關(guān)于機(jī)電一體化技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的探討

摘 要：機(jī)電一體化在機(jī)械自動化發(fā)展當(dāng)中起著十分重要的作用，因此有必要探討其發(fā)展現(xiàn)狀及技術(shù)發(fā)展趨勢。文章基于對機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展相關(guān)理念的探討，綜合分析了機(jī)電一體化技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展趨勢，以及保障發(fā)展的策略。

關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化；技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展；趨勢；策略

1 機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展概述

機(jī)電一體化最早是由YASKAWA公司的Tetsuro Mori先生于1969年首先提出。它是機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)或機(jī)械學(xué)的前五個字母與電子學(xué)的后七個字母合并組成。機(jī)電一體化，顧名思義，就是有“機(jī)”又有“電”。“機(jī)”與“電”過去分屬機(jī)械與電子電機(jī)學(xué)科，各自獨(dú)立發(fā)展而無交集，由于產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步與需求，彼此之間的關(guān)系卻變得越來越密切，而本質(zhì)上就牽涉到機(jī)械、電機(jī)、電子、信息等不同領(lǐng)域的技術(shù)。機(jī)電一體化的演進(jìn)與發(fā)展可以分為以下幾個階段。

首先，傳統(tǒng)機(jī)電一體化階段。1970年代的機(jī)電一體化是由機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)（機(jī)械學(xué)）和電子學(xué)整合而成，以應(yīng)付自動門、自動售貨機(jī)、自動對焦照像機(jī)或攝影機(jī)等產(chǎn)品的技術(shù)需求。其次，電腦控制機(jī)電一體化階段。到了1980年代，為了少量多樣產(chǎn)品的需求、提升產(chǎn)質(zhì)量量、減少生產(chǎn)成本及降低人力需求，產(chǎn)業(yè)開始積極研發(fā)機(jī)器人、自動導(dǎo)引車、柔性制造系統(tǒng)與電腦整合制造系統(tǒng)等自動化相關(guān)技術(shù)，此時電腦扮演更扮演控制中心的重要角色，并開始引入信息技術(shù)。第三，電腦控制網(wǎng)絡(luò)機(jī)電一體化階段。到了1990年代，機(jī)電一體化大量引入有線、無線通訊、衛(wèi)星定位、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)燃夹g(shù)，重點(diǎn)在于信息系統(tǒng)的引進(jìn)。第四，多元機(jī)電一體化階段。二十一世紀(jì)的機(jī)電一體化技術(shù)就屬于多元化的專業(yè)技術(shù)了，主要包括有引入光電技術(shù)的機(jī)電光、著重于微小化的微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)（MEMS）、奈米機(jī)電技術(shù)（NEMS）以及與生物產(chǎn)業(yè)息息相關(guān)的生物機(jī)電工程等。

機(jī)電一體化是自動化產(chǎn)業(yè)發(fā)展上最主要的支撐技術(shù)。一般而言，機(jī)電一體化系統(tǒng)，可大致歸納為四部分：控制器、感測器、致動器與機(jī)構(gòu)元件。機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展可說是科技進(jìn)步的趨勢，其影響具體體現(xiàn)在如下幾個方面：通過機(jī)電一體化技術(shù)，傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)可大幅簡化；機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，可經(jīng)由電腦軟件設(shè)計變成可程序化、自動化、信息化及智能化；新的動作或性能，過去傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)無法達(dá)成，而通過機(jī)電一體化技術(shù)可有效達(dá)成，且額外的成本相當(dāng)有限，但整體價值大幅提高；通過機(jī)電技術(shù)整合，可使機(jī)構(gòu)、電機(jī)、電子及電腦軟硬件技術(shù)均發(fā)揮最佳效果，獲得更精致、功能更完整的機(jī)構(gòu)（系統(tǒng)）。

