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1、机电一体化技术现状与发展趋势摘要：机电一体化是机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉融合,它的发展和进步依赖于也促进相关技术的发展和进步。本文介绍了国内外机电一体化的发展现状,分析了机电一体化的发展趋势。关键词：机电一体化；发展现状；发展趋势 目录引言.1.机电一体化概要 .2.机电一体化的产生与应用.3.国内机电一体化发展现状.4. 国外机电一体化发展现状.5.机电一体化的发展趋势. 5.1人性化趋势. 5.2数字化趋势. 5.3智能化趋势. 5.4模块化趋势. 5.5网络化趋势. 5.6微型化趋势. 5.7绿色化趋势. 5.8系统化趋势. 5.9集成化趋势. 5.10带源化趋势
2、. 5.11光机电一体化.趋势. 5.12自律分配系统化柔性化.趋势. 5.13生物一软件”化仿生物系统化趋势.结论.参考文献.引 言 机电一体化技术机电一体化的概要机电一体化是指在机构的主体功能、动力功能、信息处理功能、控制功能上引进电子技术，将机械装置与电子化设计及软件结合起来构成系统的总称。机电一体化发展至今已成为一门有着自身体系的新型学科，并将随着科学技术的发展，被赋予新的内容；但其基本特征可概括为：机电一体化是从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术、软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标
3、和优化组织目标，合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值，并使整个系统最优化的系统工程技术。由此而产生的功能系统，则成为一个机电一体化系统或机电一体化产品。因此，机电一体化涵盖技术和产品两个方面。只是，机电一体化技术是基于上述群体技术有机融合的综合技术，而不是机械技术、微电子技术、其它新技术的简单组合拼凑。这是机电一体化与机械加电气的机械电气化在概念上的根本区别。机械工程技术由纯技术发展到机械电气化，仍属传统机械，其主要功能依然是代替和放大的体现。但是发展到机电一体化后，其中的微电子装置除可取代某些机械部件的原有功能外，还能赋予许多新的功能，例如自动
4、检测、自动处理信息、自动显示记录、自动调节与控制、自动诊断与保护等。1、机电一体化概要 机电一体化是指在机构得主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术，将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。机电一体化发展至今也已成为一门有着自身体系的新型学科，随着科学技术的不但发展，还将被赋予新的内容。但其基本特征可概括为：机电一体化是从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标和优化组织目标，合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性
5、、低能耗的意义上实现特定功能价值，并使整个系统最优化的系统工程技术。由此而产生的功能系统，则成为一个机电一体化系统或机电一体化产品。因此，“机电一体化”涵盖“技术”和“产品”两个方面。只是，机电一体化技术是基于上述群体技术有机融合的一种综合技术，而不是机械技术、微电子技术以及其它新技术的简单组合、拼凑。这是机电一体化与机械加电气所形成的机械电气化在概念上的根本区别。机械工程技术有纯技术发展到机械电气化，仍属传统机械，其主要功能依然是代替和放大的体力。但是发展到机电一体化后，其中的微电子装置除可取代某些机械部件的原有功能外，还能赋予许多新的功能，如自动检测、自动处理信息、自动显示记录、自动调节与
6、控制自动诊断与保护等。即机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸，还是人的感官与头脑的眼神，具有智能化的特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质区别。2、机电一体化的产生与应用 20世纪60年代以来，人们利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能后，刺激了机械产品与电子技术的结合。计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展更进一步奠定了技术基础。20世纪80年代末期，机电一体化技术和产品得到了极大发展。各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持，20世纪90年代后期，开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段，机电一体化进入了深入发展时期。光学、通信技术等进入了机电一
