机电一体化技术的发展

今后,机电一体化技术发展的趋势是“信息物理融合系统”(或称“智能技术系统”)。“信息物理融合系统”的含义是:由具备物理输入输出且可互相作用的元件组成的网络。它不同于未联网的独立设备,也不同于没有物理输入输出的单纯网络。

根据“系统生命周期管理”的理念和“信息物理融合系统”的技术要求,机电一体化今后发展的方向如下。

1.创建跨学科的物理与信息系统融合的工程系统

由于机电一体化系统涉及机械、电工电子、检测控制、智能和计算机软硬件诸多学科和领域,在开发机电一体化系统(产品)时,应当把它看作是一个工程系统,按系统工程的思想将各学科统领在一起;按系统分析的方法,从体系结构上将其分解为跨学科的子系统或模块;从生命周期的角度将其视为一个多学科融合的系统流程;通过对系统的动态分析与优化,确保产品在其生命周期内实现高品质、高可靠性、高性价比,并在预定时间内达到用户和利益相关者要求的目标。在这里应当强调的是,今后开发任何机电一体化系统(产品),都应当应用上述以开发阶段特定的数字系统模型为基础建立的贯穿于产品整个生命过程的跨学科的系统工程方法。

2.智能化设备的普遍应用

目前,许多工作希望机电一体化系统(尤其是机器人)具有判断推理、逻辑思维、自主决策的能力,在客观上对智能化的机电一体化产品(系统)提出了强烈的需求;而嵌入式微处理器性能的极速提高(运算速度快、性能稳、功能全、体积小、价格低),智能科学技术和控制技术(专家系统、模糊逻辑、神经网络、遗传算法及其混合技术)的日臻成熟,传感器系统的集成化和智能化,为机电一体化系统的智能化提供了强有力的技术支持,因此,机电一体化系统智能化趋势会越来越急迫。在21世纪具有像人的四肢,灵巧的双手,敏感的视觉、听觉、触觉的机器人必将被研制出来。智能化设备将到处可见。

3.大力促进软件的开发与应用

由于智能机电产品的种类会越来越多,数量会越来越大,智能水平会越来越高,所以,软件在产品开发过程中的应用和在产品中的应用会越来越多,主要有两个方面。

(1)抓紧开发工具软件

前面所说SysLM软件目前还没有完整的应用系统,还停留在各子系统整合的阶段,急需有人在各子系统整合的基础上编制一套好用的系统软件,以利于机电一体化系统(产品)的开发设计和系统生命周期管理。

(2)快速提高智能产品中软件的水平

当前,信息技术和软件已成为工业中最重要的增长动力,拥有强大的工业软件是取得竞争主动权的重要因素。在机电行业更是如此,因为其产品的增值点就在于智能化,而智能化的支撑就是产品的应用软件。只有高水平的软件才能真正实现智能化,所以,过去只针对微处理器编写的驱动程序和针对检测控制子系统编写的数据处理和控制程序已远远不能适应智能产品的需要;现在需要的是使产品具有判断推理、逻辑思维和自主决策功能的软件和能对产品进行远程监测和远程维护的软件。

今后软件在机电一体化产品中所占比重会越来越大,以至于机电一体化系统的结构模型将由广义执行子系统、检测控制子系统和智能决策子系统(机械、电子和计算机)三个子系统组成,而且计算机软硬件所占比重会大大超过机械与电子所占的比重。

4.计算机网络普遍应用

网络需求体现在三个方面。

(1)集散控制系统

将许多机电一体化设备用计算机网(现场总线、局域网或Internet)联系起来,实现全系统的联控,协同工作。

(2)计算机集成设计、制造、管理系统

将企业内的机电一体化系统通过Internet或Intranet与企业的Sys LM系统互联,实施管理、设计、生产的全面智能化与自动化。

(3)遥测、遥控、遥操作

将企业内的机电一体化系统接入Internet中,实现远程管理(遥控、遥测、远程故障诊断、维护、远程软件设置等)。

对上述需求,目前的网络通信技术和组网技术(有线、无线、广域网、局域网)都发展到可以实现的地步,所以计算机网络会普遍应用。

5.产品完全模块化

模块化设计在机电产品设计中早已逐步推广,如组合机床、通信设备、仪器、仪表、计算机算、电路板的单元化等。模块化设计,很容易利用已有典型单元构成客户急需的个性化产品;同时,在制造过程中也便于组装;在使用过程中便于维修(一般换块电路板,或换一个机械部件);在修改设计时便于改型重组与功能扩展。由于有那么多好处,所以在Sys LM系统中完全采用模块化设计。

