機電一體化95295

1、機電一體化的特點與發(fā)展趨勢2012-09-20 本文行家：聶光輝機電一體化的特點與發(fā)展趨勢摘要機電一體化是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果，對各領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展起到了極大的推動作用。本文簡述了機電一體化技術(shù)的概念、特點和發(fā)展背景。綜述了國內(nèi)外機電一體化技術(shù)的現(xiàn)狀，分析了機電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：機電一體化；構(gòu)成；特點；發(fā)展目錄中文摘要.21緒論.12機電一體化概念.13機電一體化的基本組成和特點.131機電一體化系統(tǒng)的基本組成.132機電一體化的特點.33機電一體化的特點與發(fā)展趨勢摘 要 機電一體化是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果，對各領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展起到了極大的推動作用。本文簡述了機電一體化技術(shù)的

2、概念、特點和發(fā)展背景。綜述了國內(nèi)外機電一體化技術(shù)的現(xiàn)狀，分析了機電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢。 關(guān)鍵詞：機電一體化；構(gòu)成；特點；發(fā)展目 錄中文摘要. 21緒論. 12機電一體化概念. 13機電一體化的基本組成和特點. 131機電一體化系統(tǒng)的基本組成. 132機電一體化的特點. 33.2.1具有綜合性. 33.2.2廣而強的應(yīng)用性. 33.2.3多層次的系統(tǒng)化. 33.2.4整體的最優(yōu)化. 33.2.5使用簡易化. 33.2.6提高了安全性. 43.2.7具有高可靠性、高穩(wěn)定性和長壽命. 43.2.8具有柔性. 44 機電一體化的發(fā)展狀況及發(fā)展趨勢. 44.1 機電一體化的發(fā)展狀況. 44.2 機電一

3、體化的發(fā)展趨勢. 54.2.1 智能化. 54.2.2模塊化. 64.2.3 網(wǎng)絡(luò)化. 64.2.4 微型化. 74.2.5系統(tǒng)化. 74.2.6帶源化. 74.2.10環(huán)?；? 85結(jié)束語. 8參考文獻. 91緒論 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，極大的推動了不同學(xué)科的交叉于滲透，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，由于微點在技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展機器響機械工業(yè)的滲透所形成的機電一體化，是機械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)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，是工業(yè)生產(chǎn)有“機械電氣化”為特征的發(fā)展階段。2機電一體化概念 機電一體化又稱機械電子學(xué)，英文稱為Mechatronics，

4、它是由英文機械學(xué)一體化技術(shù)mechanics的前半部分與電子學(xué)electronics的后半部分組合而成。一般認為，機電一體化是以機械學(xué)、電子學(xué)和信息科學(xué)為主的多門技術(shù)學(xué)科在祭祀按產(chǎn)品發(fā)展過程相互交叉、相互滲透而形成的一門新興邊緣性技術(shù)學(xué)科。它有三重含義： 首先，機電一體化是機械學(xué)、點在學(xué)與信息科學(xué)等學(xué)科相互融合而形成的學(xué)科。其次，機電一體化是一個發(fā)展的概念，早期的機電一體化主要強調(diào)機械與電子的結(jié)合，即將電子技術(shù)“溶入”到機械技術(shù)中而形成新的技術(shù)與產(chǎn)品。隨著機電一體化技術(shù)的發(fā)展，以計算機技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)為特征的信息技術(shù)“滲透”到機械中，豐富了機電一體化的含義，現(xiàn)代的機電一體化不僅僅指機械

5、、電子與信息技術(shù)的結(jié)合，還包括光（光學(xué)）機電一體化、機電氣（氣壓）一體化、機電液（液壓）一體化、機電儀（儀器儀表）一體化等。第三，機電一體化表達了技術(shù)之間相互結(jié)合的學(xué)術(shù)思想，強調(diào)各種技術(shù)在機電產(chǎn)品中相互協(xié)調(diào)，以達到系統(tǒng)總體最優(yōu)。換句話說，機電一體化是多種技術(shù)學(xué)科有機結(jié)合的產(chǎn)物，而不是它們的簡單疊加。3機電一體化的基本組成和特點31機電一體化系統(tǒng)的基本組成 從構(gòu)成要素上來看，機電一體化系統(tǒng)由機械系統(tǒng)（機構(gòu)）、電子信息處理系統(tǒng)（計算機）、動力系統(tǒng)（動力源）、傳感檢測系統(tǒng)（傳感器）、執(zhí)行元件系統(tǒng)（如電機）等五個字系統(tǒng)組成。機電一體化系統(tǒng)的基本特征是給“機械”增添了頭腦（計算機信息處理與控制）因此是要

