机电一体化技术的发展趋势

刘喜

(神华北电胜利能源有限公司，内蒙古自治区 锡林郭勒盟 026015)

1 机电一体化概述

机电一体化是指在机构的主要执行功能、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［1］。机电一体化发展至今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。只不过，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、微电子技术以及其他新技术的简单组合、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。机械工程技术由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延伸，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 机电一体化的核心技术［2］

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。

2.1 机械本体技术

机械本体必须从改善性能、减轻质量和提高精度等几方面考虑。现代机械产品一般都是采用钢铁材料为主创造的，为了减轻质量，除了在结构上加以改进外，主要应考虑利用非金属复合材料。只有机械本体减轻了质量，才有可能实现驱动系统的小型化，在控制方面才能够改善快速响应特性，减少消耗能量，提高效率。

2.2 传感技术

传感器的问题集中在提高可靠性、灵敏度和精确度方面，提高可靠性与防干扰有着直接的关系。为了避免电干扰，目前有采用光纤电缆传感器的趋势。对外部信息传感器来说，目前主要发展非接触型检测技术。

2.3 信息处理技术

机电一体化是与微电子学的显著进步、信息处理设备(特别是微型计算机)的普及应用分不开的。为进一步发展机电一体化，必须提高信息处理设备的可靠性，包括模/数转换设备的可靠性和分时处理的输入输出的可靠性，进而提高处理速度，并解决抗干扰及标准化问题。

2.4 驱动技术

电机作为驱动机构已被广泛采用，但在快速响应和效率等方面还存在一些问题。目前，正在积极发展内部装有编码器的电机以及控制专用组件－传感器－电机三位一体的伺服驱动单元。

2.5 接口技术

为了与计算机进行通信，必须使数据传递的格式标准化、规格化。接口采用同一标准规格不仅给信息传递和维修带来方便，而且可以简化设计。目前，正致力于发展低成本、高速串行的接口，来解决信号电缆非接触化、光导纤维以及光藕器的大容量化、小型化、标准化等问题。

2.6 软件技术

软件与硬件必须协调一致地发展。为了减少软件的研制成本，提高生产维修的效率，要逐步推行软件标准化，包括程序标准化、程序模块化、软件程序的固化、推行软件工程等。

3 机电一体化技术的发展趋势［3］

3.1 光电一体化方向

一般机电一体化系统是由传感系统、能源(动力)系统、信息处理系统、机械结构等部件组成。引进光学技术，利用光学技术的先天特点，就能有效的改进机电一体化系统的传感系统、能源系和信息处理系统。

3.2 智能化方向

机电一体化产品“全息”特性越来越明显，智能化水平越来越高。这主要得益于模糊技术与信息技术(尤其是软件及芯片技术)的发展。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维、新方法，模拟人类智能，是它具有判断推理、逻辑思维、自主决策能力，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活人的部分智能则是完全可能而又必要的［4］。

3.3 柔性化方向

未来机电一体化产品，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”。在这系统中，各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”，可根据不同环境条件做出不同反应。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，具有“行动”是可以改变的。这样，既明显地增加了系统的能力、柔性，又不因某一子系统的故障而影响整个系统。

3.4 微型化方向

微型化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(Micro E-lectronic Mechanical System简称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、耗能低、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。

3.5 模块化方向

由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元模块式一项复杂而有前途的工作。如研制具有集减速、变频调速电机一体的动力驱动单元，具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的电机一体控制单元等。这样，在产品开发设计时，可以利用这些标准模块化单元迅速开发出新产品。

3.6 网络化方向

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成为可能，为了把各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家用电器系统，使人们在家里可充分享受各种高科技带来的好处。因此，机电一体化产品无疑应朝着网络化方向发展。

3.7 仿生物系统化方向

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: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。就目前情况看，机电一体化产品虽然有仿生物系统化方向发展的趋势，但还有一段很漫长的道路要走。

