机电一体化概论

机 电 一 体 化 概 论 一 、 机 电 一 体 化 系 统 的 基 本 组 成 要 素 二 、 机 电 一 体 化 中 共 性 关 键 技 术 三 、 机 电 一 体 化 发 展 趋 势 一 、 机 电 一 体 化 系 统 的 基 本 组 成 要 素 一 个 较 完 善 的 机 电 一 体 化 系 统 ， 应 包 含 以下 几 个 基 本 要 素 ： 机 械 本 体 、 动 力 与 驱 动 部分 、 执 行 机 构 、 传 感 测 试 部 分 、 控 制 及 信 息处 理 部 分 。 我 们 将 这 些 部 分 归 纳 为 ：结 构 组 成 要 素 、 动 力 组 成 要 素 、 运 动 组 成 要素 、 感 知 组 成 要 素 、 智 能 组 成 要 素 ； 这 些 组成 要 素 内 部 及 其 之 间 ， 通 过 接 口 耦 合 、 运 动传 递 、 物 质 流 动 、 信 息 控 制 、 能 量 转 换 有 机融 合 集 成 一 个 完 整 系 统 。 1 机 械 本 体 系 统 所 有 功 能 元 素 的 机 械 支 持 结 构 ，包 括 机 身 、 框 架 、 联 接 等 。 由 于 机 电 一 体化 产 品 技 术 性 能 、 水 平 和 功 能 的 提 高 ， 机械 本 体 要 在 机 械 结 构 、 材 料 、 加 工 工 艺 性以 及 几 何 尺 寸 等 方 面 适 应 产 品 高 效 、 多 功能 、 可 靠 和 节 能 、 小 型 、 轻 量 、 美 观 等 要求 。 2 动 力 部 分 按 照 系 统 控 制 要 求 ， 为 系 统 提 供 能 量 和 动 力 使系 统 正 常 运 行 。 用 尽 可 能 小 的 动 力 输 入 获 得 尽 可 能大 的 功 能 输 出 ， 是 机 电 一 体 化 产 品 的 显 著 特 征 之 一 。 驱 动 部 分 在 控 制 信 息 作 用 下 、 提 供 动 力 、 驱 动各 执 行 机 构 完 成 各 种 动 作 和 功 能 。 机 电 一 体 化 系 统一 方 面 要 求 驱 动 的 高 效 率 和 快 速 响 应 特 性 ， 同 时 要求 对 水 、 油 、 温 度 、 尘 埃 等 外 部 环 境 的 适 应 性 和 可靠 性 。 由 于 几 何 尺 寸 上 的 限 制 ， 动 作 范 围 狭 窄 ， 还需 考 虑 维 修 和 实 行 标 准 化 。 由 于 电 力 电 子 技 术 的 高度 发 展 ， 高 性 能 步 进 驱 动 、 直 流 和 交 流 伺 服 驱 动 大应 用 于 机 电 一 体 系 统 3 测 试 传 感 部 分 对 系 统 运 行 中 所 需 要 的 本 身 和 外界 环 境 的 各 种 参 数 及 状 态 进 行 检 测 ，变 成 可 识 别 信 号 ， 传 输 到 信 息 处 理单 元 ， 经 过 分 析 、 处 理 后 产 生 相 应的 控 制 信 息 。 其 功 能 一 般 由 专 门 的传 感 器 和 仪 器 仪 表 完 成 。 4 执 行 机 构 根 据 控 制 信 息 和 指 令 ， 完 成 要 求 的动 作 。 执 行 机 构 是 运 动 部 件 ， 一 般 采 用机 械 、 电 磁 、 电 液 等 机 构 。 根 据 机 电 一体 化 系 统 的 匹 配 性 要 求 ， 需 要 考 虑 改 善性 能 ， 如 提 高 刚 性 ， 减 轻 重 量 ， 实 现 组件 化 、 标 准 化 和 系 列 化 ， 提 高 系 统 整 体可 靠 性 等 5 控 制 及 信 息 单 元 将 来 自 各 传 感 器 的 检 测 信 息 和 外 部 输 入 命 令 进 行 集 中 、储 存 、 分 析 、 加 工 ， 根 据 信 息 处 理 结 果 ， 按 照 一 定 的程 序 和 节 奏 发 出 相 应 的 指 令 控 制 整 个 系 统 有 目 的 地 运行 。 