【文章內容簡介】 通信技術的發(fā)展，為機電一體化的發(fā)展奠定了技術基礎。大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路和微型計算機的迅猛發(fā)展，為機電一體化技術的發(fā)展提供了充分的物質基礎。 20 世紀 90 年代后期，開始了機電一體化技術向智能化方向邁進的新階段，一方面光學、通信技術等進入了機電一體化，微細加工技 17 術也在機電一體化中嶄露頭角，出現(xiàn)了光機電一體化和微機電一體化等新分支；另一方面對機電一體化系統(tǒng)的建模設計、分析和集成方法，機電一體化的學科體系和發(fā)展趨勢都進行著深入研究。 我國是從上世紀 80 年代初才開始這方面研究和應用。國務院成立了機電一體化領導小組 并將該技術列為“ 863 計劃”中。機械工業(yè)在制定“九五”規(guī)劃和 2021 年發(fā)展綱要時充分考慮了國際上關于機電一體化技術的發(fā)展動向和由此可能帶來的影響。經過 20 多年的努力，在航天、國防以及經濟建設的一些重大工程帶動下，我國已在機電一體化許多領域躋身于世界先進行列。 理論基礎 系統(tǒng)論、信息論、控制論的建立，微電子技術尤其是計算機技術的迅猛發(fā)展，引起了科學技術的又一次革命，誘發(fā)了機械工程的機電一體化。系統(tǒng)論、信息論、控制論無疑是機電一體化技術的理論基礎，是機電一體化技術的方法論。 開展機電一體化技術研究時，無 論在工程的構思、規(guī)劃、設計方面，還是在它的實施或實現(xiàn)方面，都不能只著眼于機械或電子，不能只看到傳感器或計算機，而是要用系統(tǒng)的觀點，合理解決信息流與控制機制問題，有效地綜合各有關技術，才能形成所需要的系統(tǒng)或產品。 機電一體化技術是從系統(tǒng)工程 觀點出發(fā)，應用機械、微電子等有關技術，使機械、電子有機結合，實現(xiàn)系統(tǒng)或產品整體最優(yōu)的綜合性技術。小型的生產、加工系統(tǒng)，即使是一臺機器，也都是由許多要素構成的，為了實現(xiàn)其“目的功能”，還需要從系統(tǒng)角度出發(fā)，不拘泥 18 于機械技術或電子技術，并寄希望于能夠使各種功能要素構成最佳結合的 柔性技術與方法。機電一體化工程就是這種技術和方法的統(tǒng)一 。 機電一體化系統(tǒng) 是一個包括物質流、能量流和信息流的系統(tǒng)，有效地利用各種信號所攜帶的豐富信息資源，則有賴于信號處理和信息識別技術?？疾焖袡C電一體化產品，就會看到準確的信息獲取、處理、利用在系統(tǒng)中所起的實質性作用 。 關鍵技術 微電子技術、精密機械技術是機電一體化的技術基礎。微電子技術的進步，尤其是微型計算機技術的迅速發(fā)展，為機電一體化技術的進步與發(fā)展創(chuàng)造了前提 。 機電一體化產品中的許多重要零部件都是利用超精密加工技術制造的。就連微電子技術本身的發(fā)展 也離不開精密機械技術。例如，大規(guī)模集成電路（ LSI）制造中的微細加工就是精密機械技術的進步成果。因此，精密機械加工技術促進了微電子技術的不斷發(fā)展，微電子技術的不斷發(fā)展又推動了精密機械技術中加工設備的不斷更新。 由于機電一體化是一個工程和大系統(tǒng)，發(fā)展該技術面臨以下共性的關鍵技術及其發(fā)展：傳感檢測技術、信息處理技術、伺服驅動技術、自動控制技術、接口技術、精密機械技術及系統(tǒng)總體技術等，同時也要受到社會條件、經濟基礎的重大影響 。 ㈠傳感器檢測技術 在機電一體化產品中，工作過程的各種參數、工作狀態(tài)以及與工作過 程有關的相應信息都要通過傳感器進行接收，并通過相應的 19 信號檢測裝置進行測量，然后送入信息處理裝置以及反饋給控制裝置，以實現(xiàn)產品工作過程的自動控制。機電一體化產品要求傳感器能快速和準確地獲取信息并且不受外部工作條件和環(huán)境的影響，同時檢測裝置能不失真地對信息信號進行放大、輸送和轉換。 傳感器技術的發(fā)展正進入集成化、智能化研究階段。把傳感器件與信號處理電路集成在一個芯片上，就形成了信息型傳感器；若再把微處理器集成到信息型傳感器的芯片上，就是所謂的智能型傳感器。大力開展傳感器研究，對于機電一體化技術的發(fā)展具有十分重要 的意義。 ㈡ 信息處理技術 信息處理技術是指在機電一體化產品工作過程中，與工作過程各種參數和狀態(tài)以及自動控制有關的信息輸入、識別、變換、運算、存儲、輸出和決策分析等技術。信息處理得是否及時、準確，直接影響機電一體化系統(tǒng)或產品的質量和效率，因而也是機電一體化的關鍵技術。 在機電一體化產品中，實現(xiàn)信息處理技術的主要工具是計算機。計算機信息處理裝置是產品的核心，它控制和指揮整個機電一體化產品的運行。信息處理是否正確、及時，直接影響到系統(tǒng)工作的質量和效率，因此計算機應用及信息處理技術已成為促進機電一體化技術發(fā)展和變革的最活躍的因素。 人工智能技術、專家系統(tǒng)技術、神經網絡技術等都屬于計算機信息處理技術。 20 ㈢ 自動控制技術 自動控制是在沒有人直接參與的情況下，通過控制器使被控對象或過程自動地按照預定的規(guī)律運行。自動控制技術的廣泛應用，不僅大大提高了勞動生產率和產品質量，改善了勞動條件，而且在人類征服大自然、探索新能源、發(fā)展空間技術與改善人類物質生活等方面起著極為重要的作用。機電一體化將自動控制作為重要的支撐技術，自動控制裝置是它的重要組成部分。 ㈣ 伺服驅動技術 伺服驅動技術主要是指機電一體化產品中的執(zhí)行 元件和驅動裝置設計中的技術問題，它涉及設備執(zhí)行操作的技術，對所加工產品的質量具有直接的影響。