机电一体化技术基础

1、工业4.0与机电一体化技术摘要：工业4.0，是从嵌入式系统向信息物理融合系统(CPS )发展的技术化。 工业4.0不断向实现物体、数据以及服务等无缝连接的互联网(物联网、数 据网和服务互联网)的方向发展。而机电一体化技术是由微电子技术、计算 机技术、信息技术、机械技术及其它技术相融合构成的一门独立的交叉学科。 随着科学技术的发展，机电一体化将朝着智能化、网络化、微型化、模块化、 绿色化方向发展，各种技术相互融合的趋势也将越来越明显。以机械技术、 微电子技术的有机结合为主体的机电一体化技术是工业4.0发展的必然趋势， 机电一体化技术在工业4.0的环境下的发展前景将越来越广阔。关键字：工业4.0

2、；机电一体化技术；融合；发展1引言1.1工业4.0的概念“工业4.0 ”这一词最早在2011年德国汉诺威工业博览会上就已经被提 出，初衷是通过应用物联网等新技术提高德国制造业水平。这一概念在德国 工程院、弗劳恩霍夫协会、西门子公司等学术界和产业界的大力推动下，德 国联邦教研部与联邦经济技术部于2013年将“工业4.0 ”项目纳人了德国政 府2010年7月公布的高技术战略2020确定的十大未来项目之一，计划 投入2亿欧元资金，旨在支持工业领域新一代革命性技术的研发与创新，保 持德国的国际竞争力1，2，确保德国制造的未来。工业4.0是由德国联盟教 研部与联邦经济技术部联手推动的战略性项目，现已经成

3、为了德国的国家战 略，被看作是提振德国制造业的有力催化剂，也被认为将是全球制造业未来 发展的方向，即工业4.0时代。工业4.0在德国被认为是继蒸汽机的发明、 大规模生产和自动化之后的“第四次工业革命” 3。德国学术界和产业界认为，未来10年，基于信息物理系统(Cyber-Physical System, CPS)的智能化，将是人类步入以智能制造为主导的第四次工业革命。 第四次工业革命将步入“分散化”生产的新时代，将是(移动)互联网、大数 据、云计算、物联网等新技术的交织，从而推动生产方式发生巨大变革。工 业4.0通过决定生产制造过程等的网络技术，实现实时管理。产品全生命周 期和全制造流程的数字

4、化以及基于信息通信技术的模块集成，将形成一个高 度灵活、个性化、数字化的产品与服务的生产模式。工业4.0是利用信息化 技术促进产业变革的时代，也就是“智能化时代” 4,5。工业4 . 0的概念描述了由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式 转变，目标是建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式。 在这种模式中，传统的行业界限将消失，并会产生各种新的活动领域和合作 形式。创造新价值的过程正在发生改变，产业链分工将被重组6。工业4.0的内容简单可以概括为“1个核心”、“ 2重战略”、“3大集成” 和“ 8项举措”。“1个核心”是“智能+网络化”，即通过虚拟一实体系统 （Cyber-Ph

5、ysical Syste m, CPS），构建智能工厂，实现智能制造的目的。“ 2重战 略”是领先的供应商战略和领先的市场战略。“3大集成”的支撑：（1）关注 产品的生产过程，力求在智能工厂内通过联网建成生产的纵向集成；（2 ）关 注产品整个生命周期的不同阶段，包括设计与开发、安排生产计划、管控生 产过程以及产品的售后维护等，实现各个不同阶段之间的信息共享，从而达 成工程数字化集成；（3 ）关注全社会价值网络的实现，从产品的研究、开发 与应用拓展至建立标准化策略、提高社会分工合作的有效性、探索新的商业 模式以及考虑社会的可持续发展等，从而达成德国制造业的横向集成。“ 8项 举措”分别是实现技术

6、标准化和开放标准的参考体系、建立模型来管理复杂 的系统、提供一套综合的工业宽带基础设施、建立安全保障机制、创新工作 的组织和设计方式、注重培训和持续的职业发展、健全规章制度和提升资源 效率。1.2机电一体化技术的内容机电一体化思想体现了 “系统设计原理”和“综合集成技巧”。系统工 程、控制论和信息论是机电一体化技术的方法论。机电一体化技术是从系统工程观点出发，应用机械、电子等有关技术， 使机械、电子有机结合，实现系统或产品整体最优的综合性技术。机电一体 化技术，主要包括技术原理和使用机电一体化产品（或系统）得以实现、使用 和发展的技术。机电一体化技术是一个技术群（族）的总称。综合运用机械技 术

