2022年行業(yè)分析淺析機(jī)電一體化技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

淺析機(jī)電一體化技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢緒論

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)展，極大地推動了不同學(xué)科的交叉與滲透，導(dǎo)致了工程領(lǐng)域的技術(shù)革命與改造。在機(jī)械工程領(lǐng)域，由于微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的快速進(jìn)展及其向機(jī)械工業(yè)的滲透所形成的機(jī)電一體化，使機(jī)械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機(jī)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(jī)械電氣化”邁入了“機(jī)電一體化”為特征的進(jìn)展階段。

1．機(jī)電一體化概要

機(jī)電一體化是指在機(jī)構(gòu)得主功能、動力功能、信息處理功能和掌握功能上引進(jìn)電子技術(shù)，將機(jī)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(jī)電一體化進(jìn)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)技術(shù)的不但進(jìn)展，還將被給予新的內(nèi)容。但其基本特征可概括為：機(jī)電一體化是從系統(tǒng)的觀點(diǎn)動身，綜合運(yùn)用機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動掌握技術(shù)、計算機(jī)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)，依據(jù)系統(tǒng)功能目標(biāo)和優(yōu)化組織目標(biāo)，合理配置與布局各功能單元，在多功能、高質(zhì)量、高牢靠性、低能耗的意義上實(shí)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(jī)電一體化系統(tǒng)或機(jī)電一體化產(chǎn)品。

因此，“機(jī)電一體化”涵蓋“技術(shù)”和“產(chǎn)品”兩個方面。只是，機(jī)電一體化技術(shù)是基于上述群體技術(shù)有機(jī)融合的一種綜合技術(shù)，而不是機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)以及其它新技術(shù)的簡潔組合、拼湊。這是機(jī)電一體化與機(jī)械加電氣所形成的機(jī)械電氣化在概念上的根本區(qū)分。機(jī)械工程技術(shù)有純技術(shù)進(jìn)展到機(jī)械電氣化，仍屬傳統(tǒng)機(jī)械，其主要功能依舊是代替和放大的體力。但是進(jìn)展到機(jī)電一體化后，其中的微電子裝置除可取代某些機(jī)械部件的原有功能外，還能給予很多新的功能，如自動檢測、自動處理信息、自動顯示記錄、自動調(diào)整與掌握自動診斷與愛護(hù)等。即機(jī)電一體化產(chǎn)品不僅是人的手與肢體的延長，還是人的感官與頭腦的眼神，具有智能化的特征是機(jī)電一體化與機(jī)械電氣化在功能上的本質(zhì)區(qū)分。

2．機(jī)電一體化的進(jìn)展?fàn)顩r

機(jī)電一體化的進(jìn)展大體可以分為3個階段。20世紀(jì)60年月以前為第一階段，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(jī)械產(chǎn)品的性能。特殊是在其次次世界大戰(zhàn)期間，戰(zhàn)斗刺激了機(jī)械產(chǎn)品與電子技術(shù)的結(jié)合，這些機(jī)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(jì)的恢復(fù)起了樂觀的作用。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(dāng)時電子技術(shù)的進(jìn)展尚未達(dá)到肯定水平，機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)的結(jié)合還不行能廣泛和深化進(jìn)展，已經(jīng)開發(fā)的產(chǎn)品也無法大量推廣。

20世紀(jì)70~80年月為其次階段，可稱為蓬勃進(jìn)展階段。這一時期，計算機(jī)技術(shù)、掌握技術(shù)、通信技術(shù)的進(jìn)展，為機(jī)電一體化的進(jìn)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(jī)的迅猛進(jìn)展，為機(jī)電一體化的進(jìn)展供應(yīng)了充分的物質(zhì)基礎(chǔ)。這個時期的特點(diǎn)是：①mechatronics一詞首先在日本被普遍接受，大約到20世紀(jì)80年月末期在世界范圍內(nèi)得到比較廣泛的承認(rèn)；②機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品得到了極大進(jìn)展；③各國均開頭對機(jī)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(jì)90年月后期，開頭了機(jī)電一體化技術(shù)向智能化方向邁進(jìn)的新階段，機(jī)電一體化進(jìn)入深化進(jìn)展時期。一方面，光學(xué)、通信技術(shù)等進(jìn)入了機(jī)電一體化，微細(xì)加工技術(shù)也在機(jī)電一體化中嶄露頭腳，消失了光機(jī)電一體化和微機(jī)電一體化等新分支；另一方面對機(jī)電一體化系統(tǒng)的建模設(shè)計、分析和集成方法，機(jī)電一體化的學(xué)科體系和進(jìn)展趨勢都進(jìn)行了深化討論。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(jìn)步，為機(jī)電一體化技術(shù)開拓了進(jìn)展的寬闊天地。這些討論，將促使機(jī)電一體化進(jìn)一步建立完整的基礎(chǔ)和漸漸形成完整的科學(xué)體系。

我國是從20世紀(jì)80年月初才開頭在這方面討論和應(yīng)用。國務(wù)院成立了機(jī)電一體化領(lǐng)導(dǎo)小組并將該技術(shù)列為“863方案”中。在制定“九五”規(guī)劃和2022年進(jìn)展綱要時充分考慮了國際上關(guān)于機(jī)電一體化技術(shù)的進(jìn)展動向和由此可能帶來的影響。很多大專院校、討論機(jī)構(gòu)及一些大中型企業(yè)對這一技術(shù)的進(jìn)展及應(yīng)用做了大量的工作，不取得了肯定成果，但與日本等先進(jìn)國家相比仍有相當(dāng)差距。

