淺談機電一體化技術(shù)發(fā)展歷程及其趨勢

1、機電一體化技術(shù)發(fā)展歷程及其趨勢摘要：機電一體化是融了機械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)等多種技術(shù)的一門新興的交叉學(xué)科，它涉及機械工程、電子工程、化學(xué)工程、建筑工程、信息工程、控制工程等多種模塊。隨著微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、精密機械技術(shù)、自動控制技術(shù)以及微型計算機技術(shù)、人工智能技術(shù)等新技術(shù)的發(fā)展，以機械為主體的工業(yè)產(chǎn)品和民用產(chǎn)品不斷采用諸學(xué)科的新技術(shù)，在機械化的基礎(chǔ)上，正向自動化和智能化方向發(fā)展，以機械技術(shù)、微電子技術(shù)的有機結(jié)合為主體的機電一體化技術(shù)是機械工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。關(guān)鍵詞：機電一體化 發(fā)展趨勢 智能化一、緒論 機電一體化又稱機械電子學(xué)，是由英文機械學(xué)Mechanics的前半部分與電子學(xué)El

2、ectronics的后半部分組合而成。機電一體化最早出現(xiàn)在1971年日本雜志機械設(shè)計的副刊上，隨著機電一體化技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)在的機電一體化技術(shù)，是機械和微電子技術(shù)緊密集合的一門技術(shù)。 機電一體化是微電子技術(shù)向傳統(tǒng)機械工業(yè)滲透過程中逐漸形成的一個新概念。Mechantronics(機電一體化) 一詞是取Mechanics(機械學(xué))的前半部Elec-tronics(電子工業(yè))的后半部拼合而成的，起源于日本，表示機械學(xué)與電子學(xué)兩種學(xué)科的綜合。日本機械振興協(xié)會經(jīng)濟研究所1981 年3月提出了對機電一體化的定義：“機電一體化是機械的主功能、動力功能、信息功能和控制功能上引進了微電子技術(shù)，并將機械裝置與

3、電子裝置用相關(guān)軟件有機融合而構(gòu)成的系統(tǒng)的總稱?！保ㄟ@是到目前為止，較為人們所接受的涵義）。機電一體化技術(shù)是將機械技術(shù)、電工電子技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、傳感器技術(shù)、接口技術(shù)、信號變換技術(shù)等多種技術(shù)進行有機地結(jié)合，并綜合應(yīng)用到實際中去的綜合技術(shù)。是現(xiàn)代化的自動生產(chǎn)設(shè)備幾乎可以說都是機電一體化的設(shè)備。中國機電設(shè)計邁入PLM全新階段，正挑戰(zhàn)著了前所未有的，不可預(yù)測的難題，一個個久戰(zhàn)沙場經(jīng)久不衰精兵良將正褪去了昨日英雄的光環(huán)，唯有CAMEL VIEW 能夠勝任軍統(tǒng)三國，光復(fù)舊業(yè)的重任，此時數(shù)系科技與德國iXtronics GmbH公司攜手共同開拓機電設(shè)計領(lǐng)域的新篇章，CAMEL VIEW 作為機電一

4、體化設(shè)計系統(tǒng)，從產(chǎn)品的概念設(shè)計到產(chǎn)品性能的測試、驗證、通過都是一體化的，流程化的、規(guī)范化的，在滿足用戶設(shè)計的前提下，數(shù)值實驗的仿真與結(jié)果的驗證無不精確化，支持復(fù)雜環(huán)境下，多工況，多耦合場設(shè)計。 隨著機電一體化的發(fā)展，美國IEEE/ASME 于1996 年對與機電一體化又給出了一個較為全面的定義：“對機電一體化初步定義為在工業(yè)產(chǎn)品和過程的設(shè)計和制造中，機械工程和電子與智能計算機控制的協(xié)同集成，包括11 個方面：成型和設(shè)計；系統(tǒng)集成；執(zhí)行器和傳感器；智能控制；機器人；制造；運動控制；振動和噪聲控制；微器件和光電子系統(tǒng)；汽車系統(tǒng)；其它應(yīng)用”?？梢?，機電一體化是融了機械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)等多種

