机电一体化技术的发展与思考

山西焦煤科技

ShanxiCokingCoalScience&Technology󰀁

󰀁No.3

.2007󰀁󰀁Mar

󰀁专题综述󰀁

机电一体化技术的发展与思考

石美峰

󰀁

(西山煤电集团公司信息中心)

󰀁󰀁摘󰀁要󰀁机电一体化是机电与微电子技术的有机结合,是现代科学技术发展的必然结果。本文简述了机电一体化技术的基本概要和发展背景,分析了机电一体化技术的发展趋势。

关键词󰀁机电一体化技术;国内现状;煤矿机电一体化;发展方向

󰀁󰀁20世纪80年代中期以来,计算机特别是微型计算机已日益广泛应用于机械产品和生产过程的控制,使机、电有机地结合,发展成机电一体化技术。机电一体化技术的应用,给机械行业带来了显著的效益,提高了生产率,提高了产品的性能和质量,降低了原材料消耗,节约了能源,减轻了操作工人的劳动强度,增强了企业在市场中的竞争力。󰀁机电一体化󰀁是微电子技术、计算机技术、信息技术与机械技术相结合的综合性高新技术,是机械技术与微电子技术的有机结合。

1󰀁机电一体化的内容

1)机电一体化技术是从系统工程观点出发,应用机械、电子等有关技术,使机械、电子有机结合,实现系统或产品整体最优的综合性技术。机电一体化技术,主要包括技术原理和使用机电一体化产品(或系统)得以实现、使用和发展的技术。机电一体化技术是一个技术群(族)的总称。

2)机电一体化系统(产品)由若干具有特定功能的机械和电子要素组成的有机整体,具有满足人的使用要求的最佳功能,机电一体化系统(产品)。主要是指机械系统(或部件)与微电子系统(或部件)相互置换和有机结合,从而赋予新的功能和性能的新一代产品,有良好的人机协作关系。一个机电一体化的系统主要是由机械装置、执行装置、动力源、传感器、计算机这5个要素构成。

造。

3)可以根据负荷及运行情况进行调整与控制。具有节能的特点。

4)具有自动监视、诊断功能及某些智能,使安全可靠性大幅度提高。3󰀁机电一体化产品的类别

1)典型的机电一体化产品。这类产品机与电有机地融为一体。具有较完整的结构。如数控加工中

3)机电一体化工程(机械电子工程)是机械工程与电子工程的综合集成,即给定机电一体化系统(或产品)󰀁目的功能󰀁与󰀁规格󰀁后,机电一体化技术人员利用机电一体化技术进行设计、制造的整个过程体系。机电一体化工程是系统工程在机电一体化系统(产品)中的具体应用。

4)机电一体化思想体现了󰀁系统设计原理󰀁和󰀁综合集成技巧󰀁。系统工程、控制论和信息论是机电一体化技术的方。从某种意义上讲、机电一体化思想相当于󰀁一体化󰀁思想。它带来了诸如光电机一体化、机电液一体化、科工贸一体化、人机一体化等技术及其产品。

2󰀁机电一体化产品的主要优点

1)具有记忆、运算、控制、信息处理等功能。从而达到产品的高性能、多功能化和智能化。

2)结构简化。使产品向着轻、薄、细、巧的方向迅速发展,易采用标准化、模块化的方法进行设计、制

󰀁作者简介:石美峰󰀁女󰀁1972年出生󰀁1992年毕业于山西省纺织工业学校󰀁助理工程师󰀁太原󰀁030053󰀁8󰀁山西焦煤科技2007第3期

心、工业机器人、彩色复印机、自动绘图机等。这些产品属于机电一体化的高级形式。它们单靠机械或电子是无法或很难实现的,机械与电子一旦分离,整机即无法运行。

2)机械产品中的一部分控制功能和机构用电子装置代替。这类产品如打印机、机电一体化照相机、带微机控制或数字显示的各种机械设备等。

3)以微电子装置代替原设备的信息处理机构。这类产品如指针式石英电子表、全电子式电话交换机、带微处理器的各种仪表、电机调速装置等。4󰀁我国机电一体化产品发展及应用概况

欧美等发达国家对机电一体化产品技术研究较早。但在初期,由于当时电子技术的发展尚未达到一定水平,机械技术与电子技术的结合还不可能广泛和深入发展。但计算机技术、控制技术、通信技术的不断发展,为机电一体化的发展奠定了技术基础。大规模、超大规模集成电路和微型计算机的迅猛发展,为机电一体化的发展提供了充分的物质基础。机电一体化技术和产品得到了极大发展。到20世纪90年代后期机电一体化进入深入发展时期。一方面,光学、通信技术等进入了机电一体化,微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚,出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支;另一方面,机电一体化系统的规模设计、分析和集成方法,机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。同时,由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步,为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。这些研究,将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。

我国从20世纪80年代初开始在这方面进行研究和应用,成立了机电一体化领导小组并将该技术列为󰀁863计划󰀁。在制定󰀁九五󰀁规划和2010年发展纲要时充分考虑了国际上关于机电一体化技术的发展动向和由此可能带来的影响,许多大专院校、研究机构及一些大中型企业对这一技术的发展及应用做了大量的工作,并取得了一定成果,但与日本、欧美等先进国家相比仍有相当差距。5󰀁我国煤矿机电一体化技术的发展与思考

