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摘 要：机电一体化是指综合运用各种现代化技术，使系统的性能达到最优化。运用机电一体化技术可以提高机器运行的可靠性、保证产品质量的稳定性，大大提高了产品的市场竞争力。本文介绍了计算机数字控制（CNC）、现代集成制造系统（CIMS）、柔性制造技术（FMT）、敏捷制造（AM）、并行工程（CE）等的原理及其在机械制造工程领域中的应用。
关键词：机电一体化；制造；应用
0 前言
机电一体化是从系统的观点出发，综合运用机械技术、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结构目标，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。传统的机械制造业是建立在规模经济的基础上，靠企业规模、生产批量、产品结构和重复性来获得竞争优势的，它强调资源的有效利用，以低成本获得高质量和高效率，其生产盈利是靠机器取代人力，靠复杂的专业加工取代人的技能来获取的。21世纪的机械制造业是以信息为主导，采用信息技术、数字技术、先进制造技术和先进组织管理技术改造传统制造业成为实现制造业跨越式发展的重要途径，其特征是信息化、网络化、集成化、智能化以及环保协调的绿色制造。运用机电一体化技术改造传统制造业提高了机器运行的可靠性、保证了产品质量的稳定性，大大提高了产品的市场竞争力。近年来，制造工程领域的新技术相继诞生，如计算机数字控制（CNC）、现代集成制造系统（CIMS）、柔性制造技术（FMT）、敏捷制造（AM）、并行工程（CE）等。
1 计算机数字控制（CNC）
数控技术是典型的机械、电子、自动控制、计算机和检测技术密切结合的机电一体化高新技术。数控技术是实现制造过程自动化的基础，是自动化柔性系统的核心，是现代集成制造系统的重要组成部分。数控技术把机械装备的功能、效率、可靠性和产品质量提高到一个新水平，使传统的制造业发生了极其深刻的变化。
数控技术从发明到现在，已有近50年的历史。数控机床是数控技术在机械制造领域的典型运用。数控机床是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置、机床电机的启动和停止、主轴变速、工件松开夹紧、刀具的选择、冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，发出各种指令控制机床伺服系统或其它执行元件，使机床自动加工出所需零件。
传统的数控系统是由各种逻辑元件、记忆元件组成的随机逻辑电路，是采用固定接线的硬件结构，数控功能由硬件来实现的，即硬件数控（NC）。随着半导体技术、计算机技术的发展，微处理器和微型计算机功能增强，价格下降，数控装置已发展成为计算机数字控制装置，即所谓的CNC（Computer Numerical Control 计算机数控系统）装置，它由软件来实现部分或全部数控功能。如图1所示，在电火花机床计算机数控制系统中，PC机作为一个标准的开放式体系结构，其本身的特点决定了它是实现开放性数控系统的有效途径。标准化的硬件、充足的软件支持及优良的性能价格比，使基于PC机的数控系统具有良好的人机接口、在线实时检测和在线故障诊断、网络通讯、高集成性、高可靠性、高柔性等特点，从而使控制系统功能进一步增强。PC机作为数控系统的核心，提供数控系统的用户界面、编制和编译数控代码、协调、监控运动控制卡和单片机的运行等功能[1]。
2 计算机集成制造系统（CIMS）
计算机集成制造造系统（CIMS）将设计、制造、管理与销售等功能集成一体，大大改变了设计制造各自为政的生产方式， 出现了高自动化的生产模式}在CIMS中广泛应用信息技术， 使加工、装配、检验、运输等一系列生产过程汇集于一体， 互相协调配合， 形成一个高度集中的统一的完整的生产系统。
