機(jī)電一體化技術(shù)基礎(chǔ)

1、工業(yè)4.0與機(jī)電一體化技術(shù)摘要：工業(yè)4.0，是從嵌入式系統(tǒng)向信息物理融合系統(tǒng)(CPS )發(fā)展的技術(shù)化。 工業(yè)4.0不斷向?qū)崿F(xiàn)物體、數(shù)據(jù)以及服務(wù)等無縫連接的互聯(lián)網(wǎng)(物聯(lián)網(wǎng)、數(shù) 據(jù)網(wǎng)和服務(wù)互聯(lián)網(wǎng))的方向發(fā)展。而機(jī)電一體化技術(shù)是由微電子技術(shù)、計(jì)算 機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、機(jī)械技術(shù)及其它技術(shù)相融合構(gòu)成的一門獨(dú)立的交叉學(xué)科。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)電一體化將朝著智能化、網(wǎng)絡(luò)化、微型化、模塊化、 綠色化方向發(fā)展，各種技術(shù)相互融合的趨勢也將越來越明顯。以機(jī)械技術(shù)、 微電子技術(shù)的有機(jī)結(jié)合為主體的機(jī)電一體化技術(shù)是工業(yè)4.0發(fā)展的必然趨勢， 機(jī)電一體化技術(shù)在工業(yè)4.0的環(huán)境下的發(fā)展前景將越來越廣闊。關(guān)鍵字：工業(yè)4.0

2、；機(jī)電一體化技術(shù)；融合；發(fā)展1引言1.1工業(yè)4.0的概念“工業(yè)4.0 ”這一詞最早在2011年德國漢諾威工業(yè)博覽會上就已經(jīng)被提 出，初衷是通過應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)提高德國制造業(yè)水平。這一概念在德國 工程院、弗勞恩霍夫協(xié)會、西門子公司等學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的大力推動下，德 國聯(lián)邦教研部與聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)技術(shù)部于2013年將“工業(yè)4.0 ”項(xiàng)目納人了德國政 府2010年7月公布的高技術(shù)戰(zhàn)略2020確定的十大未來項(xiàng)目之一，計(jì)劃 投入2億歐元資金，旨在支持工業(yè)領(lǐng)域新一代革命性技術(shù)的研發(fā)與創(chuàng)新，保 持德國的國際競爭力1，2，確保德國制造的未來。工業(yè)4.0是由德國聯(lián)盟教 研部與聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)技術(shù)部聯(lián)手推動的戰(zhàn)略性項(xiàng)目，現(xiàn)已經(jīng)成

3、為了德國的國家戰(zhàn) 略，被看作是提振德國制造業(yè)的有力催化劑，也被認(rèn)為將是全球制造業(yè)未來 發(fā)展的方向，即工業(yè)4.0時(shí)代。工業(yè)4.0在德國被認(rèn)為是繼蒸汽機(jī)的發(fā)明、 大規(guī)模生產(chǎn)和自動化之后的“第四次工業(yè)革命” 3。德國學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界認(rèn)為，未來10年，基于信息物理系統(tǒng)(Cyber-Physical System, CPS)的智能化，將是人類步入以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命。 第四次工業(yè)革命將步入“分散化”生產(chǎn)的新時(shí)代，將是(移動)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù) 據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的交織，從而推動生產(chǎn)方式發(fā)生巨大變革。工 業(yè)4.0通過決定生產(chǎn)制造過程等的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)管理。產(chǎn)品全生命周 期和全制造流程的數(shù)字

4、化以及基于信息通信技術(shù)的模塊集成，將形成一個(gè)高 度靈活、個(gè)性化、數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式。工業(yè)4.0是利用信息化 技術(shù)促進(jìn)產(chǎn)業(yè)變革的時(shí)代，也就是“智能化時(shí)代” 4,5。工業(yè)4 . 0的概念描述了由集中式控制向分散式增強(qiáng)型控制的基本模式 轉(zhuǎn)變，目標(biāo)是建立一個(gè)高度靈活的個(gè)性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式。 在這種模式中，傳統(tǒng)的行業(yè)界限將消失，并會產(chǎn)生各種新的活動領(lǐng)域和合作 形式。創(chuàng)造新價(jià)值的過程正在發(fā)生改變，產(chǎn)業(yè)鏈分工將被重組6。工業(yè)4.0的內(nèi)容簡單可以概括為“1個(gè)核心”、“ 2重戰(zhàn)略”、“3大集成” 和“ 8項(xiàng)舉措”。“1個(gè)核心”是“智能+網(wǎng)絡(luò)化”，即通過虛擬一實(shí)體系統(tǒng) （Cyber-Ph

