機電一體化的現狀及發(fā)展趨勢
機電一體化的現狀及發(fā)展趨勢【1】
[摘 要]機電一體化對社會(huì )的發(fā)展有巨大的推動(dòng)力，同時(shí)也是科技發(fā)展的必然結果。
本文主要闡述機電一體化的應用領(lǐng)域的現狀，并對其發(fā)展趨勢進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析。
[關(guān)鍵詞]機電一體化 發(fā)展趨勢
機電一體化不是機械裝置與電子裝置的簡(jiǎn)單組合，是將機械技術(shù)、電工電子技術(shù)、微電子技術(shù)、信息傳感器技術(shù)、接口技術(shù)、信號變換技術(shù)等多種技術(shù)進(jìn)行有機地結合，并綜合應用到實(shí)際中去的綜合技術(shù)。
其目的是增加系統的功能，提高其效率、可靠性和性能/價(jià)格比，節省原材料和能源，降低生產(chǎn)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(shù)”和“產(chǎn)品”兩個(gè)方面。
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，具有智能化的特征。
現代化的自動(dòng)生產(chǎn)設備幾乎可以說(shuō)都是機電一體化設備。
1.機電一體化的應用領(lǐng)域
1.1 自動(dòng)生產(chǎn)
在國民經(jīng)濟生產(chǎn)和生活中廣泛使用的各種自動(dòng)機械、自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)及各種自動(dòng)化設備，是當前機電一體化技術(shù)應用的又一具體體現。
自動(dòng)機或生產(chǎn)線(xiàn)中廣泛應用了現代電子技術(shù)與傳感技術(shù)，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(chǎn)效率的提高具有顯著(zhù)的作用。
1.2 機器人
機器人是20世紀人類(lèi)最偉大的發(fā)明之一。
從某種意義上講，一個(gè)國家機器人技術(shù)水平的高低反映了這個(gè)國家綜合技術(shù)實(shí)力的高低。
機器人已在工業(yè)領(lǐng)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(wù)、娛樂(lè )等非工業(yè)領(lǐng)域擴展。
毋庸質(zhì)疑，21世紀機器人技術(shù)必將得到更大的發(fā)展，成為各國必爭的知識經(jīng)濟至高點(diǎn)。
在計算機技術(shù)和人工智能科學(xué)發(fā)展的基礎上，產(chǎn)生了具有感知、思維和行動(dòng)功能的智能機器人，是機構學(xué)、自動(dòng)控制、計算機、人工智能、微電子學(xué)、光學(xué)、通訊技術(shù)、傳感技術(shù)、仿生學(xué)等多種學(xué)科和技術(shù)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(wù)，比一般的工業(yè)機器人具有更大的靈活登、機動(dòng)性和更廣泛的應用領(lǐng)域。
智能機器人作為新一代生產(chǎn)和服務(wù)工具，在制造領(lǐng)域和非制造領(lǐng)域具有更廣泛、更重要的位置，如核工業(yè)、水下、空間、農業(yè)、工程機械、建筑、醫用、救災、排驗、軍事、服務(wù)、娛樂(lè )等方面，可代替人完成各種工作。
同時(shí)智能機器人作為自動(dòng)化、信息化的裝置與設備，完全可以進(jìn)人網(wǎng)絡(luò )世界，發(fā)揮更多、更大的作用，這對人類(lèi)開(kāi)辟新的產(chǎn)業(yè)，提高生產(chǎn)水平與生活水平具有十分現實(shí)的意義。
1.3 汽車(chē)電子化
產(chǎn)品汽車(chē)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(chē)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(jīng)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(jìn)駕駛員的目視性，還有助于汽車(chē)儀表的多樣化。
2.機電一體化的發(fā)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(xué)科的交叉融合，其發(fā)展和進(jìn)步有賴(lài)于相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展。
2.1 數字化
微控制器及其發(fā)展奠定了機電產(chǎn)品數字化的基礎，如不斷發(fā)展的數控機床和機器人;而計算機網(wǎng)絡(luò )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(chǎn)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(shí)現將便于遠程操作、診斷和修復。
4.3網(wǎng)絡(luò )化20世紀末，網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的迅速發(fā)展給世界帶來(lái)了巨大的變革，同樣也給機電一體化技術(shù)以重大影響，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。
通過(guò)網(wǎng)絡(luò )對機電一體化設備進(jìn)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(wǎng)接口，可以直接連入企業(yè)內部的局域網(wǎng)，實(shí)現制造過(guò)程的集成，當然進(jìn)一步還要通過(guò)企業(yè)的主干通訊網(wǎng)實(shí)現制造環(huán)境與企業(yè)級的ERP等系統的集成。
在此基礎上，再通過(guò)因特網(wǎng)就可以實(shí)現企業(yè)間的網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)進(jìn)行遠程診斷。
