机电一体化技术进展

1、机电一体化技术进展机电一体化技术的历史回顾追溯人类历史发展的长河，有一条绵绵不断的看不见的思”线，推动着技术的发展和进步。从杠杆到齿轮，从水轮机到核电站， 从风筝到航天飞机， 从珠算到电子计算机 追求 精益求精”的思想驱动着人们创造出一个又一个技术奇迹，建造了一个又一个技术丰 碑，永无休止，永无极限。正是精益求精"的思想创造了机电一体化技术，成为其发展的精神力量。从技术角度看，20世纪信息技术突飞猛进的发展为机电一体化技术的发展奠定了物 质基础。信息技术主要是指计算机技术、通信技术和控制技术，即所谓的3C(Compute、Control、CommunicationTechology，

2、简称3C)技术。信息技术有别于其他技术的一大特别是 它具有很强的 粘帖性”和 渗透性”。没有任何一类技术能像信息技术一样能粘帖”、渗透”于机理毫不相关的、属于不同领域的其他技术，例如：机械、生物、化学、医药、考古等， 从而 孕育”出一个个崭新的技术领域。机电一体化技术就是信息技术渗透”于机械技术的结果。实际上，远不止于此。在 渗透”的过程中，信息技术连带着把许多其他领域的技术也溶解”了进来，使机电一体化技术的内容十分丰富，几乎到了无处不在，无所不包的地步，对 社会、经济的发展产生了惊人的影响。机电一体化技术的发展历程，大体上可以分为3个阶段。20世纪60年代以前为第一阶段，称其为萌芽阶段”。在

3、这一时期，人们自觉或不自觉的利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。特别是在二次世界大战期间，战争刺激了机械产品与电子技术的结合，出现了许多性能相当优良的军事用途的机电产品。这些机电结合的军事用途的技术，在战后转为民用，对战后经济的恢复和技术的进步起到了积极 的作用。70年代到80年代为第二阶段。称其为 蓬勃发展阶段”。在这一时期，人们自觉地、 主动地利用3C技术的巨大成果创造新的机电一体化产品。在这一阶段，应该特别指出的是，日本在推动机电一体化技术的发展方面起了主导 作用。日本政府于1971年3月颁布了特定电子工业和特定机械工业振兴临时措施法， 要求企业界 应特别注意促进为机械配备电子计

4、算机和其他电子设备，从而实现控制的自动 化和机械产品的其他功能 ”。这就是日本政府在机械产品中贯彻精益求精”思想的檄文。显然，这里有其商业意图。但是，日本的企业界为了生存，竭尽全力实施了政府的这一法规。 经过短短的几年的努力，出现了奇迹！这是大家都知识的事实。因而， 机电一体化”一词由日本人创造也就不足为奇了。70年代初，日本学者新造了一个英文字：“MECHATRON”(=MECHANICS+ELECTRONICS)。由于 3C 技术与微电子技术有着极为密切的关系，因而“MECHATRONICS基本上反映了多学科融合、交叉的意义，特别是包含了机械学科与信息学科的渗透”与 粘帖”从这个意义上讲，

5、机电一体化”的内涵又可以说是机械产品信息化。1996年版的“WEBSTER大词典已经收录了这个日本造的英文字。这就意味着不仅“ MECHATRONIC”这个字得到了世界各国学术界和企业界的认可，而且意味着机电一体化的哲理和思想为世人所接受。在MECHATRONICS 问世之前，曾用过“ theintegrationofmechanicalandelectronicsystEms ，即机械与电子系统 集成”这个叫法，中英文都不顺口。“MECHATRONICS的中文直译是 机械电子学”但俗称 机电一体化”容易上口，更为流行，更合我国人的语言习惯。80年代末，美国出版了一本书 MECHATRONIC

6、S : Japan' sNewestThre惊呼机 电一体化”是日本对美国的最新威胁！基于这种认识，当时的美国总统里根亲自披挂上阵，主持制定了美国的新技术发展策略，对推动美国机电一体化技术的发展发挥了重要作用。相对日本机电一体化技术着重用于家用电器方面，美国则在大型电站设备、航空航天和制造设备方面独占鳌头。无独有偶，90年代中期，美国又出版了一本书CHINA : NextEconomicSuperpower 言外之意是：日本已经成为一个经济超级大国，构成了对美国的威胁；中国再发展下去，岂不构成对美国的下一个威胁！这一事实印证了 科学技术是第一生产力”这句名言。从90年代后期开始为第三阶

