浅谈机电一体化技术的发展趋势论文.doc

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1、摘 要机电一体化是现代科学技术发展的必然结果,新时期的机电一体化通过相关计算机通信网络,突破了传统机电一体化技术在时间、地域上的限制,延伸了机电一体化的空间与范围,使得机电一体化成为方便、快捷、安全可靠的工控技术模式。本文从新时期机电一体化发展的外部环境、发展渊源以及机电一体化技术的现状,对新时期机电一体化技术发展趋势进行了展望。综述了国内外机电一体化技术的现状,分析了机电一体化技术的发展趋势。计算机技术的快速发展及网络技术的日趋成熟推动了机电一体化技术的飞速发展。新时期的机电一体化通过相关计算机通信网络,突破传统机电一体化技术在时间、地域上的限制,延伸了机电一体化的空间与范围,使得机电一体化

2、成为方便、快捷、安全可靠的工控技术模式。加强对新时期机电一体化技术的研究探讨,对于推动机电一体化技术的发展,促进技术的融合,具有十分重要的现实意义。对机电一体化技术进行简单概述, 指明其核心技术的内涵, 浅析机电一体化技术在国内、外各阶段的发展及对该技术的实际应用, 阐述了机电一体化的发展趋势人机一体化, 展示机电一体化技术更为广阔的前景。关键词：机电一体化 技术 现状 产品 制造技术 发展趋势1 前言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

3、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。“机电一体化”一词的英文名词是“Mechatronics”,它是取Mechanics(机械学)的前半部分和Electronics(电子学)的后半部分拼合而成。它是一个新兴的边缘学科,国内外处于发展阶段,代表着机械工业技术革命的前沿方向。机电一体化技术是20世纪60年代以来,在传统的机械技术基础上,随着电子技术、计算机技术,特别是微电子技术和信息技术的迅猛发展而发展起来的一门新技术。机电一体化技术是以微型计算机为代表的微电子技术、信息技术迅速发展,向机械工业领域迅猛渗

4、透,机械电子技术深度结合的现代工业的基础上,综合应用机械技术、微电子技术、信息技术、自动控制技术、传感测试技术、电力电子技术、接口技术及软件编程技术等群体技术,从系统理论出发,根据系统功能目标和优化组织结构目标,以智力、动力、结构、运动和感知组成要素为基础,对各组成要素及其间的信息处理、接口耦合、运动传递、物质运动、能量变换进行研究,使得整个系统有机结合与综合集成,并在系统程序和微电子电路的有序信息流控制下,形成物质的和能量的有规则运动,在高功能、高质量、高精度、高可靠性、低能耗等诸方面实现多种技术功能复合的最佳功能价值系统工程技术。机电一体化是一个新兴的边缘学科，正处于发展阶段，代表着机械工

5、业技术革命的发展方向1。一般认为，机电一体化技术是一门跨学科的综合性高技术，是由微电子技术、计算机技术、信息技术、机械技术及其他技术相融合而构成的一门独立的交叉学科。美国IEEE/ASME曾于1996年给出了一个较为全面的定义:“我们对机电一体化初步定义为在工业产品和过程的设计和制造中，机械工程和电子与智能计算机控制的协同集成，包括以下11个方面：（1）成型和设计；（2）系统集成；（3）执行器和传感器；（4）智能控制；（5）机器人；（6）制造；（7）运动控制；（8）振动和噪声控制；（9）微器件和光电子系统；（10）汽车系统；（11）其他应用”。目前，国际上普遍采用日本机械振兴协会的定义：“机电

6、一体化是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成的系统的总称3”，涉及机械制造技术、电子技术、信息处理技术、测试和传感器技术、控制技术、接口技术、计算机技术、伺服驱动等多种技术。机电一体化技术对现代工业的发展有巨大的推动力，因此世界各国都在大力推广机电一体化技术。 2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。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、

7、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。 机电

8、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。机电一体化产品和技术可分为机械、电子和软件三大部分。模块化技术是这三者的共同技术。模块化技术可