航空工业中，计算机集成制造系统中的生产和检测等关键性制造环节由柔性加工线、数控机床（NC）以及装卸机器人、搬运设备等具体的加工和控制系统完成，他们构成了由集团级、营销级、厂所级等上级控制系统和车间级、设备级等加工控制系统所组成的多级分布式控制系统，其物理结构如图2 所示。这种物理组织结构具有结构清晰、功能明确的特点，并且航空企业一般都是集团级的大企业，在企业内部建立图2所示的物理结构有利于结合计算机集成制造系统的营销网络、技术装备和加工特点，明确各级的职责和功能[2]。
计算机集成制造系统（CIMS）是机械制造科学的未来， 是多种学科、多种技术的汇集， 它的基础是微电子技术与信息技术，核心是“集成”。
计算机集成制造系统（CIMS）的进一步发展，将多个自动化技术和事务处理的子系统以及制造过程和市场环境综台在一起的整体， 称为计算机集成生产系统， 它将是二十一世纪合理化生产的主要模式， 也是当前技术竞争的一个重要领域， 必将带来生产力的巨大飞跃和生产方式的变革，成为推动社会发展的一种主要动力。
3 柔性制造技术（FMT）
柔性制造是指应用软件、硬件和通信技术，对变化不定的要求、条件或新的情况具有应变能力的一种生产过程是通过灵活运用各种设备、仪器、信息资料和系统技术、数据通信等工具以及新的管理方法而达到的整个企业乃至多家企业的集成一一包括集成的产品研制、制造集成的数据库、库存管理系统和计算机化的后勤支援等。柔性制造技术是从机械转换、刀具更换、夹具可调、模具转位等硬件柔性化的基础上发展起来的，已成为自动变换、人机对话转换、智能化任意变化地对不同加工对象实现程序化柔性制造加工的一種崭新技术，是自动化制造系统的基本单元技术。
柔性制造系统（FMS）包含2台以上具有自动刀具交换和自动工件托盘交换装置的数控机床，以加工中心为核心设备，配有自动物料传递和管理系统，如有轨运输小车或自动导引运输小车，并在中央计算机统一控制和管理下，动态地平衡资源地有效利用，具有生产调度和对加工过程的实时监控能力，可动态地实现多种零件族的自动加工。目前柔性制造所采用的关键技术就是计算机辅助设计、模糊控制技术和人工神经网络技术等机电一体化技术[3]。 4 敏捷制造（AM）
敏捷制造是指制造业采用现代通信手段，通过快速配置各种资源（包括技术、管理和人），以有效、协调的方式响应用户的需求，实现制造的敏捷性。它是为了提高企业的竞争能力，实现对市场需求做出灵活快速反应的一种新的制造生产模式。敏捷制造指导思想是：充分利用信息时代的通讯工具和通信环境，为某一产品的快速开发，在一些制造企业之间建立一个动态联盟，各联盟企业之间加强合作和知识、信息、技术资源共享，充分发挥各自的优势和创造能力，在最短的时间内以最小的投资完成产品的设计制造过程，并快速把产品推向市场。各企业间严格履行企业合约，利益同享，风险共担。敏捷制造依赖于各种现代技术和方法，而最具代表性的是动态联盟的组织方式和虚拟制造的开发手段。
动态联盟：动态联盟是指由企业内部、企业与企业、企业与社会组织（科研院所）之间基于工艺创新任务而构成的具有网络关系并超越时间、空间约束的临时性动态联盟。该组织具有动态响应企业创新需求的能力，以企业工艺创新为中心，以解决企业生产问题为目标，并通过信息技术与网络的应用，联合各成员的人力、设备、技术等共同改造或开发某项工艺技术、工艺设备等。这种动态联盟的虚拟企业组织方式可以降低企业风险，使生产能力前所未有地提高，从而缩短产品的上市时间，减少相关的开发工作量，降低生产成本。组成动态企业，利用各方的资源优势，迅速响应用户需求是21世纪生产方式——社会级集成的具体表现。它具有如下特征：组织的三维虚拟性、组织边界的模糊性、组织的临时性、合作成员的资源互补性和信息技术的支持[4]。如图3所示，列出了基于动态盟友的设计阶段的发放状态层次[5]。盟友企业可以指定不同的产品零部件的版次状态，生成所需要物料清单视图。盟友企业通过产品配置管理提供的超越列表的功能，将正式发放的条目纳入物料清单，以便安排工作计划，同时超越列表提供了对两种物料清单进行比较的功能，以考察添加某个条目版次所带来的影响，对新的设计方案进行评估。
