機電一體化的現狀及發展趨勢

機電一體化的現狀及發展趨勢

　　機電一體化的現狀及發展趨勢【1】

　　[摘 要]機電一體化對社會的發展有巨大的推動力，同時也是科技發展的必然結果。

　　本文主要闡述機電一體化的應用領域的現狀，并對其發展趨勢進行簡要的分析。

　　[關鍵詞]機電一體化 發展趨勢

　　機電一體化不是機械裝置與電子裝置的簡單組合，是將機械技術、電工電子技術、微電子技術、信息傳感器技術、接口技術、信號變換技術等多種技術進行有機地結合，并綜合應用到實際中去的綜合技術。

　　其目的是增加系統的功能，提高其效率、可靠性和性能/價格比，節省原材料和能源，降低生產成本。

　　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。

　　“機電一體化”涵蓋“技術”和“產品”兩個方面。

　　機電一體化產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，具有智能化的特征。

　　現代化的自動生產設備幾乎可以說都是機電一體化設備。

　　1.機電一體化的應用領域

　　1.1 自動生產

　　在國民經濟生產和生活中廣泛使用的各種自動機械、自動生產線及各種自動化設備，是當前機電一體化技術應用的又一具體體現。

　　自動機或生產線中廣泛應用了現代電子技術與傳感技術，如可編程序控制器，變頻調速器，人機界面控制裝置與光電控制系統等。

　　機電一體化的應用對生產效率的提高具有顯著的作用。

　　1.2 機器人

　　機器人是20世紀人類最偉大的發明之一。

　　從某種意義上講，一個國家機器人技術水平的高低反映了這個國家綜合技術實力的高低。

　　機器人已在工業領域得到了廣泛的應用，而且正以驚人的速度不斷向軍事、醫療、服務、娛樂等非工業領域擴展。

　　毋庸質疑，21世紀機器人技術必將得到更大的發展，成為各國必爭的知識經濟至高點。

　　在計算機技術和人工智能科學發展的基礎上，產生了具有感知、思維和行動功能的智能機器人，是機構學、自動控制、計算機、人工智能、微電子學、光學、通訊技術、傳感技術、仿生學等多種學科和技術的綜合成果。

　　智能機器人可獲取、處理和識別多種信息，自主地完成較為復雜的操作任務，比一般的工業機器人具有更大的靈活登、機動性和更廣泛的應用領域。

　　智能機器人作為新一代生產和服務工具，在制造領域和非制造領域具有更廣泛、更重要的位置，如核工業、水下、空間、農業、工程機械、建筑、醫用、救災、排驗、軍事、服務、娛樂等方面，可代替人完成各種工作。

　　同時智能機器人作為自動化、信息化的裝置與設備，完全可以進人網絡世界，發揮更多、更大的作用，這對人類開辟新的產業，提高生產水平與生活水平具有十分現實的意義。

　　1.3 汽車電子化

　　產品汽車上比較常用的一般有5種儀表和3種相應的傳惑器，即電流表、機油壓力表、水溫表、燃油表、車速里程表等指示儀表和機油壓力傳感器、水溫傳感器和油量傳感器。

　　目前，電子化儀表已經取代機械式儀表。

　　這是由于機械式儀表一旦出現故障將很難處理，而電子化儀表則不同。

　　采用電子化儀表不僅可以改進駕駛員的目視性，還有助于汽車儀表的多樣化。

　　2.機電一體化的發展趨勢

　　機電一體化是機械、微電子、控制、計算機、信息處理等多學科的交叉融合，其發展和進步有賴于相關技術的進步與發展。

　　2.1 數字化

　　微控制器及其發展奠定了機電產品數字化的基礎，如不斷發展的數控機床和機器人;而計算機網絡的迅速崛起，為數字化設計與制造鋪平了道路，如虛擬設計、計算機集成制造等。

　　數字化要求機電一體化產品的軟件具有高可靠性、易操作性、可維護性、自診斷能力以及友好人機界面。

　　數字化的實現將便于遠程操作、診斷和修復。

　　4.3網絡化20世紀末，網絡技術的迅速發展給世界帶來了巨大的變革，同樣也給機電一體化技術以重大影響，由于網絡的普及，基于網絡的各種遠程控制和監視技術方興未艾。

　　通過網絡對機電一體化設備進行遠程控制，例如當代數控機床配裝的CNC系統不少具有以太網接口，可以直接連入企業內部的局域網，實現制造過程的集成，當然進一步還要通過企業的主干通訊網實現制造環境與企業級的ERP等系統的集成。

