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摘要机电一体化技术即结合应用机械技术和电子技术于一体,是现代科学技术发展的必然结果。是一门综合计算机和信息技术、传感检测技术、自动控制技术、机械技术和伺服传动技术等交叉的系统技术,随着科学技术和计算机技术的快速发展,其应用范围越来越广,本文概述了机电一体化技术概况、发展现状,并就其未来发展趋势进行探讨。
关键词机电一体化 技术 现状 发展趋势
中图分类号:TP27文献标识码:A
机电一体化是新兴的边缘学科,是在科学技术急速发展的推动下,不同学科交叉渗透的结果,是面向应用的跨学科技术。其正处于新兴的发展阶段。其目前发展迅速,代表着机械工业技术革命的发展方向,其对现代机械工业的发展起着巨大的推动作用,因此世界各国都在全力推广机电一体化技术。
1 机电一体化概述
机电一体化并不是机械与电子的简单叠加,而是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术,在信息论、控制论、以及系统论的基础上建立起来的应用技术,是指机械装置与电子化设计以及软件结合起来构成的系统总称。随着科学技术的快速发展,机电一体化技术正朝着高精度、高性能、高速度、高柔性化和模块化的方向发展。目前机电一体化已经发展成为一门有着自身完整体系的新型学科。机电一体化一般包括机电一体化产品和机电一体化技术两个方面。机电一体化产品不仅是人手与肢体的延伸,还是人的感官和头脑的延伸。机电一体化包括:数控机床、机器人、智能化仪器仪表、汽车电子化产品电子排版印刷系统、CAD/CAM系统等,智能化特征是机电一体化与机械电气化在功能上的根本区别。机电一体化技术是从系统的观点出发、将机械技术、微电子技术、信息技术、控制技术等在系统工程基础上有机的加以综合,以实现整个系统最佳化的一门学科技术。
2 机电一体化发展概况
2.1 机电一体化发展历程
基于机电一体化的发展历程,大致可把机电一体化的发展大分为三个阶段:萌芽阶段(初级阶段)、蓬勃发展阶段、智能化阶段。
(1)20世纪60年代前为初级阶段,也就是第一阶段或萌芽阶段,在这一阶段,人们自然的地利用了电子技术并在应用中使之得到较广泛的认可,技术工程师们也自觉或不自觉的把机械产品与电子技术相结合,以此来促进和提高机械产品的性能。但由于该时期电子技术发展的相对落后原因,使机械和电子的结合并没有得到广泛的应用和深入的发展,已经开发了的产品也无法得到较广泛的推广。
(2)第二阶段,也可称之为蓬勃发展阶段。发展于上世纪70年代到80年代。在这一时期,机电一体化技术和以及机电产品得到了极大发展。这要得力于控制技术、计算机技术和通信技术的进一步发展,这些都为机电一体化的发展给予了技术支持也奠定了基础。这一阶段大规模和超大规模集成电路和微型计算机的相继出现和发展,对机电一体化的发展奠定了充分的物质上的基础。大约到20世纪80年代末机电一体化技术以及机电产品得到了极大发展,机电一体化技术在世界范围内得到了广泛的承认。世界都把眼光放在了对机电一体化技术和产品的研究和进一步发展上。这为机电一体化的发展带来了前所未有的广泛空间和广泛支持。
(3)第三阶段为20世纪90年代的后期,可称为智能化阶段。这一时期机电一体化技术的发展迈入了智能化的新阶段,由此进入深入发展时期。首先对机电一体化学科体系和发展趋势,以及系统的建模设计、分析和集成方法,都进行了进一步的深入研究。其次是在机电领域采用了光学和通信技术以及微细加工技术,并出现了微机电一体化和光机电一体化的新的分支。与此同时激光技术、信息技术、模糊技术等新技术的发展使机电一体化跃上一个新的台阶,神经网络技术、人工智能技术和光纤技术的应用也为机电一体化技术的发展开辟了新的的天地和广阔的发展空间。
