機電一體化技術現狀與發展趨勢分析
機電一體化是機械、電子、光學、控制、計算機、信息等多學科的交叉融合,它的發展和進步依賴於也促進相關技術的發展和進步。本文介紹了國內外機電一體化的發展現狀,分析了機電一體化的發展趨勢。
機電一體化是一個新興的邊緣學科，正處於發展階段，代表著機械工業技術革命的發展方向[1]。一般認為，機電一體化技術是一門跨學科的綜合性高技術，是由微電子技術、計算機技術、信息技術、機械技術及其他技術相融合而構成的一門獨立的交叉學科。美國IEEE/ASME曾於1996年給出了一個較為全面的定義:“我們對機電一體化初步定義為'在工業產品和過程的設計和製造中，機械工程和電子與智能計算機控制的協同集成' ，包括以下11個方面：（1）成型和設計；（2）系統集成；（3）執行器和傳感器；（4）智能控制；（5）機器人；（6）製造；（7）運動控制； （8）振動和噪聲控制；（9）微器件和光電子系統；（10）汽車系統；（11）其他應用”。目前，國際上普遍採用日本機械振興協會的定義：“機電一體化是在機械的主功能、動力功能、信息功能和控制功能上引進微電子技術，並將機械裝置與電子裝置用相關軟件有機結合而構成的系統的總稱[3]”，涉及機械製造技術、電子技術、信息處理技術、測試和傳感器技術、控制技術、接口技術、計算機技術、伺服驅動等多種技術。機電一體化技術對現代工業的發展有巨大的推動力，因此世界各國都在大力推廣機電一體化技術。
1國外機電一體化發展現狀
機電一體化的發展大體可以分為三個階段。第一階段（又稱初級階段）是20世紀60年代以前，這一時期人們不自覺地利用電子技術並使之得到比較廣泛的承認。第二階段，機電一體化技術和產品得到了極大發展。第三階段，各國均開始極大關注和支持機電一體化技術和產品。
1989年在日本東京召開的第一屆國際先進機電一體化學術會議，是機電一體化向縱深發展的標誌，各國政府也開始有計劃地推動和發展機電一體化技術和產品。目前，日本和美國在機電一體化產品開發和應用方面處於世界領先地位。美國商務部曾發表過一份關於日本機電一體化的研究報告，對日美兩國機電一體化技術的基礎研究、超前開發與形成產品等三方面進行了比較，結論是除機器視覺與軟件外，日本的基礎研究與美國是可以比擬的。當前，他們都將智能傳感器、計算機芯片製造技術、具有觸覺和人機對話功能的人工智能工業機器人、柔性製造系統等列為高技術領域的重大研究課題，並投入大量資金支持發展相關技術。
20世紀90年代後期，機電一體化進入了深入發展時期。光學、通信技術、微細加工技術等進入了機電一體化，出現了光機電一體化和微機電一體化的新分支。同時對機電一體化系統的建模設計、分析和集成方法，以及學科體系和發展趨勢都進行了深入研究。人工智能技術、神經網絡技術及光纖技術也為機電一體化技術開闢了廣闊的發展天地。
因此，機電一體化產品得以迅猛發展，主要表現在以下4個方面:
（1）機電一體化產品幾乎遍及所有製造業領域。在工業發達國家，數控機床佔機床總數的30%～40%。
工業機器人正向智能化和智能係統的方向發展，數量在未來十年將以25%～30%的速度增長。智能機器人將逐步進入辦公、管理、娛樂、家庭等各個領域。
（2）機電一體化從單機向整個製造業的集成化過渡。計算機集成製造系統(CIMS)是當今世界製造業發展的總趨勢,它打破原有部門之間的界線以製造為基幹來控制“物流”和“信息流”,實現從經營決策、產品開發、生產準備、生產實驗到生產經營管理的有機結合。 CIMS的實現是全局動態的最優綜合。
（3）激光技術進入機電一體化領域。光機電一體化是激光技術與機械、電子技術相結合,不僅大大擴展了機電一體化的應用領域,而且使一些行業出現重大變革，是當今信息業與製造業的最佳結合點。
（4）微細加工技術與設備發展迅猛。微電子技術及其產業的高速發展,帶動了大量高新技術的興起,微細加工技術和裝備不僅支持了電子產業的發展,而且對微機械的誕生和發展也起了決定性的作用。
2國內機電一體化發展現狀
