“機(jī)電一體化”發(fā)展現(xiàn)狀與未來

（湖北黃岡交通學(xué)校）

摘 要：近些年來，隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的不斷發(fā)展及其在機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了機(jī)電一體化技術(shù)的快速發(fā)展。本文從對(duì)機(jī)電一體化的相關(guān)概念的介紹談起，然后分別就機(jī)電一體化的現(xiàn)狀和未來發(fā)展做具體介紹。

關(guān)鍵詞：機(jī)電技術(shù)；機(jī)電一體化；現(xiàn)狀；未來

一、機(jī)電一體化的定義

機(jī)電一體化又稱為機(jī)械電子學(xué)，英文為Mechatronics，它是由機(jī)械學(xué)英文Mechanics的前半部分與電子學(xué)英文Electronics的后半部分組合而成。對(duì)機(jī)電一體化初步定義為：在機(jī)械的主功能、動(dòng)力功能、信息功能和控制功能上引進(jìn)微電子技術(shù)，并將機(jī)械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成的系統(tǒng)的總稱。它涉及機(jī)械制造技術(shù)、電子技術(shù)、信息處理技術(shù)、測(cè)試和傳感器技術(shù)、控制技術(shù)、接口技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)等多種技術(shù)。

二、機(jī)電一體化的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀

世界機(jī)電一體化的發(fā)展大體可分為三個(gè)階段。第一階段是20世紀(jì)60年代初，隨著電子技術(shù)問世，機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)的結(jié)合就開始了；第二階段是20世紀(jì)70至80年代，這一時(shí)期，計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)的高速發(fā)展，為機(jī)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(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，為機(jī)電一體化的發(fā)展提供了充分的物質(zhì)基礎(chǔ)；第三階段在出現(xiàn)了半導(dǎo)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(jī)電一體化技術(shù)有了明顯進(jìn)展，引起了人們的廣泛注意，各國(guó)均開始極大關(guān)注和支持機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品。

我國(guó)從20世紀(jì)80年代初開始進(jìn)行機(jī)電一體化的研究和應(yīng)用，國(guó)務(wù)院成立了機(jī)電一體化領(lǐng)導(dǎo)小組并將其列為“863計(jì)劃”，在制定“九五”規(guī)劃和2010年發(fā)展綱要時(shí)充分考慮了國(guó)際上關(guān)于機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向和由此帶來的影響，結(jié)合國(guó)際機(jī)電發(fā)展方向，我國(guó)機(jī)電研究主要表現(xiàn)在三個(gè)方面。

1.數(shù)控技術(shù)方面。我國(guó)數(shù)控技術(shù)起步于1958年，到目前，已具有年產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)5000多套、主軸與進(jìn)給裝置10000多套的生產(chǎn)能力。近十年來，普通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密級(jí)加工中心則從3～5μm，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已開始進(jìn)入納米級(jí)0.01μm。

2.工業(yè)機(jī)器人方面。我國(guó)1986年將機(jī)器人的研究開發(fā)列入國(guó)家科技計(jì)劃，現(xiàn)已掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)和軟件編程技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人的關(guān)鍵元器件，并進(jìn)入實(shí)用化階段，開發(fā)出弧焊、點(diǎn)焊、噴漆、裝配、搬運(yùn)、注塑、沖壓及能前后行走、爬墻、水下作業(yè)的多種機(jī)器人。目前，國(guó)內(nèi)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)已掌握了工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)的優(yōu)化制造技術(shù)，解決了工業(yè)機(jī)器人控制、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)，機(jī)器人軟件的設(shè)計(jì)和編程等關(guān)鍵技術(shù)，還掌握弧焊、點(diǎn)焊及大型機(jī)器人自動(dòng)生產(chǎn)線與周邊配套設(shè)備的開發(fā)和制備技術(shù)。

3.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)方面。我國(guó)經(jīng)過多年的理論和技術(shù)準(zhǔn)備，CIMS已經(jīng)有了較快發(fā)展。目前，已在清華大學(xué)建成國(guó)家CIMS工程研究中心，在著名高校和研究單位建立了16個(gè)CIMS單元技術(shù)實(shí)驗(yàn)室和12個(gè)CIMS培訓(xùn)中心。2010年，全國(guó)已有近30個(gè)省市、30多個(gè)行業(yè)、500多家不同規(guī)模和類型的企業(yè)通過實(shí)施CIMS應(yīng)用示范工程，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)前，CIMS的進(jìn)一步試點(diǎn)推廣應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到機(jī)械、電子、航空、航天、輕工、紡織、冶金、石油化工等諸多領(lǐng)域，正得到各行各業(yè)越來越多的關(guān)注和投入。

三、機(jī)電一體化發(fā)展趨勢(shì)