一 般 由 计 算 机 、 可 编 程 控 制 器 (PLC)、 数 控 装 置 以及 逻 辑 电 路 、 A D与 D A转 换 、 I O(输 入 输 出 )接口 和 计 算 机 外 部 设 备 等 组 成 。 机 电 一 体 化 系 统 对 控 制和 信 息 处 理 单 元 的 基 本 要 求 是 ： 提 高 信 息 处 理 速 度 ，提 高 可 靠 性 ， 增 强 抗 干 扰 能 力 以 及 完 善 系 统 自 诊 断 功能 ， 实 现 信 息 处 理 智 能 化 和 小 型 、 轻 量 、 标 准 化 等 。 这 些 我 们 通 常 称 为 机 电 一 体 化 的 五 大 组 成 要 素 。 在 系统 中 的 这 些 单 元 和 它 们 各 自 内 部 各 环 节 之 间 都 遵 循 接口 耦 合 、 运 动 传 递 、 信 息 控 制 、 能 量 转 换 的 原 则 ， 我们 称 它 们 为 四 大 原 则 。 6 接 口 耦 合 、 能 量 转 换 (1)变 换 两 个 需 要 进 行 信 息 交 换 和 传 输 的 环 节 之 间 ，由 于 信 息 的 模 式 不 同 (数 字 量 与 模 拟 量 、 串 行 码 与 并行 码 、 连 续 脉 冲 与 序 列 脉 冲 等 等 )， 无 法 直 接 实 现 信息 或 能 量 的 交 流 ， 通 过 接 口 完 成 信 息 或 能 量 的 统 一 。 (2)放 大 在 两 个 信 号 强 度 相 差 悬 殊 的 环 节 间 ， 经 接口 放 大 ， 达 到 能 量 的 匹 配 。 (3)耦 合 变 换 和 放 大 后 的 信 号 在 环 节 间 能 可 靠 、 快速 、 准 确 地 交 换 ， 必 须 遵 循 一 致 的 时 序 、 信 号 格 式和 逻 辑 规 范 。 接 口 具 有 保 证 信 息 的 逻 辑 控 制 功 能 ，使 信 息 按 规 定 模 式 进 行 传 递 。 (4)能 量 转 换 还 包 含 了 执 行 器 、 驱 动 器 它 们 的 不 同 类型 能 量 的 最 优 转 换 方 法 与 原 理 。 7 信 息 控 制 在 系 统 中 ， 所 谓 智 能 组 成 要 素 的 系 统控 制 单 元 ， 在 软 、 硬 件 的 保 证 下 ， 完 成数 据 采 集 、 分 析 、 判 断 、 决 策 ， 以 达 到信 息 控 制 的 目 的 。 对 于 智 能 化 程 度 高 的系 统 ， 还 包 含 了 知 识 获 取 、 推 理 机 制 及知 识 自 学 习 等 以 知 识 驱 动 为 主 的 信 息 控制 8 运 动 传 递 运 动 传 递 是 指 各 组 成 要 素 之 间 不 同 类 型运 动 的 变 换 与 传 输 之 间 以 及 以 运 动 控 制为 目 的 优 化 。 由 于 采 用 四 大 原 则 使 各 组成 要 素 联 接 成 为 一 个 有 机 整 体 ， 由 于 控制 和 信 息 处 理 单 元 的 预 期 信 息 导 引 ， 使各 功 能 环 节 有 目 的 地 协 调 一 致 运 动 ， 从而 形 成 机 电 一 体 化 系 统 工 程 。 二 、 机 电 一 体 化 中 共 性 关 键 技 术 机 电 一 体 化 是 系 统 技 术 、 计 算 机与 信 息 处 理 技 术 、 自 动 控 制 技 术 、检 测 传 感 技 术 、 伺 服 传 动 技 术 和机 械 技 术 等 多 学 科 技 术 领 域 综 合交 叉 的 技 术 密 集 型 系 统 工 程 。 1 机 械 技 术 机 械 技 术 是 机 电 一 体 化 的 基 础 。 