机电一体化的现状及发展趋势
机电一体化的现状及发展趋势【1】
[摘 要]机电一体化对社会的发展有巨大的推动力，同时也是科技发展的必然结果。
本文主要阐述机电一体化的应用领域的现状，并对其发展趋势进行简要的分析。
[关键词]机电一体化 发展趋势
机电一体化不是机械装置与电子装置的简单组合，是将机械技术、电工电子技术、微电子技术、信息传感器技术、接口技术、信号变换技术等多种技术进行有机地结合，并综合应用到实际中去的综合技术。
其目的是增加系统的功能，提高其效率、可靠性和性能/价格比，节省原材料和能源，降低生产成本。
这是机电一体化与机械加电气所形成的机械电气化在概念上的根本区别。
“机电一体化”涵盖“技术”和“产品”两个方面。
机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸，还是人的感官与头脑的延伸，具有智能化的特征。
现代化的自动生产设备几乎可以说都是机电一体化设备。
1.机电一体化的应用领域
1.1 自动生产
在国民经济生产和生活中广泛使用的各种自动机械、自动生产线及各种自动化设备，是当前机电一体化技术应用的又一具体体现。
自动机或生产线中广泛应用了现代电子技术与传感技术，如可编程序控制器，变频调速器，人机界面控制装置与光电控制系统等。
机电一体化的应用对生产效率的提高具有显著的作用。
1.2 机器人
机器人是20世纪人类最伟大的发明之一。
从某种意义上讲，一个国家机器人技术水平的高低反映了这个国家综合技术实力的高低。
机器人已在工业领域得到了广泛的应用，而且正以惊人的速度不断向军事、医疗、服务、娱乐等非工业领域扩展。
毋庸质疑，21世纪机器人技术必将得到更大的发展，成为各国必争的知识经济至高点。
在计算机技术和人工智能科学发展的基础上，产生了具有感知、思维和行动功能的智能机器人，是机构学、自动控制、计算机、人工智能、微电子学、光学、通讯技术、传感技术、仿生学等多种学科和技术的综合成果。
智能机器人可获取、处理和识别多种信息，自主地完成较为复杂的操作任务，比一般的工业机器人具有更大的灵活登、机动性和更广泛的应用领域。
智能机器人作为新一代生产和服务工具，在制造领域和非制造领域具有更广泛、更重要的位置，如核工业、水下、空间、农业、工程机械、建筑、医用、救灾、排验、军事、服务、娱乐等方面，可代替人完成各种工作。
同时智能机器人作为自动化、信息化的装置与设备，完全可以进人网络世界，发挥更多、更大的作用，这对人类开辟新的产业，提高生产水平与生活水平具有十分现实的意义。
1.3 汽车电子化
产品汽车上比较常用的一般有5种仪表和3种相应的传惑器，即电流表、机油压力表、水温表、燃油表、车速里程表等指示仪表和机油压力传感器、水温传感器和油量传感器。
目前，电子化仪表已经取代机械式仪表。
这是由于机械式仪表一旦出现故障将很难处理，而电子化仪表则不同。
采用电子化仪表不仅可以改进驾驶员的目视性，还有助于汽车仪表的多样化。
2.机电一体化的发展趋势
机电一体化是机械、微电子、控制、计算机、信息处理等多学科的交叉融合，其发展和进步有赖于相关技术的进步与发展。
2.1 数字化
微控制器及其发展奠定了机电产品数字化的基础，如不断发展的数控机床和机器人;而计算机网络的迅速崛起，为数字化设计与制造铺平了道路，如虚拟设计、计算机集成制造等。
数字化要求机电一体化产品的软件具有高可靠性、易操作性、可维护性、自诊断能力以及友好人机界面。
数字化的实现将便于远程操作、诊断和修复。
4.3网络化20世纪末，网络技术的迅速发展给世界带来了巨大的变革，同样也给机电一体化技术以重大影响，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。
通过网络对机电一体化设备进行远程控制，例如当代数控机床配装的CNC系统不少具有以太网接口，可以直接连入企业内部的局域网，实现制造过程的集成，当然进一步还要通过企业的主干通讯网实现制造环境与企业级的ERP等系统的集成。
在此基础上，再通过因特网就可以实现企业间的网络化了。
此外，基于PC的CNC系统连接调制和通讯软件，还能借助因特网进行远程诊断。