要想使模块化设计全面推开,必须做两方面的工作。

(1)制定标准

首先制定国内标准,然后制定国际标准,使模块系列化、标准化,大家按标准设计与制造,则可迅速推广。

(2)要研制开发出各类不同模块(或单元)之间的接口

如机械接口、电气接口、动力接口和环境接口等,以适应互联互通。

由于模块化设计与生产,对国家、企业、社会都有好处,相信不久的将来使用Sys LM系统,产品会完全模块化。

6.产品完全数字化

在Sys LM系统中,产品的整个生命周期都是先虚拟后实体,所以产品必须全部数字化,而且要把数字化的产品存储在数据库中。这些数据不仅设计时要用,在生产制造(包括采购原材料和标准件)、运行维护、销售、回收各个阶段都要用。

7.更人格化

人格化是从两个方面考虑的:一个方面是人性化;另一个方面是拟人化。

(1)人性化

随着机电一体化产品智能化程度的提高,它的安全、可靠性就越来越重要。比如,日本最新研发的机械人,能识别人的表情,而且根据表情说话。但它毕竟是机器人,是由专家系统控制的(或其他系统控制),没有人为自主控制能力,也不能随机应变,所以要防止它判断错误而伤人,要特别注意它的人性化,在控制程序中要赋予它智能、情感和人性。

(2)拟人化

研究机器人的目的,就是想让机器代替人的工作。最初的机器人比较笨重,主要是代替人去从事烦琐的重复工作、劳动强度大的工作、环境恶劣下的工作、速度快的工作和危险的工作。现在已进入替人解闷的时代,因此今后的机器人,不但要有动作,还要有知觉、有感情。这就需要很好地研究仿生学;在仿生学的指导下,完成拟人机器人的设计。

机电一体化产品的人格化是人类的理想,该方向也很有前途,也是一种趋势,会有许多有志者投入其中。

8.微型产品将成为一个重要方向

由于生物医学和军事上的需要,20世纪末,出现了微机电系统(MEMS),其几何尺寸一般不超过1 cm3,且正向微米、纳米级方向发展。MEMS高度融合了微机械技术,微电子技术和软件技术;由于高度集成化和特殊的用途,它一出现,就有异军突起之势,一跃而成为新的尖端分支而备受关注。

由于MEMS的体积太小,要想很好地满足人们的需要,还需在材料、机构设计、摩擦特性、加工方法、测试与定位以及驱动方式等方面进行深入的研究,解决其中的难题。

目前,重点发展的MEMS有:专用集成微型仪器、微型惯性仪表、微型机器人和纳米卫星等。

基于MEMS体积微小、重量轻、耗能少、能进入一般机械无法进入的空间,并易于进行精细操作,故在生物医学、航空航天、信息技术、国防军事、防危救灾、工农业等各个领域都有广泛的应用前景,相信近期会有很多有兴趣者投入到这个分支来。

9.自带能源是永恒的主题

机电一体化产品自身带有能源,无须外部供应,这是人们梦寐以求的事情。

由于机电一体化产品应用领域广、类型多、体积大小不一,且大多数都在运动,自带能源很早就是人们渴望的事情。因为自带能源以后,产品能在任何地方使用而不受能源供给的影响。因此,研究机电一体化产品自身能携带的能源,既急需,又前景广阔。

10.设计制造更趋向多样化

由于机电一体化系统应用领域广,涉及的知识面宽,产品类型多,在它的发展进程中,已不再沿袭传统的设计制造,呈现出多样化的趋势,具体表现在以下几个方面。

(1)方案构思多样化

在概念设计阶段,不再按传统的思想去做,而是广开思路。比如,在设计广义执行子系统时,尽量将驱动装置与执行机构做到一起,或直接连接省去传动机构;比如,采用多机驱动(以前尽量避免)将一个复杂运动的机构,分解为几个简单运动机构的组合;比如,压电式加速度传感器不再外接电源,就利用其运动产生的电荷等。

(2)选材多样化

机电一体化产品已不再完全选择金属材料:有的用塑料,有的用半导体材料(如MEMS),有的用纳米材料。

(3)制造技术多样化

机电一体化产品的加工也不完全按传统的机械加工、组装的方法,而是因材料而异。比如,半导体材料用光刻法,复杂零件采用计算机打印成形法算。

(4)动力多样化

既有传统的电动机、液压和气动,又有电磁铁、弹簧、压电驱动元件、记忆合金和微马达(有静电、超声、电磁、谐振和生物五种)。后三类都是微动装置。研究新型的动力源,是永恒的课题。

机电一体化有广阔的发展前景,同学们将大有作为,展开理想的翅膀,在机电一体化广阔的领域里翱翔吧!