機電設備概述與發(fā)展趨勢.doc

一、緒論 現(xiàn)代科學技術的不斷發(fā)展，極大地推動了不同學科的交叉與滲透，導致了工程領域的技術革命與改造。在機械工程領域，由于微電子技術和計算機技術的迅速發(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。自電子技術一問世,電子技術與機械技術的結(jié)合就開始了,只是出現(xiàn)了半導體集成電路,尤其是出現(xiàn)了以微處理器為代表的大規(guī)模集成電路以后,機電一體化技術之后有了明顯進展,引起了人們的廣泛注意. 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，將機械裝置與電子化設計及軟件結(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科，隨著科學技術的不但發(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、微電子技術、自動控制技術、計算機技術、信息技術、傳感測控技術、電力電子技術、接口技術、信息變換技術以及軟件編程技術等群體技術，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。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”和“產(chǎn)品”兩個方面。只是，機電一體化技術是基于上述群體技術有機融合的一種綜合技術，而不是機械技術、微電子技術以及其它新技術的簡單組合、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。機械工程技術有純技術發(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、機電一體化的發(fā)展狀況 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)品與電子技術的結(jié)合，這些機電結(jié)合的軍用技術，戰(zhàn)后轉(zhuǎn)為民用，對戰(zhàn)后經(jīng)濟的恢復起了積極的作用。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(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。 20世紀7080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、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(zhì)基礎。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和產(chǎn)品給以很大的關注和支持。 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(jīng)網(wǎng)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，將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)對這一技術的發(fā)展及應用做了大量的工作，不取得了一定成果，但與日本等先進國家相比仍有相當差距。 四、機電一體化的發(fā)展趨勢 機電一體化是集機械、電子、光學、控制、計算機、信息等多學科的交叉綜合，它的發(fā)展和進步依賴并促進相關技術的發(fā)展和進步。因此，機電一體化的主要發(fā)展方向如下： 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(chǎn)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(chǎn)品賦有低級智能或人的部分智能，則是完全可能而又必要的。 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(chǎn)品種類和生產(chǎn)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(chǎn)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(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，可利用標準單元迅速開發(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(nèi)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(chǎn)品的標準化、系列化帶來的好處可以肯定，無論是對生產(chǎn)標準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)?；瘜⒔o機電一體化企業(yè)帶來美好的前程。 3、網(wǎng)絡化 20世紀90年代，計算機技術等的突出成就是網(wǎng)絡技術。網(wǎng)絡技術的興起和飛速發(fā)展給科學技術、工業(yè)生產(chǎn)、政治、軍事、教育義舉人么日常生活都帶來了巨大的變革。各種網(wǎng)絡將全球經(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)絡的普及，基于網(wǎng)絡的各種遠程控制和監(jiān)視技術方興未艾，而遠程控制的終端設備本身就是機電一體化產(chǎn)品?