發(fā)布時(shí)間：2022-07-17 05:20:48
序言：寫作是分享個(gè)人見解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了1篇的淺談機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展及其趨勢(shì)樣本，期待這些樣本能夠?yàn)槟峁┴S富的參考和啟發(fā)，請(qǐng)盡情閱讀。
摘要:接口技術(shù)是在機(jī)電一體化技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展而變得越來越重要。文章以機(jī)電一體化控制系統(tǒng)(微電子系統(tǒng))為例,將接口分為人機(jī)接口與機(jī)電接口兩大類進(jìn)行探討。
關(guān)鍵詞:機(jī)電一體化;接口技術(shù);人機(jī)接口;機(jī)電接口
機(jī)電一體化系統(tǒng)可分為機(jī)械和微電子系統(tǒng)兩大部分,各部分連接須具備一定條件,這個(gè)聯(lián)系條件通常稱為接口。各分系統(tǒng)又由各要素(子系統(tǒng))組成。本文以機(jī)電一體化控制系統(tǒng)(微電子系統(tǒng))為例,將接口分為人機(jī)與機(jī)電接口兩大類。
一、機(jī)電接口
由于機(jī)械系統(tǒng)與微電子系統(tǒng)在性質(zhì)上有很大差別,兩者間的聯(lián)系須通過機(jī)電接口進(jìn)行調(diào)整、匹配、緩沖,因此機(jī)電接口起著非常重要的作用:
(1)行電平轉(zhuǎn)換和功率放大。一般微機(jī)的I/O芯片都是TTL電平,而控制設(shè)備則不一定,因此必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換;另外,在大負(fù)載時(shí)還需要進(jìn)行功率放大;
(2)抗干擾隔離。為防止干擾信號(hào)的串入,可以使用光電耦合器、脈沖變壓器或繼電器等把微機(jī)系統(tǒng)和控制設(shè)備在電器上加以隔離;
(3)進(jìn)行A/D或D/A轉(zhuǎn)換。當(dāng)被控對(duì)象的檢測(cè)和控制信號(hào)為模擬量時(shí),必須在微機(jī)系統(tǒng)和被控對(duì)象之間設(shè)置A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路,以保證微機(jī)所處理的數(shù)字量與被控的模擬量之間的匹配。
1、模擬信號(hào)輸入接口。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中,反映被控對(duì)象運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)是傳感器或變送器的輸出信號(hào),通常這些輸出信號(hào)是模擬電壓或電流信號(hào)(如位置檢測(cè)用的差動(dòng)變壓器、溫度檢測(cè)用的熱偶電阻、溫敏電阻、轉(zhuǎn)速檢測(cè)用的測(cè)速發(fā)電機(jī)等)計(jì)算機(jī)要對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制,必須獲得反映系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)信號(hào),而計(jì)算機(jī)只能接受數(shù)字信號(hào),要達(dá)到獲取信息的目的,就應(yīng)將模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的接口——模擬信號(hào)輸入接口。
2、模擬信號(hào)輸出接口。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中,控制生產(chǎn)過程執(zhí)行器的信號(hào)通常是模擬電壓或電流信號(hào),如交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速、直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速器、滑差電動(dòng)機(jī)調(diào)速器等。而計(jì)算機(jī)只能輸出數(shù)字信號(hào),并通過運(yùn)算產(chǎn)生控制信號(hào),達(dá)到控制生產(chǎn)過程的目的,應(yīng)有將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)的接口——模擬信號(hào)輸出接口。任務(wù)是把計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓或電流信號(hào),以便驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行器,達(dá)到控制對(duì)象的目的。模擬信號(hào)輸出接口一般由控制接口、數(shù)字模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換器、多路模擬開關(guān)和功率放大器幾部分構(gòu)成。
3、開關(guān)信號(hào)通道接口。機(jī)電一體化系統(tǒng)的控制系統(tǒng)中,需要經(jīng)常處理一類最基本的輸入/輸出信號(hào),即數(shù)字量(開關(guān)量)信號(hào)包括:開關(guān)的閉合與斷開;指示燈的亮與滅;繼電器或接觸器的吸合與釋放;電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)與停止;閥門的打開與關(guān)閉等。這些信號(hào)的共同特征是以二進(jìn)制的邏輯“1”和“0”出現(xiàn)的。在機(jī)電一體化控制系統(tǒng)中,對(duì)應(yīng)二進(jìn)制數(shù)碼的每一位都可以代表生產(chǎn)過程中的一個(gè)狀態(tài),此狀態(tài)作為控制依據(jù)。
