自电子技术一问世,电子技术与机械技术的结合就开始了,只是出现了半导体集成电路,尤其是出现了以微处理器为代表的大规模集成电路以后,“机电一体化”技术之后有了明显进展,引起了人们的广泛注意。
(一)“机电一体化”的发展历程
1.数控机床的问世,写下了“机电一体化”历史的第一页;
2.微电子技术为“机电一体化''带来勃勃生机;
3.可编程序控制器、“电力电子”等的发展为“机电一体化”提供了坚强基础;
4.激光技术、模糊技术、信息技术等新技术使“机电一体化”跃上新台阶。
二“机电一体化”发展趋势
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,实现光学技术的先天优点是能有效地改进机电一体化系统的传感系统、能源(动力)系统和信息处理系统。光机电一体化是机电产品发展的重要趋势。
2.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,各个子系统是相互独立工作的,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作出不同反应。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。
3.全息系统化——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。这主要收益于模糊技术、信息技术(尤其是软件及芯片技术)的发展。除此之外,其系统的层次结构,也变简单的“从上到下”的形势而为复杂的、有较多冗余度的双向联系。
4.“生物一软件”化—仿生物系统化。今后的机电一体化装置对信息的依赖性很大,并且往往在结构上是处于“静态”时不稳定,但在动态(工作)时却是稳定的。这有点类似于活的生物:当控制系统(大脑)停止工作时,生物便“死亡”,而当控制系统(大脑)工作时,生物就很有活力。仿生学研究领域中已发现的一些生物体优良的机构可为机电一体化产品提供新型机体,但如何使这些新型机体具有活的“生命”还有待于深入研究。这一研究领域称为“生物——软件”或“生物系统”,而生物的特点是硬件(肌体)——软件(大脑)一体,不可分割。看来,机电一体化产品虽然有向生物系统化发展趋,但有一段漫长的道路要走。
5.微型机电化——微型化。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。
三、典型的机电一体化产品
机电一体化产品分系统(整机)和基础元、部件两大类。典型的机电一体化系统有:数控机床、机器人、汽车电子化产品、智能化仪器仪表、电子排版印刷系统、CAD/CAM系统等。典型的机电一体化元、部件有:电力电子器件及装置、可编程序控制器、模糊控制器、微型电机、传感器、专用集成电路、伺服机构等。这些典型的机电一体化产品的技术现状、发展趋势、市场前景分析从略。
四、北京发展“机电一体化”而临的形势和任务
机电一体化工作主要包括两个层次:一是用微电子技术改造传统产业,其目的是节能、节材,提高工效,提高产品质量,把传统工业的技术进步提高一步;二是开发自动化、数字化、智能化机电产品,促进产品的更新换代。
前者是面上的工作,普及工作;后者是提高工作,深层次工作。
(一)北京“机电一体化”工作面临的形势
1.北京用微电子技术改造传统工业的工作量大而广
(1)在700余家北京市属工业系统的企业中,有60%以上的企业用微电子技术改造机床设备、工业窑炉、风机电泵、生产过程的任务还未完成需要量的一半。
(2)北京工业系统还有2000余台机床设备亟需用微电子技术进行改造;在已改造的近6500台机床设备中,大约有15%需进一步改造。
(3)北京工业系统尚有近250座工业炉窑亟需用电子信息技术进行改造;且610座已改造过的工业炉窑也很有进一步应用模糊技术进行二次改造的必要。
(4)北京工业系统CAD应用还有较大差距。目前,北京工业品设计,CAD应用率仅17%(而美、日等国已超过85%;国内先进地区也超过了30%);CAD的覆盖率才达到11%(而全国CAD应用工程领导小组指出,“八五”期间大中型企业要达到35%,中小型骨干企业要达到15%—20%;到“九五”时,按国务委员宋健的要求,基本上要甩掉绘图板)。
(5)北京工业系统共有改造价值的各种风机电泵装机容量50万千瓦,尚49万多千瓦用变调速技术进行改造的任务,占总任务量的99.5%左右。
(6)工业是全市能源消耗大户。1992年,北京工业系统占全市能耗总量的59.5%.而北京是一个能源严重缺乏的城市,1992年北京工业系统万元产值能耗折合标煤为2.47吨,比上海的1.57吨高57%,比天津的2.15吨高14%,比先进的工业化国家高近9倍。因此,北京工业系统节能降耗的任务非常重,而电力电子技术是节能降耗的王牌。
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