5、技術(shù)的一門新興的交叉學(xué)科，它涉及機械工程、電子工程、化學(xué)工程、建筑工程、信息工程、控制工程等多種模塊。隨著微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、精密機械技術(shù)、自動控制技術(shù)以及微型計算機技術(shù)、人工智能技術(shù)等新技術(shù)的發(fā)展，以機械為主體的工業(yè)產(chǎn)品和民用產(chǎn)品不斷采用諸學(xué)科的新技術(shù)，在機械化的基礎(chǔ)上，正向自動化和智能化方向發(fā)展，以機械技術(shù)、微電子技術(shù)的有機結(jié)合為主體的機電一體化技術(shù)是機械工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。二、機電一體化概要機電一體化是指在機構(gòu)得主功能、動力功能、信息處理功能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)展至今也已成為一門有著自身體系的新型學(xué)科，隨著科學(xué)

6、技術(shù)的不但發(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)功能目標和優(yōu)化組織目標，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

7、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，如自動檢測、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。三、機電一體化的核心技術(shù)及發(fā)展歷程3.1 機電一體化的核心技術(shù)（1） 機械技術(shù)機械技術(shù)是機電一體化的基礎(chǔ)，機械技術(shù)的著眼

8、點在于如何與機電一體化技術(shù)相適應(yīng)，利用其它高、新技術(shù)來更新概念，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)上、材料上、性能上的變更，滿足減小重量、縮小體積、提高精度、提高剛度及改善性能的要求。在機電一體化系統(tǒng)制造過程中，經(jīng)典的機械理論與工藝應(yīng)借助于計算機輔助技術(shù)，同時采用人工智能與專家系統(tǒng)等，形成新一代的機械制造技術(shù)。 （2） 計算機與信息技術(shù)其中信息交換、存取、運算、判斷與決策、人工智能技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)均屬于計算機信息處理技術(shù)。（3） 系統(tǒng)技術(shù)系統(tǒng)技術(shù)即以整體的概念組織應(yīng)用各種相關(guān)技術(shù)，從全局角度和系統(tǒng)目標出發(fā)，將總體分解成相互關(guān)聯(lián)的若干功能單元，接口技術(shù)是系統(tǒng)技術(shù)中一個重要方面，它是實現(xiàn)系統(tǒng)各部分

9、有機連接的保證。（4） 自動控制技術(shù)其范圍很廣，在控制理論指導(dǎo)下，進行系統(tǒng)設(shè)計，設(shè)計后的系統(tǒng)仿真，現(xiàn)場調(diào)試，控制技術(shù)包括如高精度定位控制、速度控制、自適應(yīng)控制、自診斷校正、補償、再現(xiàn)、檢索等。 （5） 傳感檢測技術(shù)傳感檢測技術(shù)是系統(tǒng)的感受器官，是實現(xiàn)自動控制、自動調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其功能越強，系統(tǒng)的自動化程序就越高?，F(xiàn)代工程要求傳感器能快速、精確地獲取信息并能經(jīng)受嚴酷環(huán)境的考驗，它是機電一體化系統(tǒng)達到高水平的保證。 （6） 伺服傳動技術(shù)包括電動、氣動、液壓等各種類型的傳動裝置，伺服系統(tǒng)是實現(xiàn)電信號到機械動作的轉(zhuǎn)換裝置與部件、對系統(tǒng)的動態(tài)性能、控制質(zhì)量和功能有決定性的影響。3.

10、2 機電一體化的發(fā)展歷程()機電一體化的發(fā)展1、世界范圍內(nèi)，機電一體化發(fā)展的三個階段（1）第一階段為20 世紀60 年代以前由于當時電子技術(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, 已經(jīng)開發(fā)的產(chǎn)品也無法大量推廣。這一時期主要的產(chǎn)品是數(shù)控機床，由于技術(shù)上和價格上的原因，僅供給航空航天等尖端科技領(lǐng)域的使用，其加工精度也算不高（在當時算很高了）；（2）第二階段為20 世紀7080 年代這一時期,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)。 （3）第