7、体化，微细加工技术也在机电一体化中展露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支。我国从20世纪80年代开始开展机电一体化研究和应用。取得了一定成果，它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。机电一体化已成为一门有着自身体系的新型学科，随着科学技术的不断发展，还将被赋予新的内容。 3、国内机电一体化发展现状 我国从20世纪80年代初开始进行机电一体化的研究和应用，国务院成立了机电一体化领导小组并将为“863计划”。在制定“九五”规划和2010年发展纲要时充分考虑了国际上关于机电一体化技术的发展动向和由此可能带来的影响，许多大专院校、研究机构及一些大中型企业对这一技术的发展及应用做了大量
8、的工作。虽然目前国内机电一体化技术与日本、欧美等先进国家相比仍有一定差距6，但随着新技术革命的迅猛发展，我国加大了机电一体化技术的研究力度，并将其确定为国家高技术重点研究领域，给予优先支持，并取得了一定的成绩。 （1）数控技术方面。我国数控技术起步于1958年，在“九五”末期, 国产数控机床的国内市场占有率达50%, 配国产数控系统(普及型)也达到了10%。纵观我国数控技术近50年的发展历程, 特别是经过4个5年计划的攻关, 总体来看取得了很好成绩。目前, 已具有年产数控系统3000多套、主轴与进给装置5000多套的生产能力。近十年来, 普通级数控机床的加工精度已由10m 提高到5m, 精密级
9、加工中心则从35m, 提高到11.5m, 并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01m)7。 （2）工业机器人方面。我国1986年将机器人的研究开发列入国家科技计划, 现已掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统和软件编程技术、运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人的关键元器件,并进入实用化阶段，开发出弧焊、点焊、喷漆、装配、搬运、注塑、冲压及能前后行走、爬墙、水下作业的多种机器人8。目前，国内相关科研机构和企业已掌握了工业机器人操作机的优化制造技术，解决了工业机器人控制、驱动系统的设计技术，机器人软件的设计和编程等关键技术，还掌握弧焊、点焊及大型机器人自动生产线（工作站）与周边配套设备的
10、开发和制备技术。现在，我国从事机器人研发的单位有200多家，专门从事机器人产业开发的企业有50家以上，中国市场上总共拥有近万台工业机器人，其中完全国产的工业机器人（行业内规模比较大的前三家工业机器人企业）行业集中度占30%左右。 （3）计算机集成制造系统方面。我国经过多年的理论和技术准备,CIMS已经有了较快发展。目前,已在清华大学建成国家CIMS工程研究中心,在著名高校和研究单位建立了7个CIMS单元技术实验室和8个CIMS培训中心9。2000年,全国已有20多个省市、10多个行业、200多家不同规模和类型的企业通过实施CIMS应用示范工程, 取得了巨大的经济效益。当前, CIMS的进一步试
11、点推广应用已经扩展到机械、电子、航空、航天、轻工、纺织、冶金、石油化工等诸多领域, 正得到各行各业越来越多的关注和投入。4、国外机电一体化发展现状 机电一体化的发展大体可以分为三个阶段。第一阶段（又称初级阶段）是20世纪60年代以前，这一时期人们不自觉地利用电子技术并使之得到比较广泛的承认。第二阶段，机电一体化技术和产品得到了极大发展。第三阶段，各国均开始极大关注和支持机电一体化技术和产品。 1989年在日本东京召开的第一届国际先进机电一体化学术会议，是机电一体化向纵深发展的标志，各国政府也开始有计划地推动和发展机电一体化技术和产品5。目前，日本和美国在机电一体化产品开发和应用方面处于世界领先
12、地位。美国商务部曾发表过一份关于日本机电一体化的研究报告，对日美两国机电一体化技术的基础研究、超前开发与形成产品等三方面进行了比较，结论是除机器视觉与软件外，日本的基础研究与美国是可以比拟的。当前，他们都将智能传感器、计算机芯片制造技术、具有触觉和人机对话功能的人工智能工业机器人、柔性制造系统等列为高技术领域的重大研究课题，并投入大量资金支持发展相关技术。 20世纪90年代后期，机电一体化进入了深入发展时期。光学、通信技术、微细加工技术等进入了机电一体化，出现了光机电一体化和微机电一体化的新分支。同时对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，以及学科体系和发展趋势都进行了深入研究。人工智能技
13、术、神经网络技术及光纤技术也为机电一体化技术开辟了广阔的发展天地。因此，机电一体化产品得以迅猛发展，主要表现在以下4个方面5:（1） 机电一体化产品几乎遍及所有制造业领域。在工业发达国家，数控机床占机床总数的30%40%。工业机器人正向智能化和智能系统的方向发展，数量在未来十年将以25%30%的速度增长。智能机器人将逐步进入办公、管理、娱乐、家庭等各个领域。（2） 机电一体化从单机向整个制造业的集成化过渡。计算机集成制造系统(CIMS) 是当今世界制造业发展的总趋势, 它打破原有部门之间的界线以制造为基干来控制“物流”和“信息流”, 实现从经营决策、产品开发、生产准备、生产实验到生产经营管理的