随 着 高 新 技 术 引 入 机 械 行 业 ， 机械 技 术 面 临 着 挑 战 和 变 革 。 在 机 电 一 体 化 产 品 中 ， 它 不 再 是 单 一地 完 成 系 统 间 的 连 接 ， 在 系 统 结 构 、 重 量 、 体 积 、 刚 性 与 耐 用 性方 面 对 机 电 一 体 化 有 着 重 要 的 影 响 。 机 械 技 术 的 着 眼 点 在 于 如 何与 机 电 一 体 化 的 技 术 相 适 应 ， 利 用 其 他 高 、 新 技 术 来 更 新 概 念 ，实 现 结 构 上 、 材 料 上 、 性 能 上 以 及 功 能 上 的 变 更 ， 满 足 减 少 重 量 、缩 小 体 积 、 提 高 精 度 、 提 高 刚 度 、 改 善 性 能 增 加 功 能 的 要 求 。 在 制 造 过 程 的 机 电 一 体 化 系 统 中 ， 经 典 的 机 械 理 论 与 工 艺 应 借助 于 计 算 机 辅 助 技 术 ， 同 时 采 用 人 工 智 能 与 专 家 系 统 等 ， 形 成 新一 代 的 机 械 制 造 技 术 。 这 里 原 有 的 机 械 技 术 以 知 识 和 技 能 的 形 式存 在 。 如 计 算 机 辅 助 工 艺 规 格 编 制 (CAPP)是 目 前 CAD CAM系统 研 究 的 瓶 颈 ， 其 关 键 问 题 在 于 如 何 将 各 行 业 、 企 业 、 技 术 人 员中 的 标 准 、 习 惯 和 经 验 进 行 表 达 和 陈 述 ， 从 而 实 现 计 算 机 的 自 动工 艺 设 计 与 管 理 。 2 计 算 机 与 信 息 处 理 技 术 信 息 处 理 技 术 包 括 信 息 的 交 换 、 存 取 、 运 算 、判 断 和 决 策 ， 实 现 信 息 处 理 的 工 具 是 计 算 机 ，因 此 计 算 机 技 术 与 信 息 处 理 技 术 是 密 切 相 关的 。 计 算 机 技 术 包 括 计 算 机 的 软 件 技 术 和 硬件 技 术 ， 网 络 与 通 信 技 术 ， 数 据 技 术 等 。 在 机 电 一 体 化 系 统 中 ， 计 算 机 信 息 处 理 部分 指 挥 整 个 系 统 的 运 行 。 信 息 处 理 是 否 正 确 、及 时 ， 直 接 影 响 到 系 统 工 作 的 质 量 和 效 率 。因 此 计 算 机 应 用 及 信 息 处 理 技 术 已 成 为 促 进机 电 一 体 化 技 术 发 展 和 变 革 的 最 活 跃 的 因 素 。 人 工 智 能 技 术 、 专 家 系 统 技 术 、 神 经 网 络技 术 等 都 属 于 计 算 机 信 息 处 理 技 术 。 3 系 统 技 术 系 统 技 术 就 是 以 整 体 的 概 念 组 织 应 用 各 种 相 关 技 术 ，从 全 局 角 度 和 系 统 目 标 出 发 ， 将 总 体 分 解 成 相 互 有 机联 系 的 若 干 功 能 单 元 ， 以 功 能 单 元 为 子 系 统 进 行 二 次分 解 ， 生 成 功 能 更 为 单 一 和 具 体 的 子 功 能 单 元 。 这 些子 功 能 单 元 同 样 可 继 续 逐 层 分 解 ， 直 到 能 够 找 出 一 个可 实 现 的 技 术 方 案 。 深 入 了 解 系 统 内 部 结 构 和 相 互 关系 ， 把 握 系 统 外 部 联 系 ， 对 系 统 设 计 和 产 品 开 发 十 分重 要 。 接 口 技 术 是 系 统 技 术 中 一 个 重 要 方 面 ， 它 是 实 现 系统 各 部 分 有 机 连 接 的 保 证 。 接 口 包 括 电 气 接 口 、 机 械接 口 、 人 机 接 口 。 