可見(jiàn)遠程控制的終端設備本身就是機電一體化產(chǎn)品，現場(chǎng)總線(xiàn)和局域網(wǎng)技術(shù)使家用電器網(wǎng)絡(luò )化成為可能，利用家庭網(wǎng)絡(luò )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(shù)帶來(lái)的好處，因此，機電一體化產(chǎn)品無(wú)疑應朝網(wǎng)絡(luò )化方向發(fā)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(zhuān)家系統、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、遺傳算法及其混合技術(shù)等)創(chuàng )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(dòng)著(zhù)機電一體化產(chǎn)品向智能化方向發(fā)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(fā)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(wù)，比一般工業(yè)機器人具有更大的靈活性、機動(dòng)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(jué)、力覺(jué)及觸覺(jué)感知功能的仿人型智能機器人必將被研制出來(lái)。
機電一體化產(chǎn)品的最終使用對象是人，如何給機電一體化產(chǎn)品賦予人的智能、情感和人性顯得愈來(lái)愈重要，機電一體化產(chǎn)品除了完善的性能外，還要求在色彩、造型等方面與環(huán)境相協(xié)調，使用這些產(chǎn)品，對人來(lái)說(shuō)還是一種藝術(shù)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(shù)是微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)、光學(xué)技術(shù)與機械技術(shù)的相互交叉與融合，是諸多高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和高新技術(shù)裝備的基礎。
它包括產(chǎn)品和技術(shù)兩方面：光機電一體化產(chǎn)品是集光學(xué)、機械、微電子、自動(dòng)控制和通信技術(shù)于一體的高科技產(chǎn)品，具有很高功能和附加值;產(chǎn)品具有體積小、重量輕、適應性強、使用壽命長(cháng)、操作更方便的特點(diǎn)。
光機電一體化技術(shù)是指其技術(shù)原理和使光機電一體化產(chǎn)品得以實(shí)現，使用和發(fā)展的技術(shù)。
只要合理采用這種技術(shù)，便能夠產(chǎn)生很高的功能水平和附加價(jià)值，給生產(chǎn)商和用戶(hù)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟效益。
光機電一體化的未來(lái)技術(shù)熱點(diǎn)主要包括：激光技術(shù)、激光快速成型技術(shù)[1]、傳感檢測技術(shù)以及光能驅動(dòng)技術(shù)。
比如說(shuō)激光打孔、刻槽、標記、光化學(xué)沉積，還可以制造光制動(dòng)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(chǎn)品為目的的設計。
在20世紀，機械工業(yè)獲得了飛速的發(fā)展，其發(fā)展模式基本是以大量消耗資源、能源為代價(jià)來(lái)取得的。
但地球上的一次性資源、能源畢竟有限，隨著(zhù)世界人口的日益增多和人們對物質(zhì)生活越來(lái)越高的要求，這種高投入高輸出發(fā)展模式能否持續下去、還能持續多久，已成為國際社會(huì )的重點(diǎn)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(fā)展模式，采用以資源、能源的高
效利用為特色的集約型發(fā)展模式，是實(shí)現可持續發(fā)展的根本出路。
綠色產(chǎn)品是人類(lèi)實(shí)現可持續發(fā)展、擁有高質(zhì)量生存環(huán)境、享受健康生活的必然要求，也是未來(lái)技術(shù)經(jīng)濟發(fā)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(chǎn)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(fā)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(wù)，有其自身的“自律性”。
根據不同的環(huán)境條件的不同反應。
它的特點(diǎn)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(dòng)”。
在這種方式中，顯著(zhù)提高了系統的適應性，靈活的，而不是因為對整個(gè)系統的一個(gè)子系統的故障。
同時(shí)，機械設備制造商要具備根據用戶(hù)的要求而為用戶(hù)定制的能力。
實(shí)現柔性化的必要條件是產(chǎn)品設計必須貫徹模塊化的設計理念。
在機械產(chǎn)品設計中，廣泛采用基于 PLC、PCC、(可編程計算機控制器)、PCS(過(guò)程控制系統)、FCS(現場(chǎng)總線(xiàn)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(dòng)化水平大大提高，而且使機械結構，特別是機械傳動(dòng)機構大大簡(jiǎn)化。
3.結語(yǔ)
機電一體化的產(chǎn)生和發(fā)展離不開(kāi)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，同時(shí)社會(huì )對一體化的需求為之提供了動(dòng)力。
另一方面，機電一體化的發(fā)展又不斷促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì )需求。
機電一體化已經(jīng)顯示出了強大的生命力，并會(huì )一次又一次地沖擊傳統市場(chǎng)和行業(yè)，使國民經(jīng)濟的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)生深刻的改革，對技術(shù)思想、生產(chǎn)方式和產(chǎn)業(yè)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(lái)發(fā)展趨勢探微[J].大眾科學(xué)，2007，(4)：85.
