摘要：本文從機電一體化概要、發(fā)展?fàn)顩r、關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢進行了分析與探討。

　　關(guān)鍵詞：機電一體化;電子技術(shù);自動控制;發(fā)展趨勢

　　現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動了不同學(xué)科的交叉與滲透，導(dǎo)致了工程領(lǐng)域的技術(shù)革命與改造。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(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機構(gòu)、功能與構(gòu)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”邁入了“機電一體化”為特征的發(fā)展階段。

　　1、機電一體化概要

　　機電一體化是指在機構(gòu)的主功能、動力功能、信息處理和控制功能上引進電子技術(shù)，將機械裝置與電子化設(shè)計及軟件結(jié)合起來所構(gòu)成的系統(tǒng)的總稱。機電一體化發(fā)展至今也己成為一門有著自身體系的新型學(xué)科，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，還將被賦予新的內(nèi)容但其基本特征可概括為：機電一體化是從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，綜合運用機械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)、傳感測控技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)、信息變換技術(shù)以及軟件編程技術(shù)等群體技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)功能目標(biāo)和優(yōu)化組織目標(biāo)，合理配置與布局各功能單元，在多功能、高質(zhì)量、高可靠性、低能耗的意義上實現(xiàn)特定功能價值，并使整個系統(tǒng)最優(yōu)化的系統(tǒng)工程技術(shù)。由此而產(chǎn)生的功能系統(tǒng)，則成為一個機電一體化系統(tǒng)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”兩個方面。只是，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)以及其它新技術(shù)的簡單組合、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(qū)別。機械工程技術(shù)有純技術(shù)發(fā)展到機械電氣化，仍屬傳統(tǒng)機械，其主要功能依然是代替和放大的體力但是發(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，還能賦予許多新的功能加自動檢測、自動處理信息、自動顯示記錄、自動調(diào)節(jié)與控制自動診斷與保護等。即機電一體化產(chǎn)品不僅是人的手與肢體的延伸，還是人的感官與頭腦的眼神，具有智能化的特征是機電一體化與機械電氣化在功能上的本質(zhì)區(qū)別。

　　2、機電一體化的發(fā)展?fàn)顩r

　　機電一體化的發(fā)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，人們自覺不自覺地利用電子技術(shù)的初步成果來完善機械產(chǎn)品的性能特別是在第二次世界大戰(zhàn)期間，戰(zhàn)爭刺激了機械產(chǎn)品與電子技術(shù)的結(jié)合，這些機電結(jié)合的軍用技術(shù)，戰(zhàn)后轉(zhuǎn)為民用，對戰(zhàn)后經(jīng)濟的恢復(fù)起了積極的作用。那時研制和開發(fā)從總體上看還處于自發(fā)狀態(tài)。由于當(dāng)時電子技術(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(jié)合還不可能廣泛和深入發(fā)展，己經(jīng)開發(fā)的產(chǎn)品也無法大量推廣。

　　20世紀70~80年代為第二階段，可稱為蓬勃發(fā)展階段。這一時期，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(chǔ)。大規(guī)模、超大規(guī)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(chǔ)這個時期的特點是：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(nèi)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，開始了機電一體化技術(shù)向智能化方向邁進的新階段，進入深入發(fā)展時期。一方面，光學(xué)、通信技術(shù)等進入了機電一體化，微細加工技術(shù)也在機電一體化中嶄露頭角，出現(xiàn)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(tǒng)的建模設(shè)計、分析和集成方法，機電一體化的學(xué)科體系和發(fā)展趨勢都進行了深入研究。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)域取得的巨大進步，為機電一體化技術(shù)的發(fā)展開辟了廣闊天地。這些研究，將促使機電一體化進一步建立完整的基礎(chǔ)和逐漸形成完整的科學(xué)體系。

　　我國是從20世紀80年代初才開始在這方面研究和應(yīng)用。國務(wù)院成立了機電一體化領(lǐng)導(dǎo)小組并將該技術(shù)列入“863計劃”中。在制定“九五”規(guī)劃和2010年發(fā)展綱要時，充分考慮了國際上關(guān)于機電一體化技術(shù)的發(fā)展動向和由此可能帶來的影響。許多大專院校、研究機構(gòu)及一些大中型企業(yè)對這一技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用做了大量的工作，并取得了一定成果，但與日本等先進國家相比仍有相當(dāng)差距。

　　3、機電一體化的關(guān)鍵技術(shù)

　　機電一體化技術(shù)是一個技術(shù)群體的總稱。其關(guān)鍵技術(shù)有：傳感與檢測技術(shù)信息處理技術(shù)、先進制造技術(shù)、伺服驅(qū)動技術(shù)、自動控制技術(shù)、系統(tǒng)總體技術(shù)等。

　　3.1傳感與檢測技術(shù)