14、有机结合。CIMS的实现是全局动态的最优综合。（3） 激光技术进入机电一体化领域。光机电一体化是激光技术与机械、电子技术相结合, 不仅大大扩展了机电一体化的应用领域, 而且使一些行业出现重大变革，是当今信息业与制造业的最佳结合点。（4） 微细加工技术与设备发展迅猛。微电子技术及其产业的高速发展, 带动了大量高新技术的兴起, 微细加工技术和装备不仅支持了电子产业的发展, 而且对微机械的诞生和发展也起了决定性的作用。5.机电一体化的发展趋势5.1人性化趋势机电一体化产品的最终使用对象是人，如何给机电一体化产品赋予人的智能、情感和人性显得愈来愈重要，机电一体化产品除了完善的性能外，还要求在色彩、造型
15、等方面与环境相协调，使用这些产品，对人来说还是一种艺术享受，如家用机器人的最高境界就是人机一体化。5.2数字化趋势微控制器及其发展奠定了机电产品数字化的基础，如不断发展的数控机床和机器人；而计算机网络的迅速崛起，为数字化设计与制造铺平了道路，如虚拟设计、计算机集成制造等。数字化要求机电一体化产品的软件具有高可靠性、易操作性、可维护性、自诊断能力以及友好人机界面。数字化的实现将便于远程操作、诊断和修复。5.3智能化趋势智能化是21世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向。人工智能在机电一体化建设者的研究日益得到重视，机器人与数控机床的智能化就是重要应用。这里所说的“智能化”是对机器行为的描述，是
16、在控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法，模拟人类智能，使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力，以求得到更高的控制目标。机电一体化产品不可能具有与人完全相同的智能。但是，高性能、高速的微处理器使机电一体化产品赋有低级智能或人的部分智能。5.4模块化趋势模块化是一项重要而艰巨的工程。由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元是一项十分复杂但又是非常重要的事。如研制集减速、智能调速、电机于一体的动力单元，具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的控制单元，以及各
17、种能完成典型操作的机械装置。这样可利用标准单元迅速开发出新产品，也可以扩大生产规模，制定各项标准，以便各部件、单元的匹配和接口。从电气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定，无论是对生产标准机电一体化单元的企业还是对生产机电一体化产品的企业，规模化将给机电一体化企业带来美好的前程。 5.5网络化趋势 20世纪90年代, 计算机技术的突出成就是网络技术。网络技术的兴起和飞速发展给科学技术、工业生产、政治、军事、教育等人们日常生活都带来了巨大的变革，同样也给机电一体化技术带来了重大影响，例如通过网络对机电一体化设备进行远程控制。各种网络将全球经济、生产连成一片, 企业间的竞争也将全球化。机电一体化
18、新产品一旦研制出来, 只要其功能独到, 质量可靠,很快就会畅销全球。由于网络的普及, 基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾, 而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。现场总线和局域网技术是家用电器网络化已成大势, 利用家庭网络(homenet) 将各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电系统(computer integrated appliancesystem, CIAS), 使人们在家里分享各种高技术带来的便利与快乐。因此机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。5.6微型化趋势 微型化兴起于20世纪80年代末,是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。近十余年来，微机电系统
19、（Micro Electro Mechanic System, MEMS）5,作为机电一体化技术的新尖端分支而倍受重视,泛指几何尺寸不超过1cm3的机电一体化产品, 并向微米、纳米级发展。微机电系统高度融合了微机械技术、微电子技术和软件技术，发展难点在于微机械并不是简单地将大尺寸的机械按比例缩小，由于结构的微型化，在材料、机构设计、摩擦特性、加工方法、测试与定位及驱动方式等方面都产生了一些特殊问题。 微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活, 可进入一般机械无法进入的空间，并易于进行精细操作，因此在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。因此在生物医学、航空航天、信息技术、工农业乃至国防