　　在此基礎上，再通過因特網就可以實現企業間的網絡化了。

　　此外，基于PC的CNC系統連接調制和通訊軟件，還能借助因特網進行遠程診斷。

　　可見遠程控制的終端設備本身就是機電一體化產品，現場總線和局域網技術使家用電器網絡化成為可能，利用家庭網絡把各種家用電器連接成以計算機為中心的計算機集成家用電器系統，使人們在家里可充分享受各種高技術帶來的好處，因此，機電一體化產品無疑應朝網絡化方向發展。

　　2.2 人性化

　　近幾年，處理器速度的飛速提高和微機的高性能化，為嵌入智能控制算法(專家系統、模糊邏輯、神經網絡、遺傳算法及其混合技術等)創造了條件，再加上傳感器系統的集成化與智能化，有力地推動著機電一體化產品向智能化方向發展，使其具有某種程度的判斷推理、邏輯思維和自主決策能力。

　　智能化發展的結果出現了智能機器人、智能醫用器械、智能探測儀等等。

　　智能機器人可以獲取、處理和識別多種信號，自主地完成較為復雜的操作任務，比一般工業機器人具有更大的靈活性、機動性和更廣泛的用途。

　　在本世紀，具有像人的四肢、靈巧的雙手、雙目視覺、力覺及觸覺感知功能的仿人型智能機器人必將被研制出來。

　　機電一體化產品的最終使用對象是人，如何給機電一體化產品賦予人的智能、情感和人性顯得愈來愈重要，機電一體化產品除了完善的性能外，還要求在色彩、造型等方面與環境相協調，使用這些產品，對人來說還是一種藝術享受，如家用機器人的最高境界就是人機一體化。

　　2.3 光機電一體化

　　光機電一體化技術是微電子技術、計算機技術、控制技術、光學技術與機械技術的相互交叉與融合，是諸多高新技術產業和高新技術裝備的基礎。

　　它包括產品和技術兩方面：光機電一體化產品是集光學、機械、微電子、自動控制和通信技術于一體的高科技產品，具有很高功能和附加值;產品具有體積小、重量輕、適應性強、使用壽命長、操作更方便的特點。

　　光機電一體化技術是指其技術原理和使光機電一體化產品得以實現，使用和發展的技術。

　　只要合理采用這種技術，便能夠產生很高的功能水平和附加價值，給生產商和用戶帶來巨大的經濟效益。

　　光機電一體化的未來技術熱點主要包括：激光技術、激光快速成型技術[1]、傳感檢測技術以及光能驅動技術。

　　比如說激光打孔、刻槽、標記、光化學沉積，還可以制造光制動器和光機器人[2]等。

　　2.4 綠色化

　　綠色設計，是指以高效利用資源和能源獲得綠色產品為目的的設計。

　　在20世紀，機械工業獲得了飛速的發展，其發展模式基本是以大量消耗資源、能源為代價來取得的。

　　但地球上的一次性資源、能源畢竟有限，隨著世界人口的日益增多和人們對物質生活越來越高的要求，這種高投入高輸出發展模式能否持續下去、還能持續多久，已成為國際社會的重點研究課題，分析論證表明：改變高投入高輸出的傳統粗放型發展模式，采用以資源、能源的高

　　效利用為特色的集約型發展模式，是實現可持續發展的根本出路。

　　綠色產品是人類實現可持續發展、擁有高質量生存環境、享受健康生活的必然要求，也是未來技術經濟發展的大勢所趨。

　　2.5 自律分配系統化(柔性化)

