机电一体化发展状况及趋势分析

顾嘉阳

（江苏科技大学 机械工程学院，江苏 镇江 212003）

[摘 要] 随着技术的发展和应用领域的不断推广，机电一体化的发展越来越快，分析机电一体化发展状况和总体的趋势，可以让人们把握发展方向，再度创新。

[关键词] 机电一体化；电子技术；机电技术；定位控制

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2017. 07. 072

[中图分类号] TP311 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2017）07- 0152- 03

0 前 言

几十年以来，高新技术推动了远程操控无人值守系统技术的发展并取得了巨大进步，其发展趋势和主要特征如下：①具有比较明显的机电化属性。而更为重要的是其改变了以往的纯機械属性。②高新技术带来崭新的生命力。远程操控无人值守系统在高新技术推动下成为多种技术的综合体。③我国远程操控无人值守系统技术以机电融合技术为基础。自动化、自主化和智能化是我国远程操控无人值守系统发展的方向。 在机械技术、信息技术与电子技术进行有机结合的条件下，机电一体化技术成为一种最新的技术实现了生产过程和工业产品的整体优化。远程操控系统是机电一体化系统进一步发展的结晶，它结合了机械、微电子与计算机、精密机械、自动控制与驱动装置、传感器及信息处理技术、人工智能等多个学科领域的最新科研成果。

1 国内外机电一体化发展状况

1.1 发展概述

机电一体化起源于日本，伴随着电子信息技术向传统机械产品渗透的过程中产生了机电一体化，其发展大致分为三个阶段。

初级阶段即20世纪前期是第一阶段。在第一阶段期间，由于初步发展的电子技术对机械产品的性能的优化。特别是在第二次世界大战期间，为适应战争的迫切需要，电子技术进一步优化了纯机械产品的性能，在战争结束后，与军用技术相结合的机电技术转为民用，此新兴技术加速了战后经济的恢复。那个时期研制及开发整体上处于自发阶段。因为当时的电子技术发展水平还不是很高，电子技术和机械技术还不能很好的结合与渗透，导致已开发的产品不能得到大量快速地推广。

20世纪中后期为第二阶段，机电技术得到迅猛发展。这一阶段，控制技术、计算机技术和通信技术的发展又为机电一体化的快速发展埋下深基。除此之外，机电一体化的发展以大规模型和超大规模的微型 PC 和集成电路为中心。该时期的特点：①机电一体化技术及其产品快速发展；② mechatronics 一词起源于日本，该词直到20世纪80年代末才在世界范围内被广泛承认；③机电一体化技术和产品均受到各国的关注和支持。

20世纪末期，机电一体化技术迈向智能化方向舞台。发展出微机电一体化和光机电一体化等新分支领域；与此同时，开创了以光纤技术、神经网络技术、人工智能技术等领域推动的发展新纪元。诸多研究促进机电一体化进一步发展并更加完善。

1.2 机电一体化装置主要完成功能及组成

凡是系统，其内部都有动力、检测、控制等功能。机电一体化系统的主要功能是实现动力和运动的转换和传递，动力功能是向系统提供动力，能量应与动力和运动的传递和转换相匹配。使系统得以正常运转。对整个系统的内部信息、外部信息加工处理，控制系统实现正常运转，并实现其工作目的。机电一体化装置及系统由以机械部分、信息检测控制部分和驱动单元等为主体部分组成，如图1所示。

此系统在电动驱动方式下，利用部分信息处理指令，规定的运动即可在驱动执行部分作用下完成。检测部分将检测到的信息送回信息处理与控制部分，作为发送信息的依据。传动部分由光杆、滚珠丝杠副组成，驱动部分由电机组成，信息处理和控制部分作为信息处理和控制的核心，它将传感器检测的信号，根据一定的算法，对数据和信息进行存储、变换等处理，并通过接口向执行机构发出执行命令，完成规定的动作，同时，电源部分为系统提供所需的动力和能量。

2 国内外机电一体化发展的趋势

2.1 智能化

智能化是机电一体化与传统机械自动化的主要区别之一， 也是21世纪机电一体化的发展方向。近几年，处理器速度的提高和微机的高性能化、传感器系统的集成化与智能化为嵌入智能控制算法创造了条件，有力地推动着机电一体化产品向智能化方向发展。智能机电一体化产品可以模拟人类智能，具有某种程度的判断推理、逻辑思维和自主决策能力，从而取代制造工程中人的部分脑力劳动。目前， 专家系统、模糊系统、神经网络以及遗传算法，是机电一体化产品（系统） 实现智能化的4种主要技术，它们各自独立发展又彼此相互渗透。随着制造自动化程度的不断提高，将会出现智能制造系统控制器来模拟人类专家的智能制造活动， 并会对制造中出现的问题进行分析、判断、推理、构思和决策。例如，在CNC数控机床上增加人机对话功能，设置智能I/O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。随着模糊数学、神经网络、灰色理论、心理学、生理学和混沌动力学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。

2.2 集成模块化

模块化是一项重要而艰巨的任务，研制具有标准化的机械接口，动力接口，信号接口很有必要。模块化也给机电一体化企业带来美好的发展未来。

2.3 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。它是一个新兴的、多学科交叉的高科技领域，面临许多课题，涉及许多关键技术。由于微机电一体化系统具有体积小、耗能小、运动灵活等特点，可进入一般机械无法进入的空间并易于进行精细操作，故在生物医学、航空航天、信息技术、工农业乃至国防等领域，都有广阔的应用前景。微型机械加工技术作为微型机械的最关键技术，也必将有一个大的发展。硅加工、LIGA加工和准LIGA加工正向着更复杂、更高深度适合各种要求的材料特性和表面特性的微结构以及制作不同材料特别是功能材料微结构，更易于与电路集成的方向发展，多种加工技术结合也是其重要方向。目前，利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术，在实验室中已制造出亚微米级的机械元件。

2.4 系统化

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。 它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，进行任意的剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。表现特征之二是通信功能大大加强，一般除R S232等常用通信方式外，实现远程及多系统通信联网需要的局部网络正逐渐被采用。未来的机电一体化更加注重产品与人的关系，如何赋予机电一体化产品以人的智能、情感、人性显得越来越重要以及模仿生物机理等方面的产品。机电一体化产品还可根据一些生物体优良的构造研究某种新型机体，使其向着生物系统化方向发展。

2.5 自源化

自源化是指机电一体化产品自身带有能源，如太阳能电池、燃料电池和大容量电池。由于在许多场合无法使用电能，因而对于运动的机电一体化产品，自带动力源具有独特的好处。

2.6 环保化

工业的发达给人们生活带来巨大变化。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，具有远大的发展前景。

主要参考文献

[1]徐元昌.机电系统设计[M].北京：化学工业出版社.2005.

[2]张立勋.机电一体化系统设计[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2004.