3．機(jī)電一體化的進(jìn)展趨勢

機(jī)電一體化是集機(jī)械、電子、光學(xué)、掌握、計算機(jī)、信息等多學(xué)科的交叉綜合，它的進(jìn)展和進(jìn)步依靠并促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的進(jìn)展和進(jìn)步。因此，機(jī)電一體化的主要進(jìn)展方向如下：

3.1智能化

智能化是21世紀(jì)機(jī)電一體化技術(shù)進(jìn)展的一個重要進(jìn)展方向。人工智能在機(jī)電一體化建設(shè)者的討論日益得到重視，機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床的智能化就是重要應(yīng)用。這里所說的“智能化”是對機(jī)器行為的描述，是在掌握理論的基礎(chǔ)上，汲取人工智能、運(yùn)籌學(xué)、計算機(jī)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，模擬人類智能，使它具有推斷推理、規(guī)律思維、自主決策等力量，以求得到更高的掌握目標(biāo)。誠然，使機(jī)電一體化產(chǎn)品具有與人完全相同的智能，是不行能的，也是不必要的。但是，高性能、高速的微處理器使機(jī)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。

3.2模塊化

模塊化是一項(xiàng)重要而艱難的工程。由于機(jī)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(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口、電氣接口、動力接口、環(huán)境接口的機(jī)電一體化產(chǎn)品單元是一項(xiàng)非常簡單但又是特別重要的事。如研制集減速、智能調(diào)速、電機(jī)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掌握單元，以及各種能完成典型操作的機(jī)械裝置。這樣，可利用標(biāo)準(zhǔn)單元快速開發(fā)出新產(chǎn)品，同時也可以擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。這需要制定各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)，但可以通過組建一些大企業(yè)漸漸形成。明顯，從電氣產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化帶來的好處可以確定，無論是對生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)電一體化單元的企業(yè)還是對生產(chǎn)機(jī)電一體化產(chǎn)品的企業(yè)，規(guī)?；瘜⒔o機(jī)電一體化企業(yè)帶來美妙的前程。

3.3網(wǎng)絡(luò)化

20世紀(jì)90年月，計算機(jī)技術(shù)等的突出成就是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的興起和飛速進(jìn)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(jì)、生產(chǎn)連成一片，企業(yè)間的競爭也將全球化。機(jī)電一體化新產(chǎn)品一旦研制出來，只要其功能獨(dú)到，質(zhì)量牢靠，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(yuǎn)程掌握和監(jiān)視技術(shù)方興未艾，而遠(yuǎn)程掌握的終端設(shè)備本身就是機(jī)電一體化產(chǎn)品。現(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(jī)為中心的計算機(jī)集成家電系統(tǒng)(computerintegratedappliancesystem,CIAS)，使人們在家里共享各種高技術(shù)帶來的便利與歡樂。因此，機(jī)電一體化產(chǎn)品無疑朝著網(wǎng)絡(luò)化方向進(jìn)展。

3.4微型化

微型化興起于20世紀(jì)80年月末，指的是機(jī)電一體化向微型機(jī)器和微觀領(lǐng)域進(jìn)展的趨勢。國外稱其為微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS），泛指幾何尺寸不超過1cm3的機(jī)電一體化產(chǎn)品，并向微米、納米級進(jìn)展。微機(jī)電一體化產(chǎn)品體積小、耗能少、運(yùn)動敏捷，在生物醫(yī)療、軍事、信息等方面具有不行比擬的優(yōu)勢。微機(jī)電一體化進(jìn)展的瓶頸在于微機(jī)械技術(shù)，微機(jī)電一體化產(chǎn)品的加工采納精細(xì)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。

3.5綠色化

工業(yè)的發(fā)達(dá)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，資源削減，生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)峻污染。于是，人們呼吁愛護(hù)環(huán)境資源，回歸自然。綠色產(chǎn)品概念在這種呼聲下應(yīng)運(yùn)而生，綠色化是時代的趨勢。綠色產(chǎn)品在其設(shè)計、制造、使用和銷毀的生命過程中，符合特定的環(huán)境愛護(hù)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(shè)計綠色的機(jī)電一體化產(chǎn)品，具有遠(yuǎn)大的進(jìn)展前途。機(jī)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。

3.6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(jìn)一步采納開放式和模式化的總線結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)可以敏捷組態(tài)，進(jìn)行任意剪裁和組合，同時尋求實(shí)現(xiàn)多子系統(tǒng)協(xié)調(diào)掌握和綜合管理。表現(xiàn)之二是通信功能的大大加強(qiáng)，一般除RS232外，還有RS485、DCS人格化。將來的機(jī)電一體化更加注意產(chǎn)品與人的關(guān)系，機(jī)電一體化的人格化有兩層含義。一層是，機(jī)電一體化產(chǎn)品的最終使用對象是人，如何給予機(jī)電一體化產(chǎn)品人的智能、情感、人性顯得越來越重要，特殊是對家用機(jī)器人，其高層境界就是人機(jī)一體化。