7、、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、 电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，根 据系统功能目标和优化组织目标，合理配置与布局各功能单元，在多功能、 高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值，并使整个系统最优 化的系统工程技术。只是，机电一体化技术是基于上述群体技术有机融合的 一种综合技术，而不是机械技术、微电子技术以及其它新技术的简单组合、 拼凑9。2工业4.0与机电一体化技术工业4.0通过将嵌入式系统生产技术与智能生产过程相结合，将给工业 领域、生产价值链、业务模式带来根本性变革（如智能工厂），从而开创一条 通往新技术时代的道路。

8、工业4.0体现了生产模式从集中型到分散型的范式 转变，正是因为有了让传统生产过程理论发生颠覆的技术进步，这一切才成 为可能。未来，工业生产机械不再只是“加工”产品，取而代之的是，产品 通过通信向机械传达如何采取正确操作10 o工业4 . 0将从两个方向展开，一是“智能工厂”，智能工业发展新方向。 智能工厂是在数字化工厂的基础上，利用物联网的技术和设备监控技术加强 信息管理和服务；未来，将通过大数据与分析平台，将云计算中由大型工业 机器产生的数据转化为实时信息（云端智能工厂），并加上绿色智能的手段和 智能系统等新兴技术于一体，构建一个高效节能的、绿色环保的、环境舒适 的人性化工厂。其基本特征主要

9、有制程管控可视化、系统监管全方位及制造 绿色化三个层面。二是“智能生产”，制造业的未来。智能生产（Intelligent Manufacturing ，IM），也称智能制造，是一种由智能机器和人类专家共同组 成的人机一体化智能系统，它在制造过程中能进行智能活动，诸如分析、推 理、判断、构思和决策等。通过人与智能机器的合作共事，去扩大、延伸和 部分地取代人类专家在制造过程中的脑力劳动。它把制造自动化的概念更新， 扩展到柔性化、智能化和高度集成化。与传统的制造相比，智能生产具有自 组织和超柔性、自律能力、学习能力和自维护能力、人机一体化、虚拟实现 等特征。主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以

10、及3D技术在工业 生产过程中的应用等。由上可以看出工业4.0的内容和两个发展方向，不论是智能工厂还是智 能生产的实现都必须要有智能化、高度集成化的人机一体化系统；不论是工 厂还是生产都必须有机械设备、计算机技术、控制技术和相应的电子技术综 合应用；不论是智能工业发展的新方向还是制造业的未来都离不开机械技术、 自动控制技术、检测传感技术、执行元件和动力源。而机电一体化技术就是 集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合技术，它的 发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步11 O因此，工业4.0与机电一 体化技术有着密不可分的关系。工业4.0的实现依赖于机电一体化技术的发 展和支持，

11、机电一体化技术是实现工业4.0的过程中不可缺少的关键技术。 同时工业4.0的不断迈进也促进着机电一体化技术的不断成熟与更新。3机电一体化技术发展方向在工业4.0的大环境下，在以“数字化+智能化”作为传统制造业重构的 核心技术的情况下，纵观国内外机电一体化的发展现状和高新技术的发展动 向，未来机电一体化技术将朝着智能化、网络化、微型化、模块化、绿色化 等多方向发展。智能化智能化是21世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向。人工智能 系统是一个知识处理系统，它包括知识表示、知识利用和知识获取三个基本 问题，其最终目标是模拟人的问题求解、推理、学习。人工智能在机电一体 化建设中的研究日益得到重视，

12、机器人与数控机床的智能化就是重要应用。 “智能化”是对机器行为的描述，是在控制理论的基础上，吸收人工智能、 运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、 新方法，模拟人类的智能，使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力， 以求得到更高的控制目标。随着制造自动化程度的不断提高，将会出现智能 制造系统控制器来模拟人类专家的智能制造活动，并会对制造中出现的问题 进行分析、判断、推理、构思和决策12。网络化20世纪90年代，计算机技术的突出成就是网络技术。网络技术的兴 起和飞速发展给科学技术、工业生产、政治、军事、教育及人们的日常生活 都带来了巨大的变革，同样也给机电一体化技术

13、带来了重大影响，例如通过 网络对机电一体化设备进行远程控制。机电一体化新产品一旦研制出来，只 要其功能独到、质量可靠，很快就会畅销全球。由于网络的普及，基于网络 的各种远程控制和监视技术方兴未艾，而远程控制的终端设备本身就是机电 一体化产品。现场总线和局域网技术使家用电器网络化已成大势，利用家庭 网络(Home-net )将各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电 系统(Computer integrated appliance system ，CIAS) 13】，使人们在家里分享 各种高技术带来的便利与快乐。因此机电一体化产品无疑朝着网络化方向发 展。微型化微型化兴起于20世纪80年

