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摘要： 车床机电一体化是现代科学技术发展的必然趋势，其技术是集计算机、电子及机械等多学科的交叉综合的一项技术，概述车床机电一体化技术的发展背景，并重点对车床机电一体化的改造进行分析及研究，并简要分析其发展趋势。
关键词： 车床；机电一体化；改造；发展趋势
中图分类号：TG502.35文献标识码：A文章编号：1671－7597（2011）0510099－01
车床机电一体化在机械的主功能、动力功能、控制功能和信息处理功能的基础上引进微电子技术，将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。因此，“机电一体化技术”是机械、微电子和信息处理三项技术相互渗透及交叉的产物，如今车床机电一体化已发展成为一门有着自身体系的新型学科。随着电子技术的迅速发展，在质量多、功能多、可靠性高及能耗低的特点上实现特定功能，并使整个系统最优化。此外微处理器、微型机对各个领域的发展起了很大的推动作用，由此而产生的功能系统，则成为一个车床机电一体化系统或机电一体化产品。由于科技的进步依赖于其发展，所以车床机电一体化的未来发展方向将对科技的进步起着关键性的作用。
综上，可分析出“车床机电一体化”涵盖技术和产品两个特点。不过，车床机电一体化技术是一种综合性技术，其基础是由上述群体技术有机融合交叉而形成的，更不是机械车床技术与其它技术的简单整合。这是在概念上区别机电一体化与机械加电气所形成的机械电气化本质依据。当车床发展到机电一体化后，组成成分之一的微电子装置，不仅可赋予许多新的功能，而且还可取代某些机械部件的原有功能外，如自动处理信息或控制自动诊断及保护等。机械工程技术虽然从纯技术发展到机械电气化，仍属于传统机械发展领域，因为它的主要功能仍然没有改变，还是代替和放大的体力。即指机电一体化产品具备智能化的特征，这是从本质上区别机电一体化与机械电气化在功能上。
1 车床机电一体化的发展状况
我国在車床机电一体化技术方面的研究与应用，是从20世纪80年代初才逐渐展开。我国为了更好地推动车床机电一体化技术的研究，国务院成立了机电一体化领导小组，同时该技术安排在“863计划”。另一方面，在制定“九五”规划和2010年发展纲要时，国家也重视国际上关于机电一体化技术的发展动向及由此可能带来的影响。虽然科研机构及大多数院校及一些大中型企业，对这车床机电一体化技术的发展投入不少资金及研究精力，也取得了一定研究成果及经验，但是与美国等先进国家相比还是存在一定的差距。
车床机电一体化的发展一般可分为3个阶段：
1）第一阶段，又称初级阶段，是指20世纪60年代以前。这一时期的特点是：人们常常是在无意识的状态下利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。尤其是在第二次世界大战期间，战争的需求刺激了电子技术与机械产品的联系及组合，通过机电组合的军用技术，在战争结束后转化为民用，这在一定程度上对战后经济的恢复起了积极的推动作用。不过那个阶段从总体上来看，研制和开发的展开仍然还处于自发状态。所以这个阶段电子技术的研究及发展水平依然不高，不形成气候，因此当时的机械技术与电子技术的组合还很难广泛并深入发展，而开发的产品也得不到大量推广，其经济效益还不高。
2）第二个阶段又称为蓬勃发展阶段，是指20世纪70～80年代。这个发展阶段的特点是：
① mechatronics这个词语首先在日本被广泛认可，大约到20世纪80年代末期，这个词语在世界范围内得到比较普遍的接受；
② 世界各国逐渐重视关注并支持车床机电一体化技术和产品；
③ 车床机电一体化技术和产品得到了极大发展；车床一体化的技术发展在计算机技术、控制技术及通信技术的推动下得到了奠定。同时，当时的集成电路的大规模及超大规模发展和微型计算机的迅速发展，给车床机电一体化的发展提供了充分的物质基础。
