机电一体化系统的发展概况

机电一体化的发展始终遵循着科技发展的一般规律:人们对不断提高劳动生产率的愿望和彻底从体力劳动和脑力劳动中解放出来的理想,一直推动着机电一体化技术的发展;而机电一体化技术的飞速进步反过来又促进了机电一体化新产品层出不穷。就像嫦娥奔月一样,人们的理想,总会变为现实。

机电一体化的发展,大致可以分为三个阶段。

20世纪60年代以前为第一阶段,可称其为“萌芽阶段”。在这一时期,人们自觉或不自觉地利用电子技术的初步成果来完善和提高机械产品的性能。特别是在第二次世界大战期间,由于战争的需要刺激了机械产品与电子技术的结合,出现了许多性能相当优良的军事用途的机电产品。在二战后这些技术转为民用,对战后经济的恢复和科技的进步起到了积极作用。

20世纪70—90年代为第二阶段,可称其为“蓬勃发展”阶段。在这一时期,世界上许多发达国家和一些发展中国家都涌进了机电一体化发展的大潮,纷纷制定政策,促进本国机电一体化的发展,人们自觉地、主动地利用计算机技术、通信技术和控制技术的巨大成果创造出了许多新的机电一体化产品,在满足人们日益增长的需求的同时,也提高了本国机电产品在国际上的竞争力。

20世纪90年代后期开始为第三阶段,可称其为“智能化”阶段。从那时起,人工智能技术、神经网络技术、模糊控制技术已逐步走向实用化阶段,大量的智能化产品不断涌现,甚至还出现了“混沌控制”产品。可以说21世纪将可以把人们从繁重的体力劳动和脑力劳动中都逐步解放出来。

下面再简要介绍一下国内外机电一体化发展的具体情况,以说明本专业的学生所肩负的历史责任和历史使命。

1.国外机电一体化发展概况

机电一体化的发展主要体现在制造业和产品应用两个方面,现分述如下:

(1)制造业的发展

制造业的发展体现在设计与制造两个方面,它们的发展过程都是先有个体,然后再将个体综合成系统。在制造业方面,美日两国始终走在世界的前端。

①设计

设计是先有设计手段的现代化,后有设计方法的现代化,最后将它们综合到制造系统中。

20世纪六七十年代,CAD(计算机辅助设计)、CAE(计算机辅助工程)软件已走向实用化,将机器的造型设计、零件设计及参数计算从繁重的劳动中解放出来,推动了设计方法的现代化;80年代后仿真设计、优化设计、可靠性设计得到迅速发展和完善。

②制造

制造设备也是先有单机,后有系统,最后实现系统、车间、工厂自动化。

美国和日本从20世纪70年代开始相继进入数控时代。CNC机床(计算机数字控制机床)和MC(数控加工中心)已用于日常生产中,利用CAM(计算机辅助制造)软件编制零件加工程序,可以很快地加工出任意形状的机械零件。在工艺设计方面也出现了CAPP(计算机辅助工艺规程设计)软件,工艺人员可以根据产品制造工艺的要求利用该软件交互或自动地确定产品加工方法或方案。

③综合系统

到20世纪80年代,美国、日本等国开始实施CIM(计算机集成制造)战略,在企业(工厂)里建立了CIMS(计算机集成制造系统)。CIMS是以企业为对象,以市场需求和资源为输入,以投放市场的产品为输出,以整体动态优化(即高效率、高质量、高柔性和高效益的统一)为目标,在系统科学的指导下,以计算机和网络通信技术为手段,在作业过程简化、标准化和自动化的基础上,把企业的经营、生产和工程技术诸环节集成为一体的开放式闭环系统。

CIMS系统可分为四大功能体系:

a.工程体系。由CAD、CAPP、CAM集成,其功能是实现产品设计、工艺一体化,加工自动化。

b.制造体系。包括CNC、FMS(柔性制造系统)、制造活动中的物流与信息流。该体系与数控加工信息和物料流动信息相协调,保证制造过程在CIMS中发挥更高的效益。

c.管理体系。该体系是在MRP-Ⅱ(制造业计算机辅助信息管理系统)的基础上开发的面向CIMS集成的管理系统。MRP-Ⅱ为制造业提供了科学的经营管理思想和处理逻辑。它将整个企业的制造资源(物料、设备、人力、资金、信息)进行全面的规划和控制,把企业的产、供、销、人、财、物各种生产经营活动联结成有机整体,形成一个人-机结合的闭合控制系统。它的指导思想是并行工程,还在产品的设计阶段就将产品在制造过程中可能出现的问题统统进行妥善处理,以免造成不必要的损失。