近几年来,我国煤矿机电一体化产品的研究和生产得到长足的进步。例如,国产电牵引采煤机已经占领国内市场,核心部分是由安装在采煤机上的计算机和传感器组成,具有多种保护、遥控功能。开关磁阻电机用于采煤机电牵引,使电牵引采煤机的机电一体化水平得到进一步提高。全数字直流提升机、全数字交变频提升机业已研制成功,并且投入使用,效果良好。国产全数字化直流提升机也已占领国内市场。此外,我国在液压支架电液控制、胶带运输机、矿井供电设备以及风机、水泵、压风机、局扇等设备上也都有成熟的机电一体化产品。但国产煤矿机电一体化产品还存在许多问题,例如核心部分国产化程度不高;单机自动化水平尚可,但一般不具备通信功能,处于󰀁自动化孤岛󰀁状态;设备监测信息量不少,但未得到充分利用。

因此,发展国产煤矿机电一体化产品,在技术上还应注意以下几点:

1)研究具有自主知识产权的核心装置,增加产品国产化的比例。

2)增加产品的通信功能,以适应综合自动化的需要。

3)进一步提高产品(尤其是大型设备)的故障诊断功能和智能化程度。6󰀁机电一体化的发展趋势

机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合,它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。因此,机电一体化的主要发展方向如下。

1)光机电一体化。一般的机电一体化系统是由传感系统、能源系统、信息处理系统、机械结构等部件组成的,因此,引进光学技术,能有效地改进机电一体化系统的传感系统性能、能源(动力)系统和信息处理系统性能,光机电一体化是机电产品发展的重要趋势。

2)全系统化󰀁智能化。今后的机电一体化产品󰀁全息󰀁特征越来越明显,智能化水平越来越高。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。这主要受益于模糊技术、信息技术(尤其是软件及芯片技术)的发展。机器人与数控机床的智能化就是其重要应用。

3)技术产品󰀁网络化。20世纪90年代,计算机技术等的突出成就是网络技术。网络技术的兴起2007年第3期石美峰:机电一体化技术的发展与思考

󰀁9󰀁

和飞速发展给科学技术、工业生产、政治、军事、教育等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。因此,机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。

4)微型机电化󰀁微型化。泛指几何尺寸不超过1cm的机电一体化产品,正向微米、纳米级发展。目前,利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术,在实验室中已制造出亚微米级的机械元件,当将这一成果用于实际产品时,就没有必要区分机械部分和控制器了。届时机械和电子完全可以󰀁融合󰀁,机体、执行机构、传感器、CPU等可集成在一起,体积很小,并组成一种自律元件。这种微型机械学是机电一体化的重要发展方向。

5)自律分配系统化󰀁柔性化。未来的机电一体化产品,控制和执行系统有足够的󰀁冗余度󰀁,有较强的󰀁柔性󰀁,能较好地应付突发事件,被设计成󰀁自律分配系统󰀁。在自律分配系统中,各个子系统是相互工作的,子系统为总系统服务,同时具有本身的󰀁自律性󰀁,可根据不同的环境条件做出不同反应。其特点是子系统可产生本身的信息并附加所给信息,在总的前提下,具体󰀁行动󰀁是可以改变的。这样,既

3

明显地增加了系统的适应能力(柔性),又不因某一子系统的故障而影响整个系统。

6)设计产品󰀁绿色化。工业的发展给人们生活带来了巨大变化。一方面,物质丰富,生活舒适;另一方面,资源减少,生态环境受到严重污染。于是,人们呼吁保护环境资源,回归自然。绿色产品概念在这种呼声下应运而生,绿色化是时代的趋势。绿色产品在其设计、制造、使用和销毁的生命过程中,符合特定的环境保护和人类健康的要求,对生态环境无害或危害极少,资源利用率极高。设计绿色的机电一体化产品,具有远大的发展前途。7󰀁结束语

综上所述,机电一体化是许多科学技术发展的结晶,是社会生产力发展到一定阶段的必然要求。微机电一体化又是机电一体化的一个重要分支和发展,是当代微机械技术(或纳米机械技术)和先进的微电子技术的高度融合,是微米(或纳米)水平的机电一体化。微机电一体化技术发展的瓶颈,是微机械技术(或纳米机械技术),电子和软件技术已满足要求,但机械元件至今很难做到小型化,无法适应微小空间的接口连接,控制协调和机电动作。科学家预言,微机电一体化是今后10年十大关键技术之一。

󰀁收稿日期󰀁2007-02-26

DevelopmentandThinkingofElectromechanical

IntegrationTechnology

ShiMeifeng

Abstract󰀁Electromechanicalintegrationistheorganicintegrationofmechanoelectronicandmicro-electronics,itisthecorouaryofmodernsciencetechnologydevelopmen.tThistextexpoundsbrieflythebasicoutlineanddevelop󰀁mentbackgroundsofelectromechanicalintegrationtechnologyandanalysesthedevelopmenttrendofelectromechanicalintegrationtechnotogy.

Keywords󰀁Electromechanicalintegrationtechnology;Domesticcurrentsituation;Electromechanicalintegrationforcoalmine;Developmentdirection