1、機電一體化的創新及發展方向5機電一體化的創新及發展方向The Innovation and Development Direction of Mechatronics王宣銀 陶國良 陳 鷹(浙江大學機械電子控制工程研究所)摘 要:介紹了機電一體化的發展現狀, 討論了機電一體化的創新及其未來的發展方向, 并就如何提高我國的機電一體化水平提出幾點看法。關鍵詞:機電一體化 創新 發展方向Abstract :The current status of the mechatronics is introduced and its innovation and development direction

2、are dis-cussed in this paper .In the end some view on how improve the mechatronics in our country are proposed .Keywords:MechatronicsInnovationDevelopment direction1 概述隨著科學技術和人類社會的進步, 機電一體化的概念內涵也在發展。當初的機電一體化是指機械與電子的結合, 機電一體化產品也比較簡單。 80 年代, 高性能微處理器的出現立即在機電一體化產品中得到應用, 大大提高機電產品的自動化、智能化程度, 改善了產品性能。 此外,

3、光電元件在機電產品中得到大量應用。90 年代, 計算機網絡和通信技術的迅速發展給機電一體化提供了新功能遠程控制和遙控, 使機電產品更靈活, 更宜人。 此時, 機電一體化已不只是機械裝置與電子裝置的簡單組合, 而是機械、電子、控制、光學和信息技術和計算機技術的相互交叉和融合。 近年來, 微電子機械系統M EMS(Mi-cro-Electro-Mechanical System)作為機電一體化的一個發展方向而得到特別重視和研究。機電一體化包括機電一體化技術和產品兩方面 , 機電一體化技術是指其技術原理和使機電一體化產品得以實現、使用和發展的技術。 機電一體化產品是包含機械技術、微電子技術、計算機技

4、術、自動控制技術、光學技術以及通訊等各種技術的高科技產品。2 國內外機電一體化發展狀況2 .1 先進制造技術先進制造技術是傳統制造技術不斷吸收機械電子、信息、材料、能源及現代管理技術等技術成果, 將其綜合應用于制造全過程, 實現優質、高效、低耗、清潔、靈活生產, 取得理想技術經濟效果的制造技術的總稱。70 年代, 利用自動化裝備, 采用準時生產制(JIT)提高企業整體效率, 實現全面質量管理(TQM), 這是先進制造技術的前期。 此時, 出現了計算機集成制造系統(CIMS)等概念。 80 年代, 用戶對產品的質量、價格、可靠性和生產時間等要求越來越嚴 , 為了在激烈的市場競爭中處于不敗之地,

5、企業決策者紛紛改造自己的制造設備, 提高產品設計和制造技術, 加強組織和質量管理, 增強企業的快速應變能力, 掀起了制造技術革新的浪潮, 相繼出現了各種先進制造技術。 如:計算機輔助技術、柔性制造技術、資源規劃和企業管理技術、計算機集成制造技術以及先進的制造加工設備。90 年代, 以信息流為紐帶的制造技術得到廣泛重視和迅速發展。 出現了擬實制造(VM)、敏捷制造(AM)、快速原型制造(RPM)、并行工程(CE)等新技術。 圖 1 反映主要的先進制造技術。我國 70 年代開始 CAD 、CAM 技術的研究, 主要集中在一些大學, 如清華大學、華中理工大學、浙江大學。 目前, 已推出一些國產的 C

6、AD 、CAM 軟硬件平臺和系統, 如華中的開目。 我國對 CIMS 的研究也比較重視, 一些高校和研究所都成立了 CIMS 中心。2 .2自動化儀表與傳感器機電一體化技術促使儀器儀表的迅速發展。 微處理器在儀器儀表中的應用使自動化儀表發生了根本性的變革, 提高了儀表的智能、精度、可視性、可靠性和可操作性, 減小了體積、重量和結構設計的難度, 增加了功能和柔性, 降低了成本。 出現了各種類型的以微處理器為核6機電一體化 Mechatronics 2000 年第 6 期計計算機輔助設計(CAD)算先機計算機輔助工藝設計(CAPP)輔計算機輔助制造(CAM)助技計算機輔助裝配(CAA)術計算機輔助

