機電一體化技術(shù)現狀和發(fā)展趨勢
摘 要：機電一體化是現代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然結果。此簡(jiǎn)述機電一體化技術(shù)的基本情況和發(fā)展背景，綜述國內外機電一體化技術(shù)的現狀，分析機電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞：機電一體化 技術(shù) 現狀 發(fā)展趨
Abstract： Machine incorporation is the result of modern science and technology development. It analyzes the basic things and developing background， the current condition of home and abroad， and the trend of machine incorporation.
Key words： machine incorporation; technology; current condition; trend
現代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動(dòng)了不同學(xué)科的交叉與滲透，工程領(lǐng)域的技術(shù)改造與革命。在機械工程領(lǐng)域，由于微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展及其向機械工業(yè)的滲透所形成的機電一體化，使機械工業(yè)的技術(shù)結構、產(chǎn)品結構、功能與構成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產(chǎn)由“機械電氣化”邁入以“機電一體化 ”為特征的發(fā)展階段。
1、 機電一體化概述
機電一體化是指在機構的主功能、動(dòng)力功能、信息處理功能和控制功能上引進(jìn)電子技術(shù)，將機械裝置與電子化設計及軟件結合起來(lái)所構成的系統的總稱(chēng)。
機電一體化發(fā)展至今已經(jīng)成為一門(mén)有著(zhù)自身體系的新型學(xué)科，隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，還將被賦予新的內容。但其基本特征可概括為：機電一體化是從系統的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，綜合運用機械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)、傳感測控技術(shù)及電力電子技術(shù)，根據系統功能目標要求，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)現特定功能價(jià)值， 并使整個(gè)系統最優(yōu)化的系統工程技術(shù)。由此而產(chǎn)生的功能系統，則成為一個(gè)機電一體化系統或機電一體化產(chǎn)品。因此，“機電一體化”涵蓋“技術(shù)”和“產(chǎn)品”兩個(gè)方面。機電一體化技術(shù)是基于上述群體技術(shù)有機融合的一種綜合技術(shù)，而不是機械技術(shù)、微電子技術(shù)及其它新技術(shù)的簡(jiǎn)單組合、拼湊。這是機電一體化與機械加電氣所形成的機械電氣化在概念上的根本區別。機械工程技術(shù)由純技術(shù)發(fā)展到機械電氣化，仍屬傳統機械，其主要功能依然是代替和放大的體系。但是，發(fā)展到機電一體化后，其中的微電子裝置除可取代某些機械部件的原有功能外，還被賦予許多新的功能，如自動(dòng)檢測、自動(dòng)處理信息、自動(dòng)顯示記錄、自動(dòng)調節與控制、自動(dòng)診斷與保護等。也就是說(shuō)，機電一體化產(chǎn)品不僅是人的手與肢體的延伸，還是人的感官與頭腦的延伸，智能化特征是機電一體化與機械電氣化在功能上的本質(zhì)區別。
2、 機電一體化的發(fā)展狀況
