有压力。

我国用机电一体化产品取代技术含量和附加值低，耗能、耗水、耗材高，污染、扰民产品的责任重，有意义。在我国工业系统中，能耗、耗水大户，对环境污染严重的企业还占相当大的比重。近年来我国的工业结构、产品结构虽然几经调整，但由于多种原因，成效一直不够明显。这里面固然有上级领导部门的问题，有企业的“故土难离”“死守故业”的问题，但不可否认也有优化不出理想的产业，优选不出中意的产品问题。答案早就摆在了这些企业的面前，这就是发展机电一体化，开发和生产有关的机电一体化产品。机电一体化产品功能强、性能好、质量高、成本低，且具有柔性，可根据市场需要和用户反映时产品结构和生产过程做必要的调整、改革，而无须改换设备。这是解决机电产品多品种、少批量生产的重要出路。同时，可为传统的机械工业注入新鲜血液，带来新的活力，把机械生产从繁重的体力劳动中解脱出来，实现文明生产。

另外，从市场需求的角度看，由于我国研制、开发机电一体化产品的历史不长，差距较大，许多产品的品种、数量、档次、质量都不能满足需求，每年进口量都比较大，因此亟需发展。

我国在机电一体化方面的任务可以概括为两句话：一句话是广泛深入地用机电一体化技术改造传统产业；另一句话是大张旗鼓地开发机电一体化产品，促进机电产品的更新换代。总的目的是促进机电一体产业的形成、为我国产业结构和产品结构调整作贡献。

总之，机电一体化技术既是振兴传统机电工业的新鲜血液和源动力，又是开启我国机电行业产品结构、产业结构调整大门的钥匙。