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)代科學技術發(fā)展的必然結果，對各領域技術的發(fā)展起到了極大的推動作用。本文簡述了機電一體化技術的概念、特點和發(fā)展背景。綜述了國內外機電一體化技術的現(xiàn)狀，分析了機電一體化技術的發(fā)展趨勢。關鍵詞：機電一體化；構成；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)代科學技術發(fā)展的必然結果，對各領域技術的發(fā)展起到了極大的推動作用。本文簡述了機電一體化技術的

2、概念、特點和發(fā)展背景。綜述了國內外機電一體化技術的現(xiàn)狀，分析了機電一體化技術的發(fā)展趨勢。 關鍵詞：機電一體化；構成；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)保化. 85結束語. 8參考文獻. 91緒論 現(xiàn)代科學技術的不斷發(fā)展，極大的推動了不同學科的交叉于滲透，導致了工程領域的技術革命與改造。在機械工程領域，由于微點在技術和計算機技術的迅速發(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)的技術結構、產品結構、功能與構成、生產方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，是工業(yè)生產有“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，英文稱為Mechatronics，

4、它是由英文機械學一體化技術mechanics的前半部分與電子學electronics的后半部分組合而成。一般認為，機電一體化是以機械學、電子學和信息科學為主的多門技術學科在祭祀按產品發(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學科。它有三重含義： 首先，機電一體化是機械學、點在學與信息科學等學科相互融合而形成的學科。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機械與電子的結合，即將電子技術“溶入”到機械技術中而形成新的技術與產品。隨著機電一體化技術的發(fā)展，以計算機技術、通信技術和控制技術為特征的信息技術“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、、電子與信息技術的結合，還包括光（光學）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之間相互結合的學術思想，強調各種技術在機電產品中相互協(xié)調，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學科有機結合的產物，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 從構成要素上來看，機電一體化系統(tǒng)由機械系統(tǒng)（機構）、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、控制用接口元件、機械機構、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、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、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)（或產品），其必須具備如下圖所統(tǒng)內部示的五種內部功能，即主功、動力能功能、檢測功能、控制功能、構造功能，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、能量、信息或其相互結合進行變換、傳遞和儲存?！皠恿δ堋笔孪蛳到y(tǒng)提供動力、讓系統(tǒng)得以運轉的功能?！皺z測功能和控制功能”的作用是根據(jù)系統(tǒng)內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，實施“目的功能”。而“構造功能”則是使構成系統(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)設計開始就應予以考慮。 既然機電一體化系統(tǒng)（產品）可以分

8、解成一系列要素或子系統(tǒng)構成，那么臬使各要素或子系統(tǒng)之間順利地進行物質、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)內部看，機電一體化系統(tǒng)是由許多接口將系統(tǒng)構成要素的輸入/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融為一體的綜合系統(tǒng)，其構成要素或子系統(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)設計歸根結底就是“接口

9、設計”。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是由機械技術、電子技術、微電子技術和計算機技術等有機結合形成的一門跨學科的邊緣科學。各種相關技術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發(fā)展。因此機電一體化技術是具有綜合性的高水平技術。3.2.2廣而強的應用性機電一體化技術是以機械為母體，以實踐機電產品開發(fā)和幾點過程控制為基礎的技術，是可以滲透到機械系統(tǒng)和產品的普遍應用性技術，幾乎不受行業(yè)限制。機電一體化技術應用計算機技術，以信息化為內涵智能化為核心

10、，開發(fā)和生、產了性能更好的功能更強的機電一體化系統(tǒng)和產品。3.2.3多層次的系統(tǒng)化 機電一體化是將工業(yè)產品和過程利用各種技術綜合成一個完整的系統(tǒng)，強調各種技術（特別是微電子技術與精密機械技術）的協(xié)同和集成，強調層次化和系統(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工藝到柔性及自動化生產線，直到整個系統(tǒng)工程設計，機電一體化技術都體現(xiàn)在系統(tǒng)各個層次的開發(fā)和應用中。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和系統(tǒng)以后，各企業(yè)就可以根據(jù)社會需求及時調整產品結構各生產過程，幾乎不需要重新設計制造工藝設備，大大縮短了整個生產周期。3.2.5使用簡易化 從開發(fā)上來看，機電一體化技術主要包括技術原理和使機電一體化系統(tǒng)和產品得以實現(xiàn)、使用和發(fā)展的技術群體這就需要開發(fā)人員不僅具有扎實的理論基礎，而且具有廣博的技術知識，還要不斷的學習和更新相關知識。從使用上來看一般用戶對機電一體化系統(tǒng)（或產品）不必精通其原理，不必具有豐富的技術知識，用戶需要的是功能強、操作簡便、人機協(xié)作關系好的機電一體化系統(tǒng)（或產品）。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，用機電一體化技術無需改裝系統(tǒng)就可以及時地對系統(tǒng)的結構和生產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)化組織結構目標，以智能、調整、修改，因此機

