【正文】 第二課堂 技術(shù)講座 ： 淺談 《 機(jī)電一體化技術(shù)的新發(fā)展 》 控制器 （控制系統(tǒng)） 拖動 電動機(jī) 生產(chǎn)設(shè)備 繼 接斷續(xù)控制系統(tǒng) 交流調(diào)速系統(tǒng) 工控機(jī)控制系統(tǒng) 可編程控制器 單片機(jī)控制系統(tǒng) 直流調(diào)速系統(tǒng) 各種專用的控制器 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng) 交流電動機(jī) 直流電動機(jī) 伺服控制電動機(jī) 步進(jìn)電動機(jī) 交流伺服電動機(jī) 直流伺服電動機(jī) 直線電機(jī) 直接驅(qū)動電動機(jī) 數(shù)控機(jī)床 工業(yè)機(jī)器人 新式武器裝備和作戰(zhàn)指揮系統(tǒng) 航天航空飛行器 生產(chǎn)動力設(shè)備 交通運(yùn)輸設(shè)備 過程控制設(shè)備 現(xiàn)代辦公設(shè)備 現(xiàn)代通信設(shè)備 現(xiàn)代家用電器 1．機(jī)電一體化是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果 由于微電子、信息、生物工程、新材料、新能源、核武、空間、海洋等世界高新技術(shù)的突飛猛進(jìn)，極大地推動了不同學(xué)科的交叉與滲透?？v向分化、橫向綜合已成為當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要特點(diǎn)。 在機(jī)械工程領(lǐng)域，由于微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展及其向機(jī)械工業(yè)的滲透，使機(jī)械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機(jī)構(gòu)、功能與構(gòu)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(jī)械電氣化 ” 邁入了 “ 機(jī)電一體化 ”為特征的發(fā)展階段，創(chuàng)造出了許許多多夢幻中的新產(chǎn)品與新裝備。 機(jī)電一體化的發(fā)展，使傳統(tǒng)的機(jī)械如虎添翼，超越了操作機(jī)械和動力機(jī)械的范疇，進(jìn)入了智能化、柔性化、綠色化、人性化、信息化、多功能化、全自動化、微機(jī)數(shù)字化和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化控制的新時(shí)代，不僅極大地解放了人類的體力勞動，還極大地解放了人類的腦力勞動。 2．世界各國都在搶占 “ 機(jī)電一體化 ” 前沿技術(shù)的制高點(diǎn) ?美國提出 《 戰(zhàn)略防御倡議 》 即星球大戰(zhàn)計(jì)劃（ SDI）；歐洲提出 “ 尤里卡 ” 高技術(shù)發(fā)展規(guī)劃；日本提出《 振興科技的政策大綱 》 ；韓國提出 《 國家長遠(yuǎn)發(fā)展構(gòu)想 》 ；印度提出 《 新技術(shù)政策聲明 》 ； … 落后就要挨打！我國也公布了 《 高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃綱要 》 ，即 863計(jì)劃。 3．什么是機(jī)電一體化？ “機(jī)電一體化 ” 就是將機(jī)械、電子與信息技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)品和生產(chǎn)過程整體最優(yōu)化的一種高新技術(shù)。 機(jī)電一體化是指在設(shè)備機(jī)構(gòu)的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進(jìn)電子技術(shù)，將機(jī)械裝置與電子化設(shè)計(jì)及軟件結(jié)合起來所構(gòu)成的系統(tǒng)的總稱。 機(jī)電一體化發(fā)展至今也已成為一門具有自身體系的新型學(xué)科專業(yè)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，還將被賦予新的內(nèi)容。 4．機(jī)電一體化的技術(shù)基本特征 機(jī)電一體化是從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，綜合運(yùn)用機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、傳感測控技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)、信息變換技術(shù)以及軟件編程技術(shù)等群體技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)功能目標(biāo)和優(yōu)化組織目標(biāo)，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(shí)現(xiàn)特定功能價(jià)值，并使整個(gè)系統(tǒng)最優(yōu)化的系統(tǒng)工程技術(shù)。 機(jī)電一體化是一個(gè)綜合的概念，涵蓋 “ 技術(shù) ” 和“ 產(chǎn)品 ” 兩方面內(nèi)容。前者是指包括技術(shù)基礎(chǔ)、技術(shù)原理在內(nèi)的、使機(jī)電一體化產(chǎn)品得以實(shí)現(xiàn)、使用和發(fā)展的技術(shù)。