現代科學技術的不斷發展,極大地推動了不同學科的交叉與滲透,工程領域的技術改造與革命。在機械工程領域,由于微電子技術和計算機技術的迅速發展及其向機械工業的滲透所形成的機電一體化,使機械工業的技術結構、產品結構、功能與構成、生產方式及管理體系發生了巨大變化,使工業生產由“機械電氣化”邁入以“機電一體化”為特征的發展階段。

    1 機電一體化概述

    機電一體化是指在機構的主功能、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合起來所構成的系統的總稱。

    機電一體化發展至今已經成為一門有著自身體系的新型學科,隨著科學技術的不斷發展,還將被賦予新的內容。但其基本特征可概括為:機電一體化是從系統的觀點出發,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、傳感測控技術及電力電子技術,根據系統功能目標要求,合理配置與布局各功能單元,在多功能、高質量、高可靠性、低能耗的意義上實現特定功能價值,并使整個系統最優化的系統工程技術。由此而產生的功能系統,則成為一個機電一體化系統或機電一體化產品。因此,“機電一體化”涵蓋“技術”和“產品”兩個方面。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別。機械工程技術由純技術發展到機械電氣化,仍屬傳統機械,其主要功能依然是代替和放大的體系。但是,發展到機電一體化后,其中的微電子裝置除可取代某些機械部件的原有功能外,還被賦予許多新的功能,如自動檢測、自動處理信息、自動顯示記錄、自動調節與控制、自動診斷與保護等。也就是說,機電一體化產品不僅是人的手與肢體的延伸,還是人的感官與頭腦的延伸,智能化特征是機電一體化與機械電氣化在功能上的本質區別。

    2 機電一體化的發展狀況

    機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)一(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)體(ti)(ti)化(hua)(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)發(fa)(fa)展(zhan)(zhan)(zhan)大(da)(da)體(ti)(ti)可以分為(wei)三個階(jie)段(duan):(1)20世(shi)紀60年(nian)代以前為(wei)第(di)一(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)階(jie)段(duan),這(zhe)一(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)階(jie)段(duan)稱為(wei)初級階(jie)段(duan)。在(zai)(zai)這(zhe)一(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)時期,人們自覺(jue)不自覺(jue)地(di)利用(yong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)初步成果來完善機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)械產(chan)品(pin)的(de)(de)(de)(de)(de)性(xing)能(neng)。特(te)別是在(zai)(zai)第(di)二次世(shi)界大(da)(da)戰(zhan)(zhan)期間,戰(zhan)(zhan)爭刺激(ji)了(le)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)械產(chan)品(pin)與電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)結合(he),這(zhe)些(xie)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)結合(he)的(de)(de)(de)(de)(de)軍用(yong)技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu),戰(zhan)(zhan)后轉為(wei)民用(yong),對戰(zhan)(zhan)后經(jing)濟(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)恢復起到(dao)(dao)了(le)積(ji)極的(de)(de)(de)(de)(de)作用(yong)。那時,研(yan)制(zhi)和(he)開(kai)發(fa)(fa)從總體(ti)(ti)上看還(huan)(huan)處于自發(fa)(fa)狀態。由于當(dang)時電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)發(fa)(fa)展(zhan)(zhan)(zhan)尚未達(da)到(dao)(dao)一(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)定水平(ping),機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)械技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)與電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)結合(he)還(huan)(huan)不可能(neng)廣(guang)泛(fan)和(he)深(shen)入發(fa)(fa)展(zhan)(zhan)(zhan),已經(jing)開(kai)發(fa)(fa)的(de)(de)(de)(de)(de)產(chan)品(pin)也無法大(da)(da)量推廣(guang)。(2)20世(shi)紀70—80年(nian)代為(wei)第(di)二階(jie)段(duan),可稱為(wei)蓬(peng)勃(bo)發(fa)(fa)展(zhan)(zhan)(zhan)階(jie)段(duan)。這(zhe)一(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)時期,計算(suan)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)、控制(zhi)技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)、通信(xin)技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)發(fa)(fa)展(zhan)(zhan)(zhan),為(wei)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)一(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)體(ti)(ti)化(hua)(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)發(fa)(fa)展(zhan)(zhan)(zhan)奠定了(le)技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)基礎(chu)。大(da)(da)規模、超大(da)(da)規模集成電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路和(he)微(wei)型計算(suan)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)出(chu)現,為(wei)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)一(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)體(ti)(ti)化(hua)(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)發(fa)(fa)展(zhan)(zhan)(zhan)提供了(le)充分的(de)(de)(de)(de)(de)物質基礎(chu)。這(zhe)個時期的(de)(de)(de)(de)(de)特(te)點是:mechatronics一(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)詞首(shou)先在(zai)(zai)日本被普遍接受,大(da)(da)約到(dao)(dao)20世(shi)紀80年(nian)代末(mo)期在(zai)(zai)世(shi)界范圍內得到(dao)(dao)比較廣(guang)泛(fan)的(de)(de)(de)(de)(de)承認;機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)一(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)體(ti)(ti)化(hua)(hua)(hua)技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)和(he)產(chan)品(pin)得到(dao)(dao)了(le)極大(da)(da)發(fa)(fa)展(zhan)(zhan)(zhan);各國(guo)均(jun)開(kai)始對機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)一(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)體(ti)(ti)化(hua)(hua)(hua)技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)和(he)產(chan)品(pin)給予很大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)(de)關注(zhu)和(he)支(zhi)持。(3)20世(shi)紀90年(nian)代后期,開(kai)始了(le)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)一(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)體(ti)(ti)化(hua)(hua)(hua)技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)向智能(neng)化(hua)(hua)(hua)方向邁進(jin)(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)新階(jie)段(duan),機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)一(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)體(ti)(ti)化(hua)(hua)(hua)進(jin)(jin)(jin)入深(shen)入發(fa)(fa)展(zhan)(zhan)(zhan)時期。一(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)方面,光學(xue)、通信(xin)技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)等(deng)進(jin)(jin)(jin)入機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)一(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)體(ti)(ti)化(hua)(hua)(hua),微(wei)細加工技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)也在(zai)(zai)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)一(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)體(ti)(ti)化(hua)(hua)(hua)中嶄露(lu)頭腳,出(chu)現了(le)光機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)一(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)體(ti)(ti)化(hua)(hua)(hua)和(he)微(wei)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)一(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)體(ti)(ti)化(hua)(hua)(hua)等(deng)新分支(zhi);另一(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)方面,對機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)一(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)體(ti)(ti)化(hua)(hua)(hua)系統的(de)(de)(de)(de)(de)建模設計、分析和(he)集成方法,機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)一(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)體(ti)(ti)化(hua)(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)學(xue)科(ke)體(ti)(ti)系和(he)發(fa)(fa)展(zhan)(zhan)(zhan)趨勢都進(jin)(jin)(jin)行(xing)了(le)深(shen)入研(yan)究。同時,人工智能(neng)技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)、神(shen)經(jing)網絡技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)及光纖技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)等(deng)領域(yu)取得的(de)(de)(de)(de)(de)巨大(da)(da)進(jin)(jin)(jin)步,為(wei)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)一(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)體(ti)(ti)化(hua)(hua)(hua)技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)開(kai)辟了(le)發(fa)(fa)展(zhan)(zhan)(zhan)的(de)(de)(de)(de)(de)廣(guang)闊天地(di)。這(zhe)些(xie)研(yan)究,使機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)一(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)體(ti)(ti)化(hua)(hua)(hua)進(jin)(jin)(jin)一(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)步建立(li)了(le)堅實(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)基礎(chu),并且逐漸形(xing)成完整的(de)(de)(de)(de)(de)學(xue)科(ke)體(ti)(ti)系。

