關于機電一體化技術創新發展的探討

摘 要：機電一體化在機械自動化發展當中起著十分重要的作用，因此有必要探討其發展現狀及技術發展趨勢。文章基于對機電一體化技術發展相關理念的探討，綜合分析了機電一體化技術創新發展趨勢，以及保障發展的策略。

關鍵詞：機電一體化；技術創新發展；趨勢；策略

1 機電一體化技術發展概述

機電一體化最早是由YASKAWA公司的Tetsuro Mori先生于1969年首先提出。它是機械結構學或機械學的前五個字母與電子學的后七個字母合并組成。機電一體化，顧名思義，就是有“機”又有“電”。“機”與“電”過去分屬機械與電子電機學科，各自獨立發展而無交集，由于產業的進步與需求，彼此之間的關系卻變得越來越密切，而本質上就牽涉到機械、電機、電子、信息等不同領域的技術。機電一體化的演進與發展可以分為以下幾個階段。

首先，傳統機電一體化階段。1970年代的機電一體化是由機械結構學（機械學）和電子學整合而成，以應付自動門、自動售貨機、自動對焦照像機或攝影機等產品的技術需求。其次，電腦控制機電一體化階段。到了1980年代，為了少量多樣產品的需求、提升產質量量、減少生產成本及降低人力需求，產業開始積極研發機器人、自動導引車、柔性制造系統與電腦整合制造系統等自動化相關技術，此時電腦扮演更扮演控制中心的重要角色，并開始引入信息技術。第三，電腦控制網絡機電一體化階段。到了1990年代，機電一體化大量引入有線、無線通訊、衛星定位、網絡傳輸等技術，重點在于信息系統的引進。第四，多元機電一體化階段。二十一世紀的機電一體化技術就屬于多元化的專業技術了，主要包括有引入光電技術的機電光、著重于微小化的微機電系統技術（MEMS）、奈米機電技術（NEMS）以及與生物產業息息相關的生物機電工程等。

機電一體化是自動化產業發展上最主要的支撐技術。一般而言，機電一體化系統，可大致歸納為四部分：控制器、感測器、致動器與機構元件。機電一體化技術的發展可說是科技進步的趨勢，其影響具體體現在如下幾個方面：通過機電一體化技術，傳統機構可大幅簡化；機構的運動，可經由電腦軟件設計變成可程序化、自動化、信息化及智能化；新的動作或性能，過去傳統機構無法達成，而通過機電一體化技術可有效達成，且額外的成本相當有限，但整體價值大幅提高；通過機電技術整合，可使機構、電機、電子及電腦軟硬件技術均發揮最佳效果，獲得更精致、功能更完整的機構（系統）。

2 機電一體化技術創新發展趨勢

首先，未來趨勢機電一體化技術的應用將更為廣泛。小至微機電系統、數字光碟機，大至半導體制程設備、高速列車，均需通過機電一體化技術完成產品的開發。機電一體化之所以重要也正因為它是自動化工業、航太工業、與國防工業的基礎整合技術。這門新興技術，是先進工業國家競相發展的領域信息產業的快速發展，也帶動了PC工業控制電腦的發展，連帶著以PC-Based控制器為主導的自動化產業。在這種發展變遷過程中，機電一體化的核心，也即程序控制器技術也發生著創新變化。程序控制器被廣泛使用在工業自動控制領域，PLC已經成為工廠自動化的控制核心。然而因為一般PLC 程序撰寫是采用先繪制階梯圖再轉換為PLC指令，因此各品牌所生產PLC的指令不同，導致彼此之間程序轉換不易。另外，由于PLC指令近似于低階語言，程序開發不易且十分耗時。為了改善PLC機電一體化的缺點，目前逐漸探索出以PC個人電腦或IPC取代PLC，作為機電一體化機構的控制器，并使用Visual Basic來撰寫控制程序，取代PLC的機電一體化。