2.2 國内外机电一体化发展现状
(1)国内发展现状。我国机电一体化研究起步较晚,开始于20世纪的80年代初,为了专门进行这方面的研究与应用,国务院组织成立了机电一体化研究领导小组,并在“863计划”中列入了该项技术研究。由于国际形势的需要和机电一体化技术的深入影响,国家在制定 “九五”规划和2010年发展纲要时对该项技术研究给于了特别的关注。各大专院校和研究机构以及一些企业也对这一技术的发展做了许多研究性的工作,推动了该项技术的进一步发展。但即使如此,在机电领域,我国与日本等先进国家相比,也还存在一定的差距。
(2)国外发展现状。机电一体化得以深入发展的标志是1989年在日本东京召开的第一届国际机电一体化学术会议,由此世界各国开始了加紧发展机电一体化及其产品的步伐,并有计划地进行深入发展和研究。当前,在世界范围内,在机电一体化研究和产品开发领域处于领先地位的是美国和日本。目前,这两国都将智能传感器、柔性制造系统、计算机芯片制造技术和具有人机对话功能和触觉功能的人工智能机器人等列入高科技领域的重大研究项目和课题,并给予大量资金支持,以便进行相关技术和项目的研究工作。因此,在这种情况下机电一体化产品得到了前所未有的迅猛发展,在工业发达国家机电一体化产品几乎遍及了所有制造业领域。工业机器人正向智能化方向迈进,智能机器人将逐步进入社会生活各个领域。微细加工技术和激光技术得以急速发展并进入到了机电一体化领域。机电一体化正由从单机向整个制造业的集成化方向过渡。
3 机电一体化的未来发展趋势
(1)智能化。全息系统化也就是智能化,将是21世纪机电一体化技术发展的重要方向,未来机电一体化产品的“全息”特征将越来越明显,我们所说的“智能化”是对机器本身行为的描述,未来机电一体化产品的智能化水平将越来越高。使它具有简单逻辑思维、判断推理和自主决策的能力。智能化是在控制理论的研究基础上,吸收计算机科学、人工智能、模糊数学、心理学、生理学以及混沌动力学等先进技术和新思想方法,这也主要得力于软件和芯片技术以及模糊技术的快速发展。高速度和高性能的微处理器使机电一体化产品具有人的部分智能或较低级智能,此外,机电一体化产品系统的层次结构,也由“从上到下”的简单形势变为较复杂的以及有多冗余度的双向联系。
(2)网络化。在机电一体化发展的第三阶段,也就是20世纪90年代,网络技术的发展是这一时期计算机技术发展的突出成就。网络技术的兴起和快速发展给社会生活各个领域都带来了巨大的变革。网络将全世界更加紧密的联系到了一起。基于网络的各种远程监控技术方蓬勃发展,远程控制终端设备本身就是机电一体化产品。在这一阶段,质量安全和功能独特的机电一体化新产品一经问世,就会快速发展于全世界并快速畅销。因此,网络化无疑是机电一体化产品的未来发展方向。
(3)柔性化。即自律分配系统化。未来的机电一体化产品, 将被设计成“自律分配系统”。控制和执行系统有较强的“柔性”,将有足够的“冗余度”,因此,能较好地应付突发事件的发生。同时其本身具有 “自律性”,可根据自身所处的环境条件的变化作出不同反应。在机电一体化产品自律分配系统中,子系统为总系统服务,并相互独立工作的。因此,在这个基础上就明显地增加了系统的适应能力,也就是柔性,又不会因为某一子系统的自身故障而影响整个系统的运行。
(4)绿色化。绿色化是指使用不污染自然生态环境,报废后也能回收利用的机电一体化产品。工业的不断发展和发达给社会生活带来了前所未有的巨大变化。人们在享受物质生活越来越丰富舒适的同时,资源也在不断减少,生态环境受到重大破坏和严重污染。所以生产绿色产品是时代发展的必然要求,其符合环境保护和人类健康的特定需要。因此,设计生产对生态环境无害、资源利用率高或对环境危害少的绿色机电一体化产品,将是机电一体化产品的未来发展方向。
