機電一體化技術(shù)的發(fā)展歷程和趨勢

姒柏昌　魯月琴

摘要：本文分析了機電一體化技術(shù)的發(fā)展歷程，提出了未來的發(fā)展趨勢，供大家參考。

關(guān)鍵詞：機電一體化 發(fā)展現(xiàn)狀 發(fā)展趨勢

0 引言

現(xiàn)代科學技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動了不同學科的交叉與滲透，導致了工程領(lǐng)域的技術(shù)革命與改造。在機械工程領(lǐng)域，由于微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展及其向機械工業(yè)的滲透所形成的機電一體化，使機械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產(chǎn)由“機械電氣化”邁人了“機電一體化”為特征的發(fā)展階段。

1 機電一體化技術(shù)的發(fā)展歷程

“機電一體化”這個詞是日本安川電機公司在上世紀60年代末作商業(yè)注冊時最先創(chuàng)用的。當時及70年代，人們一直把機電一體化看作是機械與電子的結(jié)合。國內(nèi)早期將“機電一體化技術(shù)”與“機械電子學”并用，近年來“機電一體化”更流行使用。80年代，信息技術(shù)嶄露頭角。微機的性能提高，為更高級的機電一體化產(chǎn)品所采用，典型的機電一體化產(chǎn)品如數(shù)控機床、工業(yè)機器人和汽車的電子控制系統(tǒng)等。微機作為關(guān)鍵技術(shù)引人了飛行器系統(tǒng)后，使機械一電子系統(tǒng)在高度控制、排氣控制、振動控制和保險氣袋等方面獲得廣泛應用。

信息技術(shù)驅(qū)使機械系統(tǒng)在不同程度上利用數(shù)據(jù)庫，連洗衣機和其他消費品也用上了數(shù)據(jù)庫驅(qū)動系統(tǒng)。這樣，對機電一體化的系統(tǒng)設計方法的探索、成型和系統(tǒng)集成以及并行工程設計和控制的實施日顯重要。此外，光學也進人了機電一體化，產(chǎn)生了“光機電一體化”的新領(lǐng)域。進人90年代，通信技術(shù)進人了機電一體化，機器可像機器人系統(tǒng)那樣遙控和虛擬現(xiàn)實。有些機電一體化機械可兩用，有的在性能上更是多用途的，尤其是微傳感器和執(zhí)行器技術(shù)的發(fā)展，和半導體技術(shù)以光刻為基礎(chǔ)的方法以及和傳統(tǒng)機電一體化微型化方法的結(jié)合，開創(chuàng)了以精密工程和系統(tǒng)集成為特點的機電一體化新分支“微機電一體化”。雖然微加工方法尚未成熟，但將逐漸成為集成控制系統(tǒng)的一個組成部分。之后，機電一體化隨著自動化技術(shù)的發(fā)展而日益發(fā)展，穩(wěn)步進入了21世紀。

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(guān)技術(shù)的發(fā)展和進步?？v觀國內(nèi)外機電一體化的發(fā)展現(xiàn)狀和高新技術(shù)的發(fā)展動向，未來機電一體化將朝著綠色化、智能化、網(wǎng)絡化、微型化、模塊化等多方向發(fā)展。

2.1 綠色化 工業(yè)的發(fā)達給人們生活帶來了巨大變化：一方面物質(zhì)豐富，生活舒適；另一方面資源減少，生態(tài)環(huán)境受到嚴重污染。于是人們呼吁保護環(huán)境資源，回歸自然。綠色產(chǎn)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(chǎn)品在其設計、制造、使用和銷毀的生命過程中，符合特定的環(huán)境保護和人類健康的要求，對生態(tài)環(huán)境無害或危害極少，資源利用率極高。機電一體化產(chǎn)品的綠色化主要是指使用時不污染生態(tài)環(huán)境，報廢后能回收利用。工業(yè)的發(fā)展使得資源減少，生態(tài)環(huán)境受到嚴重污染。綠色化成了時代的趨勢，產(chǎn)品的綠色化更成了適應未來發(fā)展的一大特色。

如果我們把機械產(chǎn)品和制造機械產(chǎn)品的機械裝置統(tǒng)稱為機械系統(tǒng)，則機電一體化技術(shù)的功能可歸結(jié)為：提高機械系統(tǒng)的性能，完成傳統(tǒng)機械系統(tǒng)不能完成的功能；提高機械系統(tǒng)的智能化程度，使人在更舒適的環(huán)境中工作；提高機械系統(tǒng)的可回收性；降低機械系統(tǒng)的原材料消耗；降低機械系統(tǒng)的能耗；降低機械系統(tǒng)對環(huán)境的污染，可以看出其中至少有3條是和環(huán)境保護有關(guān)的。因此，進入21世紀，機電一體化技術(shù)的使命是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械產(chǎn)品，即提供一種能滿足持續(xù)性發(fā)展的綠色產(chǎn)品。