可见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成为可能，利用家庭网络把各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家用电器系统，使人们在家里可充分享受各种高技术带来的好处，因此，机电一体化产品无疑应朝网络化方向发展。
2.2 人性化
近几年，处理器速度的飞速提高和微机的高性能化，为嵌入智能控制算法(专家系统、模糊逻辑、神经网络、遗传算法及其混合技术等)创造了条件，再加上传感器系统的集成化与智能化，有力地推动着机电一体化产品向智能化方向发展，使其具有某种程度的判断推理、逻辑思维和自主决策能力。
智能化发展的结果出现了智能机器人、智能医用器械、智能探测仪等等。
智能机器人可以获取、处理和识别多种信号，自主地完成较为复杂的操作任务，比一般工业机器人具有更大的灵活性、机动性和更广泛的用途。
在本世纪，具有像人的四肢、灵巧的双手、双目视觉、力觉及触觉感知功能的仿人型智能机器人必将被研制出来。
机电一体化产品的最终使用对象是人，如何给机电一体化产品赋予人的智能、情感和人性显得愈来愈重要，机电一体化产品除了完善的性能外，还要求在色彩、造型等方面与环境相协调，使用这些产品，对人来说还是一种艺术享受，如家用机器人的最高境界就是人机一体化。
2.3 光机电一体化
光机电一体化技术是微电子技术、计算机技术、控制技术、光学技术与机械技术的相互交叉与融合，是诸多高新技术产业和高新技术装备的基础。
它包括产品和技术两方面：光机电一体化产品是集光学、机械、微电子、自动控制和通信技术于一体的高科技产品，具有很高功能和附加值;产品具有体积小、重量轻、适应性强、使用寿命长、操作更方便的特点。
光机电一体化技术是指其技术原理和使光机电一体化产品得以实现，使用和发展的技术。
只要合理采用这种技术，便能够产生很高的功能水平和附加价值，给生产商和用户带来巨大的经济效益。
光机电一体化的未来技术热点主要包括：激光技术、激光快速成型技术[1]、传感检测技术以及光能驱动技术。
比如说激光打孔、刻槽、标记、光化学沉积，还可以制造光制动器和光机器人[2]等。
2.4 绿色化
绿色设计，是指以高效利用资源和能源获得绿色产品为目的的设计。
在20世纪，机械工业获得了飞速的发展，其发展模式基本是以大量消耗资源、能源为代价来取得的。
但地球上的一次性资源、能源毕竟有限，随着世界人口的`日益增多和人们对物质生活越来越高的要求，这种高投入高输出发展模式能否持续下去、还能持续多久，已成为国际社会的重点研究课题，分析论证表明：改变高投入高输出的传统粗放型发展模式，采用以资源、能源的高
效利用为特色的集约型发展模式，是实现可持续发展的根本出路。
绿色产品是人类实现可持续发展、拥有高质量生存环境、享受健康生活的必然要求，也是未来技术经济发展的大势所趋。
2.5 自律分配系统化(柔性化)
今后的机电一体化产品，控制和执行系统有足够的“冗余”，更“灵活”，能更好地应付突发事件，被设计为“自律分配系统”。
在自律分配系统中，各系统相互独立工作，子系统为总系统服务，有其自身的“自律性”。
根据不同的环境条件的不同反应。
它的特点是，系统可以生成自己的信息和附加信息，在总的前提下，可以改变的“行动”。
在这种方式中，显著提高了系统的适应性，灵活的，而不是因为对整个系统的一个子系统的故障。
同时，机械设备制造商要具备根据用户的要求而为用户定制的能力。
实现柔性化的必要条件是产品设计必须贯彻模块化的设计理念。
在机械产品设计中，广泛采用基于 PLC、PCC、(可编程计算机控制器)、PCS(过程控制系统)、FCS(现场总线控制系统)的解决方案，以及变频调速、交流伺服调速的普及化，不仅使设备的自动化水平大大提高，而且使机械结构，特别是机械传动机构大大简化。
3.结语
机电一体化的产生和发展离不开科学技术的进步，同时社会对一体化的需求为之提供了动力。
另一方面，机电一体化的发展又不断促进科学技术的进步和社会需求。
机电一体化已经显示出了强大的生命力，并会一次又一次地冲击传统市场和行业，使国民经济的各个领域发生深刻的改革，对技术思想、生产方式和产业结构造成重大的影响。
参考文献
[1]裘加杰.机电一体化的未来发展趋势探微[J].大众科学，2007，(4)：85.
