浅议计算机以及机电一体化技术的整合

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  机电一体化与计算机整合的必然性
  20世纪60年代,以微电子技术为主导,自动化技术、信息技术、生物技术、新材料技术、新能源技术、激光与红外技术等高新技术逐步形成,引发了第四次技术革命。在这场新技术革命的冲击下,作为传统产业之一的机械工业的产品结构和生产系统结构发生了质的飞跃。通过微电子技术、计算机技术等信息技术与机械装置和动力设备有机结合,一方面极大的提高了机电产品性能和竞争性;另一方面又极大的提高了生产系统的生产效率和企业的竞争能力,促使机械工业开始了一场大规模的技术革命,产生了机电一体化技术。
  我们从中可以看到机电一体化技术是多种技术融合的产物。它是在信息论、控制论和系统论的基础上,在计算机、传感器和软件技术三者的支撑下发展起来的。实际上,机电一体化技术己经不仅仅局限于机械与电子技术的有机结合,而是融合检测传感技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服驱动技术、精密机械技术、计算机技术和系统总体技术等多种技术于一体的交叉学科与综合技术。其中,信息处理技术是机电一体化技术中必不可少的部分,以微电子技术和计算机技术为龙头的信息处理技术是使机电一体化产品具有自动化、数字化和智能化的关键所在。
  计算机技术对机电一体化发展的推动过程
  纵观机电一体化技术的发展历程可以发现,它是一个以机电整合为主,同时综合整合其他各类学科技术的过程,尤其是以计算机技术为代表的信息技术极大的促进了机电一体化的发展。可以说,机电一体化的发展过程正是与计算机技术整合的过程。
  机电一体化技术的发展历程,大体上可以分为三个阶段:
  20世纪60年代以前为第一阶段,称其为萌芽阶段。在这一时期,人们自觉或不自觉的利用电子技术的初步成果来代替机械产品的性能。
  20世纪70年代到80年代为第二阶段。称其为蓬勃发展阶段。在这一时期,人们自觉地、主动地利用3C技术的巨大成果创造新的机电一体化产品。
  从20世纪90年代后期开始为第三阶段,称其为智能化阶段,机电一体化技术向智能化新阶段迈进。
  计算机与机电一体化技术整合的表现
  纵观机电一体化的发展过程可以发现,它是同时综合整合其他各类学科技术的过程。计算机技术为代表的信息技术极大地促进了机电体化。
  早期的机电一体化是在机械电子基础上整合进微电子技术,1981年日本机械振兴协会经济研究所在《日本机械工业的存在条件机械工业和电子化》的报告书中所说的机电一体化乃是在机械的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进了电子技术,它是将机械装置与电子设备以及软件等有机结合起来构成系统的总称。
  随着以计算机技术为主的信息技术的迅猛发展,机电一体化也在不断地发展。现代机械系统就是在早期机电一体化系统的基础上实现了网络技术、软件技术、管理技术等高新技术的整合。诸如先进制造技术、智能结构、智能机器人等无一不是在早期机电一体化系统基础上凭借着高性能计算机处理技术,创造性整合的新领域。
  综上所述,机电一体化是一门以机械、电子、计算机为主的多学科交叉、渗透的边缘学科;其发展过程是整合的过程;整合作为发展的内在动力,是一个创造性的过程;正是由于它的创造性,将机、电、信息、控制等各种相关技术融会贯通,扬长避短,才实现了系统整体优化的效果,产生了多姿多彩的机电一体化产品和系统,促使了该领域的不断拓展。因此,整合理论应该是机电一体化学科研究的重点。
  计算机与机电一体化技术整合的特点
  机电一体化的整合过程是一种有机的,实现机、电、微电子及其他技术综合的过程,是一种创新过程而不是简单的组合,必须充分发挥机,光、电、微电于等技术的各自优点,互相补偿,互相渗透,因此它应该是有规可循的。研究机电一体化的整合过程,可以总结出以下四个基本特点。
  (1)以功能为线索通俗地讲,机电一体化产品或系统是在传统机械的基础上实现了计算机控制的自动化机械。个完整的机电一体化系统由五个本质上不同的基本功能要素组成,即动力、机构、执行器、计算机和传感器。
  (2)以机电为基础从机电一体化的五个功能要素的物理载体,可以清楚地发现,除计算机功能要素外,其他要素都是以机电为基础的,这也符合机电一体化产生和发展的背景。
  动力模块通过机电结构实现了将其他形式的能量转换为电能:执行器模块通过机电结构实现了电信号到机械信号的转变;传感器模块通过机电结构实现了外界信号转换为电信号的途径:计算机模块在输入的电信号中加入了新的信息,从而实现了信息的增值,并输出新的电信号。因此,整合的功能要素是以机电为基础的,以电介质为整合过程的公共界面。
  (3)以信息为核心机电一体化整合采用计算机实现协调与控制,它与传统的机械系统有本质的区别就是以信息处理为核心。信息处理环节可以通过硬件、软件或它们的组合来实现,一般主要通过软件设计来实现。随着控制系统中信息处理坏节的地位越来越重要,软件在开发工作中所占的比重也越来越高。
  (4)机电一体化的整合是一个创新过程通过机电一体化的巧妙整合,可以达到用其他设计方法不能取得或者相对来讲更容易获得的结果。从某种意义上讲,机电一体化的整合过程是一种系统整体优化的过程,即在满足系统设计功能目标的前提下,实现整体最佳化。
  (作者单位:长春房地(集团)有限责任公司地产分公司)
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