11、三階段為20 世紀90 年代后期這個時期，開始了機電一體化技術(shù)向智能化方向邁進的新階段, 機電一體化呈現(xiàn)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腳, 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。同時, 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)開辟了發(fā)展的廣闊天地。2、我國的機電一體化的發(fā)展早在1958年我國就開始研究數(shù)控機床，于1966年研制成功晶體管數(shù)控系統(tǒng)，并生產(chǎn)出了數(shù)控切割機、數(shù)控銑床等產(chǎn)品，但是

12、受當時國內(nèi)條件的限制，機電一體化在國內(nèi)并沒有發(fā)展起來。直到20 世紀80 年代初我國才開始系統(tǒng)的從事機電一體化的研究和應(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”。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, 取得了一定成果, 但與日本等先進國家相比仍有相當差距。四、機電一體化技術(shù)與產(chǎn)品的應(yīng)用范圍及特點4.1機電一體化技術(shù)的產(chǎn)品范圍機電一體化技術(shù)和產(chǎn)品的應(yīng)用范圍非常廣泛，涉及到工業(yè)生產(chǎn)過程的所有領(lǐng)域，因此，機電一體化產(chǎn)品的種類很多，而

13、且還在不斷地增加。1、 數(shù)控機械類主要產(chǎn)品包括數(shù)控機床、機器人、發(fā)動機控制系統(tǒng)以及全自動洗衣機等。這類產(chǎn)品的特點是執(zhí)行機構(gòu)為機械裝置。2、 電子設(shè)備類主要產(chǎn)品包括電火花加工機床、線切割機、超聲波加工機以及激光測量儀等。這類產(chǎn)品的特點是執(zhí)行機構(gòu)為電子裝置。3、 機電結(jié)合類主要產(chǎn)品包括自動探傷機、形狀自動識別裝置、CT掃描診斷機以及自動售貨機等。這類產(chǎn)品的特點是執(zhí)行機構(gòu)為電子裝置和機械裝置的有機結(jié)合。4、 電液伺服類主要產(chǎn)品為機電液一體化的伺服裝置，如電子伺服萬能材料試驗機等。這類產(chǎn)品的特點是執(zhí)行機構(gòu)為液壓驅(qū)動的機械裝置，控制機構(gòu)是接受電信號的液壓伺服閥。5、信息控制類主要產(chǎn)品包括傳真機、磁盤存儲

14、器、磁帶錄像機、錄音機、復(fù)印機等。這類產(chǎn)品的主要特點是執(zhí)行機構(gòu)的動作由所接收的信息類信號來控制。4.2 機電一體化產(chǎn)品的主要優(yōu)點1、具有記憶、運算、控制、信息處理等功能。從而達到產(chǎn)品的高性能、多功能化和智能化。2、 結(jié)構(gòu)簡化。使產(chǎn)品向著輕、薄、細、巧的方向迅速發(fā)展, 易采用標準化、模塊化的方法進行設(shè)計、制造。3、可以根據(jù)負荷及運行情況進行調(diào)整與控制。具有節(jié)能的特點。4、具有自動監(jiān)視、診斷功能及某些智能, 使安全可靠性大幅度提高。五、 機電一體化技術(shù)的發(fā)展方向 有關(guān)研究報告顯示“機電一體化”一詞最早是日本提出的，在上世紀80年代初，日本名古屋大學(xué)最早設(shè)置了機電一體化專業(yè).如今已改稱為“機械電子工

15、程”專業(yè)；在高職高專則仍延用機電一體化專業(yè)名稱. 機電一體化專業(yè)是精密機械-電子技術(shù)（含電力電子）-計算機技術(shù)等多門學(xué)科交叉融合的產(chǎn)物，屬高新技術(shù)，也是當前發(fā)展最快的技術(shù)之一，它是先進制造技術(shù)的主要組成部分.它的發(fā)展推動了當前制造技術(shù)的迅速更新?lián)Q代，是產(chǎn)品向高、精、快迅速邁進，使勞動生產(chǎn)率迅速提高.由于中國逐漸成為世界制造業(yè)基地加上傳統(tǒng)企業(yè)面臨大規(guī)模的技術(shù)改造與設(shè)備更新，國內(nèi)急需大量先進制造技術(shù)專業(yè)人才.因此該專業(yè)畢業(yè)生就業(yè)前景很好，而且待遇也高.畢業(yè)生主要在各行政、企業(yè)、事業(yè)單位從事機械、電氣工程、常用電器的維修、安裝與調(diào)試以及技術(shù)管理等工作。機電一體化專業(yè)就業(yè)前景到底怎樣呢?市場調(diào)研發(fā)現(xiàn)機