2 機(jī)電一體化技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展趨勢

首先，未來趨勢機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用將更為廣泛。小至微機(jī)電系統(tǒng)、數(shù)字光碟機(jī)，大至半導(dǎo)體制程設(shè)備、高速列車，均需通過機(jī)電一體化技術(shù)完成產(chǎn)品的開發(fā)。機(jī)電一體化之所以重要也正因?yàn)樗亲詣踊I(yè)、航太工業(yè)、與國防工業(yè)的基礎(chǔ)整合技術(shù)。這門新興技術(shù)，是先進(jìn)工業(yè)國家競相發(fā)展的領(lǐng)域信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，也帶動了PC工業(yè)控制電腦的發(fā)展，連帶著以PC-Based控制器為主導(dǎo)的自動化產(chǎn)業(yè)。在這種發(fā)展變遷過程中，機(jī)電一體化的核心，也即程序控制器技術(shù)也發(fā)生著創(chuàng)新變化。程序控制器被廣泛使用在工業(yè)自動控制領(lǐng)域，PLC已經(jīng)成為工廠自動化的控制核心。然而因?yàn)橐话鉖LC 程序撰寫是采用先繪制階梯圖再轉(zhuǎn)換為PLC指令，因此各品牌所生產(chǎn)PLC的指令不同，導(dǎo)致彼此之間程序轉(zhuǎn)換不易。另外，由于PLC指令近似于低階語言，程序開發(fā)不易且十分耗時。為了改善PLC機(jī)電一體化的缺點(diǎn)，目前逐漸探索出以PC個人電腦或IPC取代PLC，作為機(jī)電一體化機(jī)構(gòu)的控制器，并使用Visual Basic來撰寫控制程序，取代PLC的機(jī)電一體化。

其次，機(jī)電光一體化的技術(shù)發(fā)展。在進(jìn)入二十一世紀(jì)后，半導(dǎo)體微電子技術(shù)、微機(jī)電技術(shù)，以及鐳射技術(shù)的突飛猛進(jìn)，加上快速成長的影像顯示產(chǎn)業(yè)與新興生物科技產(chǎn)業(yè)的驅(qū)動，給予傳統(tǒng)的光電、機(jī)械、材料、信息、化工等工業(yè)一個新的蓬勃發(fā)展契機(jī)。一個以機(jī)電光一體化為手段來開創(chuàng)全新領(lǐng)域與目標(biāo)的新時代已經(jīng)來臨。一個典型機(jī)電光技術(shù)的涵蓋范圍包含：機(jī)構(gòu)設(shè)計、微處理器、精密致動器、光/機(jī)電感測器、人機(jī)介面、程序/反饋控制、信號處理與錯誤診斷、圖形辨識、仿生人工智慧，以及制程技術(shù)等。另外，依光學(xué)/光電元件與機(jī)電元件組合特性與互動程度的不同，機(jī)電光系統(tǒng)也可以區(qū)分為三種類型：光機(jī)整合的機(jī)電光系統(tǒng)；內(nèi)嵌光學(xué)/光電裝置的機(jī)電系統(tǒng)；嵌入機(jī)電裝置的光學(xué)系統(tǒng)。