7、段， 称其为智能化阶段”机电一体化技术向智能化新 阶段迈进。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。大量的智能化机械产品不断涌现。现在，模糊控制”技术已经相当普遍，甚至还出现了 混沌”控制的产品。可以说，机电一体化技术将以智能化为内 核进入21世纪。2机电一体化技术和 绿色产品”工业化社会发展到今天，促使人们认识到：改造大自然，不破坏大自然；美化大自然，不污染大自然；来自大自然，回归大自然”是人类自身生存必须遵守的法规。现在就可以展望，21世纪的主题词将是 环境保护”因此，精益求精”思想的精”将拓展到人类与环 境的关系方面。如果我们把

8、机械产品和制造机械产品的机械装置统称为机械系统，则机电一体化技 术的功能可归结成以下 6条，即：1）提高机械系统的性能，完成传统机械系统不能完成的功能；2）提高机械系统的智能化程度，使人在更舒适的环境中工作；3）提高机械系统的可回收性；4）降低机械系统的原材料消耗；5）降低机械系统的能耗；6）降低机械系统对环境的污染。上述6条中至少有4条是和环境保护有关的。因而，进入21世纪，机电一体化技术的使命是要能提供一种：高性能、高原料利用率、低能耗、低污染、环境舒适和可回收的智 能化机械产品。或者用更SMART和名词来说，提供一种满足可持续发展原理的绿色产品”。事实上， 绿色”的本意就是指低能耗、低材

9、耗、低污染、舒适、协调而可再生利用，也就是 利用大自然而不破坏大自然的意思。反过来，我们也可以说，只有充分地利用机电一体化技术，才能生产出人们需要的 绿色产品。总之，人类生存需要绿色产品；人类生存需要制造绿色产品的机电一体化技术。我 们把机电一体化技术放到人类生存需要”的高度来认识，就不难理解发展机电一体化的紧迫性，也不难看出机电一体化技术有着无限的发展空间。3机电一体化技术的构成首先，要有一个明确的概念， 就是要认识到：机械工业是整个国民经济的装备工业， 是基础的基础。没有 精良”的机械工业，其它工业的 精良”就无从谈起。因此，精益求精”地把基础搞好，对国民经济有非常重要的意义。然后，再来讨

10、论机电一体化技术的构成问题就有了一个共同的思想基础。对于这个问题，众说不一。但总起来说，机电一体化技术是信息技术向机械母体”渗透的结果，即：机械技术母体+信息技术子体可以说，二者之关系有似 皮”和 毛”的关系。没有皮，毛焉何附也 ？没有毛，皮则裸 露，失去保暖功能。因此，是否可以说机电一体化技术由3部分组成，即：1）机械部分一一是整个产品的母体，包括机架、工作机构、传动和动力装置等，具 体实现人们最终需要的各种功能；2）信息处理部分一一包括控制装备和计算机，是处理信息的部分，是产品的神经”;3）传感器部分一一包括各种传感器，是信息的转换”部分，是产品的 感官”。如果把 转换”，也看作是一种 处

11、理”的话，传感器部分也可包括在信息处理部分。4机电一体化技术设计原理从方法学的观点出发，机电一体化技术应遵循以下设计原理：1）整体最优化原理机电一体化技术要求从系统的观点出发，综合机械技术和信息技术，实现整体最优 化。其实，最优化原理”是人类进行科学技术活动的基本思想动力。精益求精”是这一思想的生动描述。人们为达到一定的目标，采用直接或间接的方法求得达到该目标的最佳途径。这里强调 整体最优化”，正是运筹学思想在机电一体化技术中的体现。2）智能化原理这是机电一体化技术与传统机械自动化技术的主要区别之一，也是21世纪机电一体化技术发展的主要方向。关于 智能”的定义。目前尚无确切和统一的说法。但是，