，F(xiàn)場總線和局域網(wǎng)技術是家用電器網(wǎng)絡化已成大勢，利用家庭網(wǎng)絡(homenet)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統(tǒng)(computerintegratedappliancesystem,CIAS)，使人們在家里分享各種高技術帶來的便利與快樂。因此，機電一體化產(chǎn)品無疑朝著網(wǎng)絡化方向發(fā)展。 4、微型化 微型化興起于20世紀80年代末，指的是機電一體化向微型機器和微觀領域發(fā)展的趨勢。國外稱其為微電子機械系統(tǒng)（MEMS），泛指幾何尺寸不超過1cm3的機電一體化產(chǎn)品，并向微米、納米級發(fā)展。微機電一體化產(chǎn)品體積小、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。微機電一體化發(fā)展的瓶頸在于微機械技術，微機電一體化產(chǎn)品的加工采用精細加工技術，即超精密技術，它包括光刻技術和蝕刻技術兩類。 5、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運而生，綠色化是時代的趨勢。綠色產(chǎn)品在其設計、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，報廢后能回收利用。 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，研制各種機電一體花產(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。 五、我國的現(xiàn)狀與前景 用信息化帶動工業(yè)化是我國21世紀的一項重大戰(zhàn)略舉措。信息化是由計算機與互聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)工具的革命所引起的工業(yè)經(jīng)濟轉(zhuǎn)向信息經(jīng)濟的一種社會經(jīng)濟過程。它包括信息技術的產(chǎn)業(yè)化、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的信息化、基礎設施的信息化、生活方式的信息化等內(nèi)容：在信息化和工業(yè)化的關系問題上，有兩種極端的觀點。 一種觀點認為：我國的工業(yè)化水平很低，離開了工業(yè)基礎談信息跨越只能是空中樓閣，信息化這種新經(jīng)濟現(xiàn)象是發(fā)達國家的事；我國工業(yè)化的任務尚未完成，我們必須堅守傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，把注意力放在工業(yè)化上；我國在信息技術的開發(fā)領域和應用領域與發(fā)達國家都存在巨大差距，過分強調(diào)信息化，必然會產(chǎn)生泡沫經(jīng)濟；面對巨大的“信息鴻溝”談“趕超”和“跨越”是不現(xiàn)實的，對新興的信息產(chǎn)業(yè)只能慢步走。我們把這種觀點稱作“堅守慢步論”，即堅守傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，慢步信息產(chǎn)業(yè)。 另一種觀點認為：信息化與工業(yè)化沒有必然聯(lián)系。我們必須緊跟時代步伐，放棄夕陽工業(yè)，大力發(fā)展信息產(chǎn)業(yè)這種朝陽產(chǎn)業(yè)。這種觀點是“放棄跨越論”，即放棄傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，在信息產(chǎn)業(yè)領域?qū)崿F(xiàn)全方位的跨越?！胺艞壙缭秸摗闭哧P注的是西方國家在工業(yè)化過程中實行的放棄轉(zhuǎn)移型戰(zhàn)略。 20世紀50年代(以下均指20世紀)美國將鋼鐵、紡織等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)向日本、西德等國家轉(zhuǎn)移，集中力量發(fā)展半導體、通訊、電子計算機等新興技術密集型產(chǎn)業(yè)：60、70年代日本、西德等國家轉(zhuǎn)向集成電路、精密機械、精細化工、家用電器、汽車等技術密集型產(chǎn)業(yè)，新興工業(yè)化國家和地區(qū)獲得了擴大勞動密集型產(chǎn)品出口的良機；80年代以后，出現(xiàn)了美國、日本和歐洲發(fā)達國家發(fā)展知識密集型產(chǎn)業(yè)，新興工業(yè)化國家和地區(qū)發(fā)展技術密集型產(chǎn)業(yè)，勞動密集型和一般技術密集型產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)向發(fā)展中國家的景象：筆者認為：“堅守慢步論”的片面性在于忽視了我國信息技術的后發(fā)優(yōu)勢和跨越式發(fā)展的可能性：而“放棄跨越論”則過分強調(diào)新興產(chǎn)業(yè)，忽視了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的作用：筆者的觀點是：我國要把發(fā)達國家近200年內(nèi)完成的實現(xiàn)工業(yè)化進而進入信息化社會的過程壓縮到今后幾十年內(nèi)完成，必須發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢，實現(xiàn)跨越式發(fā)展。