　　傳感與檢測技術(shù)關(guān)鍵元件就是傳感器。傳感器是整個機電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)的環(huán)境接口，是自動化、信息化以及智能化應(yīng)用和發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。傳感器的水平反映了一個國家的科技發(fā)達程度，特別是新型高科技傳感器的研究和開發(fā)世界各國都非常重視，比如多功能集成傳感器、智能傳感器、仿生傳感器等。多功能集成傳感器就是具有“一器多感”技術(shù)特點的傳感器。智能傳感器就是帶有微處理器的，具有信息自我處理功能的傳感器。仿生傳感器就是模擬人的感覺器官的傳感器，是機器人技術(shù)發(fā)展的核心。

　　3.2信息處理技術(shù)

　　信息處理技術(shù)包括信息的交換、傳遞、存儲和處理，主要工具就是計算機。計算機及信息處理系統(tǒng)是整個系統(tǒng)(或產(chǎn)品)的信息處理中心，充分利用計算機超強的信息處理能力以及豐富的軟件資源，增強了系統(tǒng)的功能，提高了系統(tǒng)的柔性、可靠性，使系統(tǒng)具有了一定的智能。

　　3.3先進制造技術(shù)

　　先進制造技術(shù)是機電一體化發(fā)展的必然產(chǎn)物，是機電一體化技術(shù)的基礎(chǔ)。先進制造技術(shù)保障系統(tǒng)(或產(chǎn)品)構(gòu)造功能的最優(yōu)化。先進制造技術(shù)采用具有柔性操作的先進制造設(shè)備：機械加工中心、機床、工業(yè)機器人等機電一體化產(chǎn)品，實行先進的組織管理，組成柔性制造單元和柔性制造系統(tǒng)，提高制造作業(yè)及制造系統(tǒng)的柔性和生產(chǎn)率，以滿足機電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)的需要，滿足社會發(fā)展的需要。

　　3.4伺服驅(qū)動技術(shù)

　　伺服驅(qū)動技術(shù)是系統(tǒng)直接執(zhí)行操作的技術(shù)，其目的是從動力學(xué)角度分析系統(tǒng)行為，保證系統(tǒng)整體運行的最優(yōu)化。伺服驅(qū)動裝置包括電動、氣動、液壓等各種類型，按照控制指令將電信號轉(zhuǎn)換成流體能或機械能驅(qū)動運功機構(gòu)，對整個系統(tǒng)的動態(tài)特性、控制質(zhì)量和功能具有決定性的影響。

　　3.5自動控制技術(shù)

　　自動控制技術(shù)是在自動控制原理的指導(dǎo)下，結(jié)合計算機技術(shù)對具體的控制裝置和控制系統(tǒng)進行設(shè)計、仿真、調(diào)試，最終實現(xiàn)機電一體化系統(tǒng)的整體性能最優(yōu)化20世紀80年代以來，如模糊控制，專家系統(tǒng)和人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等人工智能控制技術(shù)，得到快速發(fā)展并被廣泛應(yīng)用。

　　3.6系統(tǒng)總體技術(shù)

　　系統(tǒng)總體技術(shù)包括系統(tǒng)的總體設(shè)計和接口技術(shù)，是用跨學(xué)科的思維能力來進行綜合集成的技術(shù)。系統(tǒng)總體設(shè)計是以系統(tǒng)整體的概念組織應(yīng)用各種相關(guān)技術(shù)，從全局角度和系統(tǒng)目標(biāo)出發(fā)，將系統(tǒng)整體分解成相互聯(lián)系的若干功能單元，再對功能單元進行二次分解，最終確定一個可行的技術(shù)方案。接口技術(shù)的實質(zhì)是機械技術(shù)和電子技術(shù)的具體應(yīng)用，是各要素或子系統(tǒng)之間的聯(lián)系條件。在某種意義上說，機電一體化系統(tǒng)設(shè)計歸根結(jié)底就是接口設(shè)計。

　　4、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)展和進步依賴并促進相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和進步。因此，機電一體化的主要發(fā)展方向如下：

　　4.1智能化

　　智能化就是要求機電產(chǎn)品具有一定的智能，使其具有類似人的邏輯思考、判斷推理、自主決策等能力。如果人類社會的發(fā)展和進步體現(xiàn)在人腦的智能上，那么機電一體化的發(fā)展和進步就體現(xiàn)在其產(chǎn)品的智能上。智能化是機電一體化技術(shù)與傳統(tǒng)自動化技術(shù)的主要區(qū)別之一，也是21世紀機電一體化技術(shù)發(fā)展的主要方向。隨著模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色理論、小波理論、混沌與分岔等人工智能技術(shù)的進步和發(fā)展，為機電一體化技術(shù)的發(fā)展開辟了廣闊天地。

