机电一体化技术的应用及发展趋势

摘要:机电一体化是现代科技发展的必然结果, 具有广阔的发展前景。本文简述了机电一体化技术的基本概念、应用领域和发展方向。

关键词:机电一体化 应用领域 发展方向

1、机电一体化概述

机电一体化技术是将机械技术、电工电子技术、微电子技术、信息传感器技术、接口技术、信号变换技术等多种技术进行有机地结合,并综合应用到实际中去的综合技术。它是基于上述群体技术有机融合的一种综合技术,而不是机械技术、微电子技术以及其它新技术的简单组合、拼凑。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。“机电一体化”涵盖“技术”和“产品”两个方面。机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸,还是人的感官与头脑的延伸,具有智能化的特征。现代化的自动生产设备几乎可以说都是机电一体化设备。

2、机电一体化技术的应用领域

2.1 数控机床

我国机床拥有量高居全球之首,2010年产值达1260亿元人民币,超过意大利排名世界第三。数控机床代表了一个国家机床生产的水平。目前,我国生产的数控机床约占国内市场份额的31%,其余从境外进口。时下我国中高端数控机床市场的绝大部分被境外产品占领,其中高端数控机床国内产品的市场占有率仅4%左右。经过多年发展,我国机床生产虽然取得了很大成绩,但就技术水平和整体实力而言,在世界上仅处于第二梯队的中前位置,美欧日排在第一梯队。数控机床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。

2.2 自动机与自动生产线

在国民经济生产和生活中广泛使用的各种自动机械、自动生产线及各种自动化设备,是当前机电一体化技术应用的又一具体体现。如:2000～80000瓶/h的啤酒自动生产线;18000～120000瓶/h的易拉罐灌装生产线;各种高速香烟生产线;各种印刷包装生产线;邮政信函自动分捡处理生产线;易拉罐自动生产线;FEBOPP型三层共挤双向拉伸聚丙烯薄膜生产线等等,这些自动机或生产线中广泛应用了现代电子技术与传感技术。如可编程序控制器,变频调速器,人机界面控制装置与光电控制系统等。

2.3 机器人

机器人是20世纪人类最伟大的发明之一。从某种意义上讲,一个国家机器人技术水平的高低反映了这个国家综合技术实力的高低。机器人已在工业领域得到了广泛的应用,而且正以惊人的速度不断向军事、医疗、服务、娱乐等非工业领域扩展。毋庸质疑,21世纪机器人技术必将得到更大的发展,成为各国必争的知识经济至高点。

在计算机技术和人工智能科学发展的基础上,产生了具有感知、思维和行动功能的智能机器人,是机构学、自动控制、计算机、人工智能、微电子学、光学、通讯技术、传感技术、仿生学等多种学科和技术的综合成果。智能机器人可获取、处理和识别多种信息,自主地完成较为复杂的操作任务,比一般的工业机器人具有更大的灵活性、机动性和更广泛的应用领域。智能机器人作为新一代生产和服务工具,在制造领域和非制造领域具有更广泛、更重要的位置,如核工业、水下、空间、农业、工程机械（地上和地下）、建筑、医用、救灾、排险、军事、服务、娱乐等方面,可代替人完成各种工作。同时,智能机器人作为自动化、信息化的装置与设备,完全可以进入网络世界,发挥更多、更大的作用,这对人类开辟新的产业,提高生产水平与生活水平具有十分现实的意义。

2.4 汽车电子化产品

汽车上比较常用的一般有5种仪表和3种相应的传感器,即电流表、机油压力表、水温表、燃油表、车速里程表等指示仪表和机油压力传感器、水温传感器和油量传感器。

目前,电子化仪表已经取代机械式仪表。这是由于机械式仪表一旦出现故障将很难处理,而电子化仪表则不同。采用电子化仪表不仅可以改进驾驶员的目视性,还有助于汽车仪表的多样化。

3、机电一体化技术的发展方向

3.1 光机电一体化

一般的机电一体化系统是由传感系统、能源系统、信息处理系统、机械结构等部件组成的。因此,引进光学技术,实现光学技术的先天优点能有效地改进机电一体化系统的传感系统、能源（动力）系统和信息处理系统。光机电一体化是机电产品发展的重要趋势。

3.2 自律分配系统化（柔性化）

未来的机电一体化产品,控制和执行系统有足够的“冗余度”,有较强的“柔性”,能较好地应付突发事件,被设计成“自律分配系统”。在自律分配系统中,各个子系统是相互独立工作的,子系统为总系统服务,同时具有本身的“自律性”,可根据不同的环境条件作出不同反应。其特点是,子系统可产生本身的信息并附加所给信息,在总的前提下,具体“行动”是可以改变的。这样,既明显地增加了系统的适应能力,即柔性,又不会因某一子系统的故障而影响整个系统。

3.3 全息系统化（智能化）

今后的机电一体化产品“全息”特征将越来越明显,智能化水平也越来越高。这主要得益于模糊技术、信息技术尤其是软件及芯片技术的发展。除此之外,其系统的层次结构也由简单的“从上到下”的形势转而变为复杂的、有较多冗余度的双向联系。

3.4 “生物--软件”化

今后的机电一体化装置对信息的依赖性很大,并且往往在结构上是处于“静态”时不稳定,但在动态（工作）时却是稳定的。这有点类似于活的生物,即当控制系统（大脑）停止工作时,生物便“死亡”,而当控制系统（大脑）工作时,生物就很有活力。仿生学研究领域中已发现的一些生物体优良的机构可为机电一体化产品提供新型机体,但如何使这些新型机体具有活的“生命”还有待于深入研究。这一研究领域称为“生物—软件”或“生物—系统”,而生物的特点是硬件（肌体）与软件（大脑）一体,不可分割。由此看来,机电一体化产品虽然有向生物系统化发展的趋势,但要达到这一目的还需要有一段漫长的道路去走。

3.5 微型机电化

目前,利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术,在实验室中已制造出亚微米级的机械元件。当我们将这一成果用于实际产品时,就没有必要区分机械部分和控制器了。届时机械和电子完全可以“融合”,机体、执行机构、传感器、CPU等可集成在一起,体积很小,并组成一种自律元件。这种微型机械学是机电一体化的重要发展方向。

4、结语

机电一体化是许多科学技术发展的结晶,是社会生产力发展到一定阶段的必然要求。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,是机械工业发展的必然趋势。是21世纪机械工业的主角,在各方面均可带来显著的经济效益和社会效益,具有广阔的发展前景。

参考文献

[1]君兰工作室.机电一体化,科学出版社（北京）,2009.

[2]龙代清.机电一体化技术的内涵与发展.

[3]胡志阔.机电一体化技术的应用现状及发展趋势.

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