0 前言

机电一体化是微电子技术向传统机械工业渗透过程中逐渐形成的一个新概念, 是机械技术与微电子技术相互融合的产物。机电一体化打破了传统的机械工程、电子工程、化学工程、建筑工程、信息工程、控制工程等旧模块的划分, 形成了融机械技术、微电子技术、信息技术等多种技术为一体的一门新兴的交叉学科^[1]。

目前, 国内对机电一体化的涵义有各种各样的认识及各自的出发点和着眼点不尽相同, 再加上机电一体化本身的涵义还在随着生产和科学技术的发展不断被赋予新的内容。到目前为止, 较为人们所接受的涵义是日本机械振兴协会经济研究所1981年3月提出的解释:“机电一体化是机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术, 并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称”。随着微电子技术、传感器技术、精密机械技术、自动控制技术以及微型计算机技术、人工智能技术等新技术的发展。以机械为主体的工业产品和民用产品, 不断采用诸学科的新技术, 在机械化的基础上, 正向自动化和智能化方向发展, 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。

1 机电一体化的研究现状

近年来机电一体化研究进展很快, 成果累累, 在以下几个方面取得了较快发展。

1.1 计算机数控机床

计算机数控机床(CNC)是一种由计算机或专用电子计算装置控制的高效自动化机床。它综合应用了计算机技术、自动控制、精密测量和机械设计等方面的最新成就, 是典型的机电一体化产品, 是机床发展的必然趋势^[2]。数控机床发展至今, 已经经历了从电子管数控、晶体管数控、集成电路数控、计算机数控、微型计算机数控等五代演变^[3]。当前计算机数控机床已经成为促进国民经济发展的重要产品。近10多年来, 随着微电子技术的飞跃发展, 能自动更换刀具的高度自动化的计算机数控机床-机械加工中心(MC)发展更为迅速。

1.2 工业机器人

工业机器人(IR)一般应由机械系统、驱动系统、控制系统、检测传感系统和人工智能系统等组成^[4]。是一种能模拟人的手、臂的部分动作, 按照预定程序、轨迹及其他要求, 实现抓取、搬运工件或操作工具的自动化装置, 是具有发展前途的机电一体化典型产品, 将在实现柔性自动化生产, 提高产品质量, 代替人在恶劣环境条件下工作中发挥重大作用。机器人技术的发展, 要求提高机器人机构实用效果, 扩大其应用范围, 使虚拟轴机器有进一步发展。

1.3 先进制造系统

目前, 先进制造系统有柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)、柔性生产线等几种形式。

柔性制造单元(FMC)是由加工中心(MC)与自动交换工件的装置, 同时, 数控系统还增加了自动检测与工况自动监控等功能。柔性制造单元可以作为组成柔性制造系统的基础, 也可用作独立的自动化加工设备。近来FMC以惊人的速度在发展。

柔性制造系统是由若干个柔性制造单元或3~20台CNC机床、物料输送装置或无人搬运小车、自动化储料仓库等组成的自动化生产系统。目前全世界拥有的柔性制造系统很多, 并以很快的速度增长, 具有良好的经济效益和社会效益, 加工质量稳定, 单机使用率从50%提高到70%~90%。1985年, 我国第一条FMS(JCS-FMS-1型系统), 由北京机床研究所与精密机床厂研制成功。

1.4 汽车的机电一体化

汽车的机电一体化的中心内容是以微机为中心的自动控制改善汽车的性能, 增加汽车的功能, 实现汽车降低油耗, 减少排气污染, 提高汽车行驶的安全性、可靠性、操作方便和舒适性。汽车行驶控制的重点是发动机的正时点火、燃油喷射、空燃比和废气再循环, 使燃烧充分, 减少污染, 节省能源; 汽车行驶中的自动变速和排气净化控制, 以使其行驶状态最佳化; 汽车的防滑制动、防碰撞, 以提高行驶的安全性; 汽车的自动空调, 自动高速车控制, 以提高其舒适性。近几十年, 国际各大汽车公司都加大了对汽车一体化的研究, 使汽车发展有了质的飞跃。

1.5 智能控制系统

智能控制是由人工智能与自动控制两部分组成, 目标就是使计算机去做那些只有人才能做具有智能的工作。由于科技发展, 人工智能按照两条不同途径探索电脑对人脑智能的模拟:仿学脑模型, 即从结构和功能模拟人脑; 不考虑脑结构, 直接通过启发式程序模拟人脑。智能控制系统有多级递阶智能控制系统、专家控制系统、仿人智能控制系统、自寻优模糊智能控制系统、自学习控制系统、学习控制系统、基于神经元网络的控制系统几种类型。近年来, 智能控制技术在工程上的应用有了很大突破, 各种机电设备和建设工程的智能化控制广泛普及。