9、以减少产品的开发和生产成本，提高不同产品间的零部件通用化程度，提高产品的可装配性、可维修性和可扩展性等。融合机械、电子和软件三大部分的机电一体化模块代表了未来产品的发展方向，具有高度自主性、良好的协调性和自组织性的特点。总之，模块化设计与制造是机电一体化系统的基本方法和发展趋势。随着微处理器性能价格比的迅速提高和微机械电子（MEMS）技术的飞速发展，各种机电一体化模块将越来越多地出现在市场上。利用这些模块，可以迅速方便地设计和制造出各种新的机电一体化产品。 机电一体化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。21世纪,机电一体化技术将成为机械工业的主角，在各方面均可带来显

10、著的经济效益和社会效益。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。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，以机械技术、微电子技术的有机结合为主体的机电一体化技术是机械工业发展的必然趋势，机电一体化技术的广阔发展前景也将越来越光明。 “机电一体化技术”是机械、微电子和信息三项技术相互融合、交叉的产物，是机械技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术和系统技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。随着电子技术的迅速发展，微处理器、微型机在各个技术领域已经得到广泛应用，对各个领域的发展起了很大的推动

11、作用，正因电子技术的快速发展，进而带动了机电一体化技术的发展，科技的进步更是依赖于其发展，因此其未来的发展对科技的进步起着至关重要的作用。机电一体化是指传统的机电产品采用电子技术,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,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,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。机电一体化产品

12、分系统和基础元、部件两大类。典型的机电一体化系统有:数控机床、机器人、汽车电子化产品、智能化仪器仪表、电子排版印刷系统、CAD/CAM系统等。典型的机电一体化元、部件有:电力电子器件及装置、可编程序控制器、模糊控制器、微型电机、传感器、专用集成电路、伺服机构等。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

13、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。3机电一体化的核心技术及发展历程和典型产品3.1机电一体化的核心技术1.机械技术：是机电一体化的基础，机械技术的着眼点在于如何与机电一体化技术相适应，利用其高、新技术来更新概念，实现结构上、材料上、性能上变更，满足减小重量、缩小体积、提高精度、提高刚度及改善性能要求。2.计算机与信息技术：其中信息交换、存取、运算、判断

14、与决策、人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术均属于计算机信息处理技术。3.系统技术：即以整体概念组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目标出发，将总体分解成相互关联的若干功能单元，接口技术是系统技术中一个重要方面，是实现系统各部分有机连接的保证。4.自动控制技术：其范围很广，在控制理论指导下，进行系统设计，设计后的系统仿真，现场调试，控制技术包括如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿、再现、检索等。5.传感检测技术：是系统的感受器官，是实现自动控制、自动调节的关键环节。其功能越强，系统的自动化程序就越高。6.伺服传动技术：包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，伺服系统

15、是实现电信号到机械动作的转换装置与部件、对系统的动态性能、控制质量和功能有决定性的影响。3.2机电一体化的发展历程1.数控机床问世：自从1952年美国第1台数控铣床问世至今已50个年头。我国数控机床制造业在80年代曾有过高速发展阶段，尤其是在1999年后，国家向国防工业及关键民用工业部门投入大量技改资金，使数控设备制造市场一派繁荣。2.微电子技术的发展：我国的集成电路产业起步于1965年，经过30多年发展，已初步形成包括设计、制造、包装业共同发展的产业结构。微电子技术是现代电子信息技术的直接基础，如微机控制的数控机床己不再是传统的机床；又如汽车的电子化导致汽车工业的革命，目前先进的现代化汽车，