后者是指采用機(jī)電一體化技術(shù)，在機(jī)械產(chǎn)品基礎(chǔ)上創(chuàng)造出來的新一代機(jī)電一體化產(chǎn)品 “ 機(jī)電一體化 ” 已成為當(dāng)今世界工業(yè)發(fā)展的主要趨勢，也帶動了傳統(tǒng)機(jī)械工業(yè)的一場新的革命。機(jī)械工業(yè)要爭生存，求發(fā)展，必需走機(jī)電一體化之路。 5．機(jī)電一體化的學(xué)科專業(yè)特點(diǎn) 突出特點(diǎn)在于它在機(jī)械產(chǎn)品中注入了過去所沒有的新技術(shù)，把電子器件的信息處理和自動控制等功能 “ 揉和 ” 到機(jī)械裝置中去，從而獲得了過去單靠某一種技術(shù)而無法實(shí)現(xiàn)的功能和效果。 重要實(shí)質(zhì)是應(yīng)用系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)和方法來分析和研究機(jī)電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)，綜合運(yùn)用各種現(xiàn)代高新技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開發(fā)，通過各種技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品內(nèi)部各組成都分的合理匹配和外部的整體效能最佳。 它與傳統(tǒng)機(jī)械的不同在于增添了檢測和自動化控制（即測控）等核心精尖技術(shù)，賦予工業(yè)產(chǎn)品更多更好更新的功能和柔性，是硬結(jié)構(gòu)和軟技術(shù)相互協(xié)調(diào)統(tǒng)一的一個(gè)信息處理系統(tǒng)。 它既區(qū)別于機(jī)械設(shè)計(jì)與制造專業(yè)，又不同于電氣自動化專業(yè)。前者的理論基礎(chǔ)是機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、固體力學(xué)、切削原理，缺乏電子與控制技術(shù)。后者的理論基礎(chǔ)是電力電子、電機(jī)傳動、測控與計(jì)算機(jī)技術(shù)，對機(jī)械設(shè)計(jì)、力學(xué)分析涉及較少。這兩類專業(yè)都很難適應(yīng)對現(xiàn)代化高新科技術(shù)機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、使用、維護(hù)、改造、開發(fā)和研制，更難勝任大量引進(jìn)先進(jìn)新技術(shù)與新設(shè)備的消化吸收和國產(chǎn)化自主創(chuàng)新。 機(jī)電一體化是一種嶄新的學(xué)術(shù)思想，它除了強(qiáng)調(diào)機(jī)與電的有機(jī)結(jié)合與融合，而不是簡單組合與、拼湊外，還具有更深刻、更廣泛的涵義。按照機(jī)電一體化思想，凡是由各種現(xiàn)代高新技術(shù)與機(jī)械和電子技術(shù)相互結(jié)合而形成的各種技術(shù)、產(chǎn)品 (或系統(tǒng) )都應(yīng)屬于機(jī)電一體化范疇。如 “ 機(jī)電光 ” 、 “ 機(jī)電儀 ” 、 “ 機(jī)電液（氣） ” 、 “ 機(jī)電信 ” 、 “ 機(jī)電計(jì) ” 等等。 “ 機(jī)電一體化 ” 是一個(gè)建立在高新技術(shù)發(fā)展基層上的大系統(tǒng)工程，其 “ 主體 ” 是機(jī)械 ，不是以機(jī)械為主體的設(shè)備系統(tǒng)是電子設(shè)備系統(tǒng)；其 “ 核心 ” 是控制和計(jì)算機(jī) ，不是以計(jì)算機(jī)控制的機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)是傳統(tǒng)的老機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)；發(fā)展 “ 機(jī)電一體化 ” 所面臨的共性關(guān)鍵技術(shù)主要有 “ 精密機(jī)械技術(shù) ” 、 “ 傳感檢測技術(shù) ” 、 “ 信息處理技術(shù) ” 、 “ 伺服驅(qū)動技術(shù) ” 、 “ 機(jī)電接口技術(shù) ” 、 “ 自動控制技術(shù) ” 、及 “ 系統(tǒng)總體技術(shù) ” ，已形成 “ 機(jī)械 +電氣 +計(jì)算機(jī) ” 三分天下的實(shí)際格局。 6．機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品 數(shù)控機(jī)床、智能機(jī)器人、新型武器裝備和作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)、高精尖的航空航天飛行器、以及用微電子（尤其微機(jī)）技術(shù)裝置了的自動化生產(chǎn)設(shè)備、動力設(shè)備、交通運(yùn)輸設(shè)備、生產(chǎn)過程自動化設(shè)備、通信設(shè)備、辦公設(shè)備和智能家用電器、智能兒童玩具等等。 這些都是當(dāng)今世界高新技術(shù)的核心和應(yīng)用成果集中體現(xiàn)。 “ 機(jī)電一體化 ” 工作的重點(diǎn)安排 （ 1）兩個(gè)層次：一是狠抓用微電子技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，二是集中人財(cái)物力抓緊抓好數(shù)字化、自動化、智能化機(jī)電產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用； （ 2）三個(gè)重點(diǎn)：數(shù)控裝置、新型工業(yè)控制系統(tǒng)、第二代電力電子產(chǎn)品系列； （ 3）八類產(chǎn)品：經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)、中檔數(shù)控系統(tǒng)、新型工業(yè)控制系統(tǒng)、可編程序控制器、發(fā)電設(shè)備自動控制系統(tǒng)、交流調(diào)速系統(tǒng)、智能化儀表、電力電子產(chǎn)品； （ 4）四項(xiàng)配套產(chǎn)品和技術(shù)：集成電路、傳感器、 CAD與 CAM、CAT； （ 5）一個(gè)前沿技術(shù)：智能機(jī)器人。 ? 人體是機(jī)電一體化系統(tǒng)最理想的參照物。如圖 a所示，構(gòu)成人體的五大要素分別是頭腦、感官 (眼、耳、鼻、舌、皮膚 )、四肢、內(nèi)臟及軀干。相應(yīng)的功能如圖 b、 C所示，內(nèi)臟提供人體所需要的能量 (動力 )及各種激素，維持人體活動；頭腦處理各種信息并對其他要素實(shí)施控制；感官獲取外界信息；四肢執(zhí)行動作；軀干的功能是把人體各要素有機(jī)地聯(lián)系為一體。 ? 機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成要素與人體構(gòu)成要素相對應(yīng)，一個(gè)較完善的機(jī)電一體化系統(tǒng)，應(yīng)包括以下幾個(gè)基本要素：機(jī)械本體、動力系統(tǒng)、檢測傳感系統(tǒng)、執(zhí)行部件、信息處理及控制系統(tǒng)，各要素和環(huán)節(jié)之間通過接口相聯(lián)系，如上圖c所示。機(jī)電一體化系統(tǒng)五大要素實(shí)例如下圖所示。 傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品主要是解決物質(zhì)流和能量流的問題，而機(jī)電一體化產(chǎn)品除了解決物質(zhì)流和能量流外，還要解決信息流的問題。機(jī)電一體化系統(tǒng)的主要功能就是對輸入的物質(zhì)、能量與信息 (即所謂工業(yè)三大要素 )按照要求進(jìn)行處理，輸出具有所需特性的物質(zhì)、能量與信息。 不同主功能及輸入的組合如上表所示。典型機(jī)電一體化系統(tǒng)功能原理構(gòu)成的實(shí)例如下圖所示。 （ 1） 機(jī)械技術(shù) 機(jī)械技術(shù)是機(jī)電一體化的基礎(chǔ)和主體，利用其他高、新技術(shù)來更新概念，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上、材料上、性能上的變更，滿足減小重量、縮小體積、提高精度、提高剛度及改善性能的要求。在機(jī)電一體化系統(tǒng)制造過程中，經(jīng)典的機(jī)械理論與工藝應(yīng)借助于計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，同時(shí)采用人工智能與專家系統(tǒng)等，形成新一代的機(jī)械制造技術(shù)。 （ 2） 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù) 其中信息交換、存取、運(yùn)算、判斷與決策、人工智能技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)均屬于計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)。 (3） 系統(tǒng)技術(shù) 系統(tǒng)技術(shù)即以整體的概念組織應(yīng)用各種相關(guān)技術(shù)，從全局角度和系統(tǒng)目標(biāo)出發(fā)，將總體分解成相互關(guān)聯(lián)的若干功能單元，接口技術(shù)是系統(tǒng)技術(shù)中一個(gè)重要方面，它是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各部分有機(jī)連接 的保證。 （ 4） 自動控制技術(shù) 其范圍很廣，在控制理論指導(dǎo)下，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)仿真，現(xiàn)場調(diào)試，控制技術(shù)包括如高精度定位控制、速度控制、自適應(yīng)控制、自診斷校正、補(bǔ)償、再現(xiàn)、檢索等。 （ 5） 傳感檢測技術(shù) 傳感檢測技術(shù)是系統(tǒng)的感受器官，是實(shí)現(xiàn)自動控制、自動調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其功能越強(qiáng)，系統(tǒng)的自動化程序就越高?，F(xiàn)代工程要求傳感器能快速、精確地獲取信息并能經(jīng)受嚴(yán)酷環(huán)境的考驗(yàn)，它是機(jī)電一體化系統(tǒng)達(dá)到高水平的保證。 （ 6） 伺服傳動技術(shù) 包括電動、氣動、液壓等各種類型的傳動裝置，伺服系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)電信號到機(jī)械動作的轉(zhuǎn)換裝置與部件、對系統(tǒng)的動態(tài)性能、控制質(zhì)量和功能有決定性的影響。 11．機(jī)電一體化的發(fā)展現(xiàn)狀 機(jī)電一體化的發(fā)展大體可以分為 3個(gè)階段。 （ 1） 20世紀(jì) 60年代以前為初級階段。利用電子技術(shù)的初步成果來完善機(jī)械產(chǎn)品的性能。