虚拟制造技术：虚拟制造是敏捷制造最主要的手段。虚拟制造就是要充分利用信息技术的发展和信息处理的优势，辅助产品的开发过程。通过对设计→分析→制造→装配→测试全过程的计算机建模和仿真来模拟产品开发、制造过程的实际运行，来确定实际产品开发特别是制造过程可能出现的各种问题和解决方案。达到降低产品开发成本、减少产品开发周期的目的。
可以说，以上两项方法和技术是敏捷制造区别于其它生产方式的显著特征。但敏捷制造的精髓在于提高企业的应变能力，所以对于一个具体的应用，并不是说必需具备这两方面内容才算实施敏捷制造，而应理解为通过各种途径提高企业响应能力，通过快速配置资源，以有效和协调的方式响应用户需求，实现制造的敏捷性。
5 并行工程（CE）
并行工程实质就是集成地、并行地设计产品及其零部件和相关各种过程的一种系统方法。这种方法要求产品开发人员与其他人员一起共同工作，在设计一开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废处理的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户的要求。图4是对客车原有的开发流程进行并行化改进后的过程图[6]。对客车原有的开发流程进行并行化改進，分析开发过程的独立性，找出其中独立与必要环节，通过对任务的重新定义和资源分配及过程的重组，使信息能够及时的共享，缩小循环圈，及早解决失误。改进后，有些工作之间有直接的时间先后顺序，可将其组成一个并列的开发过程，以此缩短工期，节约成本。
从上述定义可以看出，并行工程具有如下特点：
（1） 产品开发队伍重构。将传统的部门制度或专业组制度变成以产品（型号）为主线的多功能综合产品开发团队，赋予开发团队相应的责、权、利，对所开发的产品对象负责，以形成信息通畅、工作衔接、优势互补的研发条件。
（2） 强调设计过程的并行性。并行性有两方面的含义：其一是在设计过程中通过专家把关，同时考虑产品寿命循环的各个方面；其二是在设计阶段即可同时进行工艺（包括加工工艺、装配工艺和检验工艺）过程设计，并对工艺设计的结果进行计算机仿真，直至用快速原型法产生出产品的样件。
（3） 数字化产品定义。欲完成数字化产品定义将进行以下两方面的工作：① 确定数字化产品模型和产品生命周期数据管理办法；② 形成数字化工具定义和信息集成。
（4） 协同的工作环境。确保支持多功能集成产品开发团队协同工作的网络与计算机平台。
总之，机电一体化技术广泛的应用于现代机械制造业中，这必将给机械行业带来了勃勃生机。机械产品的面貌和行业的面貌将迅速发生巨大变化，产品实现机电一体化，便具有很高的功能水平和附加价值，这将给开发生产者和用户带来巨大的社会经济效益。
参考文献
[1] 刘军， 崔红， 金元郁. 电火花机床计算机数控系统的设计[J] .机械设计与制造， 2006， （3）： 22-24.
[2] 王永栓， 向颖， 张杨. 航空工业分布式计算机集成制造系统[J] .航空制造技术， 2008， （23）： 89-91，95.
[3] 张强.浅谈柔性制造技术的现状及发展[J] .技术与市场， 2008， （5）： 39-40.
[4] 李婉红， 毕克新.一种新型的制造企业工艺创新组织结构： 虚拟动态联盟[J] .科技管理研究， 2012， （9）： 154-157.
[5] 汤文成，易红，幸研， 等. 面向敏捷制造的产品配置管理[J] .计算机集成制造技术--CIMS， 2002， （2）： 137-140.