7、工程(CAE)CAX器、集成光學傳感器、生物傳感器、智能傳感器、化學場效應晶體管、薄膜傳感器、模糊傳感器等。 生物傳感器具有信息采集、轉換、傳輸等多種功能, 能了解生命過程中的各種信息, 如用于診斷疾病的 DNA 傳感器以及各種人造器官的生物傳感器, 有著廣闊的應用前程。 智能傳感器具有儲存、記憶、學習和控制功能。 21 世紀, 傳感器的發展趨勢是智能化、微型化、低功耗化、集成化、多功能化、無線化。進 資源規劃和生產管理技術先制 進制造設造備快速原型技制造技術RPM主生產計劃編排(MPS)制造資源規劃(MRP-)全面質量控制(TQC)數控加工中心(CNC)直接數控(DNC)柔性制造單元(FMC

8、)柔性制造系統(FMS)柔性裝配系統(FAS)自動材料運輸系統(AMH)自動導引車(AGV)機器人(ROBOT)三維印刷術(SLA)選擇性激光燒結(SLS)激光快速立體成型(LSL)快速蠟模制造(IWMM)層壓物體制造(LOM)熔融沉積造型(FDM)2 .3機器人技術機器人技術的主要發展方向是智能化、模塊化、多機化、家庭化、極限化、微型化。 智能化是指機器人具有人的思維、推理、情感和自主決策等高級智能。 模塊化是指利用一些標準的機器人模塊(部件)迅速組成具有特定功能或多功能的機器人。 比如, 購買標準的機器人機身、手、腿、腦(機器人控制器), 通過集成可快速生產出能完成某些作業的機器人。 多機

9、化是指現代生產過程中需要多臺機器人協同作業, 它比單機器人控制、規劃更難更復雜。 家庭化是指隨著人類社會的老齡化和年輕人價值觀的變化, 機器人將越來越多地進入家庭服務行業 , 家用機器人在普通家庭中蘊藏著巨大的潛在市場。 盡管家用機器人的開發和普及存在許多諸如智能、情感、控制、規劃、安全等問題, 但可以預料機器人將像計算機一樣進入百姓家庭。 極限化是指在一些非常惡劣的環境下進行極限作業的機器人, 比如火星探測、深海作業、火山救護等。 極限作業機器人的需求將越來越大, 是機器人的一個發展方向。 微型化是指用微型機械和電子組成的機器人, 它們可以進行常規尺寸機器人無法進行的作業, 比如微型醫用機器

10、人能進入人的血管,診斷心臟血管內部的疾病, 并用微型手術刀做手術。 又如利用軍用微型機器人進行監視、攝取和收集信息。 微型機器人的研究國內外都非常重視, 科學家正在研究類似昆蟲的機器人, 還在設想研究出像生物細胞樣的機器人零件 , 并由它們組成具有自我“ 修復” 功能的微型機擬實制造(VM)術 敏捷制造(AM)并行工程(CE)圖 1 先進制造技術心 , 具有數據采集與處理 、儲存記憶 、自動控制、通訊 、顯示、打印報表等多功能的自動控制儀表。 變送器已從過去的力平衡機械傳感式發展成固態傳感式 , 如電容式、復合半導體壓阻式、石英諧振式、擴散硅式。 微處理器使變送器具有誤差補償、自動標定與調零、

11、自動變換量程和故障自診斷等多種功能。 傳感器的水平反映了一個國家的科技發達程度 , 世界各國都非常重視, 特別是對一些新穎的先進的高科技傳感器的研究 , 如超導傳感器人。3 機電一體化產品的創新當今的市場是用戶的市場, 用戶至上是企業的宗旨 。只有不斷滿足用戶日益增長的要求, 開發出新產品才能使企業在激烈的市場競爭中立于不敗之地。 因此,機電一體化產品的開發要以市場需求為導向, 從產品的造型、功能、結構、材料、傳感檢測、控制等方面進行創新性的研究。3 .1造型的創新產品的外型如同人的面孔一樣重要。 用戶首先看到的是產品的外觀 , 漂亮美觀給人賞心悅目的感覺。 因此 , 機電一體化產品造型的創新

12、非常重要。 機電一體化產品的造型設計不僅要美觀, 還要與其功能機電一體化的創新及發展方向7相適應 , 要考慮機電之間的耦合和與周邊設備的接口, 同時要兼顧操作。 機電一體化產品造型的設計可采用基于數據庫的檢索式計算機輔助造型 , 機電一體化 CAD 虛擬原型法、計算機輔助幾何造型算法等方法進行。3 .2功能的創新機電一體化產品的功能創新有兩種含義, 一種是對現有的機電一體化產品進行功能的改進、完善和創新, 使其更符合用戶的要求。 另一種是根據社會的需求, 創新性的研制、開發具有新功能的新機電一體化產品。 前者可以很快的對原有機電一體化產品進行升級或更新換代, 幾乎沒有風險。 花費較小的精力和物

