在機械工程領域，由于微電子技術和計算機技術的迅速發(fā)展及其向機械工業(yè)的滲透所形成的機電一體化，使機械工業(yè)的技術結(jié)構、產(chǎn)品機構、功能與構成、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“機械電氣化”邁入了“機電一體化”為特征的發(fā)展階。
一、機電一體化概要
機電一體化是指在機構得主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進電子技術，將機械裝置與電子化設計及軟件結(jié)合起來所構成的系統(tǒng)的總稱。
機電一體化發(fā)展至今也已成為一門有著自身體系的新型學科，隨著科學技術的不斷發(fā)展，還將被賦予新的內(nèi)容。但其基本特征可概括為：機電一體化是從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，綜合運用機械技術、微電子技術、自動控制技術、計算機技術、信息技術、傳感測控技術、電力電子技術、接口技術、信息變換技術以及軟件編程技術等群體技術，根據(jù)系統(tǒng)功能目標和優(yōu)化組織目標，合理配置與布局各功能單元，在多功能、高質(zhì)量、高可靠性、低能耗的意義上實現(xiàn)特定功能價值，并使整個系統(tǒng)最優(yōu)化的系統(tǒng)工程技術。由此而產(chǎn)生的功能系統(tǒng)，則成為一個機電一體化系統(tǒng)或機電一體化產(chǎn)品。因此，“機電一體化”涵蓋“技術”和“產(chǎn)品”兩個方面。
1、機電一體化技術發(fā)展
機電一體化是機械、微電子、控制、計算機、信息處理等多學科的交叉融合，其發(fā)展和進步有賴于相關技術的進步與發(fā)展，其主要發(fā)展方向有數(shù)字化、智能化、模塊化、網(wǎng)絡化、人性化、微型化、集成化、帶源化和綠色化。
(1) 數(shù)字化
微控制器及其發(fā)展奠定了機電產(chǎn)品數(shù)字化的基礎，如不斷發(fā)展的數(shù)控機床和機器人；而計算機網(wǎng)絡的迅速崛起，為數(shù)字化設計與制造鋪平了道路，如虛擬設計、計算機集成制造等。數(shù)字化要求機電一體化產(chǎn)品的軟件具有高可靠性、易操作性、可維護性、自診斷能力以及友好人機界面。數(shù)字化的實現(xiàn)將便于遠程操作、診斷和修復。
(2) 智能化
即要求機電產(chǎn)品有一定的智能,使它具有類似人的邏輯思考、判斷推理、自主決策等能力。隨著模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡、灰色理論、小波理論、混沌與分岔等人工智能技術的進步與發(fā)展，為機電一體化技術發(fā)展開辟了廣闊天地。
(3) 模塊化
由于機電一體化產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠家繁多，研制和開發(fā)具有標準機械接口、動力接口、環(huán)境接口的機電一體化產(chǎn)品單元模塊是一項復雜而有前途的工作。如研制具有集減速、變頻調(diào)速電機一體的動力驅(qū)動單元；具有視覺、圖像處理、識別和測距等功能的電機一體控制單元等。這樣，在產(chǎn)品開發(fā)設計時，可以利用這些標準模塊化單元迅速開發(fā)出新的產(chǎn)品。
(4) 網(wǎng)絡化
由于網(wǎng)絡的普及，基于網(wǎng)絡的各種遠程控制和監(jiān)視技術方興未艾。而遠程控制的終端設備本身就是機電一體化產(chǎn)品，現(xiàn)場總線和局域網(wǎng)技術使家用電器網(wǎng)絡化成為可能，利用家庭網(wǎng)絡把各種家用電器連接成以計算機為中心的計算機集成家用電器系統(tǒng)，使人們在家里可充分享受各種高技術帶來的好處，因此，機電一體化產(chǎn)品無疑應朝網(wǎng)絡化方向發(fā)展。給人們帶來無窮的知識和方便。
(5) 人性化