[6] 张绍丽，陈世辉. 并行工程在客车开发中的应用[J] .机械管理开发， 2011， （1）： 127-129.
关键词：机电一体化；制造；应用
0 前言
机电一体化是从系统的观点出发，综合运用机械技术、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结构目标，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。传统的机械制造业是建立在规模经济的基础上，靠企业规模、生产批量、产品结构和重复性来获得竞争优势的，它强调资源的有效利用，以低成本获得高质量和高效率，其生产盈利是靠机器取代人力，靠复杂的专业加工取代人的技能来获取的。21世纪的机械制造业是以信息为主导，采用信息技术、数字技术、先进制造技术和先进组织管理技术改造传统制造业成为实现制造业跨越式发展的重要途径，其特征是信息化、网络化、集成化、智能化以及环保协调的绿色制造。运用机电一体化技术改造传统制造业提高了机器运行的可靠性、保证了产品质量的稳定性，大大提高了产品的市场竞争力。近年来，制造工程领域的新技术相继诞生，如计算机数字控制（CNC）、现代集成制造系统（CIMS）、柔性制造技术（FMT）、敏捷制造（AM）、并行工程（CE）等。
1 计算机数字控制（CNC）
数控技术是典型的机械、电子、自动控制、计算机和检测技术密切结合的机电一体化高新技术。数控技术是实现制造过程自动化的基础，是自动化柔性系统的核心，是现代集成制造系统的重要组成部分。数控技术把机械装备的功能、效率、可靠性和产品质量提高到一个新水平，使传统的制造业发生了极其深刻的变化。
数控技术从发明到现在，已有近50年的历史。数控机床是数控技术在机械制造领域的典型运用。数控机床是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置、机床电机的启动和停止、主轴变速、工件松开夹紧、刀具的选择、冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，发出各种指令控制机床伺服系统或其它执行元件，使机床自动加工出所需零件。
传统的数控系统是由各种逻辑元件、记忆元件组成的随机逻辑电路，是采用固定接线的硬件结构，数控功能由硬件来实现的，即硬件数控（NC）。随着半导体技术、计算机技术的发展，微处理器和微型计算机功能增强，价格下降，数控装置已发展成为计算机数字控制装置，即所谓的CNC（Computer Numerical Control 计算机数控系统）装置，它由软件来实现部分或全部数控功能。如图1所示，在电火花机床计算机数控制系统中，PC机作为一个标准的开放式体系结构，其本身的特点决定了它是实现开放性数控系统的有效途径。标准化的硬件、充足的软件支持及优良的性能价格比，使基于PC机的数控系统具有良好的人机接口、在线实时检测和在线故障诊断、网络通讯、高集成性、高可靠性、高柔性等特点，从而使控制系统功能进一步增强。PC机作为数控系统的核心，提供数控系统的用户界面、编制和编译数控代码、协调、监控运动控制卡和单片机的运行等功能[1]。
2 计算机集成制造系统（CIMS）
计算机集成制造造系统（CIMS）将设计、制造、管理与销售等功能集成一体，大大改变了设计制造各自为政的生产方式， 出现了高自动化的生产模式}在CIMS中广泛应用信息技术， 使加工、装配、检验、运输等一系列生产过程汇集于一体， 互相协调配合， 形成一个高度集中的统一的完整的生产系统。