5、ysical Syste m, CPS），構(gòu)建智能工廠，實(shí)現(xiàn)智能制造的目的。“ 2重戰(zhàn) 略”是領(lǐng)先的供應(yīng)商戰(zhàn)略和領(lǐng)先的市場戰(zhàn)略?！?大集成”的支撐：（1）關(guān)注 產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，力求在智能工廠內(nèi)通過聯(lián)網(wǎng)建成生產(chǎn)的縱向集成；（2 ）關(guān) 注產(chǎn)品整個(gè)生命周期的不同階段，包括設(shè)計(jì)與開發(fā)、安排生產(chǎn)計(jì)劃、管控生 產(chǎn)過程以及產(chǎn)品的售后維護(hù)等，實(shí)現(xiàn)各個(gè)不同階段之間的信息共享，從而達(dá) 成工程數(shù)字化集成；（3 ）關(guān)注全社會價(jià)值網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)，從產(chǎn)品的研究、開發(fā) 與應(yīng)用拓展至建立標(biāo)準(zhǔn)化策略、提高社會分工合作的有效性、探索新的商業(yè) 模式以及考慮社會的可持續(xù)發(fā)展等，從而達(dá)成德國制造業(yè)的橫向集成?！?8項(xiàng) 舉措”分別是實(shí)現(xiàn)技術(shù)

6、標(biāo)準(zhǔn)化和開放標(biāo)準(zhǔn)的參考體系、建立模型來管理復(fù)雜 的系統(tǒng)、提供一套綜合的工業(yè)寬帶基礎(chǔ)設(shè)施、建立安全保障機(jī)制、創(chuàng)新工作 的組織和設(shè)計(jì)方式、注重培訓(xùn)和持續(xù)的職業(yè)發(fā)展、健全規(guī)章制度和提升資源 效率。1.2機(jī)電一體化技術(shù)的內(nèi)容機(jī)電一體化思想體現(xiàn)了 “系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理”和“綜合集成技巧”。系統(tǒng)工 程、控制論和信息論是機(jī)電一體化技術(shù)的方法論。機(jī)電一體化技術(shù)是從系統(tǒng)工程觀點(diǎn)出發(fā)，應(yīng)用機(jī)械、電子等有關(guān)技術(shù)， 使機(jī)械、電子有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)或產(chǎn)品整體最優(yōu)的綜合性技術(shù)。機(jī)電一體 化技術(shù)，主要包括技術(shù)原理和使用機(jī)電一體化產(chǎn)品（或系統(tǒng)）得以實(shí)現(xiàn)、使用 和發(fā)展的技術(shù)。機(jī)電一體化技術(shù)是一個(gè)技術(shù)群（族）的總稱。綜合運(yùn)用機(jī)械技 術(shù)

7、、微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、傳感測控技術(shù)、 電力電子技術(shù)、接口技術(shù)、信息變換技術(shù)以及軟件編程技術(shù)等群體技術(shù)，根 據(jù)系統(tǒng)功能目標(biāo)和優(yōu)化組織目標(biāo)，合理配置與布局各功能單元，在多功能、 高質(zhì)量、高可靠性、低能耗的意義上實(shí)現(xiàn)特定功能價(jià)值，并使整個(gè)系統(tǒng)最優(yōu) 化的系統(tǒng)工程技術(shù)。只是，機(jī)電一體化技術(shù)是基于上述群體技術(shù)有機(jī)融合的 一種綜合技術(shù)，而不是機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)以及其它新技術(shù)的簡單組合、 拼湊9。2工業(yè)4.0與機(jī)電一體化技術(shù)工業(yè)4.0通過將嵌入式系統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)與智能生產(chǎn)過程相結(jié)合，將給工業(yè) 領(lǐng)域、生產(chǎn)價(jià)值鏈、業(yè)務(wù)模式帶來根本性變革（如智能工廠），從而開創(chuàng)一條 通往新技術(shù)時(shí)代的道路。