13、力便能獲得很大的社會、經濟效益, 增強企業的競爭能力。 后者需要一定的投資, 包括技術和資金, 研制開發周期相對前者較長, 此外還有一定的風險。 但它是企業的活力和后盾, 是企業能持續穩定發展的保證。 企業要生存、要發展, 就必須不斷研制和開發能滿足人們新需求的具有新功能的全新產品。3 .3結構的創新結構的創新是機電一體化產品創新的途徑之一。無論是在進行機電一體化產品的改進還是創新設計中, 結構的創新性設計都非常重要 , 包括機械結構、傳動方式、動力配置 , 以及與周邊設備的接口形式等。3 .4材料的創新材料的創新在機電一體化產品的創新中有兩個方面, 一方面是研制和開發用于機電一體化產品的新材

14、料,如新的金屬化合物、金屬基復合材料、陶瓷材料、高分子材料、高性能稀土材料、納米材料、智能材料。 這一方面的研究和開發, 雖然屬于材料科學領域, 但針對一些機電一體化新產品開發來進行這方面的基礎研究也未嘗不可。 另一方面是, 選用重量輕、體積小、強度剛度高、阻尼特性好以及具有某些特殊性能如耐腐蝕、耐磨、耐高溫、抗震等新材料。3 .5傳感的創新傳感器本身就屬于機電一體化產品。 研究新的傳感檢測原理、敏感元件和高性能傳感器, 對機電一體化產品的創新非常重要。 針對某些機電一體化產品, 開發專用的傳感器, 無疑是企業保持機電一體化產品領先的法寶。 此外 , 迅速利用最新的傳感器 , 開發新的或改進原

15、有的機電一體化產品對企業來說更為重要。3 .6控制的創新機電一體化產品(系統)性能的好壞與控制系統有很大關系 , 如執行機構的位移、速度、加速度的控制。 隨著微電子技術的飛速發 展, 高速、多功能微 處理器層出不窮, 這使在機電一體化產品中采用諸如自適應控制、模糊控制、神經網絡控制等現代控制策略變為現實。 目前 , 機電一體化產品大多只具有低級智能。 研究具有控制、自學習、狀態監視、故障自診斷等功能的機電一體化產品是很有發展前途的 , 能出奇制勝 , 贏得市場競爭, 是機電一體化產品創新的理想途徑之一。4 機電一體化的發展方向機電一體化是機械、電子、光學、控制、計算機、信息等多學科的交叉融合,

16、 它的發展和進步依賴于也促進相關技術的發展和進步。 因此, 機電一體化的主要發展方向有智能化、模塊化、網絡化、人格化、微型化、帶源化、綠色化。4 .1智能化人類社會的發展和進步體現在人腦的智能上。 毫無疑問, 機電一體化的發展和進步也體現在其產品的智能上 , 因此智能化是它的一個重要發展方向。 如何賦予機電一體化產品智能, 使它具有人的判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力。 誠然, 使機電一體化產品具有與人完全相同的智能, 是不可能的。 對每件機電一體化產品來說 , 這也是沒有必要的。 因此 , 不要一味地追求高智能和多智能, 而應視具體的產品及其使用的場合。 目前, 高性能、高速度微處理器使機

17、電一體化產品賦有低級智能或人的部分智能 , 則是完全可能而又必要的。4 .2模塊化模塊化是一項重要而又艱巨的工程。 由于機電一體化產品種類和生產廠家繁多 , 研制和開發具有標準機械接口、電氣接口、動力接口、環境接口的機電一體化產品單元是一項十分復雜但又非常有前途的事。 如研制集減速、智能調速、電機于一體的動力單元, 具有視覺、圖像處理、識別和測距等功能的控制單元, 以及各種能完成典型操作的機械裝置。 這樣, 可利用標準單元迅速開發出新的產品, 同時也可擴大生產規模。這需要制訂各項標準 , 以便各部件、單元的匹配和接口。 由于利益沖突 , 近期很難制訂國際或國內這方面的標準 , 但可以通過組建一