6、求傳感器技術(shù)、控制用接口元件、機械機構(gòu)、控制軟件水平較高的系統(tǒng)。 從所要實現(xiàn)功能上來看，因為機電一體化系統(tǒng)（或產(chǎn)品）是有若干具有特定功能的機械與微電子要素組成的有機整體，要有滿足人們使用要求的功能（目的功能），所以根據(jù)不同的使用目的，要求系統(tǒng)能對輸入的物質(zhì)、能量和信息（即工業(yè)三大要素）進行某種處理，輸出所需要的物質(zhì)、能量和信息。因此，系統(tǒng)必須具有以下三大“目的功能”：變換（加工、處理）功能；傳遞（移動、輸送）功能；儲存（保持、積蓄、記錄）功能。不管是實現(xiàn)哪類“目的”功能的系統(tǒng)（或產(chǎn)品），其必須具備如下圖所統(tǒng)內(nèi)部示的五種內(nèi)部功能，即主功、動力能功能、檢測功能、控制功能、構(gòu)造功能，其中“主功”是實

7、現(xiàn)系統(tǒng)“目的功能”直接必須的功能，主要是對物質(zhì)、能量、信息或其相互結(jié)合進行變換、傳遞和儲存?！皠恿δ堋笔孪蛳到y(tǒng)提供動力、讓系統(tǒng)得以運轉(zhuǎn)的功能?！皺z測功能和控制功能”的作用是根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部信息和外部信息對整個系統(tǒng)進行控制，使系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)，實施“目的功能”。而“構(gòu)造功能”則是使構(gòu)成系統(tǒng)的子系統(tǒng)及元、部件維持所定的時間和空間上的相互關(guān)系所必需的功能。從系統(tǒng)的輸入/輸出來看除有主功能的輸入/輸出之外，不需要有動力輸入和控制信息的輸入/輸出。此外，還有因外部環(huán)境引起的干擾輸入以及非目的性輸出（如廢棄物等），例如汽車的廢氣和噪音對外部環(huán)境影響，從系統(tǒng)設(shè)計開始就應(yīng)予以考慮。 既然機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）可以分

8、解成一系列要素或子系統(tǒng)構(gòu)成，那么臬使各要素或子系統(tǒng)之間順利地進行物質(zhì)、能量和信息的傳遞和交換呢？這就涉及到了接口的概念，所謂接口就是各要素或各子系統(tǒng)之間的聯(lián)系條件，從系統(tǒng)外部看，機電一體化系統(tǒng)的輸入/輸出是與人、自然及其他系統(tǒng)之間的接口；從系統(tǒng)內(nèi)部看，機電一體化系統(tǒng)是由許多接口將系統(tǒng)構(gòu)成要素的輸入/輸出聯(lián)系為一體的系統(tǒng)。從這一觀點出發(fā)，系統(tǒng)的性能在很大程度上取決于接口的性能，各要素或各系統(tǒng)之間的接口性能就成為綜合系統(tǒng)性能好壞的決定性因素。機電一體化系統(tǒng)是機械、電子和信息等功能各異的技術(shù)融為一體的綜合系統(tǒng)，其構(gòu)成要素或子系統(tǒng)之間的接口極為重要，在某種意義上講，機電一體化系統(tǒng)設(shè)計歸根結(jié)底就是“接口

9、設(shè)計”。廣義的接口功能有兩種，一種是輸入/輸出的功能；另一種是變換、調(diào)整的功能。32機電一體化的特點3.2.1具有綜合性機電一體化技術(shù)是由機械技術(shù)、電子技術(shù)、微電子技術(shù)和計算機技術(shù)等有機結(jié)合形成的一門跨學(xué)科的邊緣科學(xué)。各種相關(guān)技術(shù)被綜合成一個完整的系統(tǒng)，在這一系統(tǒng)中，它們彼此相互苛刻要求，彼此又取長補短，從而不斷地向著理想化的技術(shù)發(fā)展。因此機電一體化技術(shù)是具有綜合性的高水平技術(shù)。3.2.2廣而強的應(yīng)用性機電一體化技術(shù)是以機械為母體，以實踐機電產(chǎn)品開發(fā)和幾點過程控制為基礎(chǔ)的技術(shù)，是可以滲透到機械系統(tǒng)和產(chǎn)品的普遍應(yīng)用性技術(shù)，幾乎不受行業(yè)限制。機電一體化技術(shù)應(yīng)用計算機技術(shù)，以信息化為內(nèi)涵智能化為核心

10、，開發(fā)和生、產(chǎn)了性能更好的功能更強的機電一體化系統(tǒng)和產(chǎn)品。3.2.3多層次的系統(tǒng)化 機電一體化是將工業(yè)產(chǎn)品和過程利用各種技術(shù)綜合成一個完整的系統(tǒng)，強調(diào)各種技術(shù)（特別是微電子技術(shù)與精密機械技術(shù)）的協(xié)同和集成，強調(diào)層次化和系統(tǒng)化。無論從單參數(shù)、單擊控制到多參數(shù)、多級控制，還是從單件單品生產(chǎn)工藝到柔性及自動化生產(chǎn)線，直到整個系統(tǒng)工程設(shè)計，機電一體化技術(shù)都體現(xiàn)在系統(tǒng)各個層次的開發(fā)和應(yīng)用中。3.2.4整體的最優(yōu)化從系統(tǒng)工程觀點出發(fā)，充分利用新技術(shù)及其相互交叉融合的優(yōu)勢，實現(xiàn)機電一體化系統(tǒng)（或產(chǎn)品）的高附加值、高效率、高性能、省材料、省能源、低損耗、低污染、省時省力等等。比如采用數(shù)控機床、柔性生產(chǎn)線、工業(yè)

