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九江学院 毕业论文浅析机电一体化技术的现状和发展趋势廖 相 员（九江学院机械工程学院B0413班 332005）【摘要】： 工程机械行业占有一席之地，必须加强产品创新，而机电一体化是现代科学技术发展的必然结果, 加速实现主导产品的机电一体化，增加产品的技术含量，开发出具有国际领先水平的高附加值产品。产品创新设计必须紧紧围绕产品上市时间、产品质量、产品成本及服务来开展。本文简述了机电一体化技术的基本概要和发展背景。综述了国内外机电一体化技术的现状，分析了机电一体化技术的发展趋势。【关键词】： 机电一体化 技术 现状 产品创新 发展趋势 市场开发1绪论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。2机电一体化概要机电一体化是指在机构得主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术，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已成为一门有着自身体系的新型学科，随着科学技术的不但发展，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，如自动检测、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。3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。但那时研制和开发从总体上看还处于自发状态。因此电子技术的发展未达到一定水平，机械技术与电子技术的结合还不可能广泛和深入发展，已经开发的产品也无法大量推广。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，机电一体化进入深入发展时期。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脚，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。同时，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，为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。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为“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，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机电一体化的研究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，机电一体化的主要研究方向如下：3.1智能化智能化是21世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向。人工智能在机电一体化建设者的研究日益得到重视，机器人与数控机床的智能化就是重要应用。这里所说的“智能化”是对机器行为的描述，是在控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法，模拟人类智能，使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力，以求得到更高的控制目标。诚然，使机电一体化产品具有与人完全相同的智能，是不可能的，也是不必要的。但是，高性能、高速的微处理器使机电一体化产品赋有低级智能或人的部分智能，则是完全可能而又必要的。3.2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是非常重要的事。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。3.3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、教育义举人么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，而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。现场总线和局域网技术是家用电器网络化已成大势，利用家庭网络(home net)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统(computer integrated appliance system, CIAS)，使人们在家里分享各种高技术带来的便利与快乐。因此，机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。3.4微型化微型化兴起于20世纪80年代末，指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。国外称其为微电子机械系统（MEMS），泛指几何尺寸不超过1cm3的机电一体化产品，并向微米、纳米级发展。微机电一体化产品体积小 、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。微机电一体化发展的瓶颈在于微机械技术，微机电一体化产品的加工采用精细加工技术，即超精密技术，它包括光刻技术和蚀刻技术两类。3.5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，报废后能回收利用。3.6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，研制各种机电一体花产品。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机电一体化产品应用方法4.1机电一体化产品机电一体化产品分系统(整机)和基础元、部件两大类。典型的机电一体化系统有：数控机床、机器人、汽车电子化产品、智能化仪器仪表、电子排版印刷系统、CADCAM系统等。典型的机电一体化元、部件有：电力电子器件及装置、可编程序控制器、模糊控制器、微型电机、传感器、专用集成电路、伺服机构等。4.2 资源创新 资金、信息及高水平人才是产品创新开发的基本保证。必要的资金是开展科研开发及其成果产业化的保障。必须采取多种方法和措施，不断增加科技投入，集中用于企业技术开发及其成果产业化等的资金需求。市场、技术、经济及法规等信息是产品创新设计的来源和基础。全球Internet网及企业Intranet网是获取产品创新开发信息的快捷有效途径，在科学技术日新月异，新技术、新工艺、新产品层出不穷的今天，现代信息技术成为加速产品创新开发的助推器。 人力资源（人及其组织）是影响产品创新设计的关键。必须采取有效措施发挥技术人员的创造能力，建立吸引高层技术人才并让其在技术研究及产品开发中发挥核心作用的用人机制，站在企业长远发展的战略高度合理使用和培养高层次技术人才。为实现企业的近、远期目标，建立相应的技术开发体系（组织），实施多层次的技术开发，并有相应机构对技术开发经费的使用及项目进行管理和评估。 4.3开发手段创新 传统的产品设计方法大多是模仿或经验设计，设计手段落后。初级CAD的应用主要在计算机绘图、改图、编制明细表等方面，而三维CAD设计、有限元分析、优化设计、可靠性设计、信息与电子技术等现代设计理论方法在工程机械产品设计开发中的应用仍然很少，造成品种单一、结构陈旧，由此带来产品市场竞争力不强，企业经济效益低下。 提高和增强企业的产品开发手段，是增强技术创新能力的有效方法。信息及其它高新技术的发燕尾服和成熟应用，为企业产品开发手段创新开辟了有效的途径。随时着以CAD技术为代表的信息技术在产品开发中的深入应用，将开创崭新的产品开发模式数字化产品设计，由此带来设计观念、设计方法、组织形式的全面创新，将迎来工程机械产品设计的现代化。 4.4开发组织形式的创新 在信息技术的支持下，产品开发的组织形式正向并行设计模式发展。所谓并行设计是对产品开发中的每一个过程都尽早考虑相关的各种因素。并行设计改变了传统的串行工作方法，使得在设计阶段就可能有制造和行销服务人员的介入和彼此信息交互，可以避免失误，避免反复，拉强综合协同，以提高产品开发全过程（设计/工艺/制造/市场/服务）的质量，缩短产品开发周期和降低产品整个生命周期的成本。并行设计是对传统产品开发组织方式的创新，是激烈的市场信息竞争的必然产物。 4.5保护和利用知识产权 企业产品创新开发就是要应用和体现自身的专有技术，并以专利的形式来保护创新成果。企业在新产品开发与技术研究的各个环节，对专利应有强烈的意识。决策技术开发方向时，要广泛了解国内外专利发展动态；研究开发新产品时，应检索专利文献，以提高创新开发起点，确保项目具有先进水平；研究开发新技术和新产品过程中，要注意技术保密，并及时申请专利，以保护企业的知识产权；开发新产品过程中，应利用新技术（包括专利技术）为企业服务。 4.6必须提高“三化”水平 多品种、小批量是工程机械典型的生产组织形式。因此，要实现创新技术和创新产品的产业化，必须提高创新产品的“三化”水平。工程机械产品“三化”标准化、系列化、模块化，可提高产品质量，提高企业管理水平，减少零件种类，避免重复设计。同时，有利于工艺编制、生产管理和零件制造，能够有效地降低成本，缩短设计、制造周期，对于多品种、小批量的工程机械产品有重大的实用意义。 4.7试验方法和手段的创新 激烈的市场竞争，要求新产品的性能和可靠性试验，必须改变过去用户试验的落后模式，对创新成果要认真进行台架试验和工业性可靠性试验。通过试验方法和手段的创新，提高企业自主创新能力，提高产品的可靠性和市场竞争力。 工业化国家在工程机械发展过程中，十分重视产品的工业性可靠试验，设置建造各种试验台和试验室，不仅对各部件的材料、强度、物理、化学特性等进行多