首先是光機(jī)整合的機(jī)電光系統(tǒng)。在一個機(jī)電光系統(tǒng)中，假如光學(xué)元件或機(jī)電元件從整個系統(tǒng)被個別移開后，整個系統(tǒng)即無法運(yùn)作，這代表此機(jī)電光系統(tǒng)內(nèi)的光學(xué)元件與機(jī)電元件是具有功能性的完全整合，從而才能表現(xiàn)出整個系統(tǒng)的性能，這種光機(jī)整合的機(jī)電光系統(tǒng)產(chǎn)品有：自動對焦相機(jī)、適應(yīng)性光學(xué)反射鏡、可調(diào)頻鐳射、光/磁碟機(jī)讀取頭及光壓力感測器等。其次是內(nèi)嵌光學(xué)/光電裝置的機(jī)電系統(tǒng)。這種機(jī)電光系統(tǒng)基本為一個由機(jī)械、電機(jī)和電子元件所組成的機(jī)電一體化系統(tǒng)，內(nèi)嵌光學(xué)/光電裝置于機(jī)電系統(tǒng)內(nèi)部，主要在提高系統(tǒng)功能（如偵測與反饋控制等）；由于光學(xué)/光電裝置與機(jī)電系統(tǒng)是可分離的，所以光學(xué)/光電裝置的抽離或損壞雖會影響系統(tǒng)功能，但機(jī)電系統(tǒng)仍可獨(dú)立運(yùn)作。這種內(nèi)嵌光學(xué)裝置的機(jī)電系統(tǒng)產(chǎn)品有：洗衣機(jī)、真空吸塵器、機(jī)器監(jiān)控與控制系統(tǒng)、機(jī)器手臂/機(jī)器人、汽車引擎及馬達(dá)等。最后是內(nèi)嵌機(jī)電裝置的光學(xué)系統(tǒng)。這種機(jī)電光系統(tǒng)基本上為一個光學(xué)系統(tǒng)，只是在系統(tǒng)內(nèi)部嵌入了機(jī)械、電子元件（機(jī)電裝置），以增加其操作方便性或自動調(diào)整的功能（最常見的如聚焦與對位），沒有這些機(jī)電裝置，該系統(tǒng)仍得以手動的操作方式來執(zhí)行。這種內(nèi)嵌機(jī)電裝置的光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)品有：傳統(tǒng)相機(jī)、光學(xué)投影機(jī)、檢電流計、光開關(guān)及光纖波導(dǎo)對位模塊等。

3 機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展保障

我國以PC-Based工控器為主導(dǎo)的機(jī)電一體化產(chǎn)業(yè)，在發(fā)展方面雖然具備了一些競爭優(yōu)勢，然而仍有相當(dāng)多的地方需要政產(chǎn)學(xué)研共同努力，把握這一波自動化產(chǎn)業(yè)發(fā)展的契機(jī)?？蓮娜缦乱恍┓矫骈_展相應(yīng)的機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展策略：有步驟的讓政府決策高層體認(rèn)“機(jī)電一體化”技術(shù)發(fā)展的重要性；加強(qiáng)培育以工控電腦為基礎(chǔ)的自動化系統(tǒng)整合人才；發(fā)展以自動化制造與機(jī)電系統(tǒng)為對象的電力電子關(guān)鍵技術(shù)，加強(qiáng)以電機(jī)控制為基礎(chǔ)，以機(jī)電系統(tǒng)為導(dǎo)向的整合研究；推動學(xué)術(shù)界理論與實(shí)務(wù)并重的研究氣氛；積極推動國家科技部與經(jīng)濟(jì)主管部門主導(dǎo)的“產(chǎn)學(xué)研合作”；機(jī)電產(chǎn)業(yè)應(yīng)更積極的走入校園延攬人才與尋求合作；建立下世紀(jì)機(jī)電產(chǎn)業(yè)高科技研究的產(chǎn)業(yè)形象。

另外，由于機(jī)電光技術(shù)至今仍屬于新興整合型的研究領(lǐng)域，國內(nèi)外目前為止仍較少專門著重于此領(lǐng)域的研發(fā)。人才短缺是發(fā)展“機(jī)電光一體化系統(tǒng)”最重要的問題所在，因此，有必要在國內(nèi)各高等院校開設(shè)機(jī)電光研究所或機(jī)電光學(xué)程，以推動“機(jī)電光工程教育”，從而能替我國培育更多具有機(jī)電光一體化技術(shù)的人才。機(jī)電光學(xué)程應(yīng)可結(jié)合理、工、電學(xué)院的師資來讓更多的非光電與非機(jī)電光的大學(xué)或研究所學(xué)生，接受機(jī)電光業(yè)余專長人才的相關(guān)培訓(xùn)，從而可迅速補(bǔ)足上述的人力缺口需求，并讓不同學(xué)科間有更為密切的交流、整合與互動。

參考文獻(xiàn)

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