13、電一體化技術是解決多品種、小批量生產的重要途徑。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的初步成果來完善機械產品的性能。特別是在第二次世界大戰(zhàn)期間，戰(zhàn)爭刺激了機械產品與電子技術的結合，這些機電結合的軍用技術，戰(zhàn)后轉為民用，對戰(zhàn)后經濟的恢復起了積極的作用。那時研制和開發(fā)從總體上看還處于自發(fā)狀態(tài)。由于當時電子技術的發(fā)展尚未達到一定水平，機械技術與電子技術的結合還不可能廣泛和深入發(fā)展，已經開發(fā)的產品也無法大量推廣。 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、控制技術、通信技術的發(fā)展，為機電一體化的發(fā)展奠定了技術基礎。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基礎。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得到比較廣泛的承認；機電一體化技術和產品得到了極大發(fā)展；各國均開始對機電一體化技術和產品給以很大的關注和支持。20世紀90年代后期，開始了機電一體化技術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、通信技術等進入了機電一體化，微細加工技術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)的建模設計、分析和集成方法，機電一體化的學科體系和發(fā)展趨勢都進行了深入研究。同時，由于人工智能技術、神經網(wǎng)絡技術及光纖技術等領域取得的巨大進步，為機電一體化技術開辟了發(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和逐漸形成完整的科學體系。 我國是從20世紀80年代初才開始在這方面研究和應用。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于機電一體化技術的發(fā)展動向和由此可能帶來的影響。許多大專院校、研究機構及一些大中型企業(yè)對這一技術的發(fā)展及應用做了大量的工作，

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、控制、計算機、信息等多學科的交叉綜合，它的發(fā)展和進步依賴并促進相關技術的發(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(shù)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

17、的控制目標。即要求機電產品有一定的智能，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、神經網(wǎng)絡、灰色理論、小波理論、混沌與分岔等人工智能技術的進步與發(fā)展，為機電一體化技術發(fā)展開辟了廣闊天地。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、高速的微處理器使機電一體化產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。由于機電一體化產品種類和生產廠家繁多，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品單元是一項十分復雜但又是非常重要的事。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。這樣，可利用標準單元迅速開發(fā)出新產品，同時也可以擴大生產規(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(yè)還是對生產機電一體化產品的企業(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

19、化20世紀90年代，計算機技術等的突出成就是網(wǎng)絡技術。網(wǎng)絡技術的興起和飛速發(fā)展給科學技術、工業(yè)生產、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)絡將全球經濟、生產連成一片，企業(yè)間的競爭也將全球化。機電一體化新產品一旦研制出來，只要其功能獨到，質量可靠，很快就會暢銷全球。由于網(wǎng)絡的普及，基于網(wǎng)絡的各種遠程控制和監(jiān)視技術方興未艾，而遠程控制的終端設備本身就是機電一體化產品。現(xiàn)場總線和局域網(wǎng)技術是家用電器網(wǎng)絡化已成大勢，利用家庭網(wǎng)絡(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帶來的便利與快樂。因此，機電一體化產品無疑朝著網(wǎng)絡化方向發(fā)展。4.2.4微型化微型化是精細加工技術發(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的機電一體化產品，并向微米、納米級發(fā)展。機電一體化產品，除了機械主體部分，其它部分涉及電子技術、隨著片式元器件（SMD）的發(fā)展，表面組裝技術（SMT）正在逐漸取代傳統(tǒng)的通孔插裝技術（THT）成為電子組裝的重要手段，電子設備正朝著小型化、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。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。4.2.5系統(tǒng)化系統(tǒng)化的表現(xiàn)特征之一就是系統(tǒng)體系結構進一步采用開放式和模式化的總線結構。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