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機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展歷程和趨勢(shì)

2009-09-05 04:10姒柏昌魯月琴
關(guān)鍵詞:機(jī)電一體化發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展趨勢(shì)

姒柏昌 魯月琴

摘要:本文分析了機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展歷程,提出了未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì),供大家參考。

關(guān)鍵詞:機(jī)電一體化 發(fā)展現(xiàn)狀 發(fā)展趨勢(shì)

0 引言

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,極大地推動(dòng)了不同學(xué)科的交叉與滲透,導(dǎo)致了工程領(lǐng)域的技術(shù)革命與改造。在機(jī)械工程領(lǐng)域,由于微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展及其向機(jī)械工業(yè)的滲透所形成的機(jī)電一體化,使機(jī)械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機(jī)構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化,使工業(yè)生產(chǎn)由“機(jī)械電氣化”邁人了“機(jī)電一體化”為特征的發(fā)展階段。

1 機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展歷程

“機(jī)電一體化”這個(gè)詞是日本安川電機(jī)公司在上世紀(jì)60年代末作商業(yè)注冊(cè)時(shí)最先創(chuàng)用的。當(dāng)時(shí)及70年代,人們一直把機(jī)電一體化看作是機(jī)械與電子的結(jié)合。國(guó)內(nèi)早期將“機(jī)電一體化技術(shù)”與“機(jī)械電子學(xué)”并用,近年來(lái)“機(jī)電一體化”更流行使用。80年代,信息技術(shù)嶄露頭角。微機(jī)的性能提高,為更高級(jí)的機(jī)電一體化產(chǎn)品所采用,典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品如數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人和汽車(chē)的電子控制系統(tǒng)等。微機(jī)作為關(guān)鍵技術(shù)引人了飛行器系統(tǒng)后,使機(jī)械一電子系統(tǒng)在高度控制、排氣控制、振動(dòng)控制和保險(xiǎn)氣袋等方面獲得廣泛應(yīng)用。

信息技術(shù)驅(qū)使機(jī)械系統(tǒng)在不同程度上利用數(shù)據(jù)庫(kù),連洗衣機(jī)和其他消費(fèi)品也用上了數(shù)據(jù)庫(kù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。這樣,對(duì)機(jī)電一體化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的探索、成型和系統(tǒng)集成以及并行工程設(shè)計(jì)和控制的實(shí)施日顯重要。此外,光學(xué)也進(jìn)人了機(jī)電一體化,產(chǎn)生了“光機(jī)電一體化”的新領(lǐng)域。進(jìn)人90年代,通信技術(shù)進(jìn)人了機(jī)電一體化,機(jī)器可像機(jī)器人系統(tǒng)那樣遙控和虛擬現(xiàn)實(shí)。有些機(jī)電一體化機(jī)械可兩用,有的在性能上更是多用途的,尤其是微傳感器和執(zhí)行器技術(shù)的發(fā)展,和半導(dǎo)體技術(shù)以光刻為基礎(chǔ)的方法以及和傳統(tǒng)機(jī)電一體化微型化方法的結(jié)合,開(kāi)創(chuàng)了以精密工程和系統(tǒng)集成為特點(diǎn)的機(jī)電一體化新分支“微機(jī)電一體化”。雖然微加工方法尚未成熟,但將逐漸成為集成控制系統(tǒng)的一個(gè)組成部分。之后,機(jī)電一體化隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展而日益發(fā)展,穩(wěn)步進(jìn)入了21世紀(jì)。

2 機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢(shì)

機(jī)電一體化是集機(jī)械、電子、光學(xué)、控制、計(jì)算機(jī)、信息等多學(xué)科的交叉綜合,它的發(fā)展和進(jìn)步依賴(lài)并促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。縱觀國(guó)內(nèi)外機(jī)電一體化的發(fā)展現(xiàn)狀和高新技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向,未來(lái)機(jī)電一體化將朝著綠色化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、微型化、模塊化等多方向發(fā)展。