機電一體化的發(fā)展大體可以分為三個(gè)階段：(1)20世紀60年代以前為第一階段，這一階段稱(chēng)為初級階段。在這一時(shí)期，人們自覺(jué)不自覺(jué)地利用電子技術(shù)的初步成果來(lái)完善機械產(chǎn)品的性能。特別是在第二次世界大戰期間，戰爭刺激了機械產(chǎn)品與電子技術(shù)的結合，這些機電結合的軍用技術(shù)，戰后轉為民用，對戰后經(jīng)濟的恢復起到了積極的作用。那時(shí)，研制和開(kāi)發(fā)從總體上看還處于自發(fā)狀態(tài)。由于當時(shí)電子技術(shù)的發(fā)展尚未達到一定水平，機械技術(shù)與電子技術(shù)的結合還不可能廣泛和深入發(fā)展，已經(jīng)開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品也無(wú)法大量推廣。(2)20世紀70—80年代為第二階段，可稱(chēng)為蓬勃發(fā)展階段。這一時(shí)期，計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，為機電一體化的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎。大規模、超大規模集成電路和微型計算機的出現，為機電一體化的發(fā)展提供了充分的物質(zhì)基礎。這個(gè)時(shí)期的特點(diǎn)是：mechatronics一詞首先在日本被普遍接受，大約到20世紀80年代末期在世界范圍內得到比較廣泛的承認;機電一體化技術(shù)和產(chǎn)品得到了極大發(fā)展;各國均開(kāi)始對機電一體化技術(shù)和產(chǎn)品給予很大的關(guān)注和支持。(3)20世紀90年代后期，開(kāi)始了機電一體化技術(shù)向智能化方向邁進(jìn)的新階段，機電一體化進(jìn)入深入發(fā)展時(shí)期。一方面，光學(xué)、通信技術(shù)等進(jìn)入機電一體化，微細加工技術(shù)也在機電一體化中嶄露頭腳，出現了光機電一體化和微機電一體化等新分支;另一方面，對機電一體化系統的建模設計、分析和集成方法，機電一體化的學(xué)科體系和發(fā)展趨勢都進(jìn)行了深入研究。同時(shí)，人工智能技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)及光纖技術(shù)等領(lǐng)域取得的巨大進(jìn)步，為機電一體化技術(shù)開(kāi)辟了發(fā)展的廣闊天地。這些研究，使機電一體化進(jìn)一步建立了堅實(shí)的基礎，并且逐漸形成完整的學(xué)科體系。
我國是從20世紀80年代初才開(kāi)始進(jìn)行這方面的研究和應用。國務(wù)院成立了機電一體化領(lǐng)導小組，并將該技術(shù)列入“863計劃”中。在制定“九五”規劃和2010年發(fā)展綱要時(shí)充分考慮了國際上關(guān)于機電一體化技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向和由此可能帶來(lái)的影響。許多大專(zhuān)院校、研究機構及一些大中型企業(yè)對這一技術(shù)的發(fā)展及應用做了大量的工作，取得了一定成果。但與日本等先進(jìn)國家相比，仍有相當差距。
3、 機電一體化的發(fā)展趨勢
機電一體化是集機械、電子、光學(xué)、控制、計算機、信息等多學(xué)科的交叉綜合，它的發(fā)展和進(jìn)步依賴(lài)并促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。機電一體化的主要發(fā)展方向大致有以下幾個(gè)方面：
3.1 智能化
智能化是21世紀機電一體化技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。人工智能在機電一體化的研究中日益得到重視，機器人與數控機床的智能化就是重要應用之一。這里所說(shuō)的“智能化”是對機器行為的描述，是在控制理論的基礎上，吸收人工智能、運籌學(xué)、計算機科學(xué)、模糊數學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)和混沌動(dòng)力學(xué)等新思想、新方法，使它具有判斷推理、邏輯思維及自主決策等能力，以求得到更高的控制目標。誠然，使機電一體化產(chǎn)品具有與人完全相同的智能，是不可能的，也是不必要的。但是，高性能、高速度的微處理器使機電一體化產(chǎn)品賦有低級智能或者人的部分智能，則是完全可能而且必要的。
3.2 模塊化
模塊化是一項重要而艱巨的工程。由于機電一體化產(chǎn)品種類(lèi)和生產(chǎn)廠(chǎng)家繁多，研制和開(kāi)發(fā)具有標準機械接口、電氣接口、動(dòng)力接口和環(huán)境接口等的機電一體化產(chǎn)品單元是一項十分復雜但又非常重要的事情。如研制集減速、智能調速、電機于一體的動(dòng)力單元，具有視覺(jué)、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械裝置等。有了這些標準單元就可迅速開(kāi)發(fā)出新產(chǎn)品，同時(shí)也可以擴大生產(chǎn)規模。為了達到以上目的，還需要制定各項標準，以便于各部件、單元的匹配。由于利益沖突，近期很難制定出國際或國內這方面的標準，但可以通過(guò)組建一些大企業(yè)逐漸形成。顯然，從電氣產(chǎn)品的標準化、系列化帶來(lái)的好處可以肯定，無(wú)論是對生產(chǎn)標準機電一體化單元的企業(yè)，還是對生產(chǎn)機電一體化產(chǎn)品的企業(yè)，模塊化將給機電一體化企業(yè)帶來(lái)美好的前程。