8、工業(yè)4.0體現(xiàn)了生產(chǎn)模式從集中型到分散型的范式 轉(zhuǎn)變，正是因?yàn)橛辛俗寕鹘y(tǒng)生產(chǎn)過程理論發(fā)生顛覆的技術(shù)進(jìn)步，這一切才成 為可能。未來，工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械不再只是“加工”產(chǎn)品，取而代之的是，產(chǎn)品 通過通信向機(jī)械傳達(dá)如何采取正確操作10 o工業(yè)4 . 0將從兩個(gè)方向展開，一是“智能工廠”，智能工業(yè)發(fā)展新方向。 智能工廠是在數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)和設(shè)備監(jiān)控技術(shù)加強(qiáng) 信息管理和服務(wù)；未來，將通過大數(shù)據(jù)與分析平臺，將云計(jì)算中由大型工業(yè) 機(jī)器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為實(shí)時(shí)信息（云端智能工廠），并加上綠色智能的手段和 智能系統(tǒng)等新興技術(shù)于一體，構(gòu)建一個(gè)高效節(jié)能的、綠色環(huán)保的、環(huán)境舒適 的人性化工廠。其基本特征主要

9、有制程管控可視化、系統(tǒng)監(jiān)管全方位及制造 綠色化三個(gè)層面。二是“智能生產(chǎn)”，制造業(yè)的未來。智能生產(chǎn)（Intelligent Manufacturing ，IM），也稱智能制造，是一種由智能機(jī)器和人類專家共同組 成的人機(jī)一體化智能系統(tǒng)，它在制造過程中能進(jìn)行智能活動，諸如分析、推 理、判斷、構(gòu)思和決策等。通過人與智能機(jī)器的合作共事，去擴(kuò)大、延伸和 部分地取代人類專家在制造過程中的腦力勞動。它把制造自動化的概念更新， 擴(kuò)展到柔性化、智能化和高度集成化。與傳統(tǒng)的制造相比，智能生產(chǎn)具有自 組織和超柔性、自律能力、學(xué)習(xí)能力和自維護(hù)能力、人機(jī)一體化、虛擬實(shí)現(xiàn) 等特征。主要涉及整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機(jī)互動以

10、及3D技術(shù)在工業(yè) 生產(chǎn)過程中的應(yīng)用等。由上可以看出工業(yè)4.0的內(nèi)容和兩個(gè)發(fā)展方向，不論是智能工廠還是智 能生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)都必須要有智能化、高度集成化的人機(jī)一體化系統(tǒng)；不論是工 廠還是生產(chǎn)都必須有機(jī)械設(shè)備、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)和相應(yīng)的電子技術(shù)綜 合應(yīng)用；不論是智能工業(yè)發(fā)展的新方向還是制造業(yè)的未來都離不開機(jī)械技術(shù)、 自動控制技術(shù)、檢測傳感技術(shù)、執(zhí)行元件和動力源。而機(jī)電一體化技術(shù)就是 集機(jī)械、電子、光學(xué)、控制、計(jì)算機(jī)、信息等多學(xué)科的交叉綜合技術(shù)，它的 發(fā)展和進(jìn)步依賴并促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步11 O因此，工業(yè)4.0與機(jī)電一 體化技術(shù)有著密不可分的關(guān)系。工業(yè)4.0的實(shí)現(xiàn)依賴于機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā) 展和支持，

11、機(jī)電一體化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的過程中不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)。 同時(shí)工業(yè)4.0的不斷邁進(jìn)也促進(jìn)著機(jī)電一體化技術(shù)的不斷成熟與更新。3機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展方向在工業(yè)4.0的大環(huán)境下，在以“數(shù)字化+智能化”作為傳統(tǒng)制造業(yè)重構(gòu)的 核心技術(shù)的情況下，縱觀國內(nèi)外機(jī)電一體化的發(fā)展現(xiàn)狀和高新技術(shù)的發(fā)展動 向，未來機(jī)電一體化技術(shù)將朝著智能化、網(wǎng)絡(luò)化、微型化、模塊化、綠色化 等多方向發(fā)展。智能化智能化是21世紀(jì)機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要發(fā)展方向。人工智能 系統(tǒng)是一個(gè)知識處理系統(tǒng)，它包括知識表示、知識利用和知識獲取三個(gè)基本 問題，其最終目標(biāo)是模擬人的問題求解、推理、學(xué)習(xí)。人工智能在機(jī)電一體 化建設(shè)中的研究日益得到重視，