特別是在二戰(zhàn)期間，戰(zhàn)爭刺激了機(jī)械產(chǎn)品與電子技術(shù)的結(jié)合，戰(zhàn)后轉(zhuǎn)為民用，對戰(zhàn)后經(jīng)濟(jì)的恢復(fù)起了積極的作用。那時(shí)研制和開發(fā)從總體上看還處于自發(fā)狀態(tài)。由于當(dāng)時(shí)電子技術(shù)的發(fā)展尚未達(dá)到一定水平，機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)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。 （ 2） 20世紀(jì) 70～ 80年代為蓬勃發(fā)展階段。計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)為其奠定了技術(shù)基礎(chǔ)；大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路和微型計(jì)算機(jī)為其提供了充分的物質(zhì)基礎(chǔ)。這個(gè)時(shí)期的特點(diǎn)是：①它在世界范圍內(nèi)得到比較廣泛的承認(rèn)；②機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品得到了極大發(fā)展；③各國均開始對它給以很大的關(guān)注和支持。 （ 3） 20世紀(jì) 90年代后期為向智能化方向邁進(jìn)的新階段。一方面，光學(xué)、通信技術(shù)、微細(xì)加工技術(shù)進(jìn)入機(jī)電一體化，出現(xiàn)了光機(jī)電一體化和微機(jī)電一體化等新分支；另一方面對其系統(tǒng)的建模設(shè)計(jì)、分析和集成方法、學(xué)科體系和發(fā)展趨勢都進(jìn)行了深入研究。人工智能技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及光纖技術(shù)為其發(fā)展開辟了發(fā)展的廣闊天地。這些研究，將促使機(jī)電一體化進(jìn)一步建立完整的基礎(chǔ)和逐漸形成完整的科學(xué)體系 我國是從 20世紀(jì) 80年代初才開始研究和應(yīng)用。國務(wù)院成立了機(jī)電一體化領(lǐng)導(dǎo)小組并將該技術(shù)列為“ 863計(jì)劃 ” 中。在制定 “ 九五 ” 、 “ 十五 ” 規(guī)劃和2022年發(fā)展綱要時(shí)充分考慮了國際上關(guān)于機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展動向和由此可能帶來的影響。許多大專院校、研究機(jī)構(gòu)及一些大中型企業(yè)對這一技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用做了大量的工作，也取得了一定成果，但與日本等先進(jìn)國家相比仍有相當(dāng)差距。 12．機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢 機(jī)電一體化是集機(jī)械、電子、光學(xué)、控制、計(jì)算機(jī)、信息等多學(xué)科的交叉綜合，它的發(fā)展和進(jìn)步依賴并促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。因此，機(jī)電一體化的主要發(fā)展方向如下： （ 1）智能化 “ 智能化 ” 是對機(jī)器行為的描述，是在控制理論的基礎(chǔ)上，吸收人工智能、運(yùn)籌學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)和混沌動力學(xué)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(biāo)。機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床的智能化就是重要應(yīng)用。機(jī)電一體化產(chǎn)品不可能也不必要具有與人完全相同的智能，但高性能、高速的微處理器使機(jī)電一體化產(chǎn)品賦有低級智能或人的部分智能，則是完全可能而又必要的。 （ 2）模塊化 研制和開發(fā)具有標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口、電氣接口、動力接口、環(huán)境接口的機(jī)電一體化產(chǎn)品單元是一項(xiàng)十分復(fù)雜但又是非常重要的事。如研制集減速、智能調(diào)速、電機(jī)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(jī)械裝置。利用標(biāo)準(zhǔn)單元迅速開發(fā)出新產(chǎn)品，同時(shí)也可以擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。這需要制定各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)，但可以通過組建一些大企業(yè)逐漸形成。顯然，標(biāo)準(zhǔn)化、系列化帶來的好處可以肯定，規(guī)?；瘜⒔o機(jī)電一體化企業(yè)帶來美好的前程。 （ 3）網(wǎng)絡(luò)化 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)等的突出成就是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。而遠(yuǎn)程控制的終端設(shè)備本身就是機(jī)電一體化產(chǎn)品?，F(xiàn)場總線和局域網(wǎng)技術(shù)使家用電器網(wǎng)絡(luò)化已成大