3.3 網(wǎng)絡(luò )化
20世紀90年代，計算機技術(shù)等的突出成就是網(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、教育等日常生活都帶來(lái)了巨大的變革。各種網(wǎng)絡(luò )將全球經(jīng)濟、生產(chǎn)連成一片，企業(yè)間的競爭也將全球化。機電一體化新產(chǎn)品一旦研制出來(lái)，只要其功能獨到、質(zhì)量可靠，很快就會(huì )暢銷(xiāo)全球。由于網(wǎng)絡(luò )的普及，基于網(wǎng)絡(luò )的各種遠程控制和監視技術(shù)方興未艾，而遠程控制的終端設備本身就是機電一體化產(chǎn)品�，F場(chǎng)總線(xiàn)和局域網(wǎng)技術(shù)的應用使家用電器網(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算機為中心的計算機集成家電系統(computer integrated appliance system，CIAS)，能使人們呆在家里就可分享各種高技術(shù)帶來(lái)的便利與快樂(lè )。因此，機電一體化產(chǎn)品無(wú)疑將朝著(zhù)網(wǎng)絡(luò )化方向發(fā)展。
3.4 微型化
微型化興起于20世紀80年代末，指的是機電一體化向微型機器和微觀(guān)領(lǐng)域發(fā)展的趨勢。國外稱(chēng)其為微電子機械系統(MEMS)，泛指幾何尺寸不超過(guò)1cm3的機電一體化產(chǎn)品，并向微米、納米級發(fā)展。微機電一體化產(chǎn)品體積小，耗能少，運動(dòng)靈活，在生物醫療、軍事、信息等方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢。微機電一體化發(fā)展的瓶頸在于微機械技術(shù)。微機電一體化產(chǎn)品的加工采用精細加工技術(shù)，即超精密技術(shù)，它包括光刻技術(shù)和蝕刻技術(shù)兩類(lèi)。
3.5 環(huán)�；�
工業(yè)的發(fā)達給人們生活帶來(lái)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)境受到嚴重污染。于是，人們呼吁保護環(huán)境資源，回歸自然。綠色產(chǎn)品概念在這種呼聲下應運而生，綠色化是時(shí)代的趨勢。綠色產(chǎn)品在其設計、制造、使用和銷(xiāo)毀的生命過(guò)程中，符合特定的環(huán)境保護和人類(lèi)健康的要求，對生態(tài)環(huán)境無(wú)害或危害極少，資源利用率極高。設計綠色的機電一體化產(chǎn)品，具有遠大的發(fā)展前景。機電一體化產(chǎn)品的綠色化主要是指，使用時(shí)不污染生態(tài)環(huán)境，報廢后能回收利用。
3.6 系統化
系統化的表現特征之一就是系統體系結構進(jìn)一步采用開(kāi)放式和模式化的總線(xiàn)結構。系統可以靈活組態(tài)，進(jìn)行任意剪裁和組合，同時(shí)尋求實(shí)現多子系統協(xié)調控制和綜合管理。表現之二是通信功能的大大加強。一般除RS232外，還有RS485等智能化通信接口。未來(lái)的機電一體化更加注重產(chǎn)品與人的關(guān)系，機電一體化的人格化有兩層含義：一層是如何賦予機電一體化產(chǎn)品人的智能、情感、人性等等，顯得越來(lái)越重要，特別是對家用機器人，其高層境界就是人機一體化;另一層是模仿生物機理，研制出各種機電一體化產(chǎn)品。事實(shí)上，許多機電一體化產(chǎn)品都是受動(dòng)物的啟發(fā)而研制出來(lái)的。
綜上所述，機電一體化的出現不是孤立的，它是許多科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結晶，是社會(huì )生產(chǎn)力發(fā)展到一定階段的必然要求和產(chǎn)物。當然，與機電一體化相關(guān)的技術(shù)還有很多，并且隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種技術(shù)相互融合的趨勢將越來(lái)越明顯，機電一體化技術(shù)的發(fā)展前景也將越來(lái)越光明。
參考文獻：
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