機電一體化產(chǎn)品的最終使用對象是人，如何給機電一體化產(chǎn)品賦予人的智能、情感和人性顯得愈來愈重要，機電一體化產(chǎn)品除了完善的性能外，還要求在色彩、造型等方面與環(huán)境相協(xié)調(diào)，使用這些產(chǎn)品，對人來說還是一種藝術享受，如家用機器人的最高境界就是人機一體化。
(6) 微型化
微型化是精細加工技術發(fā)展的必然，也是提高效率的需要。微機電系統(tǒng)(micro electronic mechanical systems，簡稱mems)是指可批量制作的，集微型機構、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路，直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。自1986年美國斯坦福大學研制出第一個醫(yī)用微探針，1988年美國加州大學berkeley分校研制出第一個微電機以來，國內(nèi)外在mems工藝、材料以及微觀機理研究方面取得了很大進展，開發(fā)出各種mems器件和系統(tǒng)，如各種微型傳感器（壓力傳感器、微加速度計、微觸覺傳感器），各種微構件（微膜、微粱、微探針、微連桿、微齒輪、微軸承、微泵、微彈簧以及微機器人等）。
(7) 集成化
集成化既包含各種技術的相互滲透、相互融合和各種產(chǎn)品不同結(jié)構的優(yōu)化與復合，又包含在生產(chǎn)過程中同時處理加工、裝配、檢測、管理等多種工序。為了實現(xiàn)多品種、小批量生產(chǎn)的自動化與高效率，應使系統(tǒng)具有更廣泛的柔性。
(8) 帶源化
是指機電一體化產(chǎn)品自身帶有能源，如太陽能電池、燃料電池和大容量電池。由于在許多場合無法使用電能。帶源化是機電一體化產(chǎn)品的發(fā)展方向之一。
(9) 綠色化
科學技術的發(fā)展給人們的生活帶來巨大變化，在物質(zhì)豐富的同時也帶來資源減少、生態(tài)環(huán)境惡化的后果。所以，人們呼喚保護環(huán)境，回歸自然，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，綠色產(chǎn)品概念在這種呼聲中應運而生。綠色產(chǎn)品是指低能耗、低材耗、低污染、舒適、協(xié)調(diào)而可再生利用的產(chǎn)品。在其設計、制造、使用和銷毀時應符合環(huán)保和人類健康的要求，機電一體化產(chǎn)品的綠色化主要是指在其使用時不污染生態(tài)環(huán)境，產(chǎn)品壽命結(jié)束時，產(chǎn)品可分解和再生利用。2、機電一體化產(chǎn)品
機電一體化產(chǎn)品分系統(tǒng)(整機)和基礎元、部件兩大類。典型的機電一體化系統(tǒng)有：數(shù)控機床、機器人、汽車電子化產(chǎn)品、智能化儀器儀表、電子排版印刷系統(tǒng)、cad／cam系統(tǒng)等。典型的機電一體化元、部件有：電力電子器件及裝置、可編程序控制器、模糊控制器、微型電機、傳感器、專用集成電路、伺服機構等。這些典型的機電一體化產(chǎn)品的技術現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢、市場前景分析從略。
二、機電一體化的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
機電一體化發(fā)展至今已經(jīng)成為一門自成一體的新型學科, 隨著科學技術的不斷發(fā)展, 必將被賦一予新的內(nèi)容。但其基本特征可概括為機電一體化是從系統(tǒng)的觀點出發(fā), 綜合運用機械技術、微電子技術、自動控制技術、汁算機技術、信息技術、傳感測控技術、電力電子技術、接口技術、信息變換技術以及軟件編程技術等群體技術, 根據(jù)系統(tǒng)功能目標和優(yōu)化組織目標, 合理配置與布局各功能單元, 在多功能、高質(zhì)量、高可靠性、低能耗的意義上實現(xiàn)特定功能價值, 并使整個系統(tǒng)最終達到最優(yōu)化的系統(tǒng)工程技術。由此而產(chǎn)生的功能系統(tǒng), 就成為一個機電一體化系統(tǒng)或機電一體化產(chǎn)品。因此, “ 機電一體化” 涵蓋“ 技術” 和“ 產(chǎn)品” 兩個方面。只是, 機電一體化技術是基于上述群體技術有機融合的一種綜合技術, 而不是機械技術、微電子技術以及其它新技術的簡單組合、拼湊。這是機電一體化與機械加電氣所形成的機械電氣化在概念上的根本區(qū)別。
