浅议机电安装一体化

　　摘要：本文从机电一体化概要、发展状况、关键技术及发展趋势进行了分析与探讨。

　　关键词：机电一体化;电子技术;自动控制;发展趋势

　　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。

　　1、机电一体化概要

　　机电一体化是指在机构的主功能、动力功能、信息处理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己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加自动检测、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。

　　2、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，己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：mechatronics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，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，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角，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。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，为机电一体化技术的发展开辟了广阔天地。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入“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，并取得了一定成果，但与日本等先进国家相比仍有相当差距。

　　3、机电一体化的关键技术

　　机电一体化技术是一个技术群体的总称。其关键技术有：传感与检测技术信息处理技术、先进制造技术、伺服驱动技术、自动控制技术、系统总体技术等。

　　3.1传感与检测技术

　　传感与检测技术关键元件就是传感器。传感器是整个机电一体化系统(或产品)的环境接口，是自动化、信息化以及智能化应用和发展的关键技术。传感器的水平反映了一个国家的科技发达程度，特别是新型高科技传感器的研究和开发世界各国都非常重视，比如多功能集成传感器、智能传感器、仿生传感器等。多功能集成传感器就是具有“一器多感”技术特点的传感器。智能传感器就是带有微处理器的，具有信息自我处理功能的传感器。仿生传感器就是模拟人的感觉器官的传感器，是机器人技术发展的核心。

　　3.2信息处理技术

　　信息处理技术包括信息的交换、传递、存储和处理，主要工具就是计算机。计算机及信息处理系统是整个系统(或产品)的信息处理中心，充分利用计算机超强的信息处理能力以及丰富的软件资源，增强了系统的功能，提高了系统的柔性、可靠性，使系统具有了一定的智能。

　　3.3先进制造技术

　　先进制造技术是机电一体化发展的必然产物，是机电一体化技术的基础。先进制造技术保障系统(或产品)构造功能的最优化。先进制造技术采用具有柔性操作的先进制造设备：机械加工中心、机床、工业机器人等机电一体化产品，实行先进的组织管理，组成柔性制造单元和柔性制造系统，提高制造作业及制造系统的柔性和生产率，以满足机电一体化系统(或产品)的需要，满足社会发展的需要。

　　3.4伺服驱动技术

　　伺服驱动技术是系统直接执行操作的技术，其目的是从动力学角度分析系统行为，保证系统整体运行的最优化。伺服驱动装置包括电动、气动、液压等各种类型，按照控制指令将电信号转换成流体能或机械能驱动运功机构，对整个系统的动态特性、控制质量和功能具有决定性的影响。

　　3.5自动控制技术

　　自动控制技术是在自动控制原理的指导下，结合计算机技术对具体的控制装置和控制系统进行设计、仿真、调试，最终实现机电一体化系统的整体性能最优化20世纪80年代以来，如模糊控制，专家系统和人工神经元网络等人工智能控制技术，得到快速发展并被广泛应用。

　　3.6系统总体技术

　　系统总体技术包括系统的总体设计和接口技术，是用跨学科的思维能力来进行综合集成的技术。系统总体设计是以系统整体的概念组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目标出发，将系统整体分解成相互联系的若干功能单元，再对功能单元进行二次分解，最终确定一个可行的技术方案。接口技术的实质是机械技术和电子技术的具体应用，是各要素或子系统之间的联系条件。在某种意义上说，机电一体化系统设计归根结底就是接口设计。

　　4、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：

　　4.1智能化

　　智能化就是要求机电产品具有一定的智能，使其具有类似人的逻辑思考、判断推理、自主决策等能力。如果人类社会的发展和进步体现在人脑的智能上，那么机电一体化的发展和进步就体现在其产品的智能上。智能化是机电一体化技术与传统自动化技术的主要区别之一，也是21世纪机电一体化技术发展的主要方向。随着模糊控制、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和发展，为机电一体化技术的发展开辟了广阔天地。

　　4.2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。

　　4.3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、教育等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，利用现场总线和局域网技术使家用电器网络化己成大势，家庭网络(homenet)就是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(compute,IntegratedAppliancesystem,CIAS),使人们在家里享受科技带来的便利与快乐。因此，机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。

　　4.4微型化

　　微型化是指机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。微机电一体化(MicroMechatronics)是机电一体化的一个重要分支，国外称其微型电子机械系统(MicroElectroMechanicalSystems).它泛指几何尺寸不超过1cm的机电一体化产品，并向着微米、纳米级发展。采用精细加工技术加工生产微机电一体化产品，其体积小、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。

　　4.5集成化

　　机电一体化的集成是从全局角度和系统目标出发，将总体功能分解成相互有机联系的若干子功能，再将系统分解成若干个功能单一的功能单元，然后通过软、硬件将各个功能单元有机地联系起来，使其性能最优功能最强。集成是机电一体化发展的内在动力，它是一种创新性的过程，正是由于这种创新性，将机、电、信息、控制等各种相关技术有机结合，实现系统整体最优，促使机电一体化领域的不断拓展。

　　4.6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，研制各种机电一体化产品。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。

　　4.7人性化

　　机电一体化产品的使用对象和服务对象都是人。所以对于未来的机电一体化产品，一方面必须加强它们与生命机体的相似性，给产品赋予人的智能、情感和人性;另一方面充分协调产品与人和环境的关系，使产品更关注人的生理、心理特性和极限，更适宜人的使用与操作。

　　4.8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服废后能回收利用。

　　5、结束语

　　我国机电一体化技术水平与发达国家相比差距较大。在发展过程中，首先应充分利用原有技术和设备，发展经济型机电产品;然后充分利用发达国家的高新技术，引进、仿制和开发效益好收效快的机电产品;在此基础上，全面开发具有中国特色的高新产品.

　　机电一体化技术发展至今己经成为一门有着自身完整体系的综合性学科，随着未来科学技术的不断发展还将被赋予新的内容。

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