12、機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床的智能化就是重要應(yīng)用。 “智能化”是對機(jī)器行為的描述，是在控制理論的基礎(chǔ)上，吸收人工智能、 運(yùn)籌學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)和混沌動力學(xué)等新思想、 新方法，模擬人類的智能，使它具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力， 以求得到更高的控制目標(biāo)。隨著制造自動化程度的不斷提高，將會出現(xiàn)智能 制造系統(tǒng)控制器來模擬人類專家的智能制造活動，并會對制造中出現(xiàn)的問題 進(jìn)行分析、判斷、推理、構(gòu)思和決策12。網(wǎng)絡(luò)化20世紀(jì)90年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)的突出成就是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的興 起和飛速發(fā)展給科學(xué)技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)、政治、軍事、教育及人們的日常生活 都帶來了巨大的變革，同樣也給機(jī)電一體化技術(shù)

13、帶來了重大影響，例如通過 網(wǎng)絡(luò)對機(jī)電一體化設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。機(jī)電一體化新產(chǎn)品一旦研制出來，只 要其功能獨(dú)到、質(zhì)量可靠，很快就會暢銷全球。由于網(wǎng)絡(luò)的普及，基于網(wǎng)絡(luò) 的各種遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視技術(shù)方興未艾，而遠(yuǎn)程控制的終端設(shè)備本身就是機(jī)電 一體化產(chǎn)品?，F(xiàn)場總線和局域網(wǎng)技術(shù)使家用電器網(wǎng)絡(luò)化已成大勢，利用家庭 網(wǎng)絡(luò)(Home-net )將各種家用電器連接成以計(jì)算機(jī)為中心的計(jì)算機(jī)集成家電 系統(tǒng)(Computer integrated appliance system ，CIAS) 13】，使人們在家里分享 各種高技術(shù)帶來的便利與快樂。因此機(jī)電一體化產(chǎn)品無疑朝著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā) 展。微型化微型化興起于20世紀(jì)80年

14、代末，是機(jī)電一體化向微型機(jī)器和微觀領(lǐng) 域發(fā)展的趨勢。近十余年來，微機(jī)電系統(tǒng)(Micro Electro Mechanic System， MEMS)I14】，作為機(jī)電一體化技術(shù)的新尖端分支而倍受重視，它泛指幾何尺 寸不超過1 cm 3的機(jī)電一體化產(chǎn)品，并向微米、納米級發(fā)展。微機(jī)電系統(tǒng)高 度融合了微機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)和軟件技術(shù)，發(fā)展難點(diǎn)在于微機(jī)械并不是 簡單地將大尺寸的機(jī)械按比例縮小，由于結(jié)構(gòu)的微型化，在材料、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、 摩擦特性、加工方法、測試與定位及驅(qū)動方式等方面都產(chǎn)生了一些特殊問題。 微機(jī)電一體化產(chǎn)品體積小、耗能少、運(yùn)動靈活，可進(jìn)入一般機(jī)械無法進(jìn)入的 空間，并易于進(jìn)行精細(xì)操作，因此在生物

15、醫(yī)療、軍事、信息等方面具有不可 比擬的優(yōu)勢。因此在生物醫(yī)學(xué)、航空航天、信息技術(shù)、工農(nóng)業(yè)乃至國防等領(lǐng) 域，都有廣闊的應(yīng)用前景。模塊化15】模塊化是一項(xiàng)重要而又艱巨的工程。由于機(jī)電一體化產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠 家繁多，研制和開發(fā)具有標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口、電氣接口、動力接口、環(huán)境接口的 機(jī)電一體化產(chǎn)品單元是一項(xiàng)十分復(fù)雜但又非常有前途的事。如研制集減速、 智能調(diào)速、電機(jī)于一體的動力單元，具有視覺、圖像處理、識別和測距等功 能的控制單元，以及各種能完成典型操作的機(jī)械裝置。這樣，可利用標(biāo)準(zhǔn)單 元迅速開發(fā)出新的產(chǎn)品，同時(shí)也可擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。這需要制訂各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，以 便各部件、單元的匹配和接口。從電氣產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化帶來的