2 机电一体化的发展趋势

随着科学技术和工业生产的飞跃发展, 机电一体化在以下几个方面引起学术界的重视并开展了有益的探讨。

2.1 计算机集成制造系统

计算机集成制造系统(CIMS)是在当代计算机信息技术环境下的制造技术和制造系统。它以计算机来支持制造系统的集成, 以提高企业对市场变化的响应速度, 它参与企业生产的各个环节, 从产品预测到设计制造, 从生产过程管理到服务各个环节, 是一个信息的采集、传递与加工过程。在CIMS发展过程中, 要注重人机一体化。在CIMS系统中处于核心地位的过程控制级计算机, 应配备必要的硬件和一定的软件功能。在软件方面, 要做到计算辅助设计(CAD)和计算辅助制造(CAM)与硬件的有机结合。在发展过程中, 要重视基本技术, 不盲目追求高度自动化、数字化。逐步实现机电一体化的柔性、自动化、全局化。

2.2 智能制造技术

智能制造系统(IMT)是由智能机器和人类专家组成的人机一体化系统, 是在人类专家的指导下, 做到人机的有机结合, 而不是取代人。智能制造系统具有很强的自律能力、人机一体化能力、高水平的人机一体化(即虚拟制造技术)。在软件的支持下, 有一定自组织能力、自我优化能力、自我修正能力。欧美各国都花费了很多人力物力在这方面的研究, 是机电一体化研究热点。

2.3 精益生产方式和敏捷制造技术

精益生产方式(LP)是以人为中心, 以简化为手段, 以尽善尽美为最终目标。包括雇员的介入, 全面生产力的保持, 及时化的生产, 全面质量管理组成。探讨更有效地简化企业的组织结构, 简化产品的开发过程, 简化零件的制造过程和产品的结构。

由于LP是基于企业或企业集团, 有一定的局限性, 于是出现了跨企业、跨地域、面向全球的制造技术即敏捷制造技术(AM)。它随着市场变化, 能快速形成不断变化的公司。形成虚拟制造系统达到产品设计制造过程的敏捷性, 实现人、技术与管理优化集成, 在企业内部及企业之间实施并行工程技术。

2.4 快速零件制造技术

快速零件制造技术(RPM)是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的技术总称。在加工中成型设备是无需专用夹具或工具的通用机器, 而且加工过程中较少由人干预或无人干预, 它由CAD软件设计零件的三维实体模型的数字模型, 然后根据工艺要求, 按一定厚度分层, 完成从三维实体模型到三维平面的转变, 进行加工处理, 生成数控加工代码, 再以平面加工方式生产每个深层要求, 是集计算机技术、数控技术、激光技术、材料技术等先进技术于一体。是零件制造加工技术的前沿技术, 是零件制造的一个新的发展方向。

2.5 面向21世纪的制造模式

随着新世纪的到来, 人们对制造模式有了新的认识。一次制造成功, 采用成组技术和分组作业方式, 按质、按量、按时完成, 做到零废品、零库存、零设备故障、零环境污染, 从以“技术”为中心向以“人”为中心转变, 从“金字塔式多层次管理”向“网络式管理”、由顺序工作方式向并行工作方式、由固定组织加工向敏捷制造加工转变, 特别是由质量第一向快速响应市场要求的转变。应用先进制造技术(AMT)投资项目的选择及经济评价, 使21世纪制造模式成为机电一体化研究的新领域。

3 机电一体化的应用前景和新认识

上述机电一体化发展趋势表明, 机电一体的应用前景十分广泛。研究机电一体化, 可望在以下方面取得成果。

(1) 进行产品创新设计, 推进产品设计的智能化、自动化和快速化, 提高产品开发能力。

(2) 开展机电一体化系统的设计, 使机械设备具有更高的柔性。

(3) 设计和研制各种性能优良、稳定高效的机器人和机电一体化设备, 实现工业生产和各种作业的柔性化和自动化。

(4) 创造适合各种特殊场合及工作条件的机电一体化设备。

机电一体化的发展, 使人们对于机械工业有了新的认识, 认为机电一体化设备和传统的机械设备有几点明显区别:由于增加了信息处理和控制的计算机, 机电集成和融合成了新一代机器的重要标志; 在整体上使机器更具有系统性、柔性、日趋智能化; 在技术上是融合多种技术为一体的一门新兴交叉学科。

4 结语

机电一体化已经从单纯研究机械技术、微电子技术、信息技术、材料技术等发展成为一门有机融合各项技术的一个整体。机电一体化是一门应用性很强的技术学科, 必将有力促进机电产品的创新和开发, 在高科技和经济发展中起重要作用。