电 气 接 口 实 现 系 统 间 电 信 号 连 接 ；机 械 接 口 则 完 成 机 械 与 机 械 部 分 、 机 械 与 电 气 装 置 部分 的 连 接 ； 人 机 接 口 提 供 了 人 与 系 统 间 的 交 互 界 面 。 4 自 动 控 制 技 术 自 动 控 制 技 术 范 围 很 广 ， 主 要 包 括 ： 基 本控 制 理 论 ， 在 此 理 论 指 导 下 ， 对 具 体 控 制 装 置或 控 制 系 统 的 设 计 ； 设 计 后 的 系 统 仿 真 ， 现 场调 试 ； 最 后 使 研 制 的 系 统 可 靠 地 投 入 运 行 。 由于 控 制 对 象 种 类 繁 多 ， 所 以 控 制 技 术 的 内 容 极其 丰 富 ， 例 如 高 精 度 定 位 控 制 、 速 度 控 制 、 自适 应 控 制 、 自 诊 断 、 校 正 、 补 偿 、 再 现 、 检 索等 。 随 着 微 型 机 的 广 泛 应 用 ， 自 动 控 制 技 术 越来 越 多 地 与 计 算 机 控 制 技 术 联 系 在 一 起 ， 成 为机 电 一 体 化 中 十 分 重 要 的 关 键 技 术 。 5 传 感 与 检 测 技 术 传 感 与 检 测 装 置 是 系 统 的 感 受 器 官 ， 它 与 信 息 系 统 的 输入 端 相 联 并 将 检 测 到 的 信 息 输 送 到 信 息 处 理 部 分 。 传 感与 检 测 是 实 现 自 动 控 制 、 自 动 调 节 的 关 键 环 节 ， 它 的 功能 越 强 ， 系 统 的 自 动 化 程 度 就 越 高 。 传 感 与 检 测 的 关 键元 件 是 传 感 器 。 传 感 器 是 将 被 测 量 (包 括 各 种 物 理 量 、化 学 量 和 生 物 量 等 )变 换 成 系 统 可 识 别 的 ， 与 被 测 量 有确 定 对 应 关 系 的 有 用 电 信 号 的 一 种 装 置 。 现 代 工 程 技 术 要 求 传 感 器 能 快 速 、 精 确 地 获 取 信 息 ，并 能 经 受 各 种 严 酷 环 境 的 考 验 。 与 计 算 机 技 术 相 比 ， 传感 器 的 发 展 显 得 缓 慢 ， 难 以 满 足 技 术 发 展 的 要 求 。 不 少机 电 一 体 化 装 置 不 能 达 到 满 意 的 效 果 或 无 法 实 现 设 计 的关 键 原 因 在 于 没 有 合 适 的 传 感 器 。 因 此 大 力 开 展 传 感 器的 研 究 对 于 机 电 一 体 化 技 术 的 发 展 具 有 十 分 重 要 的 意 义 。 6 伺 服 传 动 技 术 伺 服 传 动 包 括 电 动 、 气 动 、 液 压 等 各 种 类 型 的 传 动 装置 ， 由 微 型 计 算 机 通 过 接 口 与 这 些 传 动 装 置 相 连 接 ，控 制 它 们 的 运 动 ， 带 动 工 作 机 械 作 回 转 、 直 线 以 及 其他 各 种 复 杂 的 运 动 。 伺 服 传 动 技 术 是 直 接 执 行 操 作 的技 术 ， 伺 服 系 统 是 实 现 电 信 号 到 机 械 动 作 的 转 换 装 置或 部 件 ， 对 系 统 的 动 态 性 能 、 控 制 质 量 和 功 能 具 有 决定 性 的 影 响 。 常 见 的 伺 服 驱 动 有 电 液 马 达 、 脉 冲 油 缸 、步 进 电 机 、 直 流 伺 服 电 机 和 交 流 伺 服 电 机 等 。 由 于 变频 技 术 的 进 步 ， 交 流 伺 服 驱 动 技 术 取 得 突 破 性 进 展 ，为 机 电 一 体 化 系 统 提 供 高 质 量 的 伺 服 驱 动 单 元 ， 极 大地 促 进 了 机 电 一 体 化 技 术 的 发 展 。 