d.质量体系。包括质量信息的采集、管理、反控和控制,实现集成化的质量保证体系。

CIMS系统从使用起始到现在一直在完善。

(2)产品领域的发展

除了制造业以外,机电一体化产品很快应用到人们生产、生活的各个领域。

①航天

宇宙飞船:1961年4月12日,苏联首次发射了“东方一号”宇宙飞船。

空间站:1971年4月,苏联首次发射了“礼炮一号”空间站。

航天飞机:1977年6月18日,美国进行了首次载人航天飞机试飞。

②交通

高速列车:1964年10月1日,日本开通新干线高速列车。

自动驾驶汽车:1995年德国进行自动驾驶汽车长距(1 600 km)实验。

③物流

立体仓库、取放机械手:20世纪50年代初,美国出现了桥式堆垛起重机式立体仓库。

④潜海

深海探测器:1948年,瑞士的皮卡德制造出“弗恩斯三号”深潜器(深1 370 m)。

⑤医疗

CT机:1972年英国制造出CT机。

核磁共振:1973年美国开发出基于核磁共振现象的成像技术(MRI)。

彩色B超:1989年美国ATL公司首先推出“全数字化”彩超。

⑥家用电器

傻瓜照相机:1963年日本柯达生产了第一台傻瓜照相机。

全自动洗衣机:20世纪70年代后期,日本生产出微电脑控制的全自动洗衣机。

智能手机:1993年,美国IBM生产了第一台智能手机。

智能电冰箱:1999年11月,韩国三星电子推出首款数字化智能电冰箱。

⑦机器人

工业机器人:1959年美国制造出首台工业机器人。

仿人机器人:1968年美国首推仿人机器人。

踢球机器人:2000年11月12日,日本制造出踢球机器人。

清洁机器人:2002年9月美国推出一款面向家庭的清洁机器人。

⑧计算机

超级计算机:1976年美国克雷公司推出了世界首台每秒2.5亿次的超级计算机。

2.我国机电一体化的发展

我国机电一体化的发展比美国等国落后一些,但由于国家的重视,发展还是很迅速。

(1)制造产业的发展

①设计

我国CAD/CAM技术的研究始于20世纪70年代,由于科学技术发展的“七五”“八五”规划国家均进行了大量投资,所以开发应用CAD/CAM技术的增长速度高于国际上同期水平,很快就具备了CAD/CAM软件平台和应用软件的开发能力。

②制造

我国在20世纪七八十年代就已经能够制造CNC机床和MC(加工中心),真正成批生产使用是在90年代,在我国制造业转型中起到了重要作用。

③综合系统

我国在20世纪80年代初开始接触MRP-Ⅱ,90年代开始建立CIMS工程研究中心,2000年全国已有20多个省市、10多个行业、200多个不同规模和类型的企业通过实施CIMS应用示范工程,取得了巨大经济效益。

(2)产品领域的发展

我国的机电产品发展可谓神速,短短一二十年可以说应有尽有。

①航天

宇宙飞船:2005年10月12日,“神州一号”在酒泉发射并成功返回地面。

空间站:2011年9月29日,“天宫一号”在酒泉发射成功。

②交通

自动驾驶汽车:2003年3月,清华大学的THMR-V系统试制完成,平均速度100 km/h,最高时速150 km/h。

高速列车:2007年4月18日,和谐号高速列车正式运营,现已成为世界名牌。

③物流

立体库,取放机械手:1973年研制出第一台由计算机控制的自动化立体库。

自动导引车:1991年,新松公司开始研制开发AGV。

④潜海

深海探测器:2000年蛟龙号深海探测器海试成功。

⑤医疗

核磁共振:1986年安科公司开始自主研发。

彩色B超:1997年我国开始自主生产。

⑥家用电器

傻瓜照相机:20世纪90年代初开始自主研发。

全自动洗衣机:1995年第一台全自动洗衣机在海尔诞生。

智能冰箱:2001年10月23日,美菱网络冰箱通过省级鉴定。智能手机:2007年魅族开始研发。

⑦机器人

工业机器人:1980年第一台工业机器人研制成功。

仿人机器人:2000年11月29日,国防科技大学研制出我国第一台仿人机器人。

踢球机器人:2002年1月中国863机器人主题专家组开始研发。

清洁机器人:2007年6月8日,哈尔滨工业大学与香港大学联合研制出五方位移动清扫机器人。

⑧计算机

超级计算机:2013年6月17日,国防科技大学研制出“天河二号”,其运算速度达每秒33.86千万亿次。近期我国的大型计算机运算速度一直处于世界领先地位。

(3)结语

由机电一体化发展的概况可见,尽管人们已经制造出许多高精尖的机电一体化产品(或系统),但离人类的梦想——“彻底地从繁重的体力劳动和脑力劳动中解放出来”还相差甚远。我们应当坚持不懈地去推动机电一体化技术与产品的发展,为人类做出应有的贡献。这是本专业学生的责任,也是光荣而艰巨的使命,同学们应当去努力地攻坚克难,勇攀科技高峰。你们将大有作为!