2.2 智能化 智能化是21世紀機電一體化技術(shù)發(fā)展的一個重要發(fā)展方向。人工智能系統(tǒng)是一個知識處理系統(tǒng)，它包括知識表示、知識利用和知識獲取三個基本問題，其最終目標是模擬人的問題求解、推理、學習。人工智能在機電一體化建設中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。“智能化”是對機器行為的描述，是在控制理論的基礎(chǔ)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，模擬人類的智能，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。目前，專家系統(tǒng)、模糊系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡以及遺傳算法是機電一體化產(chǎn)品(系統(tǒng))實現(xiàn)智能化的四種主要技術(shù)，它們各自獨立發(fā)展又彼此相互滲透。隨著制造自動化程度的不斷提高，將會出現(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，并會對制造中出現(xiàn)的問題進行分析、判斷、推理、構(gòu)思和決策。

2.3 網(wǎng)絡化 20世紀90年代，汁算機技術(shù)的突出成就是網(wǎng)絡技術(shù)。網(wǎng)絡技術(shù)的興起和飛速發(fā)展給科學技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)、政治、軍事、教育及人們的日常生活都帶來了巨大的變革，同樣也給機電一體化技術(shù)帶來了重大影響，例如通過網(wǎng)絡對機電一體化設備進行遠程控制。各種剛絡將全球經(jīng)濟、生產(chǎn)連成一片，企業(yè)的競爭也將全球化。機電一體化新產(chǎn)品一旦研制出來，只要其功能獨到、質(zhì)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(shù)方興未艾，而遠程控制的終端設備本身就是機電一體化產(chǎn)品。現(xiàn)場總線和局域網(wǎng)技術(shù)使家用電器網(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)(Computer integrated appliancesystem，CIAS) ，使人們在家里分享各種高技術(shù)帶來的便利與快樂。此機電一體化產(chǎn)品無疑朝著網(wǎng)絡化方向發(fā)展。

2.4 微型化 微型化興起于20世紀80年代末，是機電一體化向微型機器和微觀領(lǐng)域發(fā)展的趨勢。近十余年來，微機電系統(tǒng)(Micro Electro Mechanic System，MEMS)[sj，作為機電一體化技術(shù)的新尖端分支而倍受重視，它泛指幾何尺寸不超過1cm的機電一體化產(chǎn)品，并向微米、納米級發(fā)展。微機電系統(tǒng)高度融合了微機械技術(shù)、微電子技術(shù)和軟件技術(shù)，發(fā)展難點在于微機械并不是簡單地將大尺寸的機械按比例縮小，由于結(jié)構(gòu)的微型化，在材料、機構(gòu)設計、摩擦特性、加工方法、測試與定位及驅(qū)動方式等方面部產(chǎn)生了一些特殊問題。微機電一體化產(chǎn)品體積小、耗能少、運動靈活，可進入一般機械無法進入的空問，并易于進行精細操作，因此在生物醫(yī)療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優(yōu)勢。因此在生物醫(yī)學、航空航天、信息技術(shù)、工農(nóng)業(yè)乃至防等領(lǐng)域，都有廣闊的應用前景。目前，利用半導體器件制造過程中的蝕刻技術(shù)，在實驗室中已制造出亞微米級的機械元件。

2.5 模塊化 機電一體化產(chǎn)品和技術(shù)可分為機械、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)品問的零部件通用化程度，提高產(chǎn)品的可裝配性、可維修性和可擴展性等。融合機械、電子和軟件三大部分的機電一體化模塊代表了未來產(chǎn)品的發(fā)展方向，具有高度自主性、良好協(xié)調(diào)性和自組織性的特點。總之，模塊化設計與制造是機電一體化系統(tǒng)的基本方法和發(fā)展趨勢。隨著微處理器性能價格比的迅速提高和微機械電子(MEMS)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種機電一體化模塊將越來越多地出現(xiàn)在市場上。利用這些模塊，可以迅速方便地設計和制造出各種新的機電一體化產(chǎn)品。

3 結(jié)束語

綜上所述，機電一體化的出現(xiàn)不是孤立的，它是許多科學技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶，是社會生產(chǎn)力發(fā)展到一定階段的必然要求。當然，與機電一體化相關(guān)的技術(shù)還有很多，并且隨著科學技術(shù)的發(fā)展，各種技術(shù)相互融合的趨勢將越來越明顯，機電一體化技術(shù)的廣闊發(fā)展前景也將越來越光明。