探析機電一體化的未來發(fā)展趨勢

探析機電一體化的未來發(fā)展趨勢摘要：作為發(fā)展中國家，我國與發(fā)達國家相比工業(yè)技術水平存在一定差距，但有廣闊的機電一體化應用空間。當前我國機電一體化技術的研究、應用和產業(yè)化受到了前所未有的重視和發(fā)展。本文探討了機電一體化技術的發(fā)展歷程與構成、優(yōu)勢，并展望了機電一體化的未來發(fā)展趨勢。關鍵詞：機電一體化；智能；綠色；微型一、“機電一體化”的發(fā)展歷程機電一體化技術是將機械技術、電工電子技術、微電子技術、信息技術、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，是現(xiàn)代化的自動生產設備幾乎可以說都是機電一體化的設備?！皺C電一體化”經歷了以下發(fā)展歷程：20世紀60年代以前為第一階段。這一階段的機電結合技術，對戰(zhàn)后經濟的恢復起到了積極作用。由于當時電子技術的發(fā)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(fā)展，已經開發(fā)的產品也無法大量推廣。

20世紀70-80年代為第二階段。這一時期計算機技術、控制技術、通信技術的發(fā)展，為機電一體化的發(fā)展奠定了技術基礎。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(fā)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)的建模設計、分析和集成方法，機電一體化的學科體系和發(fā)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，為機電一體化技術開辟了發(fā)展的廣闊天地。這些研究，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(guī)劃和2010年發(fā)展綱要時考慮了國際上關于機電一體化技術的發(fā)展動向和由此可能帶來的影響。許多大專院校、研究機構及一些大中型企業(yè)對這一技術的發(fā)展及應用做了大量的工作，取得了一定成果，但與日本等先進國家仍有相當差距。二、機電一體化產品的構成及優(yōu)勢（一）機電一體化產品的構成1、機械本體：機身、框架、機械聯(lián)接等產品支持機構，實現(xiàn)構造功能。要求：可靠、小型、美觀。2、動力驅動：提供能量，轉換成需要的形式，實現(xiàn)動力和驅動功能。要求：效率高、可靠性好。3、檢測傳感裝置：檢測產品內部狀態(tài)和外部環(huán)境，實現(xiàn)計測功能。要求：體積小、精度高、抗干擾。4、控制與信息處理：處理、運算、決策，實現(xiàn)控制功能。要求：高可靠性、柔性、智能化。5、執(zhí)行機構：包括機械傳動與操作機構，接收控制信息，完成要求的動作，實現(xiàn)主功能。高性能、高精度、高效率（二）機電一體化產品的優(yōu)勢1、與傳統(tǒng)的機械產品的區(qū)別：機械結構更簡單、機械功能更強、性能更優(yōu)越?，F(xiàn)代機械要求具有更新穎的結構、更小的體積、更輕的重量，還要求精度更高、剛度更大、動態(tài)性能更好。2、信息處理技術包括信息的交換、存取、運算、判斷和決策，實現(xiàn)信息處理的工具是計算機，因此計算機技術與信息處理技術是密切相關的。計算機技術包括計算機的軟件技術和硬件技術，網絡與通信技術，數(shù)據技術等。3、自動控制技術范圍很廣，機電系統(tǒng)設計在基本控制理論指導下，對具體控制裝置或控制系統(tǒng)進行設計；對設計后的系統(tǒng)進行仿真和現(xiàn)場調試，最后使研制的系統(tǒng)可靠地投入運行。控制系統(tǒng)是指由被控對象和控制裝置所構成的，能夠對被控對象的工作狀態(tài)進行調節(jié)、使之具有一定的狀態(tài)和性能的系統(tǒng)。4、傳感與檢測裝置是系統(tǒng)的感受器官，它與信息系統(tǒng)的輸入端相連并將檢測到的信息輸送到信息處理部分。傳感與檢測是實現(xiàn)自動控制、自動調節(jié)的關鍵環(huán)節(jié)，它的功能越強，系統(tǒng)的自動化程度就越高。傳感與檢測的關鍵元件是傳感器。5、伺服驅動包括電動、氣動、液壓等各種類型的驅動裝置，由微型計算機通過接口與這些傳動裝置相連接，控制它們的運動，帶動工作機械作回轉、直線以及其他各種復雜的運動。驅動裝置主要指各種電動機的驅動電源電路。6、系統(tǒng)總體技術是一種從整體目標出發(fā)，用系統(tǒng)的觀點和全局角度，把功能和技術方案組成方案組進行分析、評價和優(yōu)選的綜合應用技術。系統(tǒng)總體技術解決的是系統(tǒng)的性能優(yōu)化問題和組成要素之間的有機聯(lián)系問題，即使各個組成要素的性能和可靠性很好，但如果整個系統(tǒng)不能很好協(xié)調，系統(tǒng)也很難正常運行。三、機電一體化的發(fā)展趨勢1、智能化智能化是21世紀機電一體化技術發(fā)展的一個重要發(fā)展方向。人工智能在機電一體化建設者的研究中日益得到重視，機器人與數(shù)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(shù)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。誠然，使機電一體化產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，則是完全可能而必要的。2、模塊化模塊化是一項重要而艱巨的工程。由于機電一體化產品種類和生產廠家繁多，研制和開發(fā)具有標準機械接口、電氣接口、動力接口、環(huán)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(fā)出新產品，同時也可以擴大生產規(guī)模。這需要制定各項標準，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這方面的標準，但可以通過組建一些大企業(yè)逐漸形成。顯然，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(yè)還是對生產機電一體化產品的企業(yè)，規(guī)模化將給機電一體化企業(yè)帶來美好的前程。3、仿生物系統(tǒng)化今后的機電一體化裝置對信息的依賴性很大，并且往往在結構上是處于“靜態(tài)”時不穩(wěn)定，但在動態(tài)(工作)時卻是穩(wěn)定的。這有點類似于活的生物：當控制系統(tǒng)(大腦)停止工作時，生物便“死亡”，而當控制系統(tǒng)(大腦)工作時，生物就很有活力。仿生學研究領域中已發(fā)現(xiàn)的一些生物體優(yōu)良的機構可為機電一體化產品提供新型機體，但如何使這些新型機體具有活的“生命”還有待于深入研究。這一研究領域稱為“生物——軟件”或“生物——系統(tǒng)”，而生物的特點是硬件(肌體)——軟件(大腦)一體，不可分割?？磥?，機電一體化產品雖然有向生物系統(tǒng)化發(fā)展趨，但有一段漫長的道路要走。4、光機電一體化一般的機電一體化系統(tǒng)是由傳感系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、機械結構等部件組成的.因此,引進光學技術,實現(xiàn)光學技術的先天優(yōu)點是能有效地改進機電一體化系統(tǒng)的傳感系統(tǒng)、能源(動力)系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng).光機電一體化是機電產品發(fā)展的重要趨勢。5、自律分配系統(tǒng)化——柔性化未來的機電一體化產品,控制和執(zhí)行系統(tǒng)有足夠的“冗余度”，有較強的“柔性”，能較好地應付突發(fā)事件，被設計成“自律分配系統(tǒng)”。在自律分配系統(tǒng)中，各個子系統(tǒng)是相互獨立工作的，子系統(tǒng)為總系統(tǒng)服務，同時具有本身的“自律性”，可根據不同的環(huán)境條件作出不同反應。其特點是子系統(tǒng)可產生本身的信息并附加所給信息，在總的前提下，具體“行動”是可以改變的。這樣，既明顯地增加了系統(tǒng)的適應能力(柔性)，又不因某一子系統(tǒng)的故障而影響整個系統(tǒng)。6、微型化