(1)輸入通道接口。開關(guān)信號(hào)輸入通道接口的任務(wù)是將來自控制過程的開關(guān)信號(hào)、邏輯電平信號(hào)以及一些系統(tǒng)設(shè)置開關(guān)信號(hào)傳送給計(jì)算機(jī)。這些信號(hào)實(shí)質(zhì)是一種電平各異的數(shù)字信號(hào),所以開關(guān)信號(hào)輸入通道又稱為數(shù)字輸入通道(DI)。由于開關(guān)信號(hào)只有兩種邏輯狀態(tài)“ON”和“OFF”或數(shù)字信號(hào)“1”和“0”,但是其電平一般與計(jì)算機(jī)的數(shù)字電平不相同,與計(jì)算機(jī)連接的接口只需考慮邏輯電平的變換以及過程噪聲隔離等設(shè)計(jì)問題,它主要由輸入緩沖器、電平隔離與轉(zhuǎn)換電路和地址譯碼電路等組成。
(2)輸出通道接口。開關(guān)信號(hào)輸出通道的作用是將計(jì)算機(jī)通過邏輯運(yùn)算處理后的開關(guān)信號(hào)傳遞給開關(guān)執(zhí)行器(如繼電器或報(bào)警指示器)。它實(shí)質(zhì)是邏輯數(shù)字的輸出通道,又稱為數(shù)字輸出通道(DO)。DO通道接口設(shè)計(jì)主要考慮的是內(nèi)部與外部公共地隔離和驅(qū)動(dòng)開關(guān)執(zhí)行器的功率。開關(guān)量輸出通道接口主要由輸出鎖存器、驅(qū)動(dòng)器和輸出口地址譯碼電路等組成。
二、人機(jī)接口
人機(jī)接口是操作者與機(jī)電系統(tǒng)(主要是控制微機(jī))之間進(jìn)行信息交換的接口。按照信息的傳遞方向,可以分為輸入與輸出接口兩大類。機(jī)電系統(tǒng)通過輸出接口向操作者顯示系統(tǒng)的各種狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)及結(jié)果等信息;另一方面,操作者通過輸入接口向機(jī)電系統(tǒng)輸入各種控制命令,干預(yù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),以實(shí)現(xiàn)所要求的功能。
1、輸入接口。
(1)撥盤輸入接口。撥盤是機(jī)電一體化系統(tǒng)中常見的一種輸入設(shè)備,若系統(tǒng)需要輸入少量的參數(shù),如修正系數(shù)、控制目標(biāo)等,采用撥盤較為方便,這種方式具有保持性。撥盤的種類很多,作為人機(jī)接口使用最方便的是十進(jìn)制輸入、BCD碼輸出的BCD碼撥盤。BCD碼撥盤可直接與控制微機(jī)的并行口或擴(kuò)展口相連,以BCD碼形式輸入信息。
(2)鍵盤輸入接口。鍵盤是一組按鍵集合,向計(jì)算機(jī)提供被按鍵的代碼。常用的鍵盤有:
1)編碼鍵盤,自動(dòng)提供被按鍵的編碼(如ASCII碼或二進(jìn)制碼);
2)非編碼鍵盤,僅僅簡(jiǎn)單地提供按鍵的通或斷(“0”或“1”電位),而按鍵的掃描和識(shí)別,則由設(shè)計(jì)的鍵盤程序來實(shí)現(xiàn)。前者使用方便,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本高;后者電路簡(jiǎn)單,便于設(shè)計(jì)。
2、輸出接口。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中,發(fā)光二極管顯示器(LED)是典型的輸出設(shè)備,由于LED顯示器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、可靠性高、壽命長(zhǎng)、價(jià)格便宜,因此使用廣泛。常用的LED顯示器有7段發(fā)光二極管和點(diǎn)陣式LED顯示器。7段LED顯示器原理很簡(jiǎn)單,是同名管腳上所加電平高低來控制發(fā)光二極管是否點(diǎn)亮而顯示不同字形的。點(diǎn)陣式LED顯示器一般用來顯示復(fù)雜符號(hào)、字母及表格等,在大屏幕顯示及智能化儀器中有廣泛應(yīng)用。
結(jié)語(yǔ):
接口技術(shù)是研究機(jī)電一體化系統(tǒng)中的接口問題,使系統(tǒng)中信息和能量的傳遞和轉(zhuǎn)換更加順暢,使系統(tǒng)各部分有機(jī)地結(jié)合在一起,形成完整的系統(tǒng)。接口技術(shù)是在機(jī)電一體化技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展而變得越來越重要;同時(shí)接口技術(shù)的研究也必然促進(jìn)機(jī)電一體化的發(fā)展。從某種意義上講,機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì),就是根據(jù)功能要求選擇了各部分后所進(jìn)行的接口設(shè)計(jì)。接口的好與壞直接影響到機(jī)電一體化系統(tǒng)的控制性能,以及系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性,因此接口技術(shù)是機(jī)電一體化系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
摘要:機(jī)電一體化是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果。文章概述機(jī)電一體化的核心技術(shù),分析機(jī)電一體化發(fā)展進(jìn)程,提出機(jī)電一體化向智能化邁進(jìn)的趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞:機(jī)電一體化;核心技術(shù);發(fā)展進(jìn)程;發(fā)展趨勢(shì)
機(jī)電一體化技術(shù)是面向應(yīng)用的跨學(xué)科技術(shù),是機(jī)械、微電子、信息和控制技術(shù)等有機(jī)融合、相互滲透的結(jié)果。今天機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展飛速,機(jī)電一體化產(chǎn)品更日新月異。
一、機(jī)電一體化的核心技術(shù)