20、等领域，都有广阔的应用前景。目前，利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术，在实验室中已制造出亚微米级的机械元件。5.7绿色化趋势 工业的发达给人们生活带来了巨大变化。一方面,物质丰富,生活舒适;另一方面,资源减少,生态环境受到严重污染。于是,人们呼吁保护环境资源, 回归自然。绿色产品概念在这种呼声下应运而生,绿色化是时代的趋势。绿色产品在其设计、制造、使用和销毁的生命过程中,符合特定的环境保护和人类健康的要求,对生态环境无害或危害极少,资源利用率极高。机电一体化产品的绿色化主要是指使用时不污染生态环境,报废后能回收利用6。工业的发展使得资源减少，生态环境受到严重污染。绿色化成了时代的趋势，产品的绿
21、色化更成了适应未来发展的一大特色。 如果我们把机械产品和制造机械产品的机械装置统称为机械系统，则机电一体化技术的功能可归结为：提高机械系统的性能，完成传统机械系统不能完成的功能；提高机械系统的智能化程度，使人在更舒适的环境中工作；提高机械系统的可回收性；降低机械系统的原材料消耗；降低机械系统的能耗；降低机械系统对环境的污染，可以看出其中至少有3条是和环境保护有关的。因而，进入21世纪，机电一体化技术的使命是要能提供一种高性能、高原料利用率、低能耗、低污染、环境舒适和可回收的智能化机械产品，即提供一种能满足可持续性发展的绿色产品。5.8系统化趋势系统化的表现特征之一就是系统体系结构进一步采用开放
22、式和模式化的总线结构。系统可以灵活组态，进行任意剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。表现之二是通信功能的大大加强，一般除RS232外，还有RS485、DCS人格化。未来的机电一体化更加注重产品与人的关系，机电一体化的人格化有两层含义。一层是，机电一体化产品的最终使用对象是人，如何赋予机电一体化产品人的智能、情感、人性显得越来越重要，特别是对家用机器人，其高层境界就是人机一体化。另一层是模仿生物机理，研制各种机电一体花产品。事实上，许多机电一体化产品都是受动物的启发研制出来的。5.9集成化趋势集成化既包含各种技术的相互渗透、相互融合和各种产品不同结构的优化与复合，又包含在生产过程
23、中同时处理加工、装配、检测、管理等多种工序。为了实现多品种、小批量生产的自动化与高效率，应使系统具有更广泛的柔性。首先可将系统分解为若干层次，使系统功能分散，并使各部分协调而又安全地运转，然后再通过软、硬件将各个层次有机地联系起来，使其性能最优、功能最强。5.10带源化趋势是指机电一体化产品自身带有能源，如太阳能电池、燃料电池和大容量电池。由于在许多场合无法使用电能，因而对于运动的机电一体化产品，自带动力源具有独特的好处。带源化是机电一体化产品的发展方向之一。5.11光机电一体化.趋势 一般的机电一体化系统是由传感系统、能源系统、信息处理系统、机械结构等部件组成的.因此,引进光学技术,实现光学
24、技术的先天优点是能有效地改进机电一体化系统的传感系统、能源(动力)系统和信息处理系统.光机电一体化是机电产品发展的重要趋向.5.12自律分配系统化柔性化.趋势 未来的机电一体化产品,控制和执行系统有足够的“冗余度”，有较强的“柔性”，能较好地应付突发事件，被设计成“自律分配系统”。在自律分配系统中，各个子系统是相互独立工作的，子系统为总系统服务，同时具有本身的“自律性”，可根据不同的环境条件作出不同反应。其特征是子系统可产生本身的信息并附加所给信息，在总的前提下，具体“行动”是可以改变的。这样，既明显地增加了系统的适应能力(柔性)，又不因某一子系统的故障而影响整个系统。5.13生物一软件”化仿
25、生物系统化趋势今后的机电一体化装置对信息的依靠性很大，并且往往在结构上是处于“静态”时不稳定，但在动态(工作)时却是稳定的。这有点类似于活的生物摘要：当控制系统(大脑)停止工作时，生物便“死亡”，而当控制系统(大脑)工作时，生物就很有活力。仿生学探究领域中已发现的一些生物体优良的机构可为机电一体化产品提供新型机体，但如何使这些新型机体具有活的“生命”还有待于深入探究。这一探究领域称为“生物软件”或“生物系统”，而生物的特征是硬 件(肌体)软件(大脑)一体，不可分割。看来，机电一体化产品虽然有向生物系统化发展趋，但有一段漫长的道路要走。结 论综上所述，机电一体化的出现不是孤立的，它是许多科学技术
26、发展的结晶，是社会生产力发展到一定阶段的必然要求。当然，与机电一体化相关的技术还有很多，并且随着科学技术的发展，各种技术相互融合的趋势将越来越明显，机电一体化技术的广阔发展前景也将越来越光明。参考文献【1】李建勇机电一体化技术 北京：科学出版社，2004【2】张杨林.机电一体化技术进展及发展趋势J.机械制造, 2005,6(43):22- 24.【3】殷际英.光机电一体化实用技术M.北京：化学工业出版，2003. 【4】高钟毓机电控制工程北京：清华大学出版社，2002【5】杨明,路琴.机电一体化的研究现状与发展趋势J.农机化研究,2006(8):38- 40.【6】李运华机电控制 北京：北京航空航天大学出版社，2003【7】万遇良.二十一世纪的机电一体化技术J.机电信息，2005，（10）.【8】张建民. 国内外机电一体化发展概况 J;机电一体化; 1996年05期; 25-27【9】芮延年.机电一体化系统设计M.北京：机械工业出版，2004.【10】杨春光.我国机电一体化技术的现状和发展趋势J.科技促进发展，2007，3（28）：6-8