《机电一体化的特点与发展趋势_机电一体化的发展趋势
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机电一体化的特点与发展趋势
【摘 要】
机电一体化是现代科学技术发展的必然结果，对各领域技术的发展起到了极大的推动作用。本文简述了机电一体化技术的概念、特点和发展背景。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。
【关键词】机电一体化；构成；特点；发展The characteristics and development trend of electromechanical integration [Abstract] Electromechanical integration is an inevitable result of thedevelopment of modern science and technology, to a great role in the areas of technological development on.This paper introduces the concept, characteristics and development of electromechanical integration technology background.The paper reviewed the current situation at home and abroad of the electromechanical integration technology, analyzes the development trend of electromechanical integration technology.[Thekeyword] Mechatronics;structure;characteristics;development
目录
引言………………………………………………………………………………………4
一、机电一体化概念…………………………………………………….......……5
二、机电一体化的基本组成和特点………………………………….…………51、机电一体化系统的基本组成…………………………………….…………..52、机电一体化的特点……………………………………………………….……..6（1）具有综合性…………………………………………………………………….6（2）广而强的应用性……………………………………………….……………..6（3）多层次的系统化…………………………………………………….………..7（4）整体的最优化……………………………………………………….…………7（5）使用简易化……………………………………………………………….….…7（6）提高了安全性………………………………………………………………….7
三、机电一体化的发展状况及发展趋势………………………………………7 1 机电一体化的发展状况……………………………………………………..….7 2 机电一体化的发展趋势…………………………………………………………8（1）智能化…………………………………………………….…………………..8（2）模块化………………………………………………………………….….……9（3）网络化………………………………………………………………………….9（4）微型化…………………………………………………………………………10（5）系统化 ………………………………………………………………….…….10 结论…………………………………………………………………………………….11 参考文献……………………………………………………………………………..12 引 言
现代科学技术的不断发展，极大的推动了不同学科的交叉于渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微点在技术和计算机技术的迅速发展机器响机械工业的渗透所形成的机电一体化，是机械工业的技术结构、产品结构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，是工业生产有“机械电气化”为特征的发展阶段。
一、机电一体化概念
机电一体化又称机械电子学，英文称为Mechatronics，它是由英文机械学一体化技术mechanics的前半部分与电子学electronics的后半部分组合而成。一般认为，机电一体化是以机械学、电子学和信息科学为主的多门技术学科在祭祀按产品发展过程相互交叉、相互渗透而形成的一门新兴边缘性技术学科。它有三重含义：首先，机电一体化是机械学、点在学与信息科学等学科相互融合而形成的学科。其次，机电一体化是一个发展的概念，早期的机电一体化主要强调机械与电子的结合，即将电子技术“溶入”到机械技术中而形成新的技术与产品。随着机电一体化技术的发展，以计算机技术、通信技术和控制技术为特征的信息技术“渗透”到机械中，丰富了机电一体化的含义，现代的机电一体化不仅仅指机械、电子与信息技术的结合，还包括光（光学）机电一体化、机电气（气压）一体化、机电液（液压）一体化、机电仪（仪器仪表）一体化等。第三，机电一体化表达了技术之间相互结合的学术思想，强调各种技术在机电产品中相互协调，以达到系统总体最优。换句话说，机电一体化是多种技术学科有机结合的产物，而不是它们的简单叠加。
二、机电一体化的基本组成和特点
从构成要素上来看，机电一体化系统由机械系统（机构）、电子信息处理系统（计算机）、动力系统（动力源）、传感检测系统（传感器）、执行元件系统（如电机）等五个字系统组成。机电一体化系统的基本特征是给“机械”增添了头脑（计算机信息处理与控制）因此是要求传感器技术、控制用接口元件、机械机构、控制软件水平较高的系统。
1、机电一体化的基本组成从所要实现功能上来看，因为机电一体化系统（或产品）是有若干具有特定功能的机械与微电子要素组成的有机整体，要有满足人们使用要求的功能（目的功能），所以根据不同的使用目的，要求系统能对输入的物质、能量和信息（即工业三大要素）进行某种处理，输出所需要的物质、能量和信息。因此，系统必须具有以下三大“目的功能”：①变换（加工、处理）功能；②传递（移动、输送）功能；③储存（保持、积蓄、记录）功能。不管是实现哪类“目的”功能的系统（或产品），其必须具备如下图所统内部示的五种内部功能，即主功、动力能功能、检测功能、控制功能、构造功能，其中“主功”是实现系统“目的功能”直接必须的 5 功能，主要是对物质、能量、信息或其相互结合进行变换、传递和储存。“动力功能”事向系统提供动力、让系统得以运转的功能。“检测功能和控制功能”的作用是根据系统内部信息和外部信息对整个系统进行控制，使系统正常运转，实施“目的功能”。而“构造功能”则是使构成系统的子系统及元、部件维持所定的时间和空间上的相互关系所必需的功能。从系统的输入/输出来看除有主功能的输入/输出之外，不需要有动力输入和控制信息的输入/输出。此外，还有因外部环境引起的干扰输入以及非目的性输出（如废弃物等），例如汽车的废气和噪音对外部环境影响，从系统设计开始就应予以考虑。