三 、 机 电 一 体 化 发 展 趋 势 随 着 科 技 的 发 展 和 社 会 经 济 的 进 步 ， 对 制造 工 程 中 的 机 电 一 体 化 技 术 提 出 了 许 多 新的 和 更 高 的 要 求 ， 制 造 工 程 中 出 现 了 新 的概 念 。 毫 无 疑 问 ， 机 械 制 造 自 动 化 中 的 数控 技 术 ， CNC、 FMS、 CIMS及 机 器 人 等都 会 一 致 被 认 为 是 典 型 的 机 电 一 体 化 技 术 、产 品 及 系 统 。 为 了 提 高 机 电 产 品 的 性 能 质 量 、 发 展 高 新 技 术 ， 现 在 有越 来 越 多 的 零 件 要 求 制 造 精 度 越 来 越 高 ， 形 状 也 越 来 越复 杂 ， 如 高 精 度 轴 承 的 滚 动 体 圆 度 要 求 小 于 0.5m； 液浮 陀 螺 球 面 的 球 度 要 求 为 0 2 0 5m； 激 光 打 印 机的 平 面 反 射 镜 和 录 像 机 磁 头 的 平 面 度 要 求 为 0 04m，粗 糙 度 为 0.02m。 为 了 提 高 效 率 、 减 少 阻 力 和 降 低 噪 声 ，或 既 要 精 密 传 递 运 动 又 要 密 封 压 缩 做 功 ， 螺 杆 压 缩 机 包络 成 型 螺 旋 曲 面 、 管 平 膨 胀 机 的 叶 轮 叶 片 、 飞 机 螺 旋 桨 、潜 水 艇 的 推 进 器 等 都 具 有 极 其 复 杂 的 空 间 曲 面 ； 现 代 汽车 发 动 机 的 活 塞 也 不 是 圆 柱 形 而 是 要 求 具 有 椭 圆 鼓 形 的 ；为 提 高 强 度 和 使 用 寿 命 ， 机 械 轴 也 不 再 是 圆 柱 形 而 是 由几 段 圆 弧 组 成 菱 柱 体 ； 卫 星 天 线 中 馈 源 要 求 有 方 与 圆光 滑 地 过 渡 实 体 ； 而 各 类 特 殊 刀 具 与 模 具 ， 其 型 面 也 极其 复 杂 。 所 有 这 些 ， 要 求 CNC机 床 具 有 高 性 能 、 高 精 度和 稳 定 加 工 复 杂 形 状 零 件 表 面 的 能 力 。 因 而 新 一 代 的CNC系 统 这 类 典 型 机 电 一 体 化 产 品 正 朝 着 高 性 能 、 智 能化 、 系 统 化 以 及 轻 量 、 微 型 化 方 向 发 展 。 1 机 电 一 体 化 的 高 性 能 化 高 性 能 化 一 般 包 含 高 速 化 、 高 精 度 、 高 效 率 和高 可 靠 性 。 新 一 代 CNC系 统 就 是 以 此 ” 四 高 ”为 满 足 生 产 急 需 而 诞 生 的 。 它 采 用 32位 多 CPU结 构 ， 以 多 总 线 连 接 ， 以 32位 幅 度 进 行 高 速 数据 传 递 。 因 而 ， 在 相 当 高 的 分 辨 率 (0.1m)情 况下 ， 系 统 仍 有 高 速 度 (100m min)， 可 控 及 联动 坐 标 达 16轴 ， 并 且 有 丰 富 的 图 形 功 能 和 自 动程 序 设 计 功 能 。 为 获 取 高 效 率 ， 减 少 各 辅 助 时间 这 是 一 方 面 ， 而 实 现 高 速 化 的 关 键 是 CNC、主 轴 转 速 进 给 率 、 刀 具 交 换 ， 托 板 交 换 等 各 关键 部 分 实 现 高 速 化 。 首 先 ， CNC的 高 速 化 在 于 不 仅 采 用 了 高 性 能 32位 CPU，而 且 所 采 用 的 是 精 简 指 令 集 (RISC)机 。 在 RISC机 中 ，50 80MIPS(1MIPS=100万 指 令 s)被 认 为 是 普 遍 的 ，有 的 系 统 甚 至 采 用 了 180MIPS机 ， 这 对 于 高 速 数 据处 理 起 着 重 要 作 用 。 