16、其电子装备已占其总成本的70% 。进入信息化社会，集成电路成为武器的一个组成单元，电子战、智能武器应运而生。雷达的精确定位和导航，战略导弹的减重增程，战术导弹的精确制导，巡航导弹的图形识别与匹配，以及各类卫星的有效载荷和寿命的提高等等，其核心技术都是微电子技术。3.可编程序控制器（PLC）的应用于工业：上世纪60年代后期，美国汽车制造业开发一种Modular DigitalController（MODICON）取代继电控制盘。MODICON是世界上第一种投入商业生产的PLC.70年代是PLC崛起，并首先在汽车工业获得大量应用。80年代是它走向成熟，全面采用微电子及微处理器技术。此时信息技术崭露

17、头角。微处理机的性能提高，为更高级的机电一体化产品所采用，典型的机电一体化产品如数控机床、工业机器人和汽车的电子控制系统等。微机作为关键技术引入了飞行器系统后，使机械电子系统在高度控制、排气控制、振动控制和保险气袋等方面获得广泛应用。信息技术驱使机械系统在不同程度上利用数据库，连洗衣机和其他消费品也用上了数据库驱动系统。这样，对机电一体化的系统设计方法的探索、成型和系统集成以及并行工程设计和控制的实施日显重要。此外，光学也进入了机电一体化，产生了“光机电一体化”的新领域。90年代又开始了PLC的第三个发展时期。随着PLC 的国际标准IEC 61131 的正式颁布，推动了PLC 在技术上发生新的

18、突破：在系统体结构上，从传统的单机向多CPU 和分布式及远程控制系统发展；在编程语言上，文本化和图形化的语言多样性，创造了更具表达控制要求、文字处理、通信能力的编程环境。从应用范围和应用水平上，除了继续发展机械加工自动生产线的控制系统外，则是发展以PLC 为基础的DCS 系统、监控和数据采集SCADA 系统、柔性制造系（ FMS ）、安全联锁保护（ ESD ）系统、运动控制系统等，全方位地提高PLC 的应用范围和水平。通信技术进入了机电一体化，机器可像机器人系统那样遥控和虚拟现实多媒体等技术紧密联系的计算机控制的网络化机电一体化日益普及。有些机电一体化机械可两用，有的在性能上更是多用途的，尤其

19、是微传感器和执行器技术的发展，和半导体技术以光刻为基础的方法以及和传统机电一体化微型化方法的结合，开创了以精密工程和系统集成为特点的机电一体化新分支“微机电一体化”。虽然微加工方法尚未成熟，但将逐渐成为集成控制系统的一个组成部分。之后，机电一体化随着自动化技术的发展而日益发展。90年代后期进入了第四阶段。其特征是：在保留PLC功能的前提下，采用面向现场总线网络的体系结构，采用开放的通信接口，如以太网、高速串口；采用各种相关的国际工业标准和一系列的事实上的标准；从而使PLC和DCS这些原来处于不同硬件平台的系统，正随着计算技术、通信技术和编程技术的发展，趋向于建立同一硬件平台，运用同一个操作系统

20、、同一个编程系统，执行不同的DCS和PLC功能。这就是真正意义上的EIC三电一体化。4.激光技术、模糊技术、信息技术等新技术的出现：以激光技术为首的光电子技术是未来信息技术发展的关键技术，它集中了固体物理、波导光学、材料科学、微细加工和半导体科学技术的科研成就，成为电子技术与光子技术自然结合与扩展、具有强烈应用背景的新兴交叉学科，对于国家经济、科技和国防都具有重要的战略意义。3.3 机电一体化的典型产品3.3.1数控机床目前我国是全世界机床拥有量最多的国家（近320万台），但数控机床只占约5且大多数是普通数控（发达国家数控机床占10）。近些年来数控机床为适应加工技术的发展，在以下几个技术领域都

21、有巨大进步。1高速化。由于高速加工技术普及，机床普遍提高了各方面的速度。车床主轴转速有30004000r/min提高到800010000r/min；铣床和加工中心主轴转速由40008000r/min提高到1200040000r/min以上；快速移动速度由过去的1020m/min提高到48m/min，60m/mni，80m/min，120m/min；在提高速度的同时要求提高运动部件起动的加速度，由过去一般机床的0.5G（重力加速度）提高到1.5G2G，最高可达15G；直线电机在机床上开始使用，主轴上大量采用内装式主轴电机。2高精度化。数控机床的定位精度已由一般的0.010.02mm提高到0.00