12、它首先是对人类行为的描 述。智能”主要概括出人类有以下能力：感知能力；记忆能力；思维能力一包括形成概念的能力、判断能力、推理能力。我们这里所说的 智能化”。是对机器行为的描述，是仿人智能”，或者称之为 人工智能”（artificialntelligenee）。具体地说，智能化就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，以求得到更高的控制目标。3）仿生原理如果说智能化是仿人智能”，那么仿生”便是对所有生物行为的模仿。生物世界是 亿万年生物进化的结果，是 适者生存”这条自然规律 精雕细刻”的结果，是人类的学习宝库

13、。 现代信息技术和机械技术使这一模仿”比较容易，成为可能。4）柔性化原理也可称之为 软化原理”。由于使用了微电子技术，可以而且应当尽量用软件功能代 替硬件功能。因为 软化”可以使机械系统近乎完全贴近”实际工况的需要，极大地提高产品的性能。例如，加工中心机床、电梯的加减速无感控制”、汽车发动机的电喷技术、汽车的防抱死装置 ，都广泛地采用了软件控制原理。5）融合原理也可称之为合二为一原理”。这里指的是产品的各个部分的相互融合。例如，机械 传动部分的轴与电动机的轴的联接，传统方法是用联轴节。在机电一体化设计中， 就可以把电机设计成机械传动的一部分，在一些家电、航空航天和纺织机械等产品中，已经这样设计

14、了，并且取得节材、节能和提高性能的显著效果。6）可再生原理可再生原理要求：从开始设计之初，就应当考虑当产品生命结束时，产品残存部分 的可分解性和再生利用问题。在一些国家已经制定了有关产品可回收的法律。可以预见，在不久的将来，我国也一定会制订要求产品可回收的法律。7）美学原理人们的生活本身就追求美好。用机电一体化技术设计的产品，除了完美的性能之外，还要求设计者从美学的角度出发，使其无论在色彩方面，或是在造型方面都与环境相协调， 柔和一体，小巧玲珑、精益求精。使用这些产品，对人来说还是一种艺术享受。上述7条原理是互补的，并不是互相排斥的，是精益求精思想在不同侧面的反映。5机电一体化的核心技术机电一

15、体化的核心技术主要包括以下5个方面：1）机械制造技术这是机电一体化技术的基础。它和后面的其他几项技术的关系，已如前面所述，是 皮和毛的关系。我们再次强调这一点，是要说明机械技术在机电一体化技术中的重要作用。 它不是无事可做，而是大有作为。无论机械设计、机械制造，还是机械工艺，潜力都很大。2）信息处理技术主要是计算机，特别是单片机技术。可以说，在机电一体化技术中电”代表的技术内涵可以用下面的公式表示；单片机技术+PLC技术+通信技术这里应特别注意通信技术在机电一体化技术中的意义。近年来蓬勃发展的现场总线 技术（FIELDBUS），不仅是一种技术，更重要的是一种思想。它不仅对过程控制系统有重要 意

16、义，在单体装备上的应用也取得很大的成功。3）传感器技术包括各种物理量的传感器，特别是一器多感”技术。这里要特别指出光纤传感器”近年来取得了长足的进展，对机电一体化技术有重要影响。4）自动控制技术这是近年来最活跃的技术领域。特别是人工智能控制技术有了很快的发展，对机电 一体化技术产生了深远的影响。5）传动技术各种传动及传动控制技术，包括：机械传动、液压传动、气压传动、电力传动和磁 力传动等。这些传统的技术在微电子技术的支撑下，各显所长，竞相发展，最终实现人们需 要的各种动作和功能。特别是近年来电力电子技术的巨大进步， 大功率晶体管（IGBT、GTO等）的成功运用， 为大功率机电一体化产品的运动控制提供了条件。例如，出现了 15000kW船舶舷外推进装置”部分地代替了传统的低速柴油机直接推进系统。6结论1）机电一体化技术促使机械工业发生了战略性变革。传统的机械设计方法和设计概念正在发生着革命性的变化。新的方法等待我们去创造，去发现。机电一化技术将扮演21世纪机械工业的主角。2）机电一体化技术是