为 了 提 高 速 度 ， 采 用 实 时 多 任务 操 作 系 统 ， 进 行 并 行 处 理 ， 使 运 算 能 力 进 一 步 加强 。 设 置 多 重 缓 冲 器 ， 保 证 连 续 微 小 加 工 段 的 高 速加 工 。 快 速 插 补 运 算 ， 对 于 复 杂 轮 廓 ， 将 加 工 形 状用 微 小 线 段 来 逼 近 是 通 用 方 法 。 在 高 性 能 数 控 系 统中 ， 除 了 具 有 直 线 、 圆 弧 、 螺 旋 线 插 补 等 一 般 功 能外 ， 还 配 置 有 特 殊 函 数 插 补 运 算 ， 如 样 条 函 数 插 补等 。 微 位 置 段 命 令 用 样 条 函 数 来 逼 近 ， 保 证 了 位 置 、速 度 、 加 速 度 都 具 有 良 好 的 性 能 ， 并 设 置 专 门 函 数发 生 器 、 坐 标 运 算 器 进 行 并 行 插 补 运 算 、 超 高 速 通信 技 术 、 全 数 字 伺 服 控 制 技 术 是 高 速 化 的 一 个 重 要方 面 。 在 数 字 伺 服 控 制 中 使 用 了 超 高 速 数 字 信 号 处 理 器(DSP)， 并 应 用 了 现 代 控 制 理 论 的 各 种 算 法 ， 如鲁 棒 控 制 、 前 馈 控 制 和 特 定 方 式 下 的 加 、 减 速 控制 等 控 制 策 略 以 及 非 线 性 补 偿 技 术 ， 可 在 系 统 中进 行 在 线 控 制 。 它 可 以 进 行 非 线 性 补 偿 ， 静 、 动态 惯 性 补 偿 值 的 自 动 设 定 和 更 新 等 。 在 给 定 精 度要 求 下 ， 可 使 响 应 速 度 大 幅 度 提 高 。 前 馈 控 制 可使 位 置 跟 踪 误 差 消 除 ， 同 时 使 系 统 位 置 控 制 达 到高 速 响 应 。 加 、 减 控 制 能 使 高 速 下 准 确 定 位 。 高分 辨 率 、 高 速 响 应 的 绝 对 位 置 传 感 器 是 实 现 高 精度 的 检 测 部 件 。 采 用 这 种 传 感 器 并 通 过 专 用 微 处理 器 的 细 分 处 理 ， 可 达 极 高 的 分 辨 率 (163 840 point rov)。 采 用 交 流 数 字 伺 服 驱 动 系 统 ， 其 位置 、 速 度 及 电 流 环 都 实 现 了 数 字 化 ， 实 现 了 几 乎不 受 机 械 载 荷 变 动 影 响 的 高 速 响 应 伺 服 系 统 和 主轴 控 制 装 置 。 与 此 同 时 ， 还 出 现 了 所 谓 高 速 响 应 内 装 式 主 轴电 机 ， 把 电 机 作 为 一 体 装 入 主 轴 之 中 ， 实 现 了机 电 融 合 一 体 。 这 样 就 使 得 系 统 的 高 速 性 、 高精 度 性 极 佳 。 如 法 国 IBAG公 司 等 的 磁 浮 轴 承的 高 速 主 轴 最 高 转 速 可 达 150000 r min， 一般 转 速 为 7000 25000r min； 加 工 中 心 换 刀速 度 快 达 1 5s； 切 削 速 度 方 面 ， 目 前 硬 质 合金 刀 具 和 超 硬 材 料 涂 层 刀 具 车 削 和 铣 削 低 碳 钢的 速 度 达 500m min以 上 ， 而 陶 瓷 刀 具 可 达800 1 000m min， 比 高 速 钢 刀 具 30 40mmin的 速 度 提 高 数 十 倍 。 精 车 速 度 甚 至 可 达 1 400m min。 高 分 辨 率 、 高 速 响 应 、 高 可 靠 的零 部 件 ， 使 产 品 性 能 不 断 提 高 。 