1.綠色化。機(jī)電一體化產(chǎn)品的綠色化主要是指使用時(shí)不污染生態(tài)環(huán)境，報(bào)廢后能回收利用的產(chǎn)品。進(jìn)入21世紀(jì)，機(jī)電一體化技術(shù)要能提供一種高性能、高原料利用率、低能耗、低污染、環(huán)境舒適和可回收的智能化機(jī)械產(chǎn)品，即提供一種能滿足可持續(xù)性發(fā)展的“綠色產(chǎn)品”。

2.光機(jī)電一體化。一般的機(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)等部件組成的。引進(jìn)光學(xué)技術(shù)后，實(shí)現(xiàn)光學(xué)技術(shù)的先天優(yōu)點(diǎn)，能有效地改進(jìn)機(jī)電一體化系統(tǒng)的傳感系統(tǒng)、能源系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)。光機(jī)電一體化是機(jī)電產(chǎn)品發(fā)展的重要趨勢(shì)。

3.柔性化。柔性化是機(jī)電一體化產(chǎn)品的控制和執(zhí)行系統(tǒng)有足夠的“冗余度”，產(chǎn)品被設(shè)計(jì)成“自律分配系統(tǒng)”，有較強(qiáng)的“柔性”，能較好地應(yīng)付突發(fā)事件。在自律分配系統(tǒng)中，各個(gè)子系統(tǒng)是相互獨(dú)立工作的，子系統(tǒng)為總系統(tǒng)服務(wù)，同時(shí)具有本身的“自律性”，可根據(jù)不同的環(huán)境條件作出不同反應(yīng)。其特點(diǎn)是子系統(tǒng)可產(chǎn)生本身的信息并附加所給信息，在總的前提下，具體“行動(dòng)”是可以改變的。這樣，既明顯地增加了系統(tǒng)的適應(yīng)能力（柔性），又不因某一子系統(tǒng)的故障而影響整個(gè)系統(tǒng)。

4.智能化。智能化是對(duì)機(jī)器行為的描述，是機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展的重要方向，即在控制理論的基礎(chǔ)上，吸收人工智能、運(yùn)籌學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)和混沌動(dòng)力學(xué)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(biāo)。目前，專家系統(tǒng)、模糊系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及遺傳算法，是機(jī)電一體化產(chǎn)品系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化的4種主要技術(shù)，它們各自獨(dú)立發(fā)展又彼此相互滲透。隨著制造自動(dòng)化程度的不斷提高，將會(huì)出現(xiàn)智能制造系統(tǒng)控制器來模擬人類專家的智能制造活動(dòng)。

5.生物軟件化。今后的機(jī)電一體化裝置對(duì)信息的依賴性很大，并且往往在結(jié)構(gòu)上是處于“靜態(tài)”時(shí)不穩(wěn)定，但在動(dòng)態(tài)（工作）時(shí)卻是穩(wěn)定的。這有點(diǎn)類似于活的生物，當(dāng)控制系統(tǒng)（大腦）停止工作時(shí)，生物便“死亡”，而當(dāng)控制系統(tǒng)（大腦）工作時(shí)，生物就很有活力。仿生學(xué)研究領(lǐng)域中已發(fā)現(xiàn)的一些生物體優(yōu)良的機(jī)構(gòu)可為機(jī)電一體化產(chǎn)品提供新型機(jī)體，但如何使這些新型機(jī)體具有活的“生命”還有待于深入研究。

6.模塊化。機(jī)電一體化產(chǎn)品和技術(shù)可分為機(jī)械、電子和軟件三大部分，模塊化技術(shù)是這三者的共同技術(shù)。模塊化技術(shù)可以減少產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)成本，提高不同產(chǎn)品間的零部件通用化程度，提高產(chǎn)品的可裝配性、可維修性和可擴(kuò)展性等。融合機(jī)械、電子和軟件三大部分的機(jī)電一體化模塊代表了未來產(chǎn)品的發(fā)展方向。

7、微型化。當(dāng)前，利用半導(dǎo)體器件制造過程中的蝕刻技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)室中已制造出亞微米級(jí)的機(jī)械元件；在技術(shù)結(jié)合上已研究出微機(jī)電系統(tǒng)，微機(jī)電系統(tǒng)高度融合了微機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)和軟件技術(shù)。當(dāng)將這些成果用于實(shí)際產(chǎn)品時(shí)，就沒有必要區(qū)分機(jī)械部分和控制器了。屆時(shí)機(jī)械和電子完全可以“融合”，機(jī)體、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器、CPU等可集成在一起，體積很小，并組成一種自律元件。這種微型機(jī)械學(xué)是機(jī)電一體化的重要發(fā)展方向。

四、結(jié)束語

機(jī)電一體化是許多科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶，是社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展到一定階段的必然，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種技術(shù)相互融合的趨勢(shì)將越來越明顯，以機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)的有機(jī)結(jié)合為主體的機(jī)電一體化技術(shù)是機(jī)械工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，21世紀(jì)，機(jī)電一體化技術(shù)將成為機(jī)械工業(yè)的主角，在各方面均可帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。