　　今后的機電一體化產品，控制和執行系統有足夠的“冗余”，更“靈活”，能更好地應付突發事件，被設計為“自律分配系統”。

　　在自律分配系統中，各系統相互獨立工作，子系統為總系統服務，有其自身的“自律性”。

　　根據不同的環境條件的不同反應。

　　它的特點是，系統可以生成自己的信息和附加信息，在總的前提下，可以改變的“行動”。

　　在這種方式中，顯著提高了系統的適應性，靈活的，而不是因為對整個系統的一個子系統的故障。

　　同時，機械設備制造商要具備根據用戶的要求而為用戶定制的能力。

　　實現柔性化的必要條件是產品設計必須貫徹模塊化的設計理念。

　　在機械產品設計中，廣泛采用基于 PLC、PCC、(可編程計算機控制器)、PCS(過程控制系統)、FCS(現場總線控制系統)的解決方案，以及變頻調速、交流伺服調速的普及化，不僅使設備的自動化水平大大提高，而且使機械結構，特別是機械傳動機構大大簡化。

　　3.結語

　　機電一體化的產生和發展離不開科學技術的進步，同時社會對一體化的需求為之提供了動力。

　　另一方面，機電一體化的發展又不斷促進科學技術的進步和社會需求。

　　機電一體化已經顯示出了強大的生命力，并會一次又一次地沖擊傳統市場和行業，使國民經濟的各個領域發生深刻的改革，對技術思想、生產方式和產業結構造成重大的影響。

　　參考文獻

　　[1]裘加杰.機電一體化的未來發展趨勢探微[J].大眾科學，2007，(4)：85.

　　[2]徐嘉元，曾家駒，主編.機械制造工藝學(含夾具設計)[M].北京：機械工業出版社，2009.

　　機電一體化技術的現狀及發展趨勢【2】

　　【摘 要】機電一體化是現代科學技術發展的必然結果,本文綜述了國內外機電一體化技術的現狀,分析了機電一體化技術的發展趨勢。

　　【關鍵詞】機電一體化;現狀;發展趨勢

　　一、機電一體化的產生與應用

　　20世紀60年代以來,人們利用電子技術的初步成果來完善機械產品的性能后,刺激了機械產品與電子技術的結合。

　　計算機技術、控制技術、通信技術的發展,為機電一體化的發展更進一步奠定了技術基礎。

　　20世紀80年代末期,機電一體化技術和產品得到了極大發展。

　　各國均開始對機電一體化技術和產品給以很大的關注和支持,20世紀90年代后期,開始了機電一體化技術向智能化方向邁進的新階段,機電一體化進入了深入發展時期。

　　光學、通信技術等進入了機電一體化,微細加工技術也在機電一體化中展露頭腳,出現了光機電一體化和微機電一體化等新分支。

　　我國從20世紀80年代開始開展機電一體化研究和應用。

　　取得了一定成果,它的發展和進步依賴并促進相關技術的發展和進步。

　　機電一體化已成為一門有著自身體系的新型學科,隨著科學技術的不斷發展,還將被賦予新的內容。

　　二、機電一體化的發展現狀

　　機電一體化的發展大體可以分為3個階段。

　　20世紀60年代以前為第一階段,這一階段稱為初級階段。

　　在這一時期,人們利用電子技術的初步成果來完善機械產品的性能。

　　特別是在第二次世界大戰期間,戰爭刺激了機械產品與電子技術的結合,這些機電結合的軍用技術,戰后轉為民用,對戰后經濟的恢復起了積極的作用。

　　那時研制和開發從總體上看還處于自發狀態。

　　由于當時電子技術的發展尚未達到一定水平,機械技術與電子技術的結合還不可能廣泛和深入發展,已經開發的產品也無法大量推廣。

　　20世紀70年代～80年代為第二階段,可稱為蓬勃發展階段。

　　這一時期,計算機技術、控制技術、通信技術的發展,為機電一體化的發展奠定了技術基礎。

　　大規模、超大規模集成電路 和微型計算機的迅猛發展,為機電一體化的發展提供了充分的物質基礎。

　　20世紀90年代后期,開始了機電一體化技術向智能化方向邁進的新階段,機電一體化進入深入發展時期。

　　一方面,光學、通信技術等進入了機電一體化,微細加工技術也在機電一體化中展露頭腳,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、機電一體化的學科體系和發展趨勢都進行了深入研究。