其次，機電光一體化的技術發展。在進入二十一世紀后，半導體微電子技術、微機電技術，以及鐳射技術的突飛猛進，加上快速成長的影像顯示產業與新興生物科技產業的驅動，給予傳統的光電、機械、材料、信息、化工等工業一個新的蓬勃發展契機。一個以機電光一體化為手段來開創全新領域與目標的新時代已經來臨。一個典型機電光技術的涵蓋范圍包含：機構設計、微處理器、精密致動器、光/機電感測器、人機介面、程序/反饋控制、信號處理與錯誤診斷、圖形辨識、仿生人工智慧，以及制程技術等。另外，依光學/光電元件與機電元件組合特性與互動程度的不同，機電光系統也可以區分為三種類型：光機整合的機電光系統；內嵌光學/光電裝置的機電系統；嵌入機電裝置的光學系統。

首先是光機整合的機電光系統。在一個機電光系統中，假如光學元件或機電元件從整個系統被個別移開后，整個系統即無法運作，這代表此機電光系統內的光學元件與機電元件是具有功能性的完全整合，從而才能表現出整個系統的性能，這種光機整合的機電光系統產品有：自動對焦相機、適應性光學反射鏡、可調頻鐳射、光/磁碟機讀取頭及光壓力感測器等。其次是內嵌光學/光電裝置的機電系統。這種機電光系統基本為一個由機械、電機和電子元件所組成的機電一體化系統，內嵌光學/光電裝置于機電系統內部，主要在提高系統功能（如偵測與反饋控制等）；由于光學/光電裝置與機電系統是可分離的，所以光學/光電裝置的抽離或損壞雖會影響系統功能，但機電系統仍可獨立運作。這種內嵌光學裝置的機電系統產品有：洗衣機、真空吸塵器、機器監控與控制系統、機器手臂/機器人、汽車引擎及馬達等。最后是內嵌機電裝置的光學系統。這種機電光系統基本上為一個光學系統，只是在系統內部嵌入了機械、電子元件（機電裝置），以增加其操作方便性或自動調整的功能（最常見的如聚焦與對位），沒有這些機電裝置，該系統仍得以手動的操作方式來執行。這種內嵌機電裝置的光學系統產品有：傳統相機、光學投影機、檢電流計、光開關及光纖波導對位模塊等。

3 機電一體化技術的發展保障

我國以PC-Based工控器為主導的機電一體化產業，在發展方面雖然具備了一些競爭優勢，然而仍有相當多的地方需要政產學研共同努力，把握這一波自動化產業發展的契機。可從如下一些方面開展相應的機電一體化技術發展策略：有步驟的讓政府決策高層體認“機電一體化”技術發展的重要性；加強培育以工控電腦為基礎的自動化系統整合人才；發展以自動化制造與機電系統為對象的電力電子關鍵技術，加強以電機控制為基礎，以機電系統為導向的整合研究；推動學術界理論與實務并重的研究氣氛；積極推動國家科技部與經濟主管部門主導的“產學研合作”；機電產業應更積極的走入校園延攬人才與尋求合作；建立下世紀機電產業高科技研究的產業形象。

另外，由于機電光技術至今仍屬于新興整合型的研究領域，國內外目前為止仍較少專門著重于此領域的研發。人才短缺是發展“機電光一體化系統”最重要的問題所在，因此，有必要在國內各高等院校開設機電光研究所或機電光學程，以推動“機電光工程教育”，從而能替我國培育更多具有機電光一體化技術的人才。機電光學程應可結合理、工、電學院的師資來讓更多的非光電與非機電光的大學或研究所學生，接受機電光業余專長人才的相關培訓，從而可迅速補足上述的人力缺口需求，并讓不同學科間有更為密切的交流、整合與互動。

參考文獻

[1]嚴杰.機電一體化技術發展的歷程與展望[J].黑龍江科技信息，2008年第9期.

[2]那勝.機電一體化技術發展趨勢[J].科技信息（學術研究），2008年第27期.