    我國是從20世紀80年代初才開始進行這方面的研究和應用。國務院成立了機電一體化領導小組,并將該技術列入“863計劃”中。在制定“九五”規劃和2010年發展綱要時充分考慮了國際上關于機電一體化技術的發展動向和由此可能帶來的影響。許多大專院校、研究機構及一些大中型企業對這一技術的發展及應用做了大量的工作,取得了一定成果。但與日本等先進國家相比,仍有相當差距。

    3 機電一體化的發展趨勢

    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,它的發展和進步依賴并促進相關技術的發展。機電一體化的主要發展方向大致有以下幾個方面:

    3.1智能化

    智能化是21世紀機電一體化技術的一個重要發展方向。人工智能在機電一體化的研究中日益得到重視,機器人與數控機床的智能化就是重要應用之一。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上,吸收人工智能、運籌學、計算機科學、模糊數學、心理學、生理學和混沌動力學等新思想、新方法,使它具有判斷推理、邏輯思維及自主決策等能力,以求得到更高的控制目標。誠然,使機電一體化產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、高速度的微處理器使機電一體化產品賦有低級智能或者人的部分智能,則是完全可能而且必要的。

    3.2模塊化

    模塊化是一項重要而艱巨的工程。由于機電一體化產品種類和生產廠家繁多,研制和開發具有標準機械接口、電氣接口、動力接口和環境接口等的機電一體化產品單元是一項十分復雜但又非常重要的事情。如研制集減速、智能調速、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等。有了這些標準單元就可迅速開發出新產品,同時也可以擴大生產規模。為了達到以上目的,還需要制定各項標準,以便于各部件、單元的匹配。由于利益沖突,近期很難制定出國際或國內這方面的標準,但可以通過組建一些大企業逐漸形成。顯然,從電氣產品的標準化、系列化帶來的好處可以肯定,無論是對生產標準機電一體化單元的企業,還是對生產機電一體化產品的企業,模塊化將給機電一體化企業帶來美好的前程。