2.1 綠色化 工業(yè)的發(fā)達(dá)給人們生活帶來(lái)了巨大變化:一方面物質(zhì)豐富,生活舒適;另一方面資源減少,生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重污染。于是人們呼吁保護(hù)環(huán)境資源,回歸自然。綠色產(chǎn)品概念在這種呼聲下應(yīng)運(yùn)而生,綠色化是時(shí)代的趨勢(shì)。綠色產(chǎn)品在其設(shè)計(jì)、制造、使用和銷(xiāo)毀的生命過(guò)程中,符合特定的環(huán)境保護(hù)和人類(lèi)健康的要求,對(duì)生態(tài)環(huán)境無(wú)害或危害極少,資源利用率極高。機(jī)電一體化產(chǎn)品的綠色化主要是指使用時(shí)不污染生態(tài)環(huán)境,報(bào)廢后能回收利用。工業(yè)的發(fā)展使得資源減少,生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重污染。綠色化成了時(shí)代的趨勢(shì),產(chǎn)品的綠色化更成了適應(yīng)未來(lái)發(fā)展的一大特色。

如果我們把機(jī)械產(chǎn)品和制造機(jī)械產(chǎn)品的機(jī)械裝置統(tǒng)稱(chēng)為機(jī)械系統(tǒng),則機(jī)電一體化技術(shù)的功能可歸結(jié)為:提高機(jī)械系統(tǒng)的性能,完成傳統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)不能完成的功能;提高機(jī)械系統(tǒng)的智能化程度,使人在更舒適的環(huán)境中工作;提高機(jī)械系統(tǒng)的可回收性;降低機(jī)械系統(tǒng)的原材料消耗;降低機(jī)械系統(tǒng)的能耗;降低機(jī)械系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的污染,可以看出其中至少有3條是和環(huán)境保護(hù)有關(guān)的。因此,進(jìn)入21世紀(jì),機(jī)電一體化技術(shù)的使命是要能提供一種高性能、高原料利用率、低能耗、低污染、環(huán)境舒適和可回收的智能化機(jī)械產(chǎn)品,即提供一種能滿(mǎn)足持續(xù)性發(fā)展的綠色產(chǎn)品。

2.2 智能化 智能化是21世紀(jì)機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要發(fā)展方向。人工智能系統(tǒng)是一個(gè)知識(shí)處理系統(tǒng),它包括知識(shí)表示、知識(shí)利用和知識(shí)獲取三個(gè)基本問(wèn)題,其最終目標(biāo)是模擬人的問(wèn)題求解、推理、學(xué)習(xí)。人工智能在機(jī)電一體化建設(shè)中的研究日益得到重視,機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床的智能化就是重要應(yīng)用。“智能化”是對(duì)機(jī)器行為的描述,是在控制理論的基礎(chǔ)上,吸收人工智能、運(yùn)籌學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)和混沌動(dòng)力學(xué)等新思想、新方法,模擬人類(lèi)的智能,使它具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力,以求得到更高的控制目標(biāo)。目前,專(zhuān)家系統(tǒng)、模糊系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及遺傳算法是機(jī)電一體化產(chǎn)品(系統(tǒng))實(shí)現(xiàn)智能化的四種主要技術(shù),它們各自獨(dú)立發(fā)展又彼此相互滲透。隨著制造自動(dòng)化程度的不斷提高,將會(huì)出現(xiàn)智能制造系統(tǒng)控制器來(lái)模擬人類(lèi)專(zhuān)家的智能制造活動(dòng),并會(huì)對(duì)制造中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析、判斷、推理、構(gòu)思和決策。