在用信息化帶動工業(yè)化的過程中，要處理好新興產(chǎn)業(yè)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的關系，堅持以信息技術對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的應用為主導；處理好教育與經(jīng)濟的關系，堅持教育先行，用“頭腦”信息化帶動社會經(jīng)濟的信息化；處理好現(xiàn)代化的大都市與落后的廣大農(nóng)村的關系，堅持局部突破，都市跨越，整體追趕，率先把大都市建成信息化的發(fā)動機。我們把這一戰(zhàn)略概括為“應用主導、教育先行、局部突破、都市跨越”。 “堅守傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，慢步或停步信息產(chǎn)業(yè)”的觀點是不可取的。一方面，我們要看到，我國同發(fā)達國家乃至發(fā)展中國家的差距。全球信息技術產(chǎn)業(yè)2000年度生產(chǎn)總值約為12萬億美元，美國信息技術產(chǎn)業(yè)2000年產(chǎn)值達到8220億美元。我國信息產(chǎn)業(yè)2000年銷售收入5800億元人民幣(按現(xiàn)行匯率約合700億美元)。我國軟件產(chǎn)業(yè)銷售額占世界軟件市場的份額不到1，而印度的同一比率超過了16。經(jīng)濟學家胡鞍鋼計算我國與發(fā)達國家之間的發(fā)展差距，突出表現(xiàn)在兩個方面：一是經(jīng)濟發(fā)展的差距。目前，按實際購買力評價計算，我國與西方7國相差5.6812倍，到2015年可能縮小為35倍。二是知識與信息差距。我國與西方7國相比，1997年計算機人均擁有量相差3290倍，互聯(lián)網(wǎng)普及宰相差1431761倍。另一方面，看到差距的同時，我們要正確認識我國的后發(fā)優(yōu)勢，探討實現(xiàn)信息領域的跨越式發(fā)展的可能性。我國實現(xiàn)信息技術和信息產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展具有以下條件： (1)后發(fā)成本優(yōu)勢。我國能夠通過貿(mào)易、投資和技術轉(zhuǎn)讓，超越一些歷史發(fā)展階段，直接學習和利用發(fā)達國家已有經(jīng)驗和技術，享受“后發(fā)優(yōu)勢”。作為后來者，我們不需要花費巨資來從事研究與開發(fā)，大大減少開發(fā)過程的風險成本，可以把節(jié)約下來的大量資源用于其他經(jīng)濟活動，促進經(jīng)濟更快的發(fā)展。網(wǎng)絡技術為后來者開辟子“新大陸”并大大降低了后繼者的進入成本。可以利用先行者的知識和經(jīng)驗，這些知識和經(jīng)驗對后來者來說，重要性不亞于對科學技術的引進和利用。此外，國際貿(mào)易不僅使后來者擴大了銷售市場，促進了國內(nèi)生產(chǎn)規(guī)模的擴大和生產(chǎn)效率的提高，而且還能引進國外的先進技術、資金和科學的管理方法。后發(fā)者在勞動力成本上具有比較優(yōu)勢，可以吸引先行者的資本和技術，從而有利于克服要素“瓶頸”。 (2)后來者沒有結(jié)構(gòu)慣性。發(fā)達國家的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)體系完整而且聯(lián)系密切，具有強大的慣性，進行結(jié)構(gòu)調(diào)整，成本過大。我們可以在新的起點上，用全新的方式和更短的時間，實現(xiàn)具有現(xiàn)代意義的建立在信息化基礎上的工業(yè)化。 (3)信息產(chǎn)業(yè)容易跨越。信息產(chǎn)業(yè)歷史不長，具有技術密集和勞動密集的雙重屬性?；ヂ?lián)網(wǎng)的歷史更短，我國與西方國家在此領域的差距不大，至多落后10至15年。近些年來，世界經(jīng)濟的年均增長率在3%左右，而信息技術及相關產(chǎn)業(yè)的增長速度是經(jīng)濟增長速度的2至3倍。“九五”期間，我國信息產(chǎn)業(yè)增長速度是總的國民經(jīng)濟增長速度的3倍。 (4)信息市場潛力大。我國消費信息產(chǎn)品和服務市場增長迅速，潛力巨大。到了2000年，全國信息產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模超過14萬億元，比90年代初擴大了8倍。我國彩電、微型計算機、移動手機、集成電路等主要電子產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)規(guī)模日漸壯大。我國的有線電視用戶達1億戶，電視網(wǎng)絡已成為世界第一，固定電話網(wǎng)絡規(guī)模已居世界第二位，這也會有利于吸引跨國公司和國際資本進入，從根本上提升相關產(chǎn)業(yè)的素質(zhì)。 (5)信息設施有較好的基礎。在過去的5年中，全國通信投資累計達到8000億元。目前我國通信網(wǎng)已擁有光纖、數(shù)字微波、衛(wèi)星、程控交換、移動通信、互聯(lián)網(wǎng)等多種技術手段，長途傳輸、電話交換以及移動通信都實現(xiàn)了數(shù)字化，正在向新一代寬帶多媒體信息網(wǎng)絡推進。全國性信息應用系統(tǒng)現(xiàn)已經(jīng)達到100多個，遍及金融、海關、財稅、外貿(mào)等各個部門與行業(yè)，區(qū)域信息化水平也不斷提高，各種類型的電子商務發(fā)展加快，上網(wǎng)企業(yè)迅速增加，網(wǎng)上交易額逐步增長，遠程教育、遠程醫(yī)療、網(wǎng)絡媒體等各種信息產(chǎn)業(yè)形態(tài)已經(jīng)起步。公用信息網(wǎng)已覆蓋全國23