我國從20世紀80年代初開始進行機電一體化的研究和應用，國務院成立了機電一體化領導小組並將其列為“863計劃”。在製定“九五”規劃和2010年發展綱要時充分考慮了國際上關於機電一體化技術的發展動向和由此可能帶來的影響，許多大專院校、研究機構及一些大中型企業對這一技術的發展及應用做了大量的工作。雖然目前國內機電一體化技術與日本、歐美等先進國家相比仍有一定差距[6]，但隨著新技術革命的迅猛發展，我國加大了機電一體化技術的研究力度，並將其確定為國家高技術重點研究領域，給予優先支持，並取得了一定的成績。
（1）數控技術方面。我國數控技術起步於1958年，在“九五”末期,國產數控機床的國內市場佔有率達50%,配國產數控系統(普及型)也達到了10%。縱觀我國數控技術近50年的發展歷程,特別是經過4個5年計劃的攻關,總體來看取得了很好成績。目前,已具有年產數控系統3000多套、主軸與進給裝置5000多套的生產能力。近十年來,普通級數控機床的加工精度已由10μm提高到5μm,精密級加工中心則從3～5μm,提高到1～1.5μm,並且超精密加工精度已開始進入納米級(0.01μm)[ 7]。
（2）工業機器人方面。我國1986年將機器人的研究開發列入國家科技計劃,現已掌握了機器人操作機的設計製造技術、控制系統和軟件編程技術、運動學和軌跡規劃技術,生產了部分機器人的關鍵元器件,並進入實用化階段，開發出弧焊、點焊、噴漆、裝配、搬運、注塑、沖壓及能前後行走、爬牆、水下作業的多種機器人。目前，國內相關科研機構和企業已掌握了工業機器人操作機的優化製造技術，解決了工業機器人控制、驅動系統的設計技術，機器人軟件的設計和編程等關鍵技術，還掌握弧焊、點焊及大型機器人自動生產線（工作站）與周邊配套設備的開發和製備技術。現在，我國從事機器人研發的單位有200多家，專門從事機器人產業開發的企業有50家以上，中國市場上總共擁有近萬台工業機器人，其中完全國產的工業機器人（行業內規模比較大的前三家工業機器人企業）行業集中度佔30%左右。
（3）計算機集成製造系統方面。我國經過多年的理論和技術準備,CIMS已經有了較快發展。
目前,已在清華大學建成國家CIMS工程研究中心,在著名高校和研究單位建立了7個CIMS單元技術實驗室和8個CIMS培訓中心[9]。 2000年,全國已有20多個省市、10多個行業、200多家不同規模和類型的企業通過實施CIMS應用示範工程,取得了巨大的經濟效益。當前,CIMS的進一步試點推廣應用已經擴展到機械、電子、航空、航天、輕工、紡織、冶金、石油化工等諸多領域,正得到各行各業越來越多的關注和投入。
3機電一體化的發展趨勢
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，它的發展和進步依賴並促進相關技術的發展和進步。縱觀國內外機電一體化的發展現狀和高新技術的發展動向，機電一體化將朝著以下幾個方向發展：
（1）綠色化
工業的發達給人們生活帶來了巨大變化。一方面,物質豐富,生活舒適;另一方面,資源減少,生態環境受到嚴重污染。於是,人們呼籲保護環境資源,回歸自然。綠色產品概念在這種呼聲下應運而生,綠色化是時代的趨勢。綠色產品在其設計、製造、使用和銷毀的生命過程中,符合特定的環境保護和人類健康的要求,對生態環境無害或危害極少,資源利用率極高。機電一體化產品的綠色化主要是指使用時不污染生態環境,報廢後能回收利用[6]。工業的發展使得資源減少，生態環境受到嚴重污染。綠色化成了時代的趨勢，產品的綠色化更成了適應未來發展的一大特色。
如果我們把機械產品和製造機械產品的機械裝置統稱為機械系統，則機電一體化技術的功能可歸結為：提高機械系統的性能，完成傳統機械系統不能完成的功能；提高機械系統的智能化程度，使人在更舒適的環境中工作；提高機械系統的可回收性；降低機械系統的原材料消耗；降低機械系統的能耗；降低機械系統對環境的污染，可以看出其中至少有3條是和環境保護有關的。因而，進入21世紀，機電一體化技術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、環境舒適和可回收的智能化機械產品，即提供一種能滿足可持續性發展的綠色產品。
