随着科学技术的飞速发展,机电一体化技术已经成为当今工业科技的重要组成部分。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,合理配置与面局各功能单元,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。
1 机电一体化概要
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。
因此,机电一体化涵盖技术和产品两个方面。只是,机电一体化技术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。机械工程技术有纯技术发展到机械电气化,仍属传统机械,其主要功能依然是代替和放大的体力。但是发展到机电一体化后,其中的微电子装置除可取代某些机械部件的原有功能外,还能赋予许多新的功能,如自动检测、自动处理信息、自动显示记录、自动调节与控制自动诊断与保护等。即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眼神,具有智能化的特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质区别。
2 机电一体化的发展现状
机电一体化的发展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 至 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。
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。经过十多年的发展取得了重大进展,但从总体上看,离国民经济对先进技术的要求还有相当距离。与发达的工业国家相比,主要存在以下几个问题:一是产品质量不稳定,产品水平低;二是科技基础薄弱,自主开发能力差,发展后劲不足,某些技术领域与国际差距有拉大的趋势;三是技术进步体现不够,高水平产品比重小,技术进步对经济增长的贡献较低。
3 机电一体化的应用
各类科技学科发展及相互渗透,促使了机电一体化技术和产品在各行业、部门的飞速发展。在机械制造业中的数控机床、工业机器人的应用、轻纺工业、办公机械, 以及通信方面的一体化产品更是层出不穷。自动化主体仓库是机电一体化技术用于仓库管理的典型产品。在仪器仪表、医疗器械、工业流程管理与控制等方面机电一体化应用和发展都十分迅速。下面以 Li/MnO2扣式电池生产线为例说明机电一体化在制造业方面的应用。Li/MnO2扣式电池生产线根据工艺路线一般包含上负极片、加隔膜纸、注电解液、上正极片、渗透、上正极壳以及封口等几道工序。Li/MnO2扣式电池自动组装生产线控制系统,在系统中采用 PLC 进行控制,触摸系统中使用了大量的传感器,用于检测生产线的工作状态,该系统具有控制系统故障诊断、机械装置故障报警、气动故障自动监测、次品检测与自动剔除、冲床人身安全自动监测等功能。在 PLC 控制系统中,主要的检测元件有对射光电开关、漫反射光电开关、接近开关、磁性开关、压力传感器、行程开关等;执行部件主要有电机、气缸、振动料斗、海霸泵、冲床、声光报警器以及状态显示灯等。软件设计部分应用 OMRON 编程软件 CX-Programmer进行编程。并在此基础上研发了 Li/MnO2扣式电池负极自动环圈机、负极自动焊网机等一系列产品,对促进 Li/MnO2扣式电池生产线的发展做出了很大的贡献。
4 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:
4.1 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。
4.2 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。
4.3 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、教机电一体化技术的发展及应用梁俊彦 李玉翔 林树忠(天津工业大学机械电子学院 天津 300160)摘要:机电一体化是现代科学技术发展的必然结果。简述了机电一体化技术的基本概要和发展背景,综述了国内外机电一体化技术的现状, 列举了机电一体化在 Li/MnO2扣式电池自动生产线上的一些成功应用的例子,并指出其最新发展趋势。关键词:机电一体化;现状 Li/MnO2扣式电池 发展趋势中图分类号:TH39 文献标识码: A 文章编号:1672-3791(2007)09(a)-0053-02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。
4.4 微型化
微型化兴起于 20 世纪 80 年代末,指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。国外称其为微电子机械系统(MEMS),泛指几何尺寸不超过 1cm3的机电一体化产品,并向微米、纳米级发展。微机电一体化产品体积小 、耗能少、运动灵活,在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。微机电一体化发展的瓶颈在于微机械技术,微机电一体化产品的加工采用精细加工技术,即超精密技术,它包括光刻技术和蚀刻技术两类。
4.5 绿色化
工业的发达给人们生活带来了巨大变化。一方面,物质丰富,生活舒适;另一方面,资源减少,生态环境受到严重污染。于是,人们呼吁保护环境资源, 回归自然。绿色产品概念在这种呼声下应运而生,绿色化是时代的趋势。绿色产品在其设计、制造、使用和销毁的生命过程中,符合特定的环境保护和人类健康的要求,对生态环境无害或危害极少,资源利用率极高。设计绿色的机电一体化产品, 具有远大的发展前途。机电一体化产品的绿色化主要是指,使用时不污染生态环境,报废后能回收利用。
5 结语
综上所述,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。特别指出机电一体化技术促使机械工业发生了战略性变革,传统的机械设计方法和设计概念正在发生着革命性的变化,新的方法有待去创造、去发现。21世纪,机电一体化技术将扮演机械工业的主角。机电一体化技术是渗透到所有机械产品之中的普遍技术,几乎没有行业的限制。以机械技术、微电子技术的有机结合为主体的机电一体化技术是机械工业发展的必然趋势。