航空工业中，计算机集成制造系统中的生产和检测等关键性制造环节由柔性加工线、数控机床（NC）以及装卸机器人、搬运设备等具体的加工和控制系统完成，他们构成了由集团级、营销级、厂所级等上级控制系统和车间级、设备级等加工控制系统所组成的多级分布式控制系统，其物理结构如图2 所示。这种物理组织结构具有结构清晰、功能明确的特点，并且航空企业一般都是集团级的大企业，在企业内部建立图2所示的物理结构有利于结合计算机集成制造系统的营销网络、技术装备和加工特点，明确各级的职责和功能[2]。
计算机集成制造系统（CIMS）是机械制造科学的未来， 是多种学科、多种技术的汇集， 它的基础是微电子技术与信息技术，核心是“集成”。
计算机集成制造系统（CIMS）的进一步发展，将多个自动化技术和事务处理的子系统以及制造过程和市场环境综台在一起的整体， 称为计算机集成生产系统， 它将是二十一世纪合理化生产的主要模式， 也是当前技术竞争的一个重要领域， 必将带来生产力的巨大飞跃和生产方式的变革，成为推动社会发展的一种主要动力。
3 柔性制造技术（FMT）
柔性制造是指应用软件、硬件和通信技术，对变化不定的要求、条件或新的情况具有应变能力的一种生产过程是通过灵活运用各种设备、仪器、信息资料和系统技术、数据通信等工具以及新的管理方法而达到的整个企业乃至多家企业的集成一一包括集成的产品研制、制造集成的数据库、库存管理系统和计算机化的后勤支援等。柔性制造技术是从机械转换、刀具更换、夹具可调、模具转位等硬件柔性化的基础上发展起来的，已成为自动变换、人机对话转换、智能化任意变化地对不同加工对象实现程序化柔性制造加工的一種崭新技术，是自动化制造系统的基本单元技术。
柔性制造系统（FMS）包含2台以上具有自动刀具交换和自动工件托盘交换装置的数控机床，以加工中心为核心设备，配有自动物料传递和管理系统，如有轨运输小车或自动导引运输小车，并在中央计算机统一控制和管理下，动态地平衡资源地有效利用，具有生产调度和对加工过程的实时监控能力，可动态地实现多种零件族的自动加工。目前柔性制造所采用的关键技术就是计算机辅助设计、模糊控制技术和人工神经网络技术等机电一体化技术[3]。 4 敏捷制造（AM）
敏捷制造是指制造业采用现代通信手段，通过快速配置各种资源（包括技术、管理和人），以有效、协调的方式响应用户的需求，实现制造的敏捷性。它是为了提高企业的竞争能力，实现对市场需求做出灵活快速反应的一种新的制造生产模式。敏捷制造指导思想是：充分利用信息时代的通讯工具和通信环境，为某一产品的快速开发，在一些制造企业之间建立一个动态联盟，各联盟企业之间加强合作和知识、信息、技术资源共享，充分发挥各自的优势和创造能力，在最短的时间内以最小的投资完成产品的设计制造过程，并快速把产品推向市场。各企业间严格履行企业合约，利益同享，风险共担。敏捷制造依赖于各种现代技术和方法，而最具代表性的是动态联盟的组织方式和虚拟制造的开发手段。
动态联盟：动态联盟是指由企业内部、企业与企业、企业与社会组织（科研院所）之间基于工艺创新任务而构成的具有网络关系并超越时间、空间约束的临时性动态联盟。该组织具有动态响应企业创新需求的能力，以企业工艺创新为中心，以解决企业生产问题为目标，并通过信息技术与网络的应用，联合各成员的人力、设备、技术等共同改造或开发某项工艺技术、工艺设备等。这种动态联盟的虚拟企业组织方式可以降低企业风险，使生产能力前所未有地提高，从而缩短产品的上市时间，减少相关的开发工作量，降低生产成本。组成动态企业，利用各方的资源优势，迅速响应用户需求是21世纪生产方式——社会级集成的具体表现。它具有如下特征：组织的三维虚拟性、组织边界的模糊性、组织的临时性、合作成员的资源互补性和信息技术的支持[4]。如图3所示，列出了基于动态盟友的设计阶段的发放状态层次[5]。盟友企业可以指定不同的产品零部件的版次状态，生成所需要物料清单视图。盟友企业通过产品配置管理提供的超越列表的功能，将正式发放的条目纳入物料清单，以便安排工作计划，同时超越列表提供了对两种物料清单进行比较的功能，以考察添加某个条目版次所带来的影响，对新的设计方案进行评估。