总之,机电一体化技术是社会生产力发展到一定阶段的必然产物和必然要求,也是振兴传统机电工业的新鲜血液和源动力。未来,随着科学技术的不断发展,各种先进技术越来越紧密的融合,机电一体化技术的未来发展和应用也将更加广阔。
关键词机电一体化 技术 现状 发展趋势
中图分类号:TP27文献标识码:A
机电一体化是新兴的边缘学科,是在科学技术急速发展的推动下,不同学科交叉渗透的结果,是面向应用的跨学科技术。其正处于新兴的发展阶段。其目前发展迅速,代表着机械工业技术革命的发展方向,其对现代机械工业的发展起着巨大的推动作用,因此世界各国都在全力推广机电一体化技术。
1 机电一体化概述
机电一体化并不是机械与电子的简单叠加,而是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术,在信息论、控制论、以及系统论的基础上建立起来的应用技术,是指机械装置与电子化设计以及软件结合起来构成的系统总称。随着科学技术的快速发展,机电一体化技术正朝着高精度、高性能、高速度、高柔性化和模块化的方向发展。目前机电一体化已经发展成为一门有着自身完整体系的新型学科。机电一体化一般包括机电一体化产品和机电一体化技术两个方面。机电一体化产品不仅是人手与肢体的延伸,还是人的感官和头脑的延伸。机电一体化包括:数控机床、机器人、智能化仪器仪表、汽车电子化产品电子排版印刷系统、CAD/CAM系统等,智能化特征是机电一体化与机械电气化在功能上的根本区别。机电一体化技术是从系统的观点出发、将机械技术、微电子技术、信息技术、控制技术等在系统工程基础上有机的加以综合,以实现整个系统最佳化的一门学科技术。
2 机电一体化发展概况
2.1 机电一体化发展历程
基于机电一体化的发展历程,大致可把机电一体化的发展大分为三个阶段:萌芽阶段(初级阶段)、蓬勃发展阶段、智能化阶段。
(1)20世纪60年代前为初级阶段,也就是第一阶段或萌芽阶段,在这一阶段,人们自然的地利用了电子技术并在应用中使之得到较广泛的认可,技术工程师们也自觉或不自觉的把机械产品与电子技术相结合,以此来促进和提高机械产品的性能。但由于该时期电子技术发展的相对落后原因,使机械和电子的结合并没有得到广泛的应用和深入的发展,已经开发了的产品也无法得到较广泛的推广。
(2)第二阶段,也可称之为蓬勃发展阶段。发展于上世纪70年代到80年代。在这一时期,机电一体化技术和以及机电产品得到了极大发展。这要得力于控制技术、计算机技术和通信技术的进一步发展,这些都为机电一体化的发展给予了技术支持也奠定了基础。这一阶段大规模和超大规模集成电路和微型计算机的相继出现和发展,对机电一体化的发展奠定了充分的物质上的基础。大约到20世纪80年代末机电一体化技术以及机电产品得到了极大发展,机电一体化技术在世界范围内得到了广泛的承认。世界都把眼光放在了对机电一体化技术和产品的研究和进一步发展上。这为机电一体化的发展带来了前所未有的广泛空间和广泛支持。
(3)第三阶段为20世纪90年代的后期,可称为智能化阶段。这一时期机电一体化技术的发展迈入了智能化的新阶段,由此进入深入发展时期。首先对机电一体化学科体系和发展趋势,以及系统的建模设计、分析和集成方法,都进行了进一步的深入研究。其次是在机电领域采用了光学和通信技术以及微细加工技术,并出现了微机电一体化和光机电一体化的新的分支。与此同时激光技术、信息技术、模糊技术等新技术的发展使机电一体化跃上一个新的台阶,神经网络技术、人工智能技术和光纤技术的应用也为机电一体化技术的发展开辟了新的的天地和广阔的发展空间。
2.2 國内外机电一体化发展现状
