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机电一体化

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作者： 来源： 发布时间：2018/2/11 16:12:47  点击数：1054

一、绪论
现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。自电子技术一问世,电子技术与机械技术的结合就开始了,只是出现了半导体集成电路,尤其是出现了以微处理器为代表的大规模集成电路以后,"机电一体化"技术之后有了明显进展,引起了人们的广泛注意.
二、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、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。
三、机电一体化的发展状况
机电一体化的发展大体可以分为3个阶段。20世纪60年代以前为第一阶段，这一阶段称为初级阶段。在这一时期，人们自觉不自觉地利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。特别是在第二次世界大战期间，战争刺激了机械产品与电子技术的结合，这些机电结合的军用技术，战后转为民用，对战后经济的恢复起了积极的作用。那时研制和开发从总体上看还处于自发状态。由于当时电子技术的发展尚未达到一定水平，机械技术与电子技术的结合还不可能广泛和深入发展，已经开发的产品也无法大量推广。
20世纪70~80年代为第二阶段，可称为蓬勃发展阶段。这一时期，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奠定了技术基础。大规模、超大规模集成电路和微型计算机的迅猛发展，为机电一体化的发展提供了充分的物质基础。这个时期的特点是：①mechatronics一词首先在日本被普遍接受，大约到20世纪80年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认；②机电一体化技术和产品得到了极大发展；③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，机电一体化进入深入发展时期。一方面，光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支；另一方面对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。同时，由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。这些研究，将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。
我国是从20世纪80年代初才开始在这方面研究和应用。国务院成立了机电一体化领导小组并将该技术列为“863计划”中。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的工作，不取得了一定成果，但与日本等先进国家相比仍有相当差距。
四、机电一体化的发展趋势
机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合，它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。因此，机电一体化的主要发展方向如下：
1、智能化
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。诚然，使机电一体化产品具有与人完全相同的智能，是不可能的，也是不必要的。但是，高性能、高速的微处理器使机电一体化产品赋有低级智能或人的部分智能，则是完全可能而又必要的。
2、模块化
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，同时也可以扩大生产规模。这需要制定各项标准，以便各部件、单元的匹配和接口。由于利益冲突，近期很难制定国际或国内这方面的标准，但可以通过组建一些大企业逐渐形成。显然，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。
3、网络化
20世纪90年代，计算机技术等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、教育义举人么日常生活都带来了巨大的变革。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(home net)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 appliance system, 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。
4、微型化
微型化兴起于20世纪80年代末，指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。国外称其为微电子机械系统（mems），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。微机电一体化产品体积小 、耗能少、运动灵活，在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。微机电一体化发展的瓶颈在于微机械技术，微机电一体化产品的加工采用精细加工技术，即超精密技术，它包括光刻技术和蚀刻技术两类。
5、绿色化
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。设计绿色的机电一体化产品，具有远大的发展前途。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、系统化
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。
五、我国的现状与前景
用信息化带动工业化是我国21世纪的一项重大战略举措。信息化是由计算机与互联网生产工具的革命所引起的工业经济转向信息经济的一种社会经济过程。它包括信息技术的产业化、传统产业的信息化、基础设施的信息化、生活方式的信息化等内容：在信息化和工业化的关系问题上，有两种极端的观点。
