机电一体化的概念及其内涵

1.机电一体化的概念

机电一体化(mechatronics)的英文名称是由英文机械学(mechanics)的前半部分和电子学(electronics)的后半部组合在一起而创造出来的一个新的英文名词——mechatronics。这个名词是由日本人创造的,第一次出现在1971年日本的《机械设计》杂志副刊上,后来随着机电一体化的发展而被广泛引用,目前已得到世界各国的普通承认,成为一个正式的英文名词。现在世界上许多大学也都用“Mechatronics Engineering”来命名机电一体化专业。

起初,机电一体化是指机械技术与电子技术相结合的产物。后来随着时间的推移和科学技术的进步,机电一体化的概念也一直在不断地发展和完善。自1971年以后,关于机电一体化的概念有以下几种提法:日经产业新闻把机电一体化称为:“机械技术的机械学和电子技术的电子学组合起来的技术进步的总称”。日本机械振兴协会经济研究所在其“关于机械工业施政调查研究报告”中提出:“机电一体化是指机械装置和电子设备适当地组合起来,构成机械产品或机电一体与机信一体的新趋势”。这两种提法都强调了机械与电子的结合。到1983年,日本机械振兴协会经济研究所对机电一体化又做了如下解释:“机电一体化乃是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术,并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成的系统的总称。”到1984年,美国机械工程师协会(ASME)为现代机械下了如下的定义:“由计算机信息网络协调与控制的,用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和(或)机电部件相互联系的系统”。到1996年,美国IEEE/ASME给机电一体化下了如下定义:“对机电一体化初步定义为‘在工业产品和过程的设计和制造中,机械工程和电子与智能计算机控制的协调集成’,包括11个方面:成型和设计、系统集成、执行器和传感器、智能控制、机器人、制造、运动控制、振动和噪声控制、微器件和光电子系统、汽车系统和其他应用。”综上所述,可做如下阐述:机电一体化是指在设计和制造机电系统的过程中,以感知、控制信息为纽带,将机械和电子装置有机地融合在一起构成智能化机电系统的理念、技术和产品。

为了更清楚地说明上述概念,我们不妨回顾一下人类在漫长的发展过程中的生产历史。人类为了生存,必须坚持生产劳作。在远古时代,人们劳作只靠自己的身体、手和脚,可以说那时生产动作的执行者与操控者都集中于人体自身。为了提高劳动生产率并把自身从繁重的体力劳动中解放出来,人类在远古就发明了简单的工具(如石刀、石斧、杠杆、斜面等),后来又发明了机器,首先将人的手、脚解放出来,减轻了人的体力劳动。然而,此时工具和机器仍需人来操作。在这一时期,生产动作的执行者与操控者已分开。工具和机器是执行者,而人是操控者。那么到近代,人们在生产劳作中,不仅想把手、脚解放出来,而还想把感觉器官和大脑也解放出来,使生产活动的执行者与操控者都集中在同一个生产设备中,这就是机电一体化的思想,这个设备就是机电一体化系统(产品)。

从上面的描述可知,机电一体化系统已不是机电的简单组合,而是有机的融合,是具有人工智能的机电产品(如2.1节所举的实例收集机器人和五轴数控机床)。从结构形式上看,执行机构可能和手、脚一样同时具有触觉功能(或其他感觉功能),已分不清谁是执行者的一部分,谁是操控者的一部分;从系统的角度看,执行者与操控者已紧密地耦合在一起,系统的固有特性是这个耦合体的固有特性,而不是执行者固有特性与操控者固有特性的简单组合(将来在后期课讲述定量分析时会发现数理方程是耦联的)。在这里要特别指出的是,将执行者与操控者耦合在一起的纽带,正是我们在2.3节中所讲的系统的信息流(感知、控制信息)。

2.机电一体化的内涵

根据前面的介绍可知,机电一体化是一个发展着的概念,到目前为止仍没有一个标准的定义。对于我们来说,没有必要拘泥于它的定义,而在于深刻地认识机电一体化的理念,以便今后更好地学习和工作。下面谈几点认识。

(1)设计思想

机电一体化的设计思想是:技术融合、并行设计、动态分析、系统优化。

①技术融合是许多文章都提到的:融合不是简单的组合或叠加,这一点前面已反复强调过,这里不再重述。融合的技术包括:机械原理与技术、电子电工原理与技术、传感器与检测技术、控制理论与技术、通信原理与技术、计算机技术(包括软、硬件与网络)等。

②并行设计是针对串行设计而言。一般情况下,多学科系统设计采用一种按学科顺序设计的方法。比如,以前机电系统的设计通常分三步完成:首先进行机械设计,接着设计电源和微电子系统,最后设计控制系统并将整个系统加以实现,这就是串行设计方法。串行设计的最大缺点是,前面的设计结果对后面的设计形成制约,致使整个系统性能不能优化。并行设计就是对机电一体化系统的广义执行子系统和检测控制子系统同时进行设计。在设计过程中二者互通设计信息,反复协调、修正设计参数,以使系统性能达到最优。

③动态分析、系统优化是指用“系统工程”的思想去进行机电系统的设计。如何按系统工程的思想对机电系统进行优化设计,在2.3节已经讲过了,这里不再重述。

(2)技术方向

机电一体化的技术方向是:模块化、自动化、智能化、柔性化。

①模块化是指将机电一体化系统分解为几个标准的模块(如驱动、传动、执行、传感、控制等),然后按标准生产出一系列的产品,当设计制造新的系统时,只要将选好的模块进行集成即可。模块的大小(包含的功能多少)可根据实际情况而定,以机动、灵活、适于集成为原则。

②自动化与智能化是指机器能像人一样自主地工作,这一点人们都已熟悉,这里不再解释。

③柔性化是指采用改变软件的方法去改变系统的功能。例如,加工一个比较复杂的机械零件通常要用到车、铣、刨、磨等各类机床;若采用五轴数控机床只要改变数控加工程序,各种各样的零件都能加工出来。那么,五轴数控机床就具有很好的柔性。

(3)包含内容

机电一体化包含两方面的内容,即机电一体化技术和机电一体化产品。

①机电一体化技术的核心是多学科技术的相互融合,它已不仅要分门别类地去研究机电一体化系统所涉及的不同学科(机械、电子、电工、传感、检测、控制、计算机、通信、信息等)的理论与技术,而更要研究如何更好地将各学科已有的理论与技术融入系统中,或是研究出更适于机电一体化的新技术。机电一体化技术是为生产机电一体化产品服务的。

②机电一体化产品是机电一体化技术的体现。正是机电一体化产品的设计、制造和使用体现了机电一体化的思想;正是机电一体化产品水平的提高,体现了机电一体化的发展与水平的提高。由当前制造出的许多机电一体化产品(人造卫星、空间站、月球车、高速列车、深海潜水工作站、各种仿人机器人、数控机床、计算机集成制造系统等)我们已能充分悟出机电一体化的含义。