1.機(jī)械技術(shù):是機(jī)電一體化的基礎(chǔ),機(jī)械技術(shù)的著眼點(diǎn)在于如何與機(jī)電一體化技術(shù)相適應(yīng),利用其高、新技術(shù)來更新概念,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上、材料上、性能上變更,滿足減小重量、縮小體積、提高精度、提高剛度及改善性能要求。
2.計(jì)算機(jī)與信息技術(shù):其中信息交換、存取、運(yùn)算、判斷與決策、人工智能技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)均屬于計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)。
3.系統(tǒng)技術(shù):即以整體概念組織應(yīng)用各種相關(guān)技術(shù),從全局角度和系統(tǒng)目標(biāo)出發(fā),將總體分解成相互關(guān)聯(lián)的若干功能單元,接口技術(shù)是系統(tǒng)技術(shù)中一個(gè)重要方面,是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各部分有機(jī)連接的保證。
4.自動(dòng)控制技術(shù):其范圍很廣,在控制理論指導(dǎo)下,進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)仿真,現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試,控制技術(shù)包括如高精度定位控制、速度控制、自適應(yīng)控制、自診斷校正、補(bǔ)償、再現(xiàn)、檢索等。
5.傳感檢測(cè)技術(shù):是系統(tǒng)的感受器官,是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、自動(dòng)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其功能越強(qiáng),系統(tǒng)的自動(dòng)化程序就越高。
6.伺服傳動(dòng)技術(shù):包括電動(dòng)、氣動(dòng)、液壓等各種類型的傳動(dòng)裝置,伺服系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)電信號(hào)到機(jī)械動(dòng)作的轉(zhuǎn)換裝置與部件、對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、控制質(zhì)量和功能有決定性的影響。
二、機(jī)電一體化的發(fā)展進(jìn)程
1.數(shù)控機(jī)床問世:自從1952年美國(guó)第1臺(tái)數(shù)控銑床問世至今已50個(gè)年頭。我國(guó)數(shù)控機(jī)床制造業(yè)在80年代曾有過高速發(fā)展階段,尤其是在1999年后,國(guó)家向國(guó)防工業(yè)及關(guān)鍵民用工業(yè)部門投入大量技改資金,使數(shù)控設(shè)備制造市場(chǎng)一派繁榮。
2.微電子技術(shù)的發(fā)展:我國(guó)的集成電路產(chǎn)業(yè)起步于1965年,經(jīng)過30多年發(fā)展,已初步形成包括設(shè)計(jì)、制造、包裝業(yè)共同發(fā)展的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。
3.可編程序控制器(PLC)的應(yīng)用于工業(yè):上世紀(jì)60年代后期,美國(guó)汽車制造業(yè)開發(fā)一種Modular DigitalController(MODICON)取代繼電控制盤。MODICON是世界上第一種投入商業(yè)生產(chǎn)的PLC.70年代是PLC崛起,并首先在汽車工業(yè)獲得大量應(yīng)用。80年代是它走向成熟,全面采用微電子及微處理器技術(shù)。90年代又開始了PLC的第三個(gè)發(fā)展時(shí)期。90年代后期進(jìn)入了第四階段。其特征是:在保留PLC功能的前提下,采用面向現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu),采用開放的通信接口,如以太網(wǎng)、高速串口;采用各種相關(guān)的國(guó)際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和一系列的事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn);從而使PLC和DCS這些原來處于不同硬件平臺(tái)的系統(tǒng),正隨著計(jì)算技術(shù)、通信技術(shù)和編程技術(shù)的發(fā)展,趨向于建立同一硬件平臺(tái),運(yùn)用同一個(gè)操作系統(tǒng)、同一個(gè)編程系統(tǒng),執(zhí)行不同的DCS和PLC功能。這就是真正意義上的EIC三電一體化。
4.激光技術(shù)、模糊技術(shù)、信息技術(shù)等新技術(shù)的出現(xiàn):以激光技術(shù)為首的光電子技術(shù)是未來信息技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù),它集中了固體物理、波導(dǎo)光學(xué)、材料科學(xué)、微細(xì)加工和半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)的科研成就,成為電子技術(shù)與光子技術(shù)自然結(jié)合與擴(kuò)展、具有強(qiáng)烈應(yīng)用背景的新興交叉學(xué)科,對(duì)于國(guó)家經(jīng)濟(jì)、科技和國(guó)防都具有重要的戰(zhàn)略意義。
三、機(jī)電一體化向智能化邁進(jìn)
