机电一体化——人类工业史上的新革命

许泓

(上海海得控制系统股份有限公司,上海 200000)

机电一体化
——人类工业史上的新革命

许泓

(上海海得控制系统股份有限公司,上海 200000)

随着人类自动化技术的日新月异以及计算机技术的迅猛发展和广泛应用,机电一体化的概念与技术开始迅速发展。机电一体化又称机械电子工程,是机械工程与自动化的一种,英语称为Mechatronics,它是由英文机械学Mechanics的前半部分与电子学Electronics的后半部分组合而成。现在的机电一体化技术,是机械和微电子技术紧密集合的一门技术,他的发展使冷冰冰的机器有了人性化,智能化。毫无疑问,机电一体化技术的出现堪称人类的又一次工业革命。

机电一体化 微电子技术

1 起源与发展

机电一体化技术是将机械技术、电工电子技术、微电子技术、信息技术、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,现代化的自动生产设备几乎可以说都是机电一体化的设备。

研究将电子器件的信息处理和控制功能附加或融合在机械装置中的一种复合化技术俗称机电一体化。机械电子学(mechatronics)是由机械学(mechanics)和电子学(electronics)两个词结合而成的新词,其全称为机械电子工程学,英语为mechanical and electronical engineering。机械电子学主要研究目的是把机械技术与微电子技术和信息技术有机地结合为一体,实现整个系统的最优化。机械电子学可以充分发挥机械技术、微电子技术和信息技术各自的长处和特点,促进机械产品的更新换代。机械电子学系统主要由机械主体、传感器、信息处理和执行机构等部分组成。较高级的系统不但有硬件,而且还有相应的软件,利用软件技术可以实现硬件难以实现的功能,使机械系统增加柔性。典型的机械电子系统有数控机床、加工中心、工业机器人等。机械电子学技术除用于单个机器、设备或一般的生产系统的技术改造之外,还用于柔性制造系统、计算机集成制造系统、工厂自动化、办公自动化、家庭自动化等方面。

机电一体化的核心技术主要包含以下5个方面:

(1)机械技术。机械技术是一切机电一体化技术的基础与根本。机械技术着眼点在于如何与机电一体化技术相适应,利用其它高新技术来更新概念,实现结构上、材料上、性能上的变更,满足减小重量、缩小体积、提高精度、提高刚度及改善性能的要求。在机电一体化系统制造过程中,经典的机械理论与工艺应借助于计算机辅助技术,同时采用人工智能与专家系统等,形成新一代的机械制造技术。

(2)电脑技术。电脑技术的应用遍布于当今人类生活的方方面面,尤其在工业与机电一体化方面,其中的信息交换、存取、运算、判断与决策、人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术均是不可或缺的。

(3)系统技术。系统技术即以整体的概念组织应用各种相关技术,从全局角度和系统目标出发,将总体分解成相互关联的若干功能单元,接口技术是系统技术中一个重要方面,它是实现系统各部分有机连接的保证。

(4)传感技术。传感检测技术是系统的感受器官,是实现自动控制、自动调节的关键环节。其功能越强,系统的自动化程序就越高。现代工程要求传感器能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境的考验,它是机电一体化系统达到高水平的保证。

(5)伺服技术。伺服技术包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置,伺服系统是实现机电信号到机械动作的转换装置与部件、对系统的动态性能、控制质量和功能有决定性的影响。

2 革命性

(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中日益得到重视,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,则是完全可能而且必要的。

(2)网络化。二十一世纪初,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、教育及人们的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使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 appliance system,CIAS),使人们在家里分享各种高技术带来的便利与快乐。同样,在工业领域通过现场总线和网络技术将各种生产资源、生产过程和设备进行联接,从而实现对生产资源和生产过程的最优化利用、调度和维护。因此,机电一体化产品无疑将朝着网络化方向发展。

(3)系统化。系统化的表现特征之一就是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构。系统可以灵活组态,进行任意剪裁和组合,同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。表现之二是通信功能的大大加强,特别是“人格化”发展引人注目,即未来的机电一体化更加注重产品与人的关系。机电一体化的人格化有两层含义。一是机电一体化产品的最终使用对象是人,如何赋予机电一体化产品人的智能、情感、人性显得越来越重要,特别是对机器人,其高层境界就是人机一体化。另一层含义是模仿生物机理,研制各种机电一体化产品。

[1]李建勇.机电一体化技术[M].北京:科学出版社,2004.

[2]洪钟洲.数控系统的发展现状和趁势.机电一体化.1996.

[3]胡泓,姚伯威主编.机电一体化原理及应用.北京:国防工业出版社, 1999.

[4]徐志毅主编.机电一体化实用技术.上海:上海科学技术文献出版社,1995.

[5]百度百科http://baike.baidu.com/subview/18397/5071481.htm mfr=aladdin.

许泓(1966—),男,汉,上海人,现任职上海海得控制系统股份有限公司董事长。