既然机电一体化系统（产品）可以分解成一系列要素或子系统构成，那么臬使各要素或子系统之间顺利地进行物质、能量和信息的传递和交换呢？这就涉及到了接口的概念，所谓接口就是各要素或各子系统之间的联系条件，从系统外部看，机电一体化系统的输入/输出是与人、自然及其他系统之间的接口；从系统内部看，机电一体化系统是由许多接口将系统构成要素的输入/输出联系为一体的系统。从这一观点出发，2、机电一体化特点
系统的性能在很大程度上取决于接口的性能，各要素或各系统之间的接口性能就成为综合系统性能好坏的决定性因素。机电一体化系统是机械、电子和信息等功能各异的技术融为一体的综合系统，其构成要素或子系统之间的接口极为重要，在某种意义上讲，机电一体化系统设计归根结底就是“接口设计”。广义的接口功能有两种，一种是输入/输出的功能；另一种是变换、调整的功能。（1）具有综合性
机电一体化技术是由机械技术、电子技术、微电子技术和计算机技术等有机结合形成的一门跨学科的边缘科学。各种相关技术被综合成一个完整的系统，在这一系统中，它们彼此相互苛刻要求，彼此又取长补短，从而不断地向着理想化的技术发展。因此机电一体化技术是具有综合性的高水平技术。（2）广而强的应用性
机电一体化技术是以机械为母体，以实践机电产品开发和几点过程控制为基础的技术，是可以渗透到机械系统和产品的普遍应用性技术，几乎不受行业限制。机电一体化技术应用计算机技术，以信息化为内涵智能化为核心，开发和生、产了性能更好的功能更强的机电一体化系统和产品。（3）多层次的系统化
机电一体化是将工业产品和过程利用各种技术综合成一个完整的系统，强调各种技术（特别是微电子技术与精密机械技术）的协同和集成，强调层次化和系统化。无论从单参数、单击控制到多参数、多级控制，还是从单件单品生产工艺到柔性及自动化生产线，直到整个系统工程设计，机电一体化技术都体现在系统各个层次的开发和应用中。（4）整体的最优化
从系统工程观点出发，充分利用新技术及其相互交叉融合的优势，实现机电一体化系统（或产品）的高附加值、高效率、高性能、省材料、省能源、低损耗、低污染、省时省力等等。比如采用数控机床、柔性生产线、工业机器人和计算机管理等高科技机电一体化技术和系统以后，各企业就可以根据社会需求及时调整产品结构各生产过程，几乎不需要重新设计制造工艺设备，大大缩短了整个生产周期。
2.（5）使用简易化
从开发上来看，机电一体化技术主要包括技术原理和使机电一体化系统和产品得以实现、使用和发展的技术群体这就需要开发人员不仅具有扎实的理论基础，而且具有广博的技术知识，还要不断的学习和更新相关知识。从使用上来看一般用户对机电一体化系统（或产品）不必精通其原理，不必具有丰富的技术知识，用户需要的是功能强、操作简便、人机协作关系好的机电一体化系统（或产品）。
2.（6）提高了安全性
机电一体化系统一般都具有自动保护的功能，可避免或减少人身和设备事故发生的可能性，显著地提高了安全性。有些机电一体化系统甚至可以在恶劣和危险的环境中作无人的自动操作。如机器人可以不顾危险，在海里、在宇宙空间、在核反应堆等一些危险场合工作。
三、机电一体化的发展状况及发展趋势
1、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。
2、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。机电一体化的主要发展趋势大致有以下几个方面：
（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 8 之一。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，使它具有判断推理、逻辑思维及自主决策等能力，以求得到更高的控制目标。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/0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。随着模糊数控、神经网络、灰色理论、小波理论、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。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。为了达到以上目的，还需要制定各项标准，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(homenet)将各种家用电器连接成以计算机为中心的 9 计算机集成家电系统(computerintegratedappliancesystem,CIAS)，能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
微型化是精细加工技术发展的必然，也是提高效率的需要。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。机电一体化产品，除了机械主体部分，其它部分涉及电子技术、随着片式元器件（SMD）的发展，表面组装技术（SMT）正在逐渐取代传统的通孔插装技术（THT）成为电子组装的重要手段，电子设备正朝着小型化、轻型化、多功能、高可靠方向发展。80年代以来，国外SMT发展异常迅速，1993年电子设备平均60%以上采用SMT，同年世界电子元件片式化率达到45%以上。因此，机电一体化中具有智能、动力、运动、感知特征的组成部分将逐渐向轻量化、小型化方向发展。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、信息等方面具有无可比拟的优势。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）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等智能化通信接口。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。结 论
综上所述，机电一体化的出现不是孤立的，它是许多科学技术发展的结晶，是社会生产力发展到一定阶段的必然要求和产物。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。机电一体化技术是一种复合技术，它需要很多部门产业的配合和支持，才能取得满意的结果，我们不仅要对机电一体化的各相关技术进行全面深入的了解，还要从系统工程的概念入手，通过系统总体设计来使各相关技术形成有机的结合，并且要注意研究和解决技术融合过程中产生的新问题，只有这样，才能满足机电一体化高速发展。参考文献 ：
［1］ 李建勇、机电一体化技术、北京、科学出版社、2004.［2］ 赵再军主编、机电一体化概论、浙江大学出版社、2004.［3］ 赵建民、国内外机电一体化发展概况、机电一体化，1996.［4］ 石美峰、机电一体化技术的发展与思考、山西焦煤科技、2007 ［5］ 张建民、唐水源、冯淑华、机电一体化系统设计、北京；高等教育出版社、2001.
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