3）第三个阶段，指的是20世纪90年代后期，车床机电一体化进入深入发展时期，开始了车床机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段。开始深入研究车床机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法及机电一体化的学科体系和发展趋势；与此同时，光学技术等进入了机电一体化，微细加工技术也开始出现在车床机电一体化，产生了光机电一体化和微细机电一体化等新分支现象；尤其是由于神经网络技术、人工智能技术及光纤技术等领域取得的斐然的成绩，为车床机电一体化技术开辟了更广阔的发展天地。综上所述，以上这些研究成果，有力地推动了车床机电一体化进一步建立完整的技术基础，同时逐渐形成完整的科学体系。
2 机床机电一体化改造分析及发展趋势
车床机电一体化是集机械、光学、电子及计算机等多学科的交叉综合，它的改造发展在一定程度上难免会依靠这些联系紧密的相关技术的发展方向，因此，机电一体化改造方向应该朝如下进行探研及开发。
2.1 向模块化方向改造
由于车床机电一体化生产厂家繁多且产品种类多样，由于机电一体化产品单元具备标准机械接口、环境接口、电气接口及动力接口的特点，这使得研制及开发工作复杂却显得很重要。据此可看出模块化改造是一项重要而艰巨的工程。如研制集减速的动力单元，具有图像处理等功能的控制单元以及各种能完成典型操作的机械装置。从这个角度分析，我们可利用标准单元快速研制出新产品，并适当扩大生产规模。为了便于各部件、单元的匹配和接口，这需要制定相关规格指标。但由于利益冲突，短期内要制定国际或国内这方面的标准是件不容易的工作。综上，从电气产品的标准化带来的利益是肯定的，无论是对生产机电一体化产品的企业，还是对生产标准机电一体化单元的企业，规模化的发展都将给机电一体化企业不错的发展机遇。
2.2 向全息系统化方向改造
全息系统化方向，也称智能化方向，智能化是21世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向。其概念是对机器的行为描述，是在控制理论的基础上，吸收计算机科学、运筹学、心理学、生理学及人工智能学等新思想、新方法，从而模拟人类的思维能力，使它如同人一样具有逻辑思维、自主决策等能力，以便达到更高水平的控制目标。同时随着机电一体化技术的发展，机电一体化产品智能特征也越来越明显，新世纪机电一体化技术中的智能化的快速发展，智能化水平也是日趋上升，人工智能在机电一体化建设者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。当然，要使机电一体化产品具有与人完全相同的智能永远是不可能的，也是不必要的，但是，性能、高速的微处理器使机电一体化产品赋有低级智能或人的部分智能，却是完全可能而且必要的。
2.3 向网络全球化方向改造
网络全球化改造方向，20世纪90年代，计算机技术等的突出成就是网络技术，其兴起和飞跃发展极大地推动了科学技术的迅猛发展，也给人民的日常生活都带来了巨大的变革。同时各种网络将全球经济及生产连成一
片，也给企业间的竞争带来了全球化。一旦研制出机电一体化新产品，只要质量可靠，功能可靠，很快就会畅销全球。从另一方面，因为有了网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾，然而远程控制的终端设备就是机电一体化产品。因此，机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。
2.4 向绿色化方向改造
产品绿色化 随着工业的发达，给人们生活带来了两个方面的巨大变化：
1）物质丰富，生活安康；
2）可利用资源减少，生态环境受到严重污染。
据此人们环保意识加强，呼吁回归自然，以保护环境资源，绿色产品的概念就此应运而生。在此，绿色产品应具备以下特点：使用时不破坏生态环境，报废后还能回收利用。在其设计、制造、使用和销毁的生命过程中，要同时满足：首先对生态环境无害或危害极少；其次要符合特定的环境保护和人类健康的要求，资源利用率极高。由于这种客观的存在性，设计绿色的机电一体化产品，具有可持续发展的空间。
2.5 向微型化方向改造