　　同時,由于人工智能技術、神經網絡技術及光纖技術等領域取得的巨大進步,更為機電一體化技術開辟了發展的廣闊天地。

　　這些研究,將促使機電一體化進一步建立完整的基礎和逐漸形成完整的科學體系。

　　我國是從20世紀80年代初才開始在這方面研究和應用。

　　國務院成立了機電一體化領導小組并將該技術列為“863計劃”中。

　　在制定“九五”規劃和2010年發展綱要時充分考慮了國際上關于機電一體化技術的發展動向和由此可能帶來的影響。

　　許多大專院校、研究機構及一些大中型企業對這一技術的發展及應用也做了大量的工作,雖然取得了一定成果,但與日本等先進國家相比仍有相當差距。

　　三、機電一體化的發展趨勢

　　(一)智能化趨勢

　　智能化是21世紀機電一體化技術發展的一個重要發展方向。

　　人工智能在機電一體化建設者的研究日益得到重視,機器人與數控機床的智能化就是重要應用。

　　這里所說的“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、計算機科學、模糊數學、心理學、生理學和混沌動力學等新思想、新方法,模擬人類智能,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。

　　機電一體化產品不可能具有與人完全相同的智能。

　　但是,高性能、高速的微處理器使機電一體化產品賦有低級智能或人的部分智能。

　　(二)模塊化趨勢

　　模塊化是一項重要而艱巨的工程。

　　由于機電一體化產品種類和生產廠家繁多,研制和開發具有標準機械接口、電氣接口、動力接口、環境接口的機電一體化產品單元是一項十分復雜但又是非常重要的事。

　　如研制集減速、智能調速、電機于一體的動力單元,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械裝置。

　　這樣可利用標準單元迅速開發出新產品,也可以擴大生產規模,制定各項標準,以便各部件、單元的匹配和接口。

　　從電氣產品的標準化、系列化帶來的好處可以肯定,無論是對生產標準機電一體化單元的企業還是對生產機電一體化產品的企業,規模化將給機電一體化企業帶來美好的前程。

　　(三)網絡化趨勢

　　計算機技術等的突出成就是網絡技術。

　　網絡技術的興起和飛速發展給科學技術、工業生產等領域都帶來了巨大的變革。

　　各種網絡將全球經濟、生產連成一片,企業間的競爭也將全球化。

　　機電一體化新產品一旦研制出來,只要其功能獨到,質量可靠,很快就會暢銷全球。

　　由于網絡的普及,基于網絡的各種遠程控制和監視技術方興未艾,而遠程控制的終端設備本身就是機電一體化產品。

　　現場總線和局域網技術使家用電器網絡化已成大勢,利用家庭網絡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,使人們在家里分享各種高技術帶來的便利與快樂,因此機電一體化產品朝著網絡化方向發展是為大勢所趨。

　　(四)微型化趨勢

　　微型化指的是機電一體化向微型機器和微觀領域發展的趨勢,國外稱其為微電子機械系統(MEMS),泛指幾何尺寸不超過1cm的機電一體化產品,并向微米、納米級發展。

　　微機電一體化產品體積小、耗能少、運動靈活,具有不可比擬的優勢。

　　微機電一體化發展的瓶頸在于微機械技術,微機電一體化產品的加工采用精細加工技術,即超精密技術,它包括光刻技術和蝕刻技術。

　　(五)綠色化趨勢

　　工業的發達給人們生活帶來了巨大變化。

　　物質豐富,生活舒適;另一方面,資源減少,生態環境受到嚴重污染。

　　于是人們呼吁保護環境資源,回歸自然。

　　綠色產品概念在這種呼聲下應運而生,綠色化是時代的趨勢。

　　綠色產品在其設計、制造、使用和銷毀的生命過程中,符合特定的環境保護和人類健康的要求,對生態環境無害或危害極少,資源利用率極高。

　　設計綠色的機電一體化產品,具有遠大的發展前途。

　　機電一體化產品的綠色化主要是指使用時不污染生態環境,報廢后能回收利用。

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