機電一體化產品中的執(zhí)行元件有電動、氣動和液壓等類型，其中多采用電動式執(zhí)行元件，驅動裝置主要是各種電動機的驅動電源電路，目前多由電力電子器件及集成化的功能電路構成。執(zhí)行元件一方面通過接口電路與計算機相聯(lián)，接受控制系統(tǒng)的指令，另一方面通過機械接口與機械傳動和執(zhí)行機構相聯(lián)，以實現(xiàn)規(guī)定的動作。因此，伺服驅動技術直接影響著機電一體化產品的功能執(zhí)行和操作，對產品的動態(tài)性能、穩(wěn)定性能、操作精度和控制質量等具有決定性的影響。 ㈤ 接口 技術 機電一體化系統(tǒng)是機械、電子和信息等性能各異的技術融為一體的綜合系統(tǒng)，其構成要素和子系統(tǒng)之間的接口極其重要。從系統(tǒng)外部看，輸入 /輸出是系統(tǒng)與人、環(huán)境或其它系統(tǒng)之間的接口；從系統(tǒng) 21 內部看，機電一體化系統(tǒng)是通過許多接口將各組成要素的輸入 /輸出聯(lián)系成一體的系統(tǒng)。因此，各要素及各子系統(tǒng)之間的接口性能就成為綜合系統(tǒng)性能好壞的決定性因素。機電一體化系統(tǒng)最重要的設計任務之一往往就是接口設計。 ㈥ 精密機械技術 精密機械技術是機電一體化的基礎，因為機電一體化產品的主功能和構造功能大都以機械技術為主來得以實現(xiàn)。隨 著高新技術引入機械行業(yè)，機械技術面臨著挑戰(zhàn)和變革。在機電一體化產品中，它不再是單一地完成系統(tǒng)間的連接，在系統(tǒng)結構、重量、體積、剛性與耐用性方面對機電一體化系統(tǒng)有著重要的影響。機電一體化產品對機械部分零部件的靜、動態(tài)剛度、熱變形等機械性能有更高的要求。特別是關鍵零部件，如導軌、滾珠絲杠、軸承、傳動部件等的材料、精度對機電一體化產品的性能、控制精度影響極大。 在制造過程的機電一體化系統(tǒng)中，經典的機械理論與工藝應借助于計算機輔助技術，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。這里原有的機械技術以知識 和技能的形式存在，是任何其他技術代替不了的。如計算機輔助工藝規(guī)劃（ CAPP）是目前CAD/CAM 系統(tǒng)研究的瓶頸，其關鍵問題在于如何將廣泛存在于各行業(yè)、企業(yè)、技術人員中的標準、習慣和經驗進行表達和陳述，從而實現(xiàn)計算機的自動工藝設計與管理。 ㈦ 系統(tǒng)總體技術 系統(tǒng)總體技術就是從整體目標出發(fā)，用系統(tǒng)的觀點和方法，將 22 機電一體化產品的總體功能分解成若干功能單元，找出能夠完成各個功能的可能技術方案，再把功能與技術方案組合成方案組進行分析、評價，綜合優(yōu)選出適宜的功能技術方案。系統(tǒng)總體技術是最能體現(xiàn)機電一體化設計特點的 技術，也是保證其產品工作性能和技術指標得以實現(xiàn)的關鍵技術。 在機電一體化產品中，機械、電氣和電子是性能、規(guī)律截然不同的物理模型，因而存在匹配上的困難；電氣、電子又有強電與弱電、模擬與數字之分，必然遇到相互干擾與耦合的問題；系統(tǒng)的復雜性帶來的可靠性問題；產品的小型化增加了狀態(tài)監(jiān)測與維修的困難；多功能化造成診斷技術的多樣性等等。因此就要考慮產品整個壽命周期的總體綜合技術。 為了開發(fā)出具有較強競爭能力的機電一體化產品，系統(tǒng)總體設計除考慮優(yōu)化設計外，還包括可靠性設計、標準化設計、系列化設計以及造型設計 。 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融合，它的發(fā)展和進步依賴并促進相關技術的發(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 21 世紀機電一體化技術發(fā)展的一個重要發(fā)展方向。這里所說的“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、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 23 主決策等能力，以求得到更高的控制目標。 2. 模塊化 模塊化是一項重要而又艱巨的工程。由于機電一體化產品種 類和生產廠家繁多，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。這樣，可利用標準單元迅速開發(fā)出新的產品，同時也可擴大生產規(guī)模。顯然，從電氣產品的標準化、系列化帶來的好處可以肯定，無論是對生產標準機電一體化單元的企業(yè)還是對生產機電一體化產品的企業(yè)，模塊化將給機電一體化企業(yè)帶來更大的收益。 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。各種網絡將全球經濟、生產連成一片，企業(yè)間的競爭也全球化。機電一體化新產品一旦研制出來 ,只要其功能獨到，質量可靠，很快就會暢銷全球。由于網絡的普及，基于網絡的各種遠程控制和監(jiān)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(xiàn)場總線和局域網技術使家用電器網絡化已成大勢，利用家庭網絡（ Home Net）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(tǒng)（ Computer Integrated