16、好處可 以肯定，模塊化將給機(jī)電一體化企業(yè)帶來美好的前程，無論是對生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)機(jī) 電一體化單元的企業(yè)還是對生產(chǎn)機(jī)電一體化產(chǎn)品的企業(yè)。綠色化工業(yè)的發(fā)達(dá)給人們生活帶來了巨大變化：一方面物質(zhì)豐富，生活舒適； 另一方面資源減少，生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重污染。于是人們呼吁保護(hù)環(huán)境資源， 回歸自然。綠色產(chǎn)品概念在這種呼聲下應(yīng)運(yùn)而生，綠色化是時(shí)代的趨勢。綠 色產(chǎn)品在其設(shè)計(jì)、制造、使用和銷毀的生命過程中，符合特定的環(huán)境保護(hù)和 人類健康的要求，對生態(tài)環(huán)境無害或危害極少，資源利用率極高。機(jī)電一體 化產(chǎn)品的綠色化主要是指使用時(shí)不污染生態(tài)環(huán)境，報(bào)廢后能回收利用16。工 業(yè)的發(fā)展使得資源減少，生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重污染。綠色化成了時(shí)代的趨

17、勢， 產(chǎn)品的綠色化更成了適應(yīng)未來發(fā)展的一大特色。因此，進(jìn)入21世紀(jì)，機(jī)電 一體化技術(shù)的使命是要能提供一種高性能、高原料利用率、低能耗、低污染、 環(huán)境舒適和可回收的智能化機(jī)械產(chǎn)品，即提供一種能滿足可持續(xù)性發(fā)展的綠 色產(chǎn)品。4結(jié)論與展望綜上所述，工業(yè)4.0概念以智能制造為主導(dǎo)，將虛擬數(shù)字系統(tǒng)與實(shí)際工業(yè) 生產(chǎn)進(jìn)行有效融合，全面打造新工業(yè)世界。工業(yè)4.0強(qiáng)調(diào)一致的數(shù)字化，強(qiáng)調(diào) 各生產(chǎn)系統(tǒng)中所有成分通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，形成更智能的生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)17。機(jī)電 一體化技術(shù)是整合機(jī)械技術(shù)、光電學(xué)技術(shù)、數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)等發(fā)展起來的新 型技術(shù)。隨著科技的發(fā)展，機(jī)電一體化技術(shù)一直在不斷地發(fā)展，各項(xiàng)技術(shù)不 斷的完善。機(jī)電一體化技

18、術(shù)在機(jī)械行業(yè)乃至整個(gè)國家的民生行業(yè)中有著舉足 輕重的作用，是當(dāng)前機(jī)械行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。通向工業(yè)4 . 0的路將會是一段革命性的進(jìn)展。在邁進(jìn)工業(yè)4.0時(shí)代的進(jìn) 程中，機(jī)電一體化技術(shù)必將是一個(gè)不可缺少的工具，機(jī)電一體化技術(shù)會滲透 在工業(yè)4.0時(shí)代的每一個(gè)行業(yè)?，F(xiàn)有的機(jī)電一體化技術(shù)將不得不為了適應(yīng)制造 工業(yè)中的特殊設(shè)備而進(jìn)行改變和革新，而且對于新地域和新市場的其創(chuàng)新解 決方案將不得不重新探索。因此，機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展將會引領(lǐng)智能工廠 的發(fā)展和制造業(yè)的未來，將會加速工業(yè)4.0的到來。同時(shí)，工業(yè)4.0的到來也 會促進(jìn)機(jī)電一體化技術(shù)的快速發(fā)展和更新。以機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)的有機(jī) 結(jié)合為主體的機(jī)電一體化技術(shù)

19、是工業(yè)4.0發(fā)展的必然趨勢，機(jī)電一體化技術(shù)在 工業(yè)4.0的環(huán)境下的發(fā)展前景也必將越來越廣闊。參考文獻(xiàn)Binner, Hartmut F. Industry 4.0: defining the working world of the futureJ.Elektrotechnik and Informationstechnik,2014 ( 7 ): p230-236.董奎勇.德國“工業(yè)4.0 ”戰(zhàn)略計(jì)劃帶來新啟示J.紡織導(dǎo)報(bào)，2013(9): 卷首語.Wahlster, Wolfgang. From Industry 1.0 to Industry 4.0: Towards the4thIndustrial RevolutionJ. Forum Business meets Research. 2012.Baheti, Radhakisan, Helen Gill. Cyber-physical systems J. The Impact of Control Technology, (2011): p161-166.Germa