[2]徐嘉元，曾家駒，主編.機械制造工藝學(xué)(含夾具設計)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.
機電一體化技術(shù)的現狀及發(fā)展趨勢【2】
【摘 要】機電一體化是現代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然結果,本文綜述了國內外機電一體化技術(shù)的現狀,分析了機電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢。
【關(guān)鍵詞】機電一體化;現狀;發(fā)展趨勢
一、機電一體化的產(chǎn)生與應用
20世紀60年代以來(lái),人們利用電子技術(shù)的初步成果來(lái)完善機械產(chǎn)品的性能后,刺激了機械產(chǎn)品與電子技術(shù)的結合。
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)展更進(jìn)一步奠定了技術(shù)基礎。
20世紀80年代末期,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)品給以很大的關(guān)注和支持,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)入了深入發(fā)展時(shí)期。
光學(xué)、通信技術(shù)等進(jìn)入了機電一體化,微細加工技術(shù)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(kāi)始開(kāi)展機電一體化研究和應用。
取得了一定成果,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)展和進(jìn)步。
機電一體化已成為一門(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。
二、機電一體化的發(fā)展現狀
機電一體化的發(fā)展大體可以分為3個(gè)階段。
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。
20世紀70年代～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 和微型計算機的迅猛發(fā)展,為機電一體化的發(fā)展提供了充分的物質(zhì)基礎。
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)入了機電一體化,微細加工技術(shù)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(xué)科體系和發(fā)展趨勢都進(jìn)行了深入研究。
同時(shí),由于人工智能技術(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,更為機電一體化技術(shù)開(kāi)辟了發(fā)展的廣闊天地。
這些研究,將促使機電一體化進(jìn)一步建立完整的基礎和逐漸形成完整的科學(xué)體系。
我國是從20世紀80年代初才開(kāi)始在這方面研究和應用。
國務(wù)院成立了機電一體化領(lǐng)導小組并將該技術(shù)列為“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)展及應用也做了大量的工作,雖然取得了一定成果,但與日本等先進(jìn)國家相比仍有相當差距。
三、機電一體化的發(fā)展趨勢
(一)智能化趨勢
智能化是21世紀機電一體化技術(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(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,模擬人類(lèi)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(chǎn)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(chǎn)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(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、環(huán)境接口的機電一體化產(chǎn)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(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。
這樣可利用標準單元迅速開(kāi)發(fā)出新產(chǎn)品,也可以擴大生產(chǎn)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(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),規�；瘜⒔o機電一體化企業(yè)帶來(lái)美好的前程。
(三)網(wǎng)絡(luò )化趨勢
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)等領(lǐng)域都帶來(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。
現場(chǎng)總線(xiàn)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 )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(shù)帶來(lái)的便利與快樂(lè ),因此機電一體化產(chǎn)品朝著(zhù)網(wǎng)絡(luò )化方向發(fā)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(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)1cm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,具有不可比擬的優(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)。
(五)綠色化趨勢
工業(yè)的發(fā)達給人們生活帶來(lái)了巨大變化。
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)展前途。
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。
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