    3.3網絡化

    20世紀(ji)90年代(dai),計(ji)算(suan)機技(ji)(ji)術(shu)(shu)等的(de)(de)突(tu)出成(cheng)就是(shi)網(wang)絡(luo)技(ji)(ji)術(shu)(shu)。網(wang)絡(luo)技(ji)(ji)術(shu)(shu)的(de)(de)興起(qi)和飛(fei)速發(fa)展給科學(xue)技(ji)(ji)術(shu)(shu)、工業生(sheng)產(chan)(chan)、政治、軍(jun)事、教育等日常生(sheng)活都帶(dai)來(lai)了巨(ju)大(da)的(de)(de)變革(ge)。各(ge)(ge)(ge)種網(wang)絡(luo)將全(quan)球(qiu)經(jing)濟、生(sheng)產(chan)(chan)連(lian)成(cheng)一(yi)片,企業間(jian)的(de)(de)競爭也(ye)將全(quan)球(qiu)化(hua)。機電(dian)一(yi)體化(hua)新產(chan)(chan)品(pin)一(yi)旦研制出來(lai),只(zhi)要其功能獨到(dao)、質量可靠(kao),很快就會暢銷全(quan)球(qiu)。由于(yu)網(wang)絡(luo)的(de)(de)普及,基于(yu)網(wang)絡(luo)的(de)(de)各(ge)(ge)(ge)種遠(yuan)程控制和監視技(ji)(ji)術(shu)(shu)方(fang)興未艾,而遠(yuan)程控制的(de)(de)終端(duan)設備(bei)本身就是(shi)機電(dian)一(yi)體化(hua)產(chan)(chan)品(pin)。現(xian)場總線和局域網(wang)技(ji)(ji)術(shu)(shu)的(de)(de)應(ying)用(yong)使家(jia)用(yong)電(dian)器(qi)(qi)網(wang)絡(luo)化(hua)已成(cheng)大(da)勢,利用(yong)家(jia)庭網(wang)絡(luo)(homenet)將各(ge)(ge)(ge)種家(jia)用(yong)電(dian)器(qi)(qi)連(lian)接成(cheng)以計(ji)算(suan)機為中心的(de)(de)計(ji)算(suan)機集成(cheng)家(jia)電(dian)系統(tong)(computerintegratedappliancesystem,CIAS),能使人們呆在(zai)家(jia)里就可分(fen)享各(ge)(ge)(ge)種高(gao)技(ji)(ji)術(shu)(shu)帶(dai)來(lai)的(de)(de)便(bian)利與快樂。因此,機電(dian)一(yi)體化(hua)產(chan)(chan)品(pin)無疑將朝著(zhu)網(wang)絡(luo)化(hua)方(fang)向(xiang)發(fa)展。

    3.4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展的趨勢。國外稱其為微電子機械系統(MEMS),泛指幾何尺寸不超過1cm3的機電一體化產品,并向微米、納米級發展。微機電一體化產品體積小,耗能少,運動靈活,在生物醫療、軍事、信息等方面具有無可比擬的優勢。微機電一體化發展的瓶頸在于微機械技術。微機電一體化產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。

    3.5環保化

    工業的發達給人們生活帶來巨大變化。一方面,物質豐富,生活舒適;另一方面,資源減少,生態環境受到嚴重污染。于是,人們呼吁保護環境資源,回歸自然。綠色產品概念在這種呼聲下應運而生,綠色化是時代的趨勢。綠色產品在其設計、制造、使用和銷毀的生命過程中,符合特定的環境保護和人類健康的要求,對生態環境無害或危害極少,資源利用率極高。設計綠色的機電一體化產品,具有遠大的發展前景。機電一體化產品的綠色化主要是指,使用時不污染生態環境,報廢后能回收利用。

    3.6系統化

    系統化的表現特征之一就是系統體系結構進一步采用開放式和模式化的總線結構。系統可以靈活組態,進行任意剪裁和組合,同時尋求實現多子系統協調控制和綜合管理。表現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品與人的關系,機電一體化的人格化有兩層含義:一層是如何賦予機電一體化產品人的智能、情感、人性等等,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,研制出各種機電一體化產品。事實上,許多機電一體化產品都是受動物的啟發而研制出來的。

    綜上所(suo)述,機(ji)電(dian)一體(ti)(ti)化(hua)的(de)出現不是(shi)(shi)孤立的(de),它是(shi)(shi)許多科(ke)學技(ji)(ji)術(shu)發(fa)展(zhan)的(de)結晶,是(shi)(shi)社會生產力發(fa)展(zhan)到(dao)一定(ding)階段的(de)必然要求和產物。當然,與機(ji)電(dian)一體(ti)(ti)化(hua)相關的(de)技(ji)(ji)術(shu)還有很多,并且隨著科(ke)學技(ji)(ji)術(shu)的(de)發(fa)展(zhan),各種技(ji)(ji)術(shu)相互(hu)融合的(de)趨勢將越(yue)來越(yue)明(ming)顯,機(ji)電(dian)一體(ti)(ti)化(hua)技(ji)(ji)術(shu)的(de)發(fa)展(zhan)前景也將越(yue)來越(yue)光明(ming)。