20世紀(jì)90年代后期,各主要發(fā)達(dá)國(guó)家開始了機(jī)電一體化技術(shù)向智能化方向邁進(jìn)的新階段。一方面,光學(xué)、通信技術(shù)等進(jìn)入了機(jī)電一體化,微細(xì)加工技術(shù)也在機(jī)電一體化中嶄露頭角,出現(xiàn)了光機(jī)電一體化和微機(jī)電一體化等新支;另一方面,對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的建模設(shè)計(jì)、分析和集成方法,機(jī)電一體化的學(xué)科體系和發(fā)展趨勢(shì)都進(jìn)行了深入研究。同時(shí),由于人工智能技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及光纖技術(shù)等領(lǐng)域取得的巨大進(jìn)步,為機(jī)電一體化技術(shù)開辟了發(fā)展的廣闊天地,也為產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。未來機(jī)電一體化的主要發(fā)展方向有:
1.智能化:是21世紀(jì)機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要發(fā)展方向,是在控制理論的基礎(chǔ)上,吸收人工智能、運(yùn)籌學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)和混沌動(dòng)力學(xué)等新思想、新方法,模擬人類智能,使它具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力,以求得到更高的控制目標(biāo)。
2.網(wǎng)絡(luò)化:20世紀(jì)90年代,計(jì)算機(jī)技術(shù)等的突出成就是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。機(jī)電一體化新產(chǎn)品一旦研制出來,只要其功能獨(dú)到,質(zhì)量可靠,很快就會(huì)暢銷全球。因此,機(jī)電一體化產(chǎn)品無疑將朝著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。
3.微型化:興起于20世紀(jì)80年代末,指的是機(jī)電一體化向微型機(jī)器和微觀領(lǐng)域發(fā)展的趨勢(shì)。國(guó)外稱其為微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS),泛指幾何尺寸不超過1立方厘米的機(jī)電一體化產(chǎn)品,并向微米、納米級(jí)發(fā)展。微機(jī)電一體化產(chǎn)品體積小、耗能少、運(yùn)動(dòng)靈活,在生物醫(yī)療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。
4.綠色化:機(jī)電一體化產(chǎn)品的綠色化主要是指,使用時(shí)不污染生態(tài)環(huán)境,報(bào)廢后能回收利用。綠色產(chǎn)品在其設(shè)計(jì)、制造、使用和銷毀的生命過程中,符合特定的環(huán)境保護(hù)和人類健康的要求,對(duì)生態(tài)環(huán)境無害或危害極少,資源利用率極高。設(shè)計(jì)綠色的機(jī)電一體化產(chǎn)品,具有遠(yuǎn)大的發(fā)展前途。
5.系統(tǒng)化:其表現(xiàn)特征之一就是系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)一步采用開放式和模式化的總線結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)可以靈活組態(tài),進(jìn)行任意剪裁和組合,同時(shí)尋求實(shí)現(xiàn)多子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制和綜合管理。表現(xiàn)特征之二是通信功能的大大加強(qiáng),特別是“人格化”發(fā)展引人注目,即未來的機(jī)電一體化更加注重產(chǎn)品與人的關(guān)系。一是如何賦予機(jī)電一體化產(chǎn)品人的智能、情感、人性顯得越來越重要,特別是對(duì)家用機(jī)器人,其高層境界就是人機(jī)一體化。另一層含義是模仿生物機(jī)理,研制各種機(jī)電一體化產(chǎn)品。
結(jié)束語(yǔ):
當(dāng)然,機(jī)電一體化的發(fā)展不是孤立的,與機(jī)電一體化相關(guān)的技術(shù)還有很多,并隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,各種技術(shù)相互融合的趨勢(shì)將越來越明顯,機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用也將更加廣闊。
一、機(jī)電一體化在工程機(jī)械中應(yīng)用
機(jī)電一體化是當(dāng)今自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的最高階段。早期的自動(dòng)化技術(shù)主要是借助凸輪、機(jī)械機(jī)構(gòu)等實(shí)現(xiàn)的,這一時(shí)期的自動(dòng)化實(shí)際上是機(jī)械自動(dòng)化;隨著電子技術(shù)的發(fā)展,凸輪、機(jī)械機(jī)構(gòu)逐漸被繼電器、接觸器、電磁開關(guān)等機(jī)構(gòu)所取代,實(shí)現(xiàn)了電氣自動(dòng)化,機(jī)械機(jī)構(gòu)大大簡(jiǎn)化,自動(dòng)化水平大為提高;機(jī)電一體化則是生產(chǎn)實(shí)踐對(duì)自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的需要,也是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)和精密機(jī)械技術(shù)等發(fā)展的必然產(chǎn)物,是以計(jì)算機(jī)為主要特征的自動(dòng)化技術(shù)。如果說機(jī)械系統(tǒng)處理的對(duì)象是運(yùn)動(dòng)、力、物質(zhì)和能量,電子系統(tǒng)處理的對(duì)象是信息和知識(shí),則機(jī)電一體化系統(tǒng)不僅有處理能量和物質(zhì)的功能,而且還有處理信息和知識(shí)的能力。機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展至今已成為一門有著自身體系的新型學(xué)科,其發(fā)展歷程可分為4個(gè)階段:
①數(shù)控機(jī)床的問世是機(jī)電一體化發(fā)展的開始;
②微電子技術(shù)為機(jī)電一體化帶來勃勃生機(jī);
③可編程序控制器的發(fā)展為機(jī)電一體化提供了堅(jiān)強(qiáng)基礎(chǔ);
④激光技術(shù)、模糊技術(shù)、信息技術(shù)使機(jī)電一體化躍上新臺(tái)階。機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展初期,人們的目的是利用電子技術(shù)的初步成果來完善機(jī)械產(chǎn)品的性能,那時(shí)研制和開發(fā)還處于萌芽狀態(tài),而且由于當(dāng)時(shí)電子技術(shù)水平不高,機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)的結(jié)合還不廣泛和深入。其后計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)、大規(guī)模集成電路的發(fā)展,為機(jī)電一體化的發(fā)展奠定了技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ)。
二、機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢(shì)
1、個(gè)性化。在知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代,求新、求異、追求個(gè)性是消費(fèi)需求的一個(gè)特征,而柔性化為產(chǎn)品個(gè)性化創(chuàng)造了技術(shù)條件。所以,在信息時(shí)代,機(jī)電一體化產(chǎn)品將呈現(xiàn)個(gè)性化趨勢(shì)。與此相適應(yīng),機(jī)電一體化產(chǎn)品的生產(chǎn)模式及觀念也在發(fā)生改變。因此精益生產(chǎn)、敏捷制造、智能制造、虛擬制造等得以相繼出現(xiàn)。
2、高性能化。高性能化一般包含高速、高精度、高效率、高可靠性。新一代cnc系統(tǒng)就是以此“四高”為滿足生產(chǎn)而誕生的。它采用多cpu結(jié)構(gòu),以多總線連接,進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳遞;采用精簡(jiǎn)指令集機(jī),實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)并行處理;設(shè)置多重緩沖器,故障診斷、自動(dòng)檢錯(cuò)、糾錯(cuò)、系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)等技術(shù)保證該機(jī)電一體化產(chǎn)品具有高性能。
3、智能化。人工智能可使機(jī)器具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力,雖然機(jī)電一體化產(chǎn)品不可能具有與人完全相同的智能,但依賴高性能、高速的微處理器可使其具有低級(jí)智能或人的部分智能,從而達(dá)到更精確的控制目標(biāo)。機(jī)電一體化的發(fā)展和進(jìn)步體現(xiàn)在其產(chǎn)品的智能上,智能化是機(jī)電一體化技術(shù)與傳統(tǒng)機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)的主要區(qū)別之一。它是在控制理論的基礎(chǔ)上,吸收人工智能、心理學(xué)、生理學(xué)、運(yùn)籌學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等新思想、新方法,模擬人類智能,對(duì)診斷過程、人-機(jī)接口、自動(dòng)編程和加工過程等問題進(jìn)行分析、判斷、推理、構(gòu)思和決策,以取代或延伸制造工程中人的部分腦力勞動(dòng),并對(duì)人類專家的制造智能進(jìn)行收集、存儲(chǔ)、完善、共享、繼承和發(fā)展,以求得到更高的控制目標(biāo)。
4、微型化。微型機(jī)電一體化系統(tǒng)是機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)在納米尺度上相融合的產(chǎn)物,是機(jī)電一體化的一個(gè)新發(fā)展方向,微型機(jī)電一體化產(chǎn)品,泛指幾何尺寸不超過1cm3的機(jī)電一體化產(chǎn)品,并向微米、納米級(jí)發(fā)展,其體積小、耗能小、運(yùn)動(dòng)靈活,微機(jī)電一體化產(chǎn)品的加工采用精細(xì)加工技術(shù),目前已可運(yùn)用蝕刻技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室制造出亞微米級(jí)的機(jī)械元件,當(dāng)將這一成果真正應(yīng)用到實(shí)際產(chǎn)品時(shí),其機(jī)械部分和電子元件即可完全集成在一起,組成一種體積很小的自律元件。在生物醫(yī)療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優(yōu)越性,是近年和將來十大關(guān)鍵技術(shù)之一。
5、綠色化。機(jī)電一體化產(chǎn)品的綠色化主要是指使用時(shí)不污染生態(tài)環(huán)境,報(bào)廢時(shí)能回收利用。工業(yè)的發(fā)展,使得資源減少,生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重污染。因此綠色化成了時(shí)代的趨勢(shì),產(chǎn)品的綠色化成了適應(yīng)未來發(fā)展的一大特色。