微型化兴起于20世纪80年代末，这种微型机械学是机电一体化的一个重要的前进方向，更是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。在国外，人们称其为微电子机械系统，泛指几何尺寸不超过1cm3的机电一体化产品，并向微米级、纳米级发展。微细机电一体化产品具备体积小、耗能少及运动灵活的特点，在军事、生物医疗、信息等方面占有很高的地位和很大的优势。不过，微细机电一体化发展也有其局限性，即其仍处于微机械技术。
2.6 向系统化方向改造
系统化特征表现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，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。特征是通信功能的大大加强，一般除RS232外，还有RS485、DCS人格化。未来的机电一体化技术发展注重产品与人的关系，机电一体化的人格化有两层含义：第一层是指机电一体化产品的使用对象是人，如何赋予机电一体化产品人的智能、情感、人性显得越来越重要，尤其是家用机器人，其高层境界是人机一体化。第二层是指模仿生物机理，事实上，机电一体化装置对信息的依赖性越来越大，许多机电一体化产品都是受动物的启发研制出来的，很多时候类似于活的生物。目前，有望借助仿生學研究领域为机电一体化产品提供新型的机体，不过研究中的一大难题是如何使这些新型机体具有生命力。但是，车床机电一体化产品向生物系统化发展是乐观，由于当前技术与理论还有所欠缺，因此，还需不断探索。
3 结语
通过本文的分析及研究可见，车床机电一体化的出现不是孤立的，也不是随机出现的，是社会生产力发展到一定阶段的必然产物。文中叙述的这些改造发展方向是科技发展到一定阶段的必然要求。综上所述，因为科学技术的限制，车床机电技术与其他学科相关技术的联系还不够完善。不过随着社会的进步及需求，各种技术相互融合的趋势必将越来越明显，车床机电一体化技术的发展也将更深远。
参考文献：
[1]李建勇，机电一体化技术，北京：科学出版社，2004．
[2]李运华，机电控制，北京：北京航空航天大学出版社，2003．
[3]高钟毓，机电控制工程，北京：清华大学出版社，2002．
关键词： 车床；机电一体化；改造；发展趋势
中图分类号：TG502.35文献标识码：A文章编号：1671－7597（2011）0510099－01
车床机电一体化在机械的主功能、动力功能、控制功能和信息处理功能的基础上引进微电子技术，将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。因此，“机电一体化技术”是机械、微电子和信息处理三项技术相互渗透及交叉的产物，如今车床机电一体化已发展成为一门有着自身体系的新型学科。随着电子技术的迅速发展，在质量多、功能多、可靠性高及能耗低的特点上实现特定功能，并使整个系统最优化。此外微处理器、微型机对各个领域的发展起了很大的推动作用，由此而产生的功能系统，则成为一个车床机电一体化系统或机电一体化产品。由于科技的进步依赖于其发展，所以车床机电一体化的未来发展方向将对科技的进步起着关键性的作用。
综上，可分析出“车床机电一体化”涵盖技术和产品两个特点。不过，车床机电一体化技术是一种综合性技术，其基础是由上述群体技术有机融合交叉而形成的，更不是机械车床技术与其它技术的简单整合。这是在概念上区别机电一体化与机械加电气所形成的机械电气化本质依据。当车床发展到机电一体化后，组成成分之一的微电子装置，不仅可赋予许多新的功能，而且还可取代某些机械部件的原有功能外，如自动处理信息或控制自动诊断及保护等。机械工程技术虽然从纯技术发展到机械电气化，仍属于传统机械发展领域，因为它的主要功能仍然没有改变，还是代替和放大的体力。即指机电一体化产品具备智能化的特征，这是从本质上区别机电一体化与机械电气化在功能上。
1 车床机电一体化的发展状况
