“機電一體化”發(fā)展現狀與未來

（湖北黃岡交通學校）

摘 要：近些年來，隨著計算機和微電子技術的不斷發(fā)展及其在機械工業(yè)領域的廣泛應用，促進了機電一體化技術的快速發(fā)展。本文從對機電一體化的相關概念的介紹談起，然后分別就機電一體化的現狀和未來發(fā)展做具體介紹。

關鍵詞：機電技術；機電一體化；現狀；未來

一、機電一體化的定義

機電一體化又稱為機械電子學，英文為Mechatronics，它是由機械學英文Mechanics的前半部分與電子學英文Electronics的后半部分組合而成。對機電一體化初步定義為：在機械的主功能、動力功能、信息功能和控制功能上引進微電子技術，并將機械裝置與電子裝置用相關軟件有機結合而構成的系統的總稱。它涉及機械制造技術、電子技術、信息處理技術、測試和傳感器技術、控制技術、接口技術、計算機技術、伺服驅動等多種技術。

二、機電一體化的發(fā)展歷程與現狀

世界機電一體化的發(fā)展大體可分為三個階段。第一階段是20世紀60年代初，隨著電子技術問世，機械技術與電子技術的結合就開始了；第二階段是20世紀70至80年代，這一時期，計算機技術、控制技術、通信技術的高速發(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出現，為機電一體化的發(fā)展提供了充分的物質基礎；第三階段在出現了半導體集成電路，尤其是出現了以微處理器為代表的大規(guī)模集成電路以后，機電一體化技術有了明顯進展，引起了人們的廣泛注意，各國均開始極大關注和支持機電一體化技術和產品。

我國從20世紀80年代初開始進行機電一體化的研究和應用，國務院成立了機電一體化領導小組并將其列為“863計劃”，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于機電一體化技術的發(fā)展動向和由此帶來的影響，結合國際機電發(fā)展方向，我國機電研究主要表現在三個方面。

1.數控技術方面。我國數控技術起步于1958年，到目前，已具有年產數控系統5000多套、主軸與進給裝置10000多套的生產能力。近十年來，普通級數控機床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密級加工中心則從3～5μm，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已開始進入納米級0.01μm。

2.工業(yè)機器人方面。我國1986年將機器人的研究開發(fā)列入國家科技計劃，現已掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統和軟件編程技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產了部分機器人的關鍵元器件，并進入實用化階段，開發(fā)出弧焊、點焊、噴漆、裝配、搬運、注塑、沖壓及能前后行走、爬墻、水下作業(yè)的多種機器人。目前，國內相關科研機構和企業(yè)已掌握了工業(yè)機器人操作機的優(yōu)化制造技術，解決了工業(yè)機器人控制、驅動系統的設計技術，機器人軟件的設計和編程等關鍵技術，還掌握弧焊、點焊及大型機器人自動生產線與周邊配套設備的開發(fā)和制備技術。

3.計算機集成制造系統方面。我國經過多年的理論和技術準備，CIMS已經有了較快發(fā)展。目前，已在清華大學建成國家CIMS工程研究中心，在著名高校和研究單位建立了16個CIMS單元技術實驗室和12個CIMS培訓中心。2010年，全國已有近30個省市、30多個行業(yè)、500多家不同規(guī)模和類型的企業(yè)通過實施CIMS應用示范工程，取得了巨大的經濟效益。當前，CIMS的進一步試點推廣應用已經擴展到機械、電子、航空、航天、輕工、紡織、冶金、石油化工等諸多領域，正得到各行各業(yè)越來越多的關注和投入。

三、機電一體化發(fā)展趨勢

1.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，報廢后能回收利用的產品。進入21世紀，機電一體化技術要能提供一種高性能、高原料利用率、低能耗、低污染、環(huán)境舒適和可回收的智能化機械產品，即提供一種能滿足可持續(xù)性發(fā)展的“綠色產品”。

2.光機電一體化。一般的機電一體化系統是由傳感系統、能源系統、信息處理系統、機械結構等部件組成的。引進光學技術后，實現光學技術的先天優(yōu)點，能有效地改進機電一體化系統的傳感系統、能源系統和信息處理系統。光機電一體化是機電產品發(fā)展的重要趨勢。

3.柔性化。柔性化是機電一體化產品的控制和執(zhí)行系統有足夠的“冗余度”，產品被設計成“自律分配系統”，有較強的“柔性”，能較好地應付突發(fā)事件。在自律分配系統中，各個子系統是相互獨立工作的，子系統為總系統服務，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的適應能力（柔性），又不因某一子系統的故障而影響整個系統。

4.智能化。智能化是對機器行為的描述，是機電一體化技術發(fā)展的重要方向，即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。目前，專家系統、模糊系統、神經網絡以及遺傳算法，是機電一體化產品系統實現智能化的4種主要技術，它們各自獨立發(fā)展又彼此相互滲透。隨著制造自動化程度的不斷提高，將會出現智能制造系統控制器來模擬人類專家的智能制造活動。

5.生物軟件化。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（大腦）停止工作時，生物便“死亡”，而當控制系統（大腦）工作時，生物就很有活力。仿生學研究領域中已發(fā)現的一些生物體優(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。

6.模塊化。機電一體化產品和技術可分為機械、電子和軟件三大部分，模塊化技術是這三者的共同技術。模塊化技術可以減少產品的開發(fā)和生產成本，提高不同產品間的零部件通用化程度，提高產品的可裝配性、可維修性和可擴展性等。融合機械、電子和軟件三大部分的機電一體化模塊代表了未來產品的發(fā)展方向。

7、微型化。當前，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；在技術結合上已研究出微機電系統，微機電系統高度融合了微機械技術、微電子技術和軟件技術。當將這些成果用于實際產品時，就沒有必要區(qū)分機械部分和控制器了。屆時機械和電子完全可以“融合”，機體、執(zhí)行機構、傳感器、CPU等可集成在一起，體積很小，并組成一種自律元件。這種微型機械學是機電一體化的重要發(fā)展方向。

四、結束語

機電一體化是許多科學技術發(fā)展的結晶，是社會生產力發(fā)展到一定階段的必然，隨著科學技術的發(fā)展，各種技術相互融合的趨勢將越來越明顯，以機械技術、微電子技術的有機結合為主體的機電一體化技術是機械工業(yè)發(fā)展的必然趨勢，21世紀，機電一體化技術將成為機械工業(yè)的主角，在各方面均可帶來顯著的經濟效益和社會效益。