[2]徐嘉元，曾家驹，主编.机械制造工艺学(含夹具设计)[M].北京：机械工业出版社，2009.
机电一体化技术的现状及发展趋势【2】
【摘 要】机电一体化是现代科学技术发展的必然结果,本文综述了国内外机电一体化技术的现状,分析了机电一体化技术的发展趋势。
【关键词】机电一体化;现状;发展趋势
一、机电一体化的产生与应用
20世纪60年代以来,人们利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能后,刺激了机械产品与电子技术的结合。
计算机技术、控制技术、通信技术的发展,为机电一体化的发展更进一步奠定了技术基础。
20世纪80年代末期,机电一体化技术和产品得到了极大发展。
各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持,20世纪90年代后期,开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段,机电一体化进入了深入发展时期。
光学、通信技术等进入了机电一体化,微细加工技术也在机电一体化中展露头脚,出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支。
我国从20世纪80年代开始开展机电一体化研究和应用。
取得了一定成果,它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。
机电一体化已成为一门有着自身体系的新型学科,随着科学技术的不断发展,还将被赋予新的内容。
二、机电一体化的发展现状
机电一体化的发展大体可以分为3个阶段。
20世纪60年代以前为第一阶段,这一阶段称为初级阶段。
在这一时期,人们利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。
特别是在第二次世界大战期间,战争刺激了机械产品与电子技术的结合,这些机电结合的军用技术,战后转为民用,对战后经济的恢复起了积极的作用。
那时研制和开发从总体上看还处于自发状态。
由于当时电子技术的发展尚未达到一定水平,机械技术与电子技术的结合还不可能广泛和深入发展,已经开发的产品也无法大量推广。
20世纪70年代～80年代为第二阶段,可称为蓬勃发展阶段。
这一时期,计算机技术、控制技术、通信技术的发展,为机电一体化的发展奠定了技术基础。
大规模、超大规模集成电路 和微型计算机的迅猛发展,为机电一体化的发展提供了充分的物质基础。
20世纪90年代后期,开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段,机电一体化进入深入发展时期。
一方面,光学、通信技术等进入了机电一体化,微细加工技术也在机电一体化中展露头脚,出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支;另一方面对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法、机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。
同时,由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步,更为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。
这些研究,将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。
我国是从20世纪80年代初才开始在这方面研究和应用。
国务院成立了机电一体化领导小组并将该技术列为“863计划”中。
在制定“九五”规划和2010年发展纲要时充分考虑了国际上关于机电一体化技术的发展动向和由此可能带来的影响。
许多大专院校、研究机构及一些大中型企业对这一技术的发展及应用也做了大量的工作,虽然取得了一定成果,但与日本等先进国家相比仍有相当差距。
三、机电一体化的发展趋势
(一)智能化趋势
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。
人工智能在机电一体化建设者的研究日益得到重视,机器人与数控机床的智能化就是重要应用。
这里所说的“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。
机电一体化产品不可能具有与人完全相同的智能。
但是,高性能、高速的微处理器使机电一体化产品赋有低级智能或人的部分智能。
(二)模块化趋势
模块化是一项重要而艰巨的工程。
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是非常重要的事。
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产品,也可以扩大生产规模,制定各项标准,以便各部件、单元的匹配和接口。
从电气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定,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,规模化将给机电一体化企业带来美好的前程。
(三)网络化趋势
计算机技术等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、工业生产等领域都带来了巨大的变革。
各种网络将全球经济、生产连成一片,企业间的竞争也将全球化。
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,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朝着网络化方向发展是为大势所趋。
(四)微型化趋势
微型化指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势,国外称其为微电子机械系统(MEMS),泛指几何尺寸不超过1cm的机电一体化产品,并向微米、纳米级发展。
微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活,具有不可比拟的优势。
微机电一体化发展的瓶颈在于微机械技术,微机电一体化产品的加工采用精细加工技术,即超精密技术,它包括光刻技术和蚀刻技术。
(五)绿色化趋势
工业的发达给人们生活带来了巨大变化。
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。
设计绿色的机电一体化产品,具有远大的发展前途。
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。
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