我国在車床机电一体化技术方面的研究与应用，是从20世纪80年代初才逐渐展开。我国为了更好地推动车床机电一体化技术的研究，国务院成立了机电一体化领导小组，同时该技术安排在“863计划”。另一方面，在制定“九五”规划和2010年发展纲要时，国家也重视国际上关于机电一体化技术的发展动向及由此可能带来的影响。虽然科研机构及大多数院校及一些大中型企业，对这车床机电一体化技术的发展投入不少资金及研究精力，也取得了一定研究成果及经验，但是与美国等先进国家相比还是存在一定的差距。
车床机电一体化的发展一般可分为3个阶段：
1）第一阶段，又称初级阶段，是指20世纪60年代以前。这一时期的特点是：人们常常是在无意识的状态下利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。尤其是在第二次世界大战期间，战争的需求刺激了电子技术与机械产品的联系及组合，通过机电组合的军用技术，在战争结束后转化为民用，这在一定程度上对战后经济的恢复起了积极的推动作用。不过那个阶段从总体上来看，研制和开发的展开仍然还处于自发状态。所以这个阶段电子技术的研究及发展水平依然不高，不形成气候，因此当时的机械技术与电子技术的组合还很难广泛并深入发展，而开发的产品也得不到大量推广，其经济效益还不高。
2）第二个阶段又称为蓬勃发展阶段，是指20世纪70～80年代。这个发展阶段的特点是：
① mechatronics这个词语首先在日本被广泛认可，大约到20世纪80年代末期，这个词语在世界范围内得到比较普遍的接受；
② 世界各国逐渐重视关注并支持车床机电一体化技术和产品；
③ 车床机电一体化技术和产品得到了极大发展；车床一体化的技术发展在计算机技术、控制技术及通信技术的推动下得到了奠定。同时，当时的集成电路的大规模及超大规模发展和微型计算机的迅速发展，给车床机电一体化的发展提供了充分的物质基础。
3）第三个阶段，指的是20世纪90年代后期，车床机电一体化进入深入发展时期，开始了车床机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段。开始深入研究车床机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法及机电一体化的学科体系和发展趋势；与此同时，光学技术等进入了机电一体化，微细加工技术也开始出现在车床机电一体化，产生了光机电一体化和微细机电一体化等新分支现象；尤其是由于神经网络技术、人工智能技术及光纤技术等领域取得的斐然的成绩，为车床机电一体化技术开辟了更广阔的发展天地。综上所述，以上这些研究成果，有力地推动了车床机电一体化进一步建立完整的技术基础，同时逐渐形成完整的科学体系。
2 机床机电一体化改造分析及发展趋势
车床机电一体化是集机械、光学、电子及计算机等多学科的交叉综合，它的改造发展在一定程度上难免会依靠这些联系紧密的相关技术的发展方向，因此，机电一体化改造方向应该朝如下进行探研及开发。
2.1 向模块化方向改造
由于车床机电一体化生产厂家繁多且产品种类多样，由于机电一体化产品单元具备标准机械接口、环境接口、电气接口及动力接口的特点，这使得研制及开发工作复杂却显得很重要。据此可看出模块化改造是一项重要而艰巨的工程。如研制集减速的动力单元，具有图像处理等功能的控制单元以及各种能完成典型操作的机械装置。从这个角度分析，我们可利用标准单元快速研制出新产品，并适当扩大生产规模。为了便于各部件、单元的匹配和接口，这需要制定相关规格指标。但由于利益冲突，短期内要制定国际或国内这方面的标准是件不容易的工作。综上，从电气产品的标准化带来的利益是肯定的，无论是对生产机电一体化产品的企业，还是对生产标准机电一体化单元的企业，规模化的发展都将给机电一体化企业不错的发展机遇。
2.2 向全息系统化方向改造