11、機器人和計算機管理等高科技機電一體化技術(shù)和系統(tǒng)以后，各企業(yè)就可以根據(jù)社會需求及時調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)各生產(chǎn)過程，幾乎不需要重新設(shè)計制造工藝設(shè)備，大大縮短了整個生產(chǎn)周期。3.2.5使用簡易化 從開發(fā)上來看，機電一體化技術(shù)主要包括技術(shù)原理和使機電一體化系統(tǒng)和產(chǎn)品得以實現(xiàn)、使用和發(fā)展的技術(shù)群體這就需要開發(fā)人員不僅具有扎實的理論基礎(chǔ)，而且具有廣博的技術(shù)知識，還要不斷的學(xué)習(xí)和更新相關(guān)知識。從使用上來看一般用戶對機電一體化系統(tǒng)（或產(chǎn)品）不必精通其原理，不必具有豐富的技術(shù)知識，用戶需要的是功能強、操作簡便、人機協(xié)作關(guān)系好的機電一體化系統(tǒng)（或產(chǎn)品）。3.2.6提高了安全性機電一體化系統(tǒng)一般都具有自動保護的功能，可避免

12、或減少人身和設(shè)備事故發(fā)生的可能性，顯著地提高了安全性。有些機電一體化系統(tǒng)甚至可以在惡劣和危險的環(huán)境中作無人的自動操作。如機器人可以不顧危險，在海里、在宇宙空間、在核反應(yīng)堆等一些危險場合工作。3.2.7具有高可靠性、高穩(wěn)定性和長壽命機電一體化系統(tǒng)幾乎沒有機械磨損，因此系統(tǒng)的壽命提高，故障率降低，可靠性和穩(wěn)定性增強。有些機電一體化系統(tǒng)甚至可以做到不需要維修，具有自動診斷、自動修復(fù)的功能。3.2.8具有柔性 柔性是機電一體化系統(tǒng)的特點。根據(jù)需要的變化，用機電一體化技術(shù)無需改裝系統(tǒng)就可以及時地對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)過程作必要的從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，根據(jù)系統(tǒng)功能目標和優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)目標，以智能、調(diào)整、修改，因此機

13、電一體化技術(shù)是解決多品種、小批量生產(chǎn)的重要途徑。4機電一體化的發(fā)展狀況及發(fā)展趨勢 4.1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(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。 20世紀70-80年代為第二階段，

14、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，機電一體化進入深入發(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腳，出現(xiàn)了光機電一體化

15、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。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(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，

16、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。4.2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。機電一體化的主要發(fā)展趨勢大致有以下幾個方面：4.2.1智能化智能化是21世紀機電一體化技術(shù)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(shè)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(yīng)用之一。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(chǔ)上，吸收人工智能、運籌學(xué)、計算機科學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)和混沌動力學(xué)等新思想、新方法，使它具有判斷推理、邏輯思維及自主決策等能力，以求得到更高

17、的控制目標。即要求機電產(chǎn)品有一定的智能，使它具有類似人的邏輯思考、判斷推理、自主決策等能力。例如在CNC數(shù)控機床上增加人機對話功能，設(shè)置智能I/0接口和智能工藝數(shù)據(jù)庫，會給使用、操作和維護帶來極大的方便。隨著模糊數(shù)控、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)的進步與發(fā)展，為機電一體化技術(shù)發(fā)展開辟了廣闊天地。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。4.2.2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

18、、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。為了達到以上目的，還需要制定各項標準，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。4.2.3網(wǎng)絡(luò)

19、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、教育義舉人么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，而遠程控制的終端設(shè)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(shù)是家用電器網(wǎng)絡(luò)化已成大勢，利用家庭網(wǎng)絡(luò)(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)，能

20、使人們在家里分享各種高技術(shù)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。4.2.4微型化微型化是精細加工技術(shù)發(fā)展的必然，也是提高效率的需要。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(lǐng)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。機電一體化產(chǎn)品，除了機械主體部分，其它部分涉及電子技術(shù)、隨著片式元器件（SMD）的發(fā)展，表面組裝技術(shù)（SMT）正在逐漸取代傳統(tǒng)的通孔插裝技術(shù)（THT）成為電子組裝的重要手段，電子設(shè)備正朝著小型化、輕型化、多功能、高可靠方向發(fā)展。80年代以來，國外SMT發(fā)展異常

21、迅速，1993年電子設(shè)備平均60%以上采用SMT，同年世界電子元件片式化率達到45%以上。因此，機電一體化中具有智能、動力、運動、感知特征的組成部分將逐漸向輕量化、小型化方向發(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、信息等方面具有無可比擬的優(yōu)勢。微機電一體化發(fā)展的瓶頸在于微機械技術(shù)。微機電一體化產(chǎn)品的加工采用精細加工技術(shù)，即超精密技術(shù)，它包括光刻技術(shù)和蝕刻技術(shù)兩類。4.2.5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等智能化通信接口。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：一層是如何賦予機