　　4.2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)品種類和生產(chǎn)廠家繁多，研制和開發(fā)具有標(biāo)準(zhǔn)機械接口、電氣接口、動力接口、環(huán)境接口的機電一體化產(chǎn)品單元是一項十分復(fù)雜但又非常重要的事。如研制集減速、智能調(diào)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(biāo)準(zhǔn)單元迅速開發(fā)出新產(chǎn)品，同時也可以擴大生產(chǎn)規(guī)模。這需要制定各項標(biāo)準(zhǔn)，以便各部件、單元的匹配和接口。由于利益沖突，近期很難制定國際或國內(nèi)這方面的標(biāo)準(zhǔn)，但可以通過組建一些大企業(yè)逐漸形成。顯然，從電氣產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化帶來的好處可以肯定，無論是對生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)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(guī)模化將給機電一體化企業(yè)帶來美好的前程。

　　4.3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，只要其功能獨到，質(zhì)量可靠，很快就會暢銷全球。由于網(wǎng)絡(luò)的普及，基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠程控制和監(jiān)視技術(shù)方興未艾，利用現(xiàn)場總線和局域網(wǎng)技術(shù)使家用電器網(wǎng)絡(luò)化己成大勢，家庭網(wǎng)絡(luò)(homenet)就是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(compute,IntegratedAppliancesystem,CIAS),使人們在家里享受科技帶來的便利與快樂。因此，機電一體化產(chǎn)品無疑朝著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。

　　4.4微型化

　　微型化是指機電一體化向微型機器和微觀領(lǐng)域發(fā)展的趨勢。微機電一體化(MicroMechatronics)是機電一體化的一個重要分支，國外稱其微型電子機械系統(tǒng)(MicroElectroMechanicalSystems).它泛指幾何尺寸不超過1cm的機電一體化產(chǎn)品，并向著微米、納米級發(fā)展。采用精細加工技術(shù)加工生產(chǎn)微機電一體化產(chǎn)品，其體積小、耗能少、運動靈活，在生物醫(yī)療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優(yōu)勢。

　　4.5集成化

　　機電一體化的集成是從全局角度和系統(tǒng)目標(biāo)出發(fā)，將總體功能分解成相互有機聯(lián)系的若干子功能，再將系統(tǒng)分解成若干個功能單一的功能單元，然后通過軟、硬件將各個功能單元有機地聯(lián)系起來，使其性能最優(yōu)功能最強。集成是機電一體化發(fā)展的內(nèi)在動力，它是一種創(chuàng)新性的過程，正是由于這種創(chuàng)新性，將機、電、信息、控制等各種相關(guān)技術(shù)有機結(jié)合，實現(xiàn)系統(tǒng)整體最優(yōu)，促使機電一體化領(lǐng)域的不斷拓展。

　　4.6系統(tǒng)化

　　系統(tǒng)化的表現(xiàn)特征之一就是系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進一步采用開放式和模式化的總線結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)可以靈活組態(tài)，進行任意剪裁和組合，同時尋求實現(xiàn)多子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制和綜合管理。表現(xiàn)之二是通信功能的大大加強，一般除Rs232外，還有Rs485、DCs人格化。未來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。一層是機電一體化產(chǎn)品的最終使用對象是人，如何賦予機電一體化產(chǎn)品人的智能、情感、人性顯得越來越重要，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，研制各種機電一體化產(chǎn)品。事實上，許多機電一體化產(chǎn)品都是受動物的啟發(fā)研制出來的。

　　4.7人性化

　　機電一體化產(chǎn)品的使用對象和服務(wù)對象都是人。所以對于未來的機電一體化產(chǎn)品，一方面必須加強它們與生命機體的相似性，給產(chǎn)品賦予人的智能、情感和人性;另一方面充分協(xié)調(diào)產(chǎn)品與人和環(huán)境的關(guān)系，使產(chǎn)品更關(guān)注人的生理、心理特性和極限，更適宜人的使用與操作。

　　4.8綠色化

　　工業(yè)的發(fā)達給人們生活帶來了巨大變化。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(yīng)運而生，綠色化是時代的趨勢。綠色產(chǎn)品在其設(shè)計、制造、使用和銷毀的生命過程中，符合特定的環(huán)境保護和人類健康的要求，對生態(tài)環(huán)境無害或危害極少，資源利用率極高。設(shè)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，使用時不污染生態(tài)環(huán)境服廢后能回收利用。

　　5、結(jié)束語

　　我國機電一體化技術(shù)水平與發(fā)達國家相比差距較大。在發(fā)展過程中，首先應(yīng)充分利用原有技術(shù)和設(shè)備，發(fā)展經(jīng)濟型機電產(chǎn)品;然后充分利用發(fā)達國家的高新技術(shù)，引進、仿制和開發(fā)效益好收效快的機電產(chǎn)品;在此基礎(chǔ)上，全面開發(fā)具有中國特色的高新產(chǎn)品.

　　機電一體化技術(shù)發(fā)展至今己經(jīng)成為一門有著自身完整體系的綜合性學(xué)科，隨著未來科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展還將被賦予新的內(nèi)容。

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