6、系統(tǒng)化。系統(tǒng)化要求系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)采用開放式和模式化的總線結(jié)構(gòu),系統(tǒng)可以靈活組態(tài),進(jìn)行任意剪裁和組合,同時(shí)尋求實(shí)現(xiàn)多子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制和綜合管理。其中,仿生物系統(tǒng)化就是根據(jù)一些生物體優(yōu)良的構(gòu)造研究某種新型機(jī)體,引導(dǎo)機(jī)電一體化產(chǎn)品向著生物系統(tǒng)化方向發(fā)展。
7、網(wǎng)絡(luò)化。機(jī)電一體化新產(chǎn)品一旦研制出來,只要其功能獨(dú)到,質(zhì)量可靠,很快就會(huì)暢銷全球,由于網(wǎng)絡(luò)的普及,基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視技術(shù)方興未艾,而遠(yuǎn)程控制的終端設(shè)備本身就是機(jī)電一體化產(chǎn)品,現(xiàn)場(chǎng)總線和局域網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用使家用電器網(wǎng)絡(luò)化已形成優(yōu)勢(shì),利用家庭網(wǎng)絡(luò)將各種家用電器連接成以計(jì)算機(jī)為中心的計(jì)算機(jī)集成家電系統(tǒng),能使人們待在家里就可分享各種高技術(shù)帶來的便利與快樂。因此,其產(chǎn)品無疑將朝著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。
8、柔性化。機(jī)電一體化產(chǎn)品的控制和執(zhí)行系統(tǒng)具有足夠的“冗余度”,即有較強(qiáng)的“柔性”。
結(jié)語(yǔ):大力發(fā)展新一代機(jī)電一體化產(chǎn)品,不僅是改造和武裝傳統(tǒng)機(jī)械老設(shè)備的一條新路,而且是推動(dòng)機(jī)械產(chǎn)品更新?lián)Q代和開辟新領(lǐng)域、發(fā)展與振興機(jī)械工業(yè)的必由之路。機(jī)電一體化產(chǎn)業(yè)覆蓋面非常廣,而我國(guó)人力、物力、財(cái)力有限,機(jī)電一體化產(chǎn)業(yè)發(fā)展不可能面面俱到、平鋪直敘。因此,要分清主次,突出重點(diǎn),大膽取舍。既要抓住傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的電子信息技術(shù)改造,使機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)初步結(jié)合;又要在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初,就統(tǒng)一考慮機(jī)械與電子的融合,使機(jī)械與電子密不可分,從而使設(shè)計(jì)、生產(chǎn)出來的新產(chǎn)品真正做到機(jī)電一體化。另外,政府職能部門應(yīng)合理調(diào)配資源要素,對(duì)開辦、生產(chǎn)機(jī)電一體化產(chǎn)品的高新技術(shù)企業(yè)提供方便,增大支持力度。同時(shí),嚴(yán)格限制資源消耗較高的傳統(tǒng)產(chǎn)品的發(fā)展,對(duì)未適時(shí)采用機(jī)電一體化技術(shù)的落后產(chǎn)品強(qiáng)制淘汰,大力提倡傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)改造,凡涉及到機(jī)電一體化技術(shù)的開發(fā)、應(yīng)用等項(xiàng)目應(yīng)優(yōu)先立項(xiàng)、大力支持。此外,還可以設(shè)立機(jī)電一體化科研技術(shù)專項(xiàng)基金,從經(jīng)濟(jì)上促進(jìn)機(jī)電一體化的發(fā)展。
一、機(jī)電一體化的產(chǎn)生與應(yīng)用
20世紀(jì)60年代以來,人們利用電子技術(shù)的初步成果來完善機(jī)械產(chǎn)品的性能后,刺激了機(jī)械產(chǎn)品與電子技術(shù)的結(jié)合。計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展,為機(jī)電一體化的發(fā)展更進(jìn)一步奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。20世紀(jì)80年代末期,機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品得到了極大發(fā)展。各國(guó)均開始對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品給以很大的關(guān)注和支持,20世紀(jì)90年代后期,開始了機(jī)電一體化技術(shù)向智能化方向邁進(jìn)的新階段,機(jī)電一體化進(jìn)入了深入發(fā)展時(shí)期。光學(xué)、通信技術(shù)等進(jìn)入了機(jī)電一體化,微細(xì)加工技術(shù)也在機(jī)電一體化中展露頭腳,出現(xiàn)了光機(jī)電一體化和微機(jī)電一體化等新分支。我國(guó)從20世紀(jì)80年代開始開展機(jī)電一體化研究和應(yīng)用。取得了一定成果,它的發(fā)展和進(jìn)步依賴并促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。機(jī)電一體化已成為一門有著自身體系的新型學(xué)科,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,還將被賦予新的內(nèi)容。
二、機(jī)電一體化的發(fā)展現(xiàn)狀