2.3 網(wǎng)絡(luò)化 20世紀(jì)90年代,汁算機(jī)技術(shù)的突出成就是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的興起和飛速發(fā)展給科學(xué)技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)、政治、軍事、教育及人們的日常生活都帶來(lái)了巨大的變革,同樣也給機(jī)電一體化技術(shù)帶來(lái)了重大影響,例如通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)機(jī)電一體化設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。各種剛絡(luò)將全球經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)連成一片,企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)也將全球化。機(jī)電一體化新產(chǎn)品一旦研制出來(lái),只要其功能獨(dú)到、質(zhì)量可靠,很快就會(huì)暢銷(xiāo)全球。由于網(wǎng)絡(luò)的普及,基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視技術(shù)方興未艾,而遠(yuǎn)程控制的終端設(shè)備本身就是機(jī)電一體化產(chǎn)品?,F(xiàn)場(chǎng)總線和局域網(wǎng)技術(shù)使家用電器網(wǎng)絡(luò)化已成大勢(shì),利用家庭網(wǎng)絡(luò)(Homenet)將各種家用電器連接成以計(jì)算機(jī)為中心的計(jì)算機(jī)集成家電系統(tǒng)(Computer integrated appliancesystem,CIAS) ,使人們?cè)诩依锓窒砀鞣N高技術(shù)帶來(lái)的便利與快樂(lè)。此機(jī)電一體化產(chǎn)品無(wú)疑朝著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。

2.4 微型化 微型化興起于20世紀(jì)80年代末,是機(jī)電一體化向微型機(jī)器和微觀領(lǐng)域發(fā)展的趨勢(shì)。近十余年來(lái),微機(jī)電系統(tǒng)(Micro Electro Mechanic System,MEMS)[sj,作為機(jī)電一體化技術(shù)的新尖端分支而倍受重視,它泛指幾何尺寸不超過(guò)1cm的機(jī)電一體化產(chǎn)品,并向微米、納米級(jí)發(fā)展。微機(jī)電系統(tǒng)高度融合了微機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)和軟件技術(shù),發(fā)展難點(diǎn)在于微機(jī)械并不是簡(jiǎn)單地將大尺寸的機(jī)械按比例縮小,由于結(jié)構(gòu)的微型化,在材料、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、摩擦特性、加工方法、測(cè)試與定位及驅(qū)動(dòng)方式等方面部產(chǎn)生了一些特殊問(wèn)題。微機(jī)電一體化產(chǎn)品體積小、耗能少、運(yùn)動(dòng)靈活,可進(jìn)入一般機(jī)械無(wú)法進(jìn)入的空問(wèn),并易于進(jìn)行精細(xì)操作,因此在生物醫(yī)療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。因此在生物醫(yī)學(xué)、航空航天、信息技術(shù)、工農(nóng)業(yè)乃至防等領(lǐng)域,都有廣闊的應(yīng)用前景。目前,利用半導(dǎo)體器件制造過(guò)程中的蝕刻技術(shù),在實(shí)驗(yàn)室中已制造出亞微米級(jí)的機(jī)械元件。

2.5 模塊化 機(jī)電一體化產(chǎn)品和技術(shù)可分為機(jī)械、電子和軟件三大部分。模塊化技術(shù)是這三者的共同技術(shù)。模塊化技術(shù)可以減少產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)成本,提高不同產(chǎn)品問(wèn)的零部件通用化程度,提高產(chǎn)品的可裝配性、可維修性和可擴(kuò)展性等。融合機(jī)械、電子和軟件三大部分的機(jī)電一體化模塊代表了未來(lái)產(chǎn)品的發(fā)展方向,具有高度自主性、良好協(xié)調(diào)性和自組織性的特點(diǎn)??傊?,模塊化設(shè)計(jì)與制造是機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本方法和發(fā)展趨勢(shì)。隨著微處理器性能價(jià)格比的迅速提高和微機(jī)械電子(MEMS)技術(shù)的飛速發(fā)展,各種機(jī)電一體化模塊將越來(lái)越多地出現(xiàn)在市場(chǎng)上。利用這些模塊,可以迅速方便地設(shè)計(jì)和制造出各種新的機(jī)電一體化產(chǎn)品。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述,機(jī)電一體化的出現(xiàn)不是孤立的,它是許多科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶,是社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展到一定階段的必然要求。當(dāng)然,與機(jī)電一體化相關(guān)的技術(shù)還有很多,并且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,各種技術(shù)相互融合的趨勢(shì)將越來(lái)越明顯,機(jī)電一體化技術(shù)的廣闊發(fā)展前景也將越來(lái)越光明。

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