16、電一體化專業(yè)是一個寬口徑專業(yè)，適應(yīng)范圍很廣，學(xué)生在校期間除學(xué)習(xí)各種機械、電工電子、計算機技術(shù)、控制技術(shù)、檢測傳感等理論知識外，還將參加各種技能培訓(xùn)和國家職業(yè)資格證書考試，充分體現(xiàn)重視技能培養(yǎng)的特點.學(xué)生畢業(yè)后主要面向珠江三角洲各企業(yè)、公司，從事加工制造業(yè)，家電生產(chǎn)和售后服務(wù)，數(shù)控加工機床設(shè)備使用維護，物業(yè)自動化管理系統(tǒng)，機電產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)、改造、技術(shù)支持，以及機電設(shè)備的安裝、調(diào)試、維護、銷售、經(jīng)營管理等等。（一）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(jié)構(gòu)等部件組成的。因此, 引進光學(xué)技術(shù), 實現(xiàn)光學(xué)技術(shù)的先天優(yōu)點能有效地改進機電一體化系統(tǒng)的傳感系統(tǒng)、能源(動

17、力)系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)。光機電一體化是機電產(chǎn)品發(fā)展的重要趨勢。（二）數(shù)字化微控制器及其發(fā)展奠定了機電產(chǎn)品數(shù)字化的基礎(chǔ)，而計算機網(wǎng)絡(luò)的迅速崛起，為數(shù)字化設(shè)計與制造鋪平了道路，如虛擬設(shè)計、計算機集成制造等。數(shù)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(shù)字化的實現(xiàn)將便于遠程操作、診斷和修復(fù)。（三）智能化智能化是機電一體化與傳統(tǒng)機械自動化的主要區(qū)別之一。近幾年，處理器速度的提高和微機的高性能化、傳感器系統(tǒng)的集成化與智能化為嵌入智能控制算法創(chuàng)造了條件，有力地推動著機電一體化產(chǎn)品向智能化方向發(fā)展。智能機電一體化產(chǎn)品可以模擬人類智能，具有某種程度的判斷推理、邏

18、輯思維和自主決策能力，從而取代制造工程中人的部分腦力勞動。（四）綠色化環(huán)境、資源、人口是當今人類社會面臨的三大主題。特別是環(huán)境問題，其惡化程度與日俱增，正在對人類社會的生存與發(fā)展造成嚴重的威脅；而資源問題不僅僅涉及人類世界有限的資源如何利用，也是產(chǎn)生環(huán)境問題的主要根源。于是近年來一個新的概念已經(jīng)提出：最有效地利用資源和最高限度地利用廢棄物，是當前世界上環(huán)境問題的治本之道。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，報廢時能回收利用。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(chǎn)品的綠色化更成了適應(yīng)未來發(fā)展的一大特色。（五）模塊化由于機電一體化產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠家繁

19、多，研制和開發(fā)具有標準機械接口、電氣接口、動力接口、信息接口的機電一體化產(chǎn)品單元是一項復(fù)雜而重要的工作，它需要制訂一系列標準，以便各部件、單元的匹配和接口。機電一體化產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)可利用標準單元迅速開發(fā)新產(chǎn)品，同時也可以不斷擴大生產(chǎn)規(guī)模。（六）微型化國外微型機電一體化系統(tǒng)的幾何尺寸一般不超過1cm，并正向微米、納米級方向發(fā)展。由于微機電一體化系統(tǒng)具有體積小、耗能小、運動靈活等特點，可進入一般機械無法進入的空間并易于進行精細操作，故在生物醫(yī)學(xué)、航空航天、信息技術(shù)、工農(nóng)業(yè)乃至國防等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。四、 結(jié)束語機電一體化是工業(yè)革命的一次大的革新，它大大提高了社會生產(chǎn)力，推動了社會的發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種技術(shù)相互融合的趨勢將越來越明顯，以機械技術(shù)、微電子技術(shù)的有機結(jié)合