【正文】 第二課堂 技術(shù)講座 ： 淺談 《 機電一體化技術(shù)的新發(fā)展 》 控制器 （控制系統(tǒng)） 拖動 電動機 生產(chǎn)設備 繼 接斷續(xù)控制系統(tǒng) 交流調(diào)速系統(tǒng) 工控機控制系統(tǒng) 可編程控制器 單片機控制系統(tǒng) 直流調(diào)速系統(tǒng) 各種專用的控制器 網(wǎng)絡控制系統(tǒng) 交流電動機 直流電動機 伺服控制電動機 步進電動機 交流伺服電動機 直流伺服電動機 直線電機 直接驅(qū)動電動機 數(shù)控機床 工業(yè)機器人 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)動力設備 交通運輸設備 過程控制設備 現(xiàn)代辦公設備 現(xiàn)代通信設備 現(xiàn)代家用電器 1．機電一體化是現(xiàn)代科學技術(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，極大地推動了不同學科的交叉與滲透?？v向分化、橫向綜合已成為當代科學技術(shù)發(fā)展的重要特點。 在機械工程領(lǐng)域，由于微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展及其向機械工業(yè)的滲透，使機械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機構(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 “ 機械電氣化 ” 邁入了 “ 機電一體化 ”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。 機電一體化的發(fā)展，使傳統(tǒng)的機械如虎添翼，超越了操作機械和動力機械的范疇，進入了智能化、柔性化、綠色化、人性化、信息化、多功能化、全自動化、微機數(shù)字化和遠程網(wǎng)絡化控制的新時代，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 “ 機電一體化 ” 前沿技術(shù)的制高點 ?美國提出 《 戰(zhàn)略防御倡議 》 即星球大戰(zhàn)計劃（ 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)展計劃綱要 》 ，即 863計劃。 3．什么是機電一體化？ “機電一體化 ” 就是將機械、電子與信息技術(shù)進行有機結(jié)合，以實現(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)。 機電一體化是指在設備機構(gòu)的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進電子技術(shù)，將機械裝置與電子化設計及軟件結(jié)合起來所構(gòu)成的系統(tǒng)的總稱。 機電一體化發(fā)展至今也已成為一門具有自身體系的新型學科專業(yè)，隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，還將被賦予新的內(nèi)容。 4．機電一體化的技術(shù)基本特征 機電一體化是從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，綜合運用機械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機技術(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)功能目標和優(yōu)化組織目標，合理配置與布局各功能單元，在多功能、高質(zhì)量、高可靠性、低能耗的意義上實現(xiàn)特定功能價值，并使整個系統(tǒng)最優(yōu)化的系統(tǒng)工程技術(shù)。 機電一體化是一個綜合的概念，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、技術(shù)原理在內(nèi)的、使機電一體化產(chǎn)品得以實現(xiàn)、使用和發(fā)展的技術(shù)。后者是指采用機電一體化技術(shù)，在機械產(chǎn)品基礎上創(chuàng)造出來的新一代機電一體化產(chǎn)品 “ 機電一體化 ” 已成為當今世界工業(yè)發(fā)展的主要趨勢，也帶動了傳統(tǒng)機械工業(yè)的一場新的革命。機械工業(yè)要爭生存，求發(fā)展，必需走機電一體化之路。 5．機電一體化的學科專業(yè)特點 突出特點在于它在機械產(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 ” 到機械裝置中去，從而獲得了過去單靠某一種技術(shù)而無法實現(xiàn)的功能和效果。 重要實質(zhì)是應用系統(tǒng)工程的觀點和方法來分析和研究機電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)，綜合運用各種現(xiàn)代高新技術(shù)進行產(chǎn)品的設計與開發(fā)，通過各種技術(shù)的有機結(jié)合，實現(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)一的一個信息處理系統(tǒng)。 它既區(qū)別于機械設計與制造專業(yè)，又不同于電氣自動化專業(yè)。前者的理論基礎是機械結(jié)構(gòu)設計、固體力學、切削原理，缺乏電子與控制技術(shù)。后者的理論基礎是電力電子、電機傳動、測控與計算機技術(shù)，對機械設計、力學分析涉及較少。這兩類專業(yè)都很難適應對現(xiàn)代化高新科技術(shù)機電產(chǎn)品的設計、制造、使用、維護、改造、開發(fā)和研制，更難勝任大量引進先進新技術(shù)與新設備的消化吸收和國產(chǎn)化自主創(chuàng)新。 機電一體化是一種嶄新的學術(shù)思想，它除了強調(diào)機與電的有機結(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。按照機電一體化思想，凡是由各種現(xiàn)代高新技術(shù)與機械和電子技術(shù)相互結(jié)合而形成的各種技術(shù)、產(chǎn)品 (或系統(tǒng) )都應屬于機電一體化范疇。如 “ 機電光 ” 、 “ 機電儀 ” 、 “ 機電液（氣） ” 、 “ 機電信 ” 、 “ 機電計 ” 等等。 “ 機電一體化 ” 是一個建立在高新技術(shù)發(fā)展基層上的大系統(tǒng)工程，其 “ 主體 ” 是機械 ，不是以機械為主體的設備系統(tǒng)是電子設備系統(tǒng)；其 “ 核心 ” 是控制和計算機 ，不是以計算機控制的機電設備系統(tǒng)是傳統(tǒng)的老機電設備系統(tǒng)；發(fā)展 “ 機電一體化 ” 所面臨的共性關(guān)鍵技術(shù)主要有 “ 精密機械技術(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 “ 機械 +電氣 +計算機 ” 三分天下的實際格局。 6．機電一體化的典型產(chǎn)品 數(shù)控機床、智能機器人、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）技術(shù)裝置了的自動化生產(chǎn)設備、動力設備、交通運輸設備、生產(chǎn)過程自動化設備、通信設備、辦公設備和智能家用電器、智能兒童玩具等等。 這些都是當今世界高新技術(shù)的核心和應用成果集中體現(xiàn)。 “ 機電一體化 ” 工作的重點安排 （ 1）兩個層次：一是狠抓用微電子技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，二是集中人財物力抓緊抓好數(shù)字化、自動化、智能化機電產(chǎn)品的開發(fā)應用； （ 2）三個重點：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）四項配套產(chǎn)品和技術(shù)：集成電路、傳感器、 CAD與 CAM、CAT； （ 5）一個前沿技術(shù)：智能機器人。 ? 人體是機電一體化系統(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地聯(lián)系為一體。 ? 機電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成要素與人體構(gòu)成要素相對應，一個較完善的機電一體化系統(tǒng)，應包括以下幾個基本要素：機械本體、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。機電一體化系統(tǒng)五大要素實例如下圖所示。 傳統(tǒng)的機械產(chǎn)品主要是解決物質(zhì)流和能量流的問題，而機電一體化產(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。典型機電一體化系統(tǒng)功能原理構(gòu)成的實例如下圖所示。 （ 1） 機械技術(shù) 機械技術(shù)是機電一體化的基礎和主體，利用其他高、新技術(shù)來更新概念，實現(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。在機電一體化系統(tǒng)制造過程中，經(jīng)典的機械理論與工藝應借助于計算機輔助技術(shù)，同時采用人工智能與專家系統(tǒng)等，形成新一代的機械制造技術(shù)。 （ 2） 計算機與信息技術(shù) 其中信息交換、存取、運算、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)絡技術(shù)均屬于計算機信息處理技術(shù)。 (3） 系統(tǒng)技術(shù) 系統(tǒng)技術(shù)即以整體的概念組織應用各種相關(guān)技術(shù)，從全局角度和系統(tǒng)目標出發(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)中一個重要方面，它是實現(xiàn)系統(tǒng)各部分有機連接 的保證。 （ 4） 自動控制技術(shù) 其范圍很廣，在控制理論指導下，進行系統(tǒng)設計，設計后的系統(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、自適應控制、自診斷校正、補償、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，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)受嚴酷環(huán)境的考驗，它是機電一體化系統(tǒng)達到高水平的保證。 （ 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)是實現(xiàn)電信號到機械動作的轉(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．機電一體化的發(fā)展現(xiàn)狀 機電一體化的發(fā)展大體可以分為 3個階段。 （ 1） 20世紀 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械產(chǎn)品的性能。特別是在二戰(zhàn)期間，戰(zhàn)爭刺激了機械產(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)濟的恢復起了積極的作用。那時研制和開發(fā)從總體上看還處于自發(fā)狀態(tài)。由于當時電子技術(shù)的發(fā)展尚未達到一定水平，機械技術(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 70～ 80年代為蓬勃發(fā)展階段。計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)為其奠定了技術(shù)基礎；大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路和微型計算機為其提供了充分的物質(zhì)基礎。這個時期的特點是：①它在世界范圍內(nèi)得到比較廣泛的承認；②機電一體化技術(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 90年代后期為向智能化方向邁進的新階段。一方面，光學、通信技術(shù)、微細加工技術(shù)進入機電一體化，出現(xiàn)了光機電一體化和微機電一體化等新分支；另一方面對其系統(tǒng)的建模設計、分析和集成方法、學科體系和發(fā)展趨勢都進行了深入研究。人工智能技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡技術(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，將促使機電一體化進一步建立完整的基礎和逐漸形成完整的科學體系 我國是從 20世紀 80年代初才開始研究和應用。國務院成立了機電一體化領(lǐng)導小組并將該技術(shù)列為“ 863計劃 ” 中。在制定 “ 九五 ” 、 “ 十五 ” 規(guī)劃和2022年發(fā)展綱要時充分考慮了國際上關(guān)于機電一體化技術(shù)的發(fā)展動向和由此可能帶來的影響。許多大專院校、研究機構(gòu)及一些大中型企業(yè)對這一技術(shù)的發(fā)展及應用做了大量的工作，也取得了一定成果，但與日本等先進國家相比仍有相當差距。 12．機電一體化的發(fā)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(fā)展和進步依賴并促進相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和進步。因此，機電一體化的主要發(fā)展方向如下： （ 1）智能化 “ 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(shù)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。機器人與數(shù)控機床的智能化就是重要應用。機電一體化產(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)具有標準機械接口、電氣接口、動力接口、環(huán)境接口的機電一體化產(chǎn)品單元是一項十分復雜但又是非常重要的事。如研制集減速、智能調(diào)速、電機于一體的動力單元；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械裝置。利用標準單元迅速開發(fā)出新產(chǎn)品，同時也可以擴大生產(chǎn)規(guī)模。這需要制定各項標準，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)這方面的標準，但可以通過組建一些大企業(yè)逐漸形成。顯然，標準化、系列化帶來的好處可以肯定，規(guī)?；瘜⒔o機電一體化企業(yè)帶來美好的前程。 （ 3）網(wǎng)絡化 現(xiàn)代計算機技術(shù)等的突出成就是網(wǎng)絡技術(shù)。而遠程控制的終端設備本身就是機電一體化產(chǎn)品。現(xiàn)場總線和局域網(wǎng)技術(shù)使家用電器網(wǎng)絡化已成大