22、8左右；亚微米级机床达到0.0005mm左右；纳米级机床达到0.0050.01um；最小分辨率为1nm（0.000001mm）的数控系统和机床已问世。数控中两轴以上插补技术大大提高，纳米级插补使两轴联动出的圆弧都可以达到1u的圆度，插补前多程序预读，大大提高了插补质量，并可进行自动拐角处理等。3复合加工，新结构机床大量出现。如5轴5面体复合加工机床，5轴5联动加工各类异形零件。同时派生出各种新颖的机床结构，包括6轴虚拟轴机床，串并联绞链机床等，采用特殊机械结构，数控的特殊运算方式，特殊编程要求。4使用各种高效特殊功能的刀具使数控机床“如虎添翼”。如内冷转头由于使高压冷却液直接冷却转头切削刃和排

23、除切屑，在转深孔时大大提高效率。加工刚件切削速度能达1000m/min，加工铝件能达5000m/min。5数控机床的开放性和联网管理。数控机床的开放性和联网管理已是使用数控机床的基本要求，它不仅是提高数控机床开动率、生产率的必要手段，而且是企业合理化、最佳化利用这些制造手段的方法。因此，计算机集成制造、网络制造、异地诊断、虚拟制造、并行工程等等各种新技术都在数控机床基础上发展起来，这必然成为21世纪制造业发展的一个主要潮流。3.3.2自动机与自动生产线在国民经济生产和生活中广泛使用的各种自动机械、自动生产线及各种自动化设备，是当前机电一体化技术应用的又一具体体现。如：200080000瓶/h的

24、啤酒自动生产线；18000120000瓶/h的易拉罐灌装生产线；各种高速香烟生产线；各种印刷包装生产线；邮政信函自动分捡处理生产线；易拉罐自动生产线；FEBOPP型三层共挤双向拉伸聚丙烯薄膜生产线等等，这些自动机或生产线中广泛应用了现代电子技术与传感技术。如可编程序控制器，变频调速器，人机界面控制装置与光电控制系统等。我国的自动机与生产线产品的水平，比10多年前跃升了一大步，其技术水平已达到或超过发达国家上一世纪80年代后期的水平。使用这些自动机和生产线的企业越来越多，对维护和管理这些设备的相关人员的需求也越来越多。机电一体化生产线中主要用到PLC可编程控制器其主要特点有：（1）可靠性高 所有

25、的输入/输出接口电路均采用光电耦合器进行隔离，使工业现场的外部电路与PLC内部电路之间在电气上隔离。 输入端采用RC滤波器，滤波时间常数一般为1020ms，高速输入端则采用数字滤波，滤波时间常数可以用指令设定。 各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。 采用性能优良的开关电源。 对器件进行严格的筛选。 具有软件自诊断功能，一旦电源或其他软硬件发生异常情况，CPU立即采取有效措施进行处理，防止故障扩大。（2）编程简单易学PLC编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图语言。梯形图主要由人们熟悉的常开/常闭触点、线圈、定时器、计数器等符号组成，对于使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易为一

26、般工程技术人员所理解和掌握。（3）采用模块化结构为了适应各种工业控制的需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC中的CPU、直流电源、I/O模块（包括特殊功能模块）等各个部件均采用模块化设计，由机架、电缆或连接器将各模块连接起来，系统的规模和功能可以根据实际控制要求方便地进行组合。（4）安装简单，维修方便PLC可以在各种工业环境下直接安装运行，使用时只需将现场的各种输入/输出设备与PLC相应的I/O端连接，系统便可以投入运行。由于PLC的故障率很低，并且有完善的诊断和显示功能，当PLC或外部的输入装置及执行机构发生故障时，如果是PLC本身的原因，在维修时只需更换插