機械工程技術由純技術發(fā)展到機械電氣化, 仍屬傳統(tǒng)機械, 其主要功能依然是代替和放大的體現(xiàn)。但一一機電一體化的發(fā)展狀況機電一體化的發(fā)展大體可以分為個階段。
世紀年代以前為第一階段, 這一階段稱為初級階段, 在這一時期, 人們不自覺地利用電子技術的初步成果來完善機械產(chǎn)品的性能, 特別是在第二次世界大戰(zhàn)期間, 戰(zhàn)爭極大地刺激了機械產(chǎn)品與電子技術的結(jié)合, 這些機電相結(jié)合的軍用技術, 戰(zhàn)后轉(zhuǎn)為民用, 對戰(zhàn)后經(jīng)濟的恢復起到了積極的作用。
從當時研制和開發(fā)的總體上看還處于自發(fā)狀態(tài)。由于當時電子技術的發(fā)展尚未達到一定水平, 機械技術與電子技術的結(jié)合還不可能廣泛和深入發(fā)展,已經(jīng)開發(fā)的產(chǎn)品也無法大量推廣使用。世紀一年代為第二階段, 可稱為蓬勃發(fā)展階段, 這一時期, 計算機技術、控制技術、通信技術的發(fā)展, 為機電一體化的發(fā)展奠定了堅實的技術基礎。大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路和微型計算機的迅猛發(fā)展,為機電一體化的發(fā)展提供了充分的物質(zhì)基礎。
世紀年代后期, 開始了機電一體化技術向智能化方向邁進的新階段, 機電一體化進人深人發(fā)展時期。一方面, 光學、通信技術等進人了機電一體化,微細加工技術也在機電一體化中嶄露頭腳, 出現(xiàn)了光機電一體化和微機電一體化等新分支另一方面對機電一體化系統(tǒng)的建模設計、分析和集成方法,機電一體化的學科體系和發(fā)展趨勢都進行了深入研究。同時, 由于人工智能技術、神經(jīng)網(wǎng)絡技術及光纖技術等領域取得的巨大進步, 為機電一體化技術開辟了發(fā)展的廣闊天地。這些研究, 將促使機電一體化進一步建立完整的基礎和逐漸形成完整的科學體系。使人們有更好的發(fā)展，給人類帶來生活的方便。
機電一體化的發(fā)展趨勢機電一體化是集機械、電子、光學、控制、計算機、信息等多學科的交叉綜合, 它的發(fā)展和進步依賴并促進相關技術的發(fā)展和進步。因此, 機電一體化的主要發(fā)展方向如下智能化智能化是世紀機電一體化技術發(fā)展的一個重要發(fā)展方向。人工智能在機電一體化建設的研究日益獲得重視, 機器人與數(shù)控機床的智能化就是重要應用。這里所說的“ 智能化” 是對機器行為的描述, 是在控制理論的基礎上, 吸收人工智能、運籌學、計算機科學、模糊數(shù)學、心理學、生理學和混沌動力學等新思想、新方法, 模擬人類智能, 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。
模塊化是一項重要而艱巨的工程。由于機電一體化產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠家繁多, 研制和開發(fā)具有標準機械接口、電氣接口、動力接口、環(huán)境接口的機電一體化產(chǎn)品單元是一項十分復雜但又是非常重要的事。如研制集減速、智能調(diào)速、電機于一體的動力單元, 具有視覺、圖像處理、識別和測距等功能的控制單元, 以及各種能完成典型操作的機械裝置。這樣, 可利用標準單元迅速開發(fā)出新產(chǎn)品, 同時也可以擴大生產(chǎn)規(guī)模這需要制定各項標準, 以便各部件、單元的匹配和接口。由于利益沖突, 近期很難制定國際或國內(nèi)這方面的標準, 但可以通過組建一些大企業(yè)逐漸形成。顯然, 從電氣產(chǎn)品的標準化、系列化帶來的好處可以肯定, 無論是對生產(chǎn)標準機電一體化單元的企業(yè)還是對生產(chǎn)機