3.8 带源化方向

机电一体化产品自身带有能源，如太阳能电池、燃料电池和大容量电池。由于在许多场合无法使用电能，因而对于运动的机电一体化产品，自带动力源具有独特的好处。带源化是机电一体化产品的发展方向之一。

3.9 绿色化方向

科学技术的发展给人们的生活带来巨大变化，在物质丰富的同时也带来资源减少、生态环境恶化的后果。所以，人们呼唤保护环境，回归自然，实现可持续发展，绿色产品概念在这种呼声中应运而生。绿色产品是指低能耗、低材耗、低污染、舒适、协调而可再生的产品。在其设计、制造、使用和销毁时应符合环保和人类健康的要求，机电一体化产品的绿色化主要是指在其使用时不污染生态环境，产品寿命结束时，可分解和再利用。

4 典型机电一体化产品的发展趋势［5］

4.1 数控机床

目前我国是全世界机床拥有量最多的国家(近320万台)，但数控机床只占约5%且大多数是普通数控(发达国家数控机床占10%)。近些年来数控机床为适应加工技术的发展，在以下几个技术领域都有巨大进步。

4.1.1 高速化

由于高速加工技术普及，机床普通提高了各方面的速度。车床主轴转速由3000～4000r/min提高到8000～10000r/min;铣床和加工中心主轴转速由4000～8000r/min提高到12000～40000r/min以上，快速移动速度由过去的10～20m/min提高到48m/min，60m/min，80m/min，120m/min;在提高速度的同时要求提高运动部件起动的加速度，由过去一般机床的0.5G(重力加速度)提高到1.5～2G，最高可15G;直线电机在机床上开始使用，主轴上大量采用内装式主轴电机。

4.1.2 高精度化

数控机床的定位精度已由一般的0.01～0.02mm提高到0.008mm左右;亚微米级机床达到0.0005mm左右;纳米级机床达到0.005～0.01um;最小分辨率为1nm(0.000001mm)的数控系统和机床已问世。

4.1.3 复合加工，新结构机床大量出现

如5轴5面体复合加工机床，5轴5面动加工各类异形零件。同时派生出各种新城的机床结构，包括6轴虚拟轴机床，串并联绞链机床等，采用特殊机械结构，数控的特殊运算方式，特殊编程要求。

4.1.4 使用各种高效特殊功能的刀具使数控机床“知虎添翼”

如内冷转头由于使高压冷却液直接冷却转头切削刃和排除切屑，在转深孔时大大提高效率。加工钢件切削速度能达1000m/min，加工铝件能达5000m/min。

4.1.5 数控机床的开放性和联网管理

数控机床的开放性和联网管理已是使用数控机床的基本要求，它不仅是提高数控机床开动率、生产率的必要手段，而且是企业合理化、最佳化利用这些制造手段的方法。因此，计算机集成制造、网络制造、异地诊断、盛拟制造、并行工程等等各种新技术都在数控机床基础上发展起来，这必然成为21世纪制造业发展的一个主要潮流。

4.2 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。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。我国的自动机与生产线产品的水平，比10多年前跃升了一大步，其技术水平已达到或超过发达国家上世纪90年代后期的水平。使用这些自动机和生产线的企业越来越多，对维护和管理这些设备的相关人员的需求也越来越多。

5 结束语

机电一体化的出现不是孤立的，它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产物。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。机电一体化是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，是振兴传统机电工业的新鲜血液和原动力。随着科技的发展，机电一体化技术必将得到进一步发展和更广泛的应用。

［1］李建勇.机电一体化技术［M］.北京:科学出版社，2004.

［2］杨明路琴.机电一体化的研究现状与发展趋势［J］.农机化研究，2006.

［3］韩瑞宝.我国电一体化技术的发展趋势［J］.应用科学，2008.

［4］李运华.机电控制［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2003.

［5］王斌.论机电一体化技术的发展趋势略述［J］.产业与科技论坛产业，2006.