27、入式模块及其他已损坏器件即可，既方便又减少影响生产的时间。（5）接口模块丰富PLC除了具有CPU和存储器以外，还有丰富的I/O接口模块。对于不同的工业现场信号（如交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流、脉冲或电位、强电或弱电等），PLC都有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备（如按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、控制阀等）直接相连。此外，为了适应新的工业控制要求，I/O模块也越来越丰富，如通信模块、数控模块、位置控制模块等，进一步提高了PLC的性能。（6）系统设计与调试周期短用PLC进行系统设计时，用程序代替继电器硬接线，控制柜的设计及安装接线工作量大为减少，设计和施工可同时进行，缩

28、短了施工时间。同时，由于用户程序大都可以在实验室模拟调试，调好后再将PLC控制系统在生产现场进行联机调试，调试方便、快速、安全，因此大大缩短了设计、施工、调试和投运周期。PLC的CPU采用循环扫描的工作方式，用户程序按先后顺序存放，在没有中断或跳转指令时，PLC从第一条指令开始顺序执行，直到程序结束符后又返回到第一条指令，如此周而复始地不断循环执行程序。有些情况下，也允许中断正在扫描运行的程序，以处理紧急任务。PLC的扫描工作分为三个阶段：第一阶段，采样，通过输入接口把所有输入端子的信号状态读入缓冲区，即刷新输入信号的原有状态；第二阶段，扫描用户程序，根据本周期输入信号的状态和上周期输出信号的

29、状态，对用户程序逐条进行运算处理，将结果送到输出缓冲区；第三阶段，输出刷新，将输出缓冲区各输出点的状态通过输出接口电路全部送到PLC的输出端子。PLC周期性的循环执行上述三个步骤，每一个循环称为一个扫描周期。其工作流程如下图所示：输出刷新程序运行输入扫描 通信处理上电初始化上电初始化 第一个扫描周期 第二个 扫描周期 图4 PLC的工作流程图4机电一体化技术的发展现状4.1国外机电一体化发展现状机电一体化占据主导地位是制造产业发展的必然趋势,而制造产业是整个科学技术和国家经济发展的基础工业,因而机电一体化在当前激烈的国际政治、军事、经济竞争中有举足轻重的作用,受到各工业国家的极大重视,并给予资

30、金支持和必要的政策优惠。日本将智能传感器,计算机芯片制造技术,具有视频、触觉和人一机对话能力的人工智能工业机器人,发展柔性制造系统等,列为高技术领域的重大研究课题。西欧提出五大关键技术领域24个重点攻关项目作为欧洲高技术发展战略目标,广泛合作研究计算机辅助设计、制造、生产、管理的柔性系统,实现工厂全面自动化等机电一体化。美国在制造业方面,加速产品推广,缩短产品生产周期,增加柔性和实现设计生产质量控制一体化技术。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

31、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。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

32、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: （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

33、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

34、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。4.2国内机电一体化发展现状作为发展中国家,我国与发达国家相比工业技术水平存在一定差距,但有广阔的机电一体化应用空间。改革开放以来,特别是近年来,受国际金融危机影响,面临国际市场经济激烈竞争形势的挑战,国家和企业充分认识到机电一体化技术对我国经济发展的战略意义,机电一体化技术的研究、应用和产业化受到了前所未有的重视和发展。完成了我国机电一体化发展途径与对策研究,探讨我国机电一体化发展战略,提出了数控机床、工业自动化控制仪表等15个机电一体化优先发展领域和6项共性关键技术的研究方向和课题。我国已研制成功了一大批机电一体化科研成果,以数控

35、技术为例,我国的数控技术经过“六五”、“七五”、“八五”和“九五”的20年的发展,基本上掌握了关键技术,建立了数控开发、生产基地,培养了一批数控人才,初步形成了自己的数控产业,到2010年我国机床的数控化率将达到16.5%19.27%。这些成果的取得为我国在制造业机电一体化的研究和应用方面积累了宝贵的经验,必将推动我国机电一体化技术取得更大的进步和发展。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其列为“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

