簡析機電一體化技術

肖盛聰

[摘要]自電子技術一問世,電子技術與機械技術的結(jié)合就開始了,只是出現(xiàn)了半導體集成電路,尤其是出現(xiàn)以微處理器為代表的大規(guī)模集成電路以后,機電一體化技術之后有了明顯進展,引起了人們的廣泛注意。

[關鍵詞]機電一體化發(fā)展系統(tǒng)組成

中圖分類號:TM-9文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)1110120-01

一、機電一體化的概念

機電一體化又稱機械電子學,英語稱為Mechatronics,它是由英文機械學Mechanics的前半部分與電子學Electronics的后半部分組合而成。機電一體化最早出現(xiàn)在1971年日本雜志《機械設計》的副刊上,隨著機電一體化技術的快速發(fā)展,機電一體化的概念被我們廣泛接受和普遍應用。隨著計算機技術的迅猛發(fā)展和廣泛應用,機電一體化技術獲得前所未有的發(fā)展。現(xiàn)在的機電一體化技術,是機械和微電子技術緊密集合的一門技術,他的發(fā)展使冷冰冰的機器有了人性化,智能化。機電一體化是指在機構的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進電子技術,將機械裝置與電子化設計及軟件結(jié)合起來所構成的系統(tǒng)的總稱。

二、機電一體化技術發(fā)展歷程

自電子技術一問世,電子技術與機械技術的結(jié)合就開始了,只是出現(xiàn)了半導體集成電路,尤其是出現(xiàn)了以微處理器為代表的大規(guī)模集成電路以后,“機電一體化”技術之后有了明顯進展,引起了人們的廣泛注意:

1.數(shù)控機床的問世,寫下了“機電一體化”歷史的第一頁;

2.微電子技術為“機電一體化”帶來勃勃生機;

3.可編程序控制器、“電力電子”等的發(fā)展為“機電一體化”提供了堅強基礎;

4.激光技術、模糊技術、信息技術等新技術使“機電一體化”躍上新臺階。

三、機電一體化的發(fā)展趨勢

機電一體化是集機械、電子、光學、控制、計算機、信息等多學科的交叉綜合,它的發(fā)展和進步依賴并促進相關技術的發(fā)展。機電一體化的主要發(fā)展方向大致有以下幾個方面:

1.智能化:智能化是21世紀機電一體化技術的一個重要發(fā)展方向。人工智能在機電一體化的研究中日益得到重視,機器人與數(shù)控機床的智能化就是重要應用之一。這里所說的“智能化”是對機器行為的描述,是在控制理論的基礎上,吸收人工智能、運籌學、計算機科學、模糊數(shù)學、心理學、生理學和混沌動力學等新思想、新方法,使它具有判斷推理、邏輯思維及自主決策等能力,以求得到更高的控制目標。誠然,使機電一體化產(chǎn)品具有與人完全相同的智能,是不可能的,也是不必要的。但是,高性能、高速度的微處理器使機電一體化產(chǎn)品賦有低級智能或者人的部分智能,則是完全可能而且必要的。

2.系統(tǒng)化:系統(tǒng)化的表現(xiàn)特征之一就是系統(tǒng)體系結(jié)構進一步采用開放式和模式化的總線結(jié)構。系統(tǒng)可以靈活組態(tài),進行任意剪裁和組合,同時尋求實現(xiàn)多子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制和綜合管理。表現(xiàn)之二是通信功能的大大加強。一般除RS232外,還有RS485等智能化通信接口。未來的機電一體化更加注重產(chǎn)品與人的關系,機電一體化的人格化有兩層含義:一層是如何賦予機電一體化產(chǎn)品人的智能、情感、人性等等,顯得越來越重要,特別是對家用機器人,其高層境界就是人機一體化;另一層是模仿生物機理,研制出各種機電一體化產(chǎn)品。事實上,許多機電一體化產(chǎn)品都是受動物的啟發(fā)而研制出來的。