18、些大企業來逐漸形成。 顯然, 從電氣產品的標準化、系列化帶來的好處可以肯定, 模塊化將給機電一體化企業帶來美好的前程 , 無論是對生產標準機電一體化單元的企業還是對生產機電一體化產品的企業。4 .3網絡化90 年代, 計算機技術的突出成就是網絡技術。 網絡技術的興起和飛速發展給科學技術、工業生產、政治、軍事、教育以及人們日常生活都帶來了巨大的變革。 各種網絡將全球經濟、生產連成一片, 企業間的競爭也全球8機電一體化 Mechatronics 2000 年第 6 期化。機電一體化新產品一旦研制出來, 只要其功能獨到,質量可靠, 很快就會暢銷全球。 由于網絡的普及, 基于網絡的各種遠程控制和監視技

19、術方興未艾, 而遠程控制的終端設備本身就是機電一體化產品。 現場總線和局域網技術使家用電器網絡化已成大勢, 利用家庭網絡(Home-Net)將各種家用電器連接成以計算機為中心的計算機集成家電系統(CIAS-Computer Integrated Appliance System), 使人們在家里充分享受各種高技術帶來的幸福和快樂。 因此, 機電一體化產品無疑朝著網絡化方向發展。4 .4人格化機電一體化的人格化有兩層含義。 一層是, 機電一體化產品的最終使用對象是人, 如何賦予機電一體化產品人的智能、情感、人性越來越顯得重要, 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

20、理, 研制各種機電一體化產品。 事實上, 許多機電一體化產品都是受動物的啟發研制出來的。4 .5微型化微型化興起于 80 年代末, 是機電一體化的一個新的發展方向, 國外稱微電子機械系統 MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)。 微機電一體化產品, 泛指幾何尺寸不超過 1cm3 的機電一體化產品, 并向微米、納米級發展。 微機電一體化產品體積小, 耗能少, 運動靈活, 在生物醫療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優越性, 是近年和將來十大關鍵技術之一。4 .6帶源化帶源化, 是指機電一體化產品自身帶有能源, 無需外部供電。 能源一直是科學家研究的重點, 太陽能

21、電池、燃料電池和各種高性能大容量電池相繼產生。 在許多場合, 無法使用電能。 而對于運動的機電一體化產品, 自帶動力源有其獨特的好處和優勢。 試想, 人類靠外部供應動力是什么滋味, 社會將變成什么樣子。 因此, 帶源化是機電一體化的發展方向之一。4 .7綠色化工業的發達給人們生活帶來了巨大變化。 一方面,物質豐富, 生活舒適, 另一方面, 資源減少, 生態環境受到嚴重污染。 于是, 人們呼吁保護環境資源, 回歸自然。 綠色產品概念在這種呼聲下應運而生, 綠色化是時代的趨勢。綠色產品在其設計、制造、使用和銷毀的生命過程中, 符合特定的環境保護和人類健康的要求, 對生態環境無害或危害極少, 資源利

22、用率最高。 設計綠色的機電一體化產品, 具有遠大的發展前途。 機電一體化產品的綠色化主要是指, 使用時不污染生態環境, 壽寢時不成機電垃圾, 能回收利用。5 如何提高我國機電一體化的水平5 .1 加強基礎研究機電一體化涉及的學科領域很廣, 是一門獨立的綜合性、交叉學科, 與各種基礎理論和專業技術息息相關,它的發展依賴于很多科學技術的進步。 因此, 要趕上或超過世界發達國家機電一體化水平, 就必須加強相關領域的基礎理論研究, 利用新原理、新理論帶動機電一體化的突破。5 .2注重人才培養21 世紀的競爭是人才的競爭 , 發展中國家的人才大量向發達國家流動是當今一個需要引起我們高度重視的問題。 如何培養人才 , 如何留住人才是一個社會性的問題。 機電一體化涉及的技術很多, 培養這方面的人才應按照“ 機為主 , 電為次 , 控制、計算機和信息為輔” 的原則。 要著重培養學生的機械設計理論、方法 , 掌握電子、控制的基本原理 , 能利用計算機進行設計、管理 , 會選用電器元件和傳感器 , 并具有初步的軟件編寫和開發能力。 培養博士生、碩士生、本科生、大專生、技師、操作維修人員等各種不同層次人才從事和適應不同工作。5 .3瞄準技術創新和產品開發機電一體化技術集中體現在其產品上, 換句話說, 機電一體化產品的先進性反映一個國家科學技術的發達程度, 特別是一個國家的加工制造、