虚拟制造技术：虚拟制造是敏捷制造最主要的手段。虚拟制造就是要充分利用信息技术的发展和信息处理的优势，辅助产品的开发过程。通过对设计→分析→制造→装配→测试全过程的计算机建模和仿真来模拟产品开发、制造过程的实际运行，来确定实际产品开发特别是制造过程可能出现的各种问题和解决方案。达到降低产品开发成本、减少产品开发周期的目的。
可以说，以上两项方法和技术是敏捷制造区别于其它生产方式的显著特征。但敏捷制造的精髓在于提高企业的应变能力，所以对于一个具体的应用，并不是说必需具备这两方面内容才算实施敏捷制造，而应理解为通过各种途径提高企业响应能力，通过快速配置资源，以有效和协调的方式响应用户需求，实现制造的敏捷性。
5 并行工程（CE）
并行工程实质就是集成地、并行地设计产品及其零部件和相关各种过程的一种系统方法。这种方法要求产品开发人员与其他人员一起共同工作，在设计一开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废处理的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户的要求。图4是对客车原有的开发流程进行并行化改进后的过程图[6]。对客车原有的开发流程进行并行化改進，分析开发过程的独立性，找出其中独立与必要环节，通过对任务的重新定义和资源分配及过程的重组，使信息能够及时的共享，缩小循环圈，及早解决失误。改进后，有些工作之间有直接的时间先后顺序，可将其组成一个并列的开发过程，以此缩短工期，节约成本。
从上述定义可以看出，并行工程具有如下特点：
（1） 产品开发队伍重构。将传统的部门制度或专业组制度变成以产品（型号）为主线的多功能综合产品开发团队，赋予开发团队相应的责、权、利，对所开发的产品对象负责，以形成信息通畅、工作衔接、优势互补的研发条件。
（2） 强调设计过程的并行性。并行性有两方面的含义：其一是在设计过程中通过专家把关，同时考虑产品寿命循环的各个方面；其二是在设计阶段即可同时进行工艺（包括加工工艺、装配工艺和检验工艺）过程设计，并对工艺设计的结果进行计算机仿真，直至用快速原型法产生出产品的样件。
（3） 数字化产品定义。欲完成数字化产品定义将进行以下两方面的工作：① 确定数字化产品模型和产品生命周期数据管理办法；② 形成数字化工具定义和信息集成。
（4） 协同的工作环境。确保支持多功能集成产品开发团队协同工作的网络与计算机平台。
总之，机电一体化技术广泛的应用于现代机械制造业中，这必将给机械行业带来了勃勃生机。机械产品的面貌和行业的面貌将迅速发生巨大变化，产品实现机电一体化，便具有很高的功能水平和附加价值，这将给开发生产者和用户带来巨大的社会经济效益。
参考文献
[1] 刘军， 崔红， 金元郁. 电火花机床计算机数控系统的设计[J] .机械设计与制造， 2006， （3）： 22-24.
[2] 王永栓， 向颖， 张杨. 航空工业分布式计算机集成制造系统[J] .航空制造技术， 2008， （23）： 89-91，95.
[3] 张强.浅谈柔性制造技术的现状及发展[J] .技术与市场， 2008， （5）： 39-40.
[4] 李婉红， 毕克新.一种新型的制造企业工艺创新组织结构： 虚拟动态联盟[J] .科技管理研究， 2012， （9）： 154-157.
[5] 汤文成，易红，幸研， 等. 面向敏捷制造的产品配置管理[J] .计算机集成制造技术--CIMS， 2002， （2）： 137-140.
[6] 张绍丽，陈世辉. 并行工程在客车开发中的应用[J] .机械管理开发， 2011， （1）： 127-129.