微型化興起于20世紀80年代末,是機電一體化向微型機器和微觀領域發(fā)展的趨勢。近十余年來，微機電系統(tǒng),作為機電一體化技術的新尖端分支而倍受重視,泛指幾何尺寸不超過1cm3的機電一體化產品,并向微米、納米級發(fā)展。微機電系統(tǒng)高度融合了微機械技術、微電子技術和軟件技術，發(fā)展難點在于微機械并不是簡單地將大尺寸的機械按比例縮小，由于結構的微型化，在材料、機構設計、摩擦特性、加工方法、測試與定位及驅動方式等方面都產生了一些特殊問題。微機電一體化產品體積小、耗能少、運動靈活,可進入一般機械無法進入的空間，并易于進行精細操作，因此在生物醫(yī)療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優(yōu)勢。因此在生物醫(yī)學、航空航天、信息技術、工農業(yè)乃至國防等領域，都有廣闊的應用前景。目前，利用半導體器件制造過程中的蝕刻技術，在實驗室中已制造出亞微米級的機械元件。7、綠色化

機電一體化產品的綠色化主要是指使用時不污染生態(tài)環(huán)境,報廢后能回收利用。工業(yè)的發(fā)展使得資源減少，生態(tài)環(huán)境受到嚴重污染。綠色化成了時代的趨勢，產品的綠色化更成了適應未來發(fā)展的一大特色。如果我們把機械產品和制造機械產品的機械裝置統(tǒng)稱為機械系統(tǒng)，則機電一體化技術產品的功能可歸結為：提高機械系統(tǒng)的性能，完成傳統(tǒng)機械系統(tǒng)不能完成的功能；提高機械系統(tǒng)的智能化程度，使人在更舒適的環(huán)境中工作；提高機械系統(tǒng)的可回收性；降低機械系統(tǒng)的原材料消耗；降低機械系統(tǒng)的能耗；降低機械系統(tǒng)對環(huán)境的污染，可以看出其中至少有3條是和環(huán)境保護有關的。因而，進入21世紀，機電一體化技術產品的使命是