機(jī)電一體化的發(fā)展大體可以分為3個(gè)階段。20世紀(jì)60年代以前為第一階段,這一階段稱為初級(jí)階段。在這一時(shí)期,人們利用電子技術(shù)的初步成果來完善機(jī)械產(chǎn)品的性能。特別是在第二次世界大戰(zhàn)期間,戰(zhàn)爭(zhēng)刺激了機(jī)械產(chǎn)品與電子技術(shù)的結(jié)合,這些機(jī)電結(jié)合的軍用技術(shù),戰(zhàn)后轉(zhuǎn)為民用,對(duì)戰(zhàn)后經(jīng)濟(jì)的恢復(fù)起了積極的作用。那時(shí)研制和開發(fā)從總體上看還處于自發(fā)狀態(tài)。由于當(dāng)時(shí)電子技術(shù)的發(fā)展尚未達(dá)到一定水平,機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)的結(jié)合還不可能廣泛和深入發(fā)展,已經(jīng)開發(fā)的產(chǎn)品也無法大量推廣。
20世紀(jì)70年代~80年代為第二階段,可稱為蓬勃發(fā)展階段。這一時(shí)期,計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展,為機(jī)電一體化的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路和微型計(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)展,為機(jī)電一體化的發(fā)展提供了充分的物質(zhì)基礎(chǔ)。
20世紀(jì)90年代后期,開始了機(jī)電一體化技術(shù)向智能化方向邁進(jìn)的新階段,機(jī)電一體化進(jìn)入深入發(fā)展時(shí)期。一方面,光學(xué)、通信技術(shù)等進(jìn)入了機(jī)電一體化,微細(xì)加工技術(shù)也在機(jī)電一體化中展露頭腳,出現(xiàn)了光機(jī)電一體化和微機(jī)電一體化等新分支;另一方面對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的建模設(shè)計(jì)、分析和集成方法、機(jī)電一體化的學(xué)科體系和發(fā)展趨勢(shì)都進(jìn)行了深入研究。同時(shí),由于人工智能技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及光纖技術(shù)等領(lǐng)域取得的巨大進(jìn)步,更為機(jī)電一體化技術(shù)開辟了發(fā)展的廣闊天地。這些研究,將促使機(jī)電一體化進(jìn)一步建立完整的基礎(chǔ)和逐漸形成完整的科學(xué)體系。我國(guó)是從20世紀(jì)80年代初才開始在這方面研究和應(yīng)用。國(guó)務(wù)院成立了機(jī)電一體化領(lǐng)導(dǎo)小組并將該技術(shù)列為“863計(jì)劃”中。在制定“九五”規(guī)劃和2010年發(fā)展綱要時(shí)充分考慮了國(guó)際上關(guān)于機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向和由此可能帶來的影響。許多大專院校、研究機(jī)構(gòu)及一些大中型企業(yè)對(duì)這一技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用也做了大量的工作,雖然取得了一定成果,但與日本等先進(jìn)國(guó)家相比仍有相當(dāng)差距。
三、機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢(shì)
(一)智能化趨勢(shì)
智能化是21世紀(jì)機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要發(fā)展方向。人工智能在機(jī)電一體化建設(shè)者的研究日益得到重視,機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床的智能化就是重要應(yīng)用。這里所說的“智能化”是對(duì)機(jī)器行為的描述,是在控制理論的基礎(chǔ)上,吸收人工智能、運(yùn)籌學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)和混沌動(dòng)力學(xué)等新思想、新方法,模擬人類智能,使它具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力,以求得到更高的控制目標(biāo)。機(jī)電一體化產(chǎn)品不可能具有與人完全相同的智能。
1.機(jī)械制造智能化技術(shù)的發(fā)展
1.1人機(jī)互動(dòng)的功能發(fā)展方向
機(jī)械制造業(yè)對(duì)圖形的精密性要求非常高。因此,必須借助計(jì)算機(jī)技術(shù)完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與操作,通過計(jì)算機(jī)的窗口與菜單完成產(chǎn)品生產(chǎn)的操作過程,利用快速編程、藍(lán)圖編程、三維彩色動(dòng)態(tài)圖形展示、圖形動(dòng)態(tài)跟蹤、圖形模擬、多方向視圖、比例縮放等技術(shù)為機(jī)械制造提供技術(shù)支持,以大量的可視圖形和技術(shù)數(shù)據(jù)幫助設(shè)計(jì)者更好地完成設(shè)計(jì)過程,提高產(chǎn)品質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)效益,同時(shí)縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造過程的人機(jī)互動(dòng)。
1.2高效化、智能化的性能發(fā)展方向
在目前機(jī)械制造的操作系統(tǒng)中,高分辨率檢測(cè)元件和多CPU控制能夠提高機(jī)械制造過程的效率、精度和速度,形成系統(tǒng)化、科學(xué)化、規(guī)范化的數(shù)字伺服系統(tǒng),使機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn)速度得到大幅度提升,自動(dòng)化調(diào)整機(jī)械生產(chǎn)的信息流和物料流,以機(jī)械制造群控系統(tǒng)提高機(jī)械制造的效率與水平。