3.微型化:興起于20世紀80年代末,指的是機電一體化向微型機器和微觀領域發(fā)展的趨勢。國外稱其為微電子機械系統(tǒng)(MEMS),泛指幾何尺寸不超過1立方厘米的機電一體化產(chǎn)品,并向微米、納米級發(fā)展。微機電一體化產(chǎn)品體積小、耗能少、運動靈活,在生物醫(yī)療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優(yōu)勢。

4.仿生物系統(tǒng)化:今后的機電一體化裝置對信息的依賴性很大,并且往往在結(jié)構上是處于“靜態(tài)”時不穩(wěn)定,但在動態(tài)(工作)時卻是穩(wěn)定的。這有點類似于活的生物:當控制系統(tǒng)(大腦)停止工作時,生物便“死亡”,而當控制系統(tǒng)(大腦)工作時,生物就很有活力。仿生學研究領域中已發(fā)現(xiàn)的一些生物體優(yōu)良的機構可為機電一體化產(chǎn)品提供新型機體,但如何使這些新型機體具有活的“生命”還有待于深入研究。這一研究領域稱為“生物——軟件”或“生物系統(tǒng)”,而生物的特點是硬件(肌體)——軟件(大腦)一體,不可分割?？磥?機電一體化產(chǎn)品雖然有向生物系統(tǒng)化發(fā)展趨,但有一段漫長的道路要走。

四、機電一體化技術內(nèi)容

機電一體化技術內(nèi)容主要包含以下幾個方面:機械技術機械技術;計算機與信息技術;系統(tǒng)技術;自動控制技術;傳感檢測技術;伺服傳動技術。

五、機電一體化系統(tǒng)組成

1.機械本體:機械本體包括機架、機械連接、機械傳動等,它是機電一體化的基礎,起著支撐系統(tǒng)中其他功能單元、傳遞運動和動力的作用。與純粹的機械產(chǎn)品相比,機電一體化系統(tǒng)的技術性能得到提高、功能得到增強,這就要求機械本體在機械結(jié)構、材料、加工工藝性以及幾何尺寸等方面能夠與之相適應,具有高效、多功能、可靠和節(jié)能、小型、輕量、美觀的特點。

2.檢測傳感部分:檢測傳感部分包括各種傳感器及其信號檢測電路,其作用就是檢測機電一體化系統(tǒng)工作過程中本身和外界環(huán)境有關參量的變化,并將信息傳遞給電子控制單元,電子控制單元根據(jù)檢查到的信息向執(zhí)行器發(fā)出相應的控制。

3.電子控制單元:電子控制單元又稱ECU(Electrical Control Unit),是機電一體化系統(tǒng)的核心,負責將來自各傳感器的檢測信號和外部輸入命令進行集中、存儲、計算、分析,根據(jù)信息處理結(jié)果,按照一定的程度和節(jié)奏發(fā)出相應的指令,控制整個系統(tǒng)有目的地進行。

4.執(zhí)行器:執(zhí)行器的作用是根據(jù)電子控制單元的指令驅(qū)動機械部件的運動。執(zhí)行器是運動部件,通常采用電力驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和液壓驅(qū)動等幾種方式。

5.動力源:動力源是機電一體化產(chǎn)品能量供應部分,其作用是按照系統(tǒng)控制要求向機械系統(tǒng)提供能量和動力使系統(tǒng)正常運行。提供能量的方式包括電能、氣能和液壓能,以電能為主。

綜上所述,機電一體化的出現(xiàn)不是孤立的,它是許多科學技術發(fā)展的結(jié)晶,是社會生產(chǎn)力發(fā)展到一定階段的必然要求和產(chǎn)物。機電一體化發(fā)展至今也已成為一門有著自身體系的新型學科,隨著科學技術的不但發(fā)展,還將被賦予新的內(nèi)容。

參考文獻:

[1]李建勇,機電一體化技術[M].北京:科學出版社,2004.

[2]顧京,現(xiàn)代機床設備[M].北京:化學工業(yè)出版社,2001.

[3]張開遜,現(xiàn)代傳感技術在信息科學中的地位[J].工業(yè)計量,2006(1).

[4]石美峰,機電一體化技術的發(fā)展與思考[J].山西焦煤科技,2007(3).