一种观点认为：我国的工业化水平很低，离开了工业基础谈信息跨越只能是空中楼阁，信息化这种新经济现象是发达国家的事；我国工业化的任务尚未完成，我们必须坚守传统产业，把注意力放在工业化上；我国在信息技术的开发领域和应用领域与发达国家都存在巨大差距，过分强调信息化，必然会产生泡沫经济；面对巨大的“信息鸿沟”谈“赶超”和“跨越”是不现实的，对新兴的信息产业只能慢步走。我们把这种观点称作“坚守——慢步论”，即坚守传统产业，慢步信息产业。
另一种观点认为：信息化与工业化没有必然联系。我们必须紧跟时代步伐，放弃夕阳工业，大力发展信息产业这种朝阳产业。这种观点是“放弃——跨越论”，即放弃传统产业，在信息产业领域实现全方位的跨越。“放弃——跨越论”者关注的是西方国家在工业化过程中实行的放弃转移型战略。
20世纪50年代 (以下均指20世纪)美国将钢铁、纺织等传统产业向日本、西德等国家转移，集中力量发展半导体、通讯、电子计算机等新兴技术密集型产业：60、70年代日本、西德等国家转向集成电路、精密机械、精细化工、家用电器、汽车等技术密集型产业，新兴工业化国家和地区获得了扩大劳动密集型产品出口的良机；80年代以后，出现了美国、日本和欧洲发达国家发展知识密集型产业，新兴工业化国家和地区发展技术密集型产业，劳动密集型和一般技术密集型产业转向发展中国家的景象：笔者认为：“坚守——慢步论”的片面性在于忽视了我国信息技术的后发优势和跨越式发展的可能性：而“放弃——跨越论”则过分强调新兴产业，忽视了传统产业的作用：笔者的观点是：我国要把发达国家近200年内完成的实现工业化进而进入信息化社会的过程．压缩到今后几十年内完成，必须发挥后发优势，实现跨越式发展。在用信息化带动工业化的过程中，要处理好新兴产业与传统产业的关系，坚持以信息技术对传统产业的应用为主导；处理好教育与经济的关系，坚持教育先行，用“头脑”信息化带动社会经济的信息化；处理好现代化的大都市与落后的广大农村的关系，坚持局部突破，都市跨越，整体追赶，率先把大都市建成信息化的发动机。我们把这一战略概括为“应用主导、教育先行、局部突破、都市跨越”。
“坚守传统产业，慢步或停步信息产业”的观点是不可取的。一方面，我们要看到，我国同发达国家乃至发展中国家的差距。全球信息技术产业2000年度生产总值约为1．2万亿美元，美国信息技术产业2000年产值达到8220亿美元。我国信息产业2000年销售收入5800亿元人民币(按现行汇率约合700亿美元)。我国软件产业销售额占世界软件市场的份额不到1％，而印度的同一比率超过了16％。经济学家胡鞍钢计算我国与发达国家之间的发展差距，突出表现在两个方面：一是经济发展的差距。目前，按实际购买力评价计算，我国与西方7国相差5.6~8．12倍，到2015年可能缩小为3~5倍。二是知识与信息差距。我国与西方 7国相比，1997年计算机人均拥有量相差32~90倍，互联网普及宰相差143~1761倍。另一方面，看到差距的同时，我们要正确认识我国的后发优势，探讨实现信息领域的跨越式发展的可能性。我国实现信息技术和信息产业跨越式发展具有以下条件：
(1)后发成本优势。我国能够通过贸易、投资和技术转让，超越一些历史发展阶段，直接学习和利用发达国家已有经验和技术，享受“后发优势”。作为后来者，我们不需要花费巨资来从事研究与开发，大大减少开发过程的风险成本，可以把节约下来的大量资源用于其他经济活动，促进经济更快的发展。网络技术为后来者开辟子“新大陆”并大大降低了后继者的进入成本。可以利用先行者的知识和经验，这些知识和经验对后来者来说，重要性不亚于对科学技术的引进和利用。此外，国际贸易不仅使后来者扩大了销售市场，促进了国内生产规模的扩大和生产效率的提高，而且还能引进国外的先进技术、资金和科学的管理方法。后发者在劳动力成本上具有比较优势，可以吸引先行者的资本和技术，从而有利于克服要素“瓶颈”。
(2)后来者没有结构惯性。发达国家的产业结构体系完整而且联系密切，具有强大的惯性，进行结构调整，成本过大。我们可以在新的起点上，用全新的方式和更短的时间，实现具有现代意义的建立在信息化基础上的工业化。
(3)信息产业容易跨越。信息产业历史不长，具有技术密集和劳动密集的双重属性。互联网的历史更短，我国与西方国家在此领域的差距不大，至多落后10至15年。近些年来，世界经济的年均增长率在3%左右，而信息技术及相关产业的增长速度是经济增长速度的2至3倍。“九五”期间，我国信息产业增长速度是总的国民经济增长速度的3倍。
(4)信息市场潜力大。我国消费信息产品和服务市场增长迅速，潜力巨大。到了2000年，全国信息产业市场规模超过1．4万亿元，比90年代初扩大了8倍。我国彩电、微型计算机、移动手机、集成电路等主要电子产品的产业规模日渐壮大。我国的有线电视用户达1亿户，电视网络已成为世界第一，固定电话网络规模已居世界第二位，这也会有利于吸引跨国公司和国际资本进入，从根本上提升相关产业的素质。
(5)信息设施有较好的基础。在过去的5年中，全国通信投资累计达到8000亿元。目前我国通信网已拥有光纤、数字微波、卫星、程控交换、移动通信、互联网等多种技术手段，长途传输、电话交换以及移动通信都实现了数字化，正在向新一代宽带多媒体信息网络推进。全国性信息应用系统现已经达到100多个，遍及金融、海关、财税、外贸等各个部门与行业，区域信息化水平也不断提高，各种类型的电子商务发展加快，上网企业迅速增加，网上交易额逐步增长，远程教育、远程医疗、网络媒体等各种信息产业形态已经起步。公用信息网已覆盖全国230多个城市，全国互联网已有近1万个站点，网上信息源及应用数据库达到4400多个。
(6)有民间资本支撑和局部技术优势。我国有 10万亿元的民间资本可为加大资金投入、实现技术和产业的跨越式发展提供一定的资金支撑。尽管我们国家在总体上，经济科技实力与世界发达国家还有明显差距，但在计算机、系统集成、信息处理与应用技术、数字程控交换、光通信、第三代移动通信技术等领域取得了具有自主知识产权的技术，这为实施技术跨越奠定了物质基础。我们有可能利用“胜者全得”的规律，即技术上领先一步，有可能占领该领域的大部分市场。
(7)有一批创新主体和示范工程。有7万家具有机制优势和创新活力的科技型企业和53个国家级高新技术开发区作为创新主体和载体。我国信息化工程建设取得显著成效，金桥、金卡、金税、金关等重大信息化工程均已开通运行。
(8)有市场体制支撑。随着改革的不断深化，我国的社会主义市场经济体制日臻完善，国民经济的市场化程度明显提高。通过改革，特别是一系列有利于发挥知识、技术和人力资本作用的制度创新，人的积极性、创造性将会被进一步调动和激发出来，所有这些都为激励和促进信息产业的发展提供强大的动力。要把上述跨越式发展的潜在因素变成现实，必须进行制度创新。没有制度创新，技术跨越是不可能的。
六、总结
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。

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