全息系统化方向，也称智能化方向，智能化是21世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向。其概念是对机器的行为描述，是在控制理论的基础上，吸收计算机科学、运筹学、心理学、生理学及人工智能学等新思想、新方法，从而模拟人类的思维能力，使它如同人一样具有逻辑思维、自主决策等能力，以便达到更高水平的控制目标。同时随着机电一体化技术的发展，机电一体化产品智能特征也越来越明显，新世纪机电一体化技术中的智能化的快速发展，智能化水平也是日趋上升，人工智能在机电一体化建设者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。当然，要使机电一体化产品具有与人完全相同的智能永远是不可能的，也是不必要的，但是，性能、高速的微处理器使机电一体化产品赋有低级智能或人的部分智能，却是完全可能而且必要的。
2.3 向网络全球化方向改造
网络全球化改造方向，20世纪90年代，计算机技术等的突出成就是网络技术，其兴起和飞跃发展极大地推动了科学技术的迅猛发展，也给人民的日常生活都带来了巨大的变革。同时各种网络将全球经济及生产连成一
片，也给企业间的竞争带来了全球化。一旦研制出机电一体化新产品，只要质量可靠，功能可靠，很快就会畅销全球。从另一方面，因为有了网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾，然而远程控制的终端设备就是机电一体化产品。因此，机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。
2.4 向绿色化方向改造
产品绿色化 随着工业的发达，给人们生活带来了两个方面的巨大变化：
1）物质丰富，生活安康；
2）可利用资源减少，生态环境受到严重污染。
据此人们环保意识加强，呼吁回归自然，以保护环境资源，绿色产品的概念就此应运而生。在此，绿色产品应具备以下特点：使用时不破坏生态环境，报废后还能回收利用。在其设计、制造、使用和销毁的生命过程中，要同时满足：首先对生态环境无害或危害极少；其次要符合特定的环境保护和人类健康的要求，资源利用率极高。由于这种客观的存在性，设计绿色的机电一体化产品，具有可持续发展的空间。
2.5 向微型化方向改造
微型化兴起于20世纪80年代末，这种微型机械学是机电一体化的一个重要的前进方向，更是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。在国外，人们称其为微电子机械系统，泛指几何尺寸不超过1cm3的机电一体化产品，并向微米级、纳米级发展。微细机电一体化产品具备体积小、耗能少及运动灵活的特点，在军事、生物医疗、信息等方面占有很高的地位和很大的优势。不过，微细机电一体化发展也有其局限性，即其仍处于微机械技术。
2.6 向系统化方向改造
系统化特征表现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，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。特征是通信功能的大大加强，一般除RS232外，还有RS485、DCS人格化。未来的机电一体化技术发展注重产品与人的关系，机电一体化的人格化有两层含义：第一层是指机电一体化产品的使用对象是人，如何赋予机电一体化产品人的智能、情感、人性显得越来越重要，尤其是家用机器人，其高层境界是人机一体化。第二层是指模仿生物机理，事实上，机电一体化装置对信息的依赖性越来越大，许多机电一体化产品都是受动物的启发研制出来的，很多时候类似于活的生物。目前，有望借助仿生學研究领域为机电一体化产品提供新型的机体，不过研究中的一大难题是如何使这些新型机体具有生命力。但是，车床机电一体化产品向生物系统化发展是乐观，由于当前技术与理论还有所欠缺，因此，还需不断探索。
3 结语
通过本文的分析及研究可见，车床机电一体化的出现不是孤立的，也不是随机出现的，是社会生产力发展到一定阶段的必然产物。文中叙述的这些改造发展方向是科技发展到一定阶段的必然要求。综上所述，因为科学技术的限制，车床机电技术与其他学科相关技术的联系还不够完善。不过随着社会的进步及需求，各种技术相互融合的趋势必将越来越明显，车床机电一体化技术的发展也将更深远。
参考文献：
[1]李建勇，机电一体化技术，北京：科学出版社，2004．
[2]李运华，机电控制，北京：北京航空航天大学出版社，2003．
[3]高钟毓，机电控制工程，北京：清华大学出版社，2002．