至 于 系 统 可 靠 性 方 面 采 用 了 冗 余 ， 故 障 诊 断 ，自 动 检 错 ， 纠 错 ， 系 统 自 动 恢 复 ， 软 、 硬 件 可靠 性 等 技 术 予 以 保 证 ， 使 得 这 种 典 型 的 机 电 一体 化 产 品 具 有 高 性 能 ， 即 高 速 、 高 效 、 高 精 度和 高 可 靠 性 。 它 代 表 了 机 电 一 体 化 高 性 能 的 发展 趋 势 。 而 对 于 普 及 经 济 型 以 及 升 级 换 代 提 高型 的 机 电 一 体 化 产 品 ， 组 成 它 们 的 命 令 发 生 器 、控 制 器 、 驱 动 器 、 执 行 器 以 及 检 测 传 感 器 等 各个 部 分 都 在 不 断 采 用 高 速 、 高 精 度 、 2 机 电 一 体 化 的 智 能 化 趋 势 人 工 智 能 在 机 电 一 体 化 技 术 中 的 研 究 日 益 得 到重 视 ， 机 器 人 与 数 控 机 床 的 智 能 化 就 是 重 要 应用 。 智 能 机 器 人 通 过 视 觉 、 触 觉 和 听 觉 等 各 类传 感 器 检 测 工 作 状 态 ， 根 据 实 际 变 化 过 程 反 馈信 息 并 做 出 判 断 与 决 定 。 数 控 机 床 的 智 能 化 现在 各 类 传 感 器 对 切 削 加 工 前 后 和 加 工 过 程 中 的各 种 参 数 进 行 监 测 ， 并 通 过 计 算 机 系 统 作 出 判断 ， 自 动 对 异 常 现 象 进 行 调 整 与 补 偿 ， 以 保 证加 工 过 程 的 顺 利 进 行 ， 并 保 证 加 工 出 合 格 产 品 。 目 前 ， 国 外 数 控 加 工 中 心 多 具 有 以 下 智 能 化 功能 ： 对 刀 具 长 度 、 直 径 补 偿 和 刀 具 破 损 监 测 ；切 削 过 程 的 监 测 ； 工 件 自 动 检 测 与 补 偿 。 随 着制 造 自 动 化 程 度 的 提 高 ， 信 息 量 与 柔 性 也 同 样提 高 ， 出 现 智 能 制 造 系 统 (IMS)控 制 器 来 模 拟人 类 专 家 的 智 能 制 造 活 动 ， 对 制 造 中 的 问 题 进行 分 析 、 判 断 、 推 理 、 构 思 和 决 策 ， 其 目 的 在于 取 代 或 延 伸 制 造 工 程 中 人 的 部 分 脑 力 劳 动 ，并 对 人 类 专 家 的 制 造 智 能 进 行 收 集 、 存 储 、 完善 、 共 享 、 继 承 和 发 展 。 (1)诊 断 过 程 的 智 能 化 诊 断 功 能 的 强 弱 是 评 价 一 个 系 统 性 能 的重 要 智 能 指 标 之 一 。 INC引 入 了 人 工 智 能的 故 障 诊 断 系 统 ， 采 用 了 各 种 推 理 机 制 ，能 准 确 判 断 故 障 所 在 ， 并 具 有 自 动 检 错 、纠 错 与 系 统 恢 复 功 能 ， 从 而 大 大 提 高 了系 统 的 有 效 度 。 (2)人 一 机 接 口 的 智 能 化 智 能 化 的 人 一 机 接 口 ， 可 以 大 大 简 化 操作 过 程 ， 这 里 包 含 多 媒 体 技 术 在 人 能 化中 的 有 效 应 用 。 (3)自 动 编 程 的 智 能 化 操 作 者 只 需 输 入 加 工 工 件 素 材 的 形 状 和需 加 工 形 状 的 数 据 ， 加 工 程 序 就 可 全 部自 动 生 成 ， 这 里 包 含 ： 素 材 形 状 和 加工 形 状 的 图 形 显 示 ； 自 动 工 序 的 确 定 ； 使 用 刀 具 、 切 削 条 件 的 自 动 确 定 ； 刀 具 使 用 顺 序 的 变 更 ； 任 意 路 径 的 编辑 ； 加 工 过 程 干 涉 校 验 等 。 (4)加 工 过 程 的 智 能 化 通 过 智 能 工 艺 数 据 库 的 建 立 ， 系 统 根 据加 工 条 件 的 变 更 ， 自 动 设 定 加 工 参 数 。同 时 ， 将 机 床 制 造 时 的 各 种 误 差 预 先 存入 系 统 中 ， 利 用 反 馈 补 偿 技 术 对 静 态 误差 进 行 补 偿 。 还 能 对 加 工 过 程 中 的 各 种动 态 数 据 进 行 采 集 ， 并 通 过 专 家 系 统 分析 进 行 实 时 补 偿 或 在 线 控 制 。 此 外 ， 现代 CNC系 统 大 都 具 有 学 习 与 示 教 功 能 。 3 机 电 一 体 化 的 系 统 化 发 展 趋 势 系 统 化 的 表 现 特 征 之 一 是 系 统 体 系 结 构 进 一 步采 用 开 放 式 和 模 式 化 的 总 线 结 构 。 系 统 可 以 灵活 组 态 ， 进 行 任 意 剪 裁 和 组 合 ， 同 时 寻 求 实 现多 坐 标 多 系 列 控 制 功 能 的 NC系 统 。 表 现 特 征之 二 是 通 信 功 能 的 大 大 加 强 ， 一 般 除 RS232外 ， 还 有 RS422以 及 DNC等 多 种 功 能 。 同 时 ，考 虑 通 信 联 网 需 要 ， 建 立 通 信 局 部 网 络 (LAN)，正 在 成 为 标 准 化 LAN的 制 造 自 动 化 协 议 (MAP)已 开 始 进 入 NC系 统 ， 从 而 可 实 现 异 型 机 异 网互 联 及 资 源 共 享 。 4 机 电 一 体 化 的 轻 量 化及 微 型 化 发 展 趋 势 一 般 机 电 一 体 化 产 品 ， 除 了 机 械 主 体 部 分 ， 其他 部 分 均 涉 及 电 子 技 术 ， 随 着 片 式 元 器 件(SMD)的 发 展 ， 表 面 组 装 技 术 (SMT)正 在 逐 渐取 代 传 统 的 通 孔 插 装 技 术 (THT)成 为 电 子 组 装的 重 要 手 段 ， 电 子 设 备 正 朝 着 小 型 化 、 轻 量 化 、多 功 能 、 高 可 靠 方 向 发 展 。 80年 代 以 来 ， 国 外SMT发 展 异 常 迅 速 ， 1993年 电 子 设 备 平 均 60以 上 采 用 SMT， 同 年 世 界 电 子 元 件 片 式 化 率 达到 45 以 上 。 因 此 ， 机 电 一 体 化 中 具 有 智 能 、动 力 、 运 动 、 感 知 特 征 的 组 成 部 分 将 逐 渐 向 轻量 化 、 小 型 化 方 向 发 展 。 此 外 ， 80年 代 末 期 ， 微 型 机 械 电 子 学 及 其 相 应的 结 构 、 装 置 和 系 统 的 开 发 研 究 取 得 了 综 合 成果 ， 科 学 家 利 用 集 成 电 路 的 微 细 加 工 技 术 ， 实现 了 将 机 构 及 其 驱 动 器 、 传 感 器 、 控 制 器 及 电源 集 成 在 一 个 很 小 的 多 晶 硅 上 ， 因 而 获 得 了 完备 的 微 型 电 子 机 械 系 统 (Micro Electro Mechanical System， MEMS)。 整 个 尺 寸 缩 小 到几 个 毫 米 甚 至 几 百 微 米 。 这 是 机 电 一 体 化 一 个微 型 化 的 研 究 领 域 。 科 学 家 预 言 ， 到 21世 纪 初期 ， 这 种 微 型 机 电 一 体 化 系 统 将 在 工 业 、 农 业 、航 天 、 军 事 、 生 物 医 学 、 航 海 及 家 庭 服 务 等 各个 领 域 广 泛 应 用 ， 它 的 发 展 将 使 现 行 的 某 些 产业 或 领 域 发 生 深 刻 的 技 术 革 命 。