36、些大中型企业对这一技术的发展及应用做了大量的工作。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

37、由10m提高到5m,精密级加工中心则从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。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）

38、与周边配套设备的开发和制备技术。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,CI

39、MS的进一步试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。5机电一体化的发展趋势5.1发展方向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。纵观国内外机电一体化的发展现状和高新技术的发展动向，机电一体化将朝着以下几个方向发展：（1）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、

40、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

41、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。 （2）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。人工智能系统是一个知识处理系统,它包括知识表示、知识利用和知识获取三个基本问题,其最终的目标是模拟人的问题求解、推理、学习。人工智能在机电一体化建设中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。“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、

42、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。目前,专家系统、模糊系统、神经网络以及遗传算法,是机电一体化产品(系统)实现智能化的4种主要技术，它们各自独立发展又彼此相互渗透。随着制造自动化程度的不断提高,将会出现智能制造系统控制器来模拟人类专家的智能制造活动,并会对制造中出现的问题进行分析、判断、推理、构思和决策。即要求机电产品有一定的智能，使它具有类似人的逻辑思考、判断推理、自主决策等能力。例如在CNC 数控机床上增加人机对话功能，设置智能I/O 接口和智能工艺数据库，会给使用、操作和维护带来极大的方便。随着模糊控制、神经网络、灰色理论、小波理论

43、、混沌与分岔等人工智能技术的进步与发展，为机电一体化技术发展开辟了广阔天地。 （3）网络化 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,

44、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(computerintegratedappliancesystem,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,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（MicroElectroMechanicSystem,MEMS）,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

45、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。 微型机电化在实验室中，目前，通过半导体蚀刻技术，已经制造出亚微米级的机械元件，如果这一成果应用于实际产品时，那么就没有必要再区分什么是控

46、制器、什么是机械部分了，这时就完全的实现机械和电子的“融合”，这样CPU、机体、传感器、执行机构就可以集成在一起，而且体积小，同时组成一种自律元件。这种微型机械学是机电一体化的一个重要的前进方向，更是机电一体化向微观领域和微型机器的发展趋势，在国外，人们称其为微电子机械系统，也指外观尺寸不超过1cm3 的机电一体化产品，一并向微米级、纳米级发展，正因为微机电一体化产品耗能少、体积小、运动灵活，在军事、生物医疗、信息等方面占有很高的地位和很大的优势。（5）模块化 机电一体化产品和技术可分为机械、电子和软件三大部分。模块化技术是这三者的共同技术。模块化技术可以减少产品的开发和生产成本，提高不同产品

47、间的零部件通用化程度，提高产品的可装配性、可维修性和可扩展性等。融合机械、电子和软件三大部分的机电一体化模块代表了未来产品的发展方向，具有高度自主性、良好的协调性和自组织性的特点。总之，模块化设计与制造是机电一体化系统的基本方法和发展趋势。随着微处理器性能价格比的迅速提高和微机械电子（MEMS）技术的飞速发展，各种机电一体化模块将越来越多地出现在市场上。利用这些模块，可以迅速方便地设计和制造出各种新的机电一体化产品。 机电一体化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。21世纪,机电一体化技术将成为机械工业的主角，在各方面均可带来显著的经济效益和社会效益。机电一体化的出现

48、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。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，以机械技术、微电子技术的有机结合为主体的机电一体化技术是机械工业发展的必然趋势，机电一体化技术的广阔发展前景也将越来越光明。（6）数字化 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。（7）“生物软件”化未来的机电一体化技术发展注重产品与人的关系，即机电一体化的人格化，其有两层含义：机电一体化产品的使用对象是人，怎样将人的智能、情感、人性赋予机电一体化产品显得越来越重要，尤其是家用机器人，其最高境界就是人机一体化;模仿生物机理，研制出各种机电一体化产品。随着科技的发展，机电