（2）智能化
智能化是21世紀機電一體化技術發展的一個重要發展方向。人工智能係統是一個知識處理系統,它包括知識表示、知識利用和知識獲取三個基本問題,其最終的目標是模擬人的問題求解、推理、學習。人工智能在機電一體化建設中的研究日益得到重視,機器人與數控機床的智能化就是重要應用。 “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。目前,專家系統、模糊系統、神經網絡以及遺傳算法,是機電一體化產品(系統)實現智能化的4種主要技術，它們各自獨立發展又彼此相互滲透。隨著製造自動化程度的不斷提高,將會出現智能製造系統控制器來模擬人類專家的智能製造活動,並會對製造中出現的問題進行分析、判斷、推理、構思和決策[10]。
（3）網絡化
20世紀90年代,計算機技術的突出成就是網絡技術。網絡技術的興起和飛速發展給科學技術、工業生產、政治、軍事、教育等人們日常生活都帶來了巨大的變革，同樣也給機電一體化技術帶來了重大影響，例如通過網絡對機電一體化設備進行遠程控制。
各種網絡將全球經濟、生產連成一片,企業間的競爭也將全球化。機電一體化新產品一旦研製出來,只要其功能獨到,質量可靠,很快就會暢銷全球。由於網絡的普及,基於網絡的各種遠程控制和監視技術方興未艾,而遠程控制的終端設備本身就是機電一體化產品。現場總線和局域網技術是家用電器網絡化已成大勢,利用家庭網絡(homenet)將各種家用電器連接成以計算機為中心的計算機集成家電系統(computerintegratedappliancesystem,CIAS),使人們在家里分享各種高技術帶來的便利與快樂。因此機電一體化產品無疑朝著網絡化方向發展。
（4）微型化
微型化興起於20世紀80年代末,是機電一體化向微型機器和微觀領域發展的趨勢。近十餘年來，微機電系統（MicroElectroMechanicSystem,MEMS）,作為機電一體化技術的新尖端分支而倍受重視,泛指幾何尺寸不超過1cm3的機電一體化產品,並向微米、納米級發展。微機電系統高度融合了微機械技術、微電子技術和軟件技術，發展難點在於微機械並不是簡單地將大尺寸的機械按比例縮小，由於結構的微型化，在材料、機構設計、摩擦特性、加工方法、測試與定位及驅動方式等方面都產生了一些特殊問題。
微機電一體化產品體積小、耗能少、運動靈活,可進入一般機械無法進入的空間，並易於進行精細操作，因此在生物醫療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優勢。因此在生物醫學、航空航天、信息技術、工農業乃至國防等領域，都有廣闊的應用前景。目前，利用半導體器件製造過程中的蝕刻技術，在實驗室中已製造出亞微米級的機械元件。
（5）模塊化
機電一體化產品和技術可分為機械、電子和軟件三大部分。模塊化技術是這三者的共同技術。模塊化技術可以減少產品的開發和生產成本，提高不同產品間的零部件通用化程度，提高產品的可裝配性、可維修性和可擴展性等。融合機械、電子和軟件三大部分的機電一體化模塊代表了未來產品的發展方向，具有高度自主性、良好的協調性和自組織性的特點。總之，模塊化設計與製造是機電一體化系統的基本方法和發展趨勢。隨著微處理器性能價格比的迅速提高和微機械電子（MEMS）技術的飛速發展，各種機電一體化模塊將越來越多地出現在市場上。利用這些模塊，可以迅速方便地設計和製造出各種新的機電一體化產品。
機電一體化是許多科學技術發展的結晶,是社會生產力發展到一定階段的必然要求。 21世紀,機電一體化技術將成為機械工業的主角，在各方面均可帶來顯著的經濟效益和社會效益。機電一體化的出現不是孤立的,它是許多科學技術發展的結晶,是社會生產力發展到一定階段的必然要求。隨著科學技術的發展,各種技術相互融合的趨勢將越來越明顯，以機械技術、微電子技術的有機結合為主體的機電一體化技術是機械工業發展的必然趨勢，機電一體化技術的廣闊發展前景也將越來越光明。