1.3集成化、可控化的體系發(fā)展方向
隨著智能化技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域內(nèi)的不斷應(yīng)用與推廣,基于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)資源的機(jī)械制造管理系統(tǒng)可以通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)深入了解生產(chǎn)工藝流程及設(shè)計(jì)原理,實(shí)現(xiàn)了編程、設(shè)定、運(yùn)行、操作的集成化與可控化,提高了機(jī)械設(shè)計(jì)和制作的效率。機(jī)械制造的集成化、可控化的體系發(fā)展方向以軟硬件運(yùn)行速度和數(shù)控系統(tǒng)的集成度為依據(jù),利用集成化CPU、RISC芯片和可編程集成線路,提高了集成電路的密度,減少互聯(lián)長(zhǎng)度和數(shù)量,從而降低了生產(chǎn)成本,提高了產(chǎn)品性能和系統(tǒng)可靠性。這是機(jī)械制造智能化技術(shù)的發(fā)展方向和任務(wù)。
2.機(jī)械制造智能化與機(jī)電一體化的結(jié)合發(fā)展
機(jī)械制造智能化與機(jī)電一體化的結(jié)合是機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展方向,隨著智能化技術(shù)和機(jī)電一體化技術(shù)水平的提高,機(jī)械制造有著非常廣闊的發(fā)展前景。具體說來,機(jī)械制造與智能化技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)相結(jié)合的發(fā)展趨勢(shì)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
2.1網(wǎng)絡(luò)化
網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是機(jī)械制造業(yè)的重要發(fā)展方向。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的推廣與普及,企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)過程發(fā)生了極大的變革。物料選擇、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、零件制造、產(chǎn)品銷售和市場(chǎng)開拓的方式都發(fā)生了很大的變化,異地與跨國(guó)生產(chǎn)已經(jīng)非常普遍,技術(shù)交流、產(chǎn)品開發(fā)合作和經(jīng)營(yíng)管理學(xué)習(xí)也在廣泛開展。機(jī)械制造企業(yè)在網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展環(huán)境下既競(jìng)爭(zhēng)又合作,為了提高自己的競(jìng)爭(zhēng)力不斷研發(fā)新產(chǎn)品和新技術(shù),提高了機(jī)械制造業(yè)的整體水平。因此,網(wǎng)絡(luò)化是機(jī)械制造業(yè)的重要發(fā)展方向。
2.2智能化
在機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展過程中,不斷吸收運(yùn)籌學(xué)、人工智能、計(jì)算機(jī)技術(shù)、心理學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、生理學(xué)、混沌動(dòng)力學(xué)等新思想和新方法,在機(jī)械生產(chǎn)過程中模擬人類智能,使機(jī)械生產(chǎn)過程更具人性化。
2.3自動(dòng)化
機(jī)械制造的自動(dòng)化以系統(tǒng)技術(shù)、集成技術(shù)、人機(jī)一體化技術(shù)、單元制造技術(shù)、柔性制造技術(shù)等技術(shù)為支撐,為機(jī)械制造營(yíng)造了一個(gè)現(xiàn)代化的生產(chǎn)環(huán)境,使機(jī)械制造朝著敏捷化、全球化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、虛擬化和綠色化的方向發(fā)展。
2.4系統(tǒng)化
機(jī)械制造的系統(tǒng)化表現(xiàn)為開發(fā)式和模式化的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了靈活組態(tài)、任意裁剪、任意組合,達(dá)到了綜合管理和系統(tǒng)控制的目標(biāo)。此外,機(jī)械制造領(lǐng)域內(nèi)的通信功能也在不斷增強(qiáng),更加注重產(chǎn)品和人的關(guān)系,通過模仿生物機(jī)理來研制機(jī)電一體化產(chǎn)品。
3.結(jié)語(yǔ)
總而言之,機(jī)電一體化技術(shù)和智能化技術(shù)是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)果,也是生產(chǎn)力發(fā)展的必然產(chǎn)物。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步,機(jī)械制造業(yè)也將不斷吸收智能化和機(jī)電一體化技術(shù),實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化和機(jī)械制造智能化的相互融合、相互促進(jìn),不斷提高機(jī)械制造業(yè)的科技水平和生產(chǎn)效率,促進(jìn)機(jī)械制造業(yè)走向一個(gè)新的發(fā)展階段。