14、代末，是机电一体化向微型机器和微观领 域发展的趋势。近十余年来，微机电系统(Micro Electro Mechanic System， MEMS)I14】，作为机电一体化技术的新尖端分支而倍受重视，它泛指几何尺 寸不超过1 cm 3的机电一体化产品，并向微米、纳米级发展。微机电系统高 度融合了微机械技术、微电子技术和软件技术，发展难点在于微机械并不是 简单地将大尺寸的机械按比例缩小，由于结构的微型化，在材料、机构设计、 摩擦特性、加工方法、测试与定位及驱动方式等方面都产生了一些特殊问题。 微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活，可进入一般机械无法进入的 空间，并易于进行精细操作，因此在生物

15、医疗、军事、信息等方面具有不可 比拟的优势。因此在生物医学、航空航天、信息技术、工农业乃至国防等领 域，都有广阔的应用前景。模块化15】模块化是一项重要而又艰巨的工程。由于机电一体化产品种类和生产厂 家繁多，研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的 机电一体化产品单元是一项十分复杂但又非常有前途的事。如研制集减速、 智能调速、电机于一体的动力单元，具有视觉、图像处理、识别和测距等功 能的控制单元，以及各种能完成典型操作的机械装置。这样，可利用标准单 元迅速开发出新的产品，同时也可扩大生产规模。这需要制订各项标准，以 便各部件、单元的匹配和接口。从电气产品的标准化、系列化带来的

16、好处可 以肯定，模块化将给机电一体化企业带来美好的前程，无论是对生产标准机 电一体化单元的企业还是对生产机电一体化产品的企业。绿色化工业的发达给人们生活带来了巨大变化：一方面物质丰富，生活舒适； 另一方面资源减少，生态环境受到严重污染。于是人们呼吁保护环境资源， 回归自然。绿色产品概念在这种呼声下应运而生，绿色化是时代的趋势。绿 色产品在其设计、制造、使用和销毁的生命过程中，符合特定的环境保护和 人类健康的要求，对生态环境无害或危害极少，资源利用率极高。机电一体 化产品的绿色化主要是指使用时不污染生态环境，报废后能回收利用16。工 业的发展使得资源减少，生态环境受到严重污染。绿色化成了时代的趋

17、势， 产品的绿色化更成了适应未来发展的一大特色。因此，进入21世纪，机电 一体化技术的使命是要能提供一种高性能、高原料利用率、低能耗、低污染、 环境舒适和可回收的智能化机械产品，即提供一种能满足可持续性发展的绿 色产品。4结论与展望综上所述，工业4.0概念以智能制造为主导，将虚拟数字系统与实际工业 生产进行有效融合，全面打造新工业世界。工业4.0强调一致的数字化，强调 各生产系统中所有成分通过网络实现互联，形成更智能的生产网络17。机电 一体化技术是整合机械技术、光电学技术、数字计算机技术等发展起来的新 型技术。随着科技的发展，机电一体化技术一直在不断地发展，各项技术不 断的完善。机电一体化技

18、术在机械行业乃至整个国家的民生行业中有着举足 轻重的作用，是当前机械行业发展的重点。通向工业4 . 0的路将会是一段革命性的进展。在迈进工业4.0时代的进 程中，机电一体化技术必将是一个不可缺少的工具，机电一体化技术会渗透 在工业4.0时代的每一个行业。现有的机电一体化技术将不得不为了适应制造 工业中的特殊设备而进行改变和革新，而且对于新地域和新市场的其创新解 决方案将不得不重新探索。因此，机电一体化技术的发展将会引领智能工厂 的发展和制造业的未来，将会加速工业4.0的到来。同时，工业4.0的到来也 会促进机电一体化技术的快速发展和更新。以机械技术、微电子技术的有机 结合为主体的机电一体化技术

19、是工业4.0发展的必然趋势，机电一体化技术在 工业4.0的环境下的发展前景也必将越来越广阔。参考文献Binner, Hartmut F. Industry 4.0: defining the working world of the futureJ.Elektrotechnik and Informationstechnik,2014 ( 7 ): p230-236.董奎勇.德国“工业4.0 ”战略计划带来新启示J.纺织导报，2013(9): 卷首语.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