(1)国内发展现状。我国机电一体化研究起步较晚,开始于20世纪的80年代初,为了专门进行这方面的研究与应用,国务院组织成立了机电一体化研究领导小组,并在“863计划”中列入了该项技术研究。由于国际形势的需要和机电一体化技术的深入影响,国家在制定 “九五”规划和2010年发展纲要时对该项技术研究给于了特别的关注。各大专院校和研究机构以及一些企业也对这一技术的发展做了许多研究性的工作,推动了该项技术的进一步发展。但即使如此,在机电领域,我国与日本等先进国家相比,也还存在一定的差距。
(2)国外发展现状。机电一体化得以深入发展的标志是1989年在日本东京召开的第一届国际机电一体化学术会议,由此世界各国开始了加紧发展机电一体化及其产品的步伐,并有计划地进行深入发展和研究。当前,在世界范围内,在机电一体化研究和产品开发领域处于领先地位的是美国和日本。目前,这两国都将智能传感器、柔性制造系统、计算机芯片制造技术和具有人机对话功能和触觉功能的人工智能机器人等列入高科技领域的重大研究项目和课题,并给予大量资金支持,以便进行相关技术和项目的研究工作。因此,在这种情况下机电一体化产品得到了前所未有的迅猛发展,在工业发达国家机电一体化产品几乎遍及了所有制造业领域。工业机器人正向智能化方向迈进,智能机器人将逐步进入社会生活各个领域。微细加工技术和激光技术得以急速发展并进入到了机电一体化领域。机电一体化正由从单机向整个制造业的集成化方向过渡。
3 机电一体化的未来发展趋势
(1)智能化。全息系统化也就是智能化,将是21世纪机电一体化技术发展的重要方向,未来机电一体化产品的“全息”特征将越来越明显,我们所说的“智能化”是对机器本身行为的描述,未来机电一体化产品的智能化水平将越来越高。使它具有简单逻辑思维、判断推理和自主决策的能力。智能化是在控制理论的研究基础上,吸收计算机科学、人工智能、模糊数学、心理学、生理学以及混沌动力学等先进技术和新思想方法,这也主要得力于软件和芯片技术以及模糊技术的快速发展。高速度和高性能的微处理器使机电一体化产品具有人的部分智能或较低级智能,此外,机电一体化产品系统的层次结构,也由“从上到下”的简单形势变为较复杂的以及有多冗余度的双向联系。
(2)网络化。在机电一体化发展的第三阶段,也就是20世纪90年代,网络技术的发展是这一时期计算机技术发展的突出成就。网络技术的兴起和快速发展给社会生活各个领域都带来了巨大的变革。网络将全世界更加紧密的联系到了一起。基于网络的各种远程监控技术方蓬勃发展,远程控制终端设备本身就是机电一体化产品。在这一阶段,质量安全和功能独特的机电一体化新产品一经问世,就会快速发展于全世界并快速畅销。因此,网络化无疑是机电一体化产品的未来发展方向。
(3)柔性化。即自律分配系统化。未来的机电一体化产品, 将被设计成“自律分配系统”。控制和执行系统有较强的“柔性”,将有足够的“冗余度”,因此,能较好地应付突发事件的发生。同时其本身具有 “自律性”,可根据自身所处的环境条件的变化作出不同反应。在机电一体化产品自律分配系统中,子系统为总系统服务,并相互独立工作的。因此,在这个基础上就明显地增加了系统的适应能力,也就是柔性,又不会因为某一子系统的自身故障而影响整个系统的运行。
(4)绿色化。绿色化是指使用不污染自然生态环境,报废后也能回收利用的机电一体化产品。工业的不断发展和发达给社会生活带来了前所未有的巨大变化。人们在享受物质生活越来越丰富舒适的同时,资源也在不断减少,生态环境受到重大破坏和严重污染。所以生产绿色产品是时代发展的必然要求,其符合环境保护和人类健康的特定需要。因此,设计生产对生态环境无害、资源利用率高或对环境危害少的绿色机电一体化产品,将是机电一体化产品的未来发展方向。
总之,机电一体化技术是社会生产力发展到一定阶段的必然产物和必然要求,也是振兴传统机电工业的新鲜血液和源动力。未来,随着科学技术的不断发展,各种先进技术越来越紧密的融合,机电一体化技术的未来发展和应用也将更加广阔。