2010國際和國內(nèi)機(jī)電一體化現(xiàn)狀分析與發(fā)展趨勢

    內(nèi)容提示：機(jī)電一體化是許多科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶,是社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展到一定階段的必然要求。21世紀(jì),機(jī)電一體化技術(shù)將成為機(jī)械工業(yè)的主角，在各方面均可帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

    機(jī)電一體化是機(jī)械、電子、光學(xué)、控制、計(jì)算機(jī)、信息等多學(xué)科的交叉融合,它的發(fā)展和進(jìn)步依賴于也促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。本文介紹了國內(nèi)外機(jī)電一體化的發(fā)展現(xiàn)狀,分析了機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢。

    機(jī)電一體化是一個(gè)新興的邊緣學(xué)科，正處于發(fā)展階段，代表著機(jī)械工業(yè)技術(shù)革命的發(fā)展方向[1]。一般認(rèn)為，機(jī)電一體化技術(shù)是一門跨學(xué)科的綜合性高技術(shù)，是由微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、機(jī)械技術(shù)及其他技術(shù)相融合而構(gòu)成的一門獨(dú)立的交叉學(xué)科。美國IEEE/ASME曾于1996年給出了一個(gè)較為全面的定義:“我們對機(jī)電一體化初步定義為‘在工業(yè)產(chǎn)品和過程的設(shè)計(jì)和制造中，機(jī)械工程和電子與智能計(jì)算機(jī)控制的協(xié)同集成’，包括以下11個(gè)方面：（1）成型和設(shè)計(jì)；（2）系統(tǒng)集成；（3）執(zhí)行器和傳感器；（4）智能控制；（5）機(jī)器人；（6）制造；（7）運(yùn)動(dòng)控制；（8）振動(dòng)和噪聲控制；（9）微器件和光電子系統(tǒng)；（10）汽車系統(tǒng)；（11）其他應(yīng)用”。目前，國際上普遍采用日本機(jī)械振興協(xié)會(huì)的定義：“機(jī)電一體化是在機(jī)械的主功能、動(dòng)力功能、信息功能和控制功能上引進(jìn)微電子技術(shù)，并將機(jī)械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成的系統(tǒng)的總稱[3]”，涉及機(jī)械制造技術(shù)、電子技術(shù)、信息處理技術(shù)、測試和傳感器技術(shù)、控制技術(shù)、接口技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)等多種技術(shù)。機(jī)電一體化技術(shù)對現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展有巨大的推動(dòng)力，因此世界各國都在大力推廣機(jī)電一體化技術(shù)。

    1國外機(jī)電一體化發(fā)展現(xiàn)狀

    機(jī)電一體化的發(fā)展大體可以分為三個(gè)階段。第一階段（又稱初級(jí)階段）是20世紀(jì)60年代以前，這一時(shí)期人們不自覺地利用電子技術(shù)并使之得到比較廣泛的承認(rèn)。第二階段，機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品得到了極大發(fā)展。第三階段，各國均開始極大關(guān)注和支持機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品。

    1989年在日本東京召開的第一屆國際先進(jìn)機(jī)電一體化學(xué)術(shù)會(huì)議，是機(jī)電一體化向縱深發(fā)展的標(biāo)志，各國政府也開始有計(jì)劃地推動(dòng)和發(fā)展機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品。目前，日本和美國在機(jī)電一體化產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用方面處于世界領(lǐng)先地位。美國商務(wù)部曾發(fā)表過一份關(guān)于日本機(jī)電一體化的研究報(bào)告，對日美兩國機(jī)電一體化技術(shù)的基礎(chǔ)研究、超前開發(fā)與形成產(chǎn)品等三方面進(jìn)行了比較，結(jié)論是除機(jī)器視覺與軟件外，日本的基礎(chǔ)研究與美國是可以比擬的。當(dāng)前，他們都將智能傳感器、計(jì)算機(jī)芯片制造技術(shù)、具有觸覺和人機(jī)對話功能的人工智能工業(yè)機(jī)器人、柔性制造系統(tǒng)等列為高技術(shù)領(lǐng)域的重大研究課題，并投入大量資金支持發(fā)展相關(guān)技術(shù)。

    20世紀(jì)90年代后期，機(jī)電一體化進(jìn)入了深入發(fā)展時(shí)期。光學(xué)、通信技術(shù)、微細(xì)加工技術(shù)等進(jìn)入了機(jī)電一體化，出現(xiàn)了光機(jī)電一體化和微機(jī)電一體化的新分支。同時(shí)對機(jī)電一體化系統(tǒng)的建模設(shè)計(jì)、分析和集成方法，以及學(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)也為機(jī)電一體化技術(shù)開辟了廣闊的發(fā)展天地。

    因此，機(jī)電一體化產(chǎn)品得以迅猛發(fā)展，主要表現(xiàn)在以下4個(gè)方面:

    （1）機(jī)電一體化產(chǎn)品幾乎遍及所有制造業(yè)領(lǐng)域。在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，數(shù)控機(jī)床占機(jī)床總數(shù)的30%～40%。
 
工業(yè)機(jī)器人正向智能化和智能系統(tǒng)的方向發(fā)展，數(shù)量在未來十年將以25%～30%的速度增長。智能機(jī)器人將逐步進(jìn)入辦公、管理、娛樂、家庭等各個(gè)領(lǐng)域。
    （2）機(jī)電一體化從單機(jī)向整個(gè)制造業(yè)的集成化過渡。計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)是當(dāng)今世界制造業(yè)發(fā)展的總趨勢,它打破原有部門之間的界線以制造為基干來控制“物流”和“信息流”,實(shí)現(xiàn)從經(jīng)營決策、產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)準(zhǔn)備、生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)到生產(chǎn)經(jīng)營管理的有機(jī)結(jié)合。CIMS的實(shí)現(xiàn)是全局動(dòng)態(tài)的最優(yōu)綜合。

    （3）激光技術(shù)進(jìn)入機(jī)電一體化領(lǐng)域。光機(jī)電一體化是激光技術(shù)與機(jī)械、電子技術(shù)相結(jié)合,不僅大大擴(kuò)展了機(jī)電一體化的應(yīng)用領(lǐng)域,而且使一些行業(yè)出現(xiàn)重大變革，是當(dāng)今信息業(yè)與制造業(yè)的最佳結(jié)合點(diǎn)。

    （4）微細(xì)加工技術(shù)與設(shè)備發(fā)展迅猛。微電子技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展,帶動(dòng)了大量高新技術(shù)的興起,微細(xì)加工技術(shù)和裝備不僅支持了電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,而且對微機(jī)械的誕生和發(fā)展也起了決定性的作用。

    2國內(nèi)機(jī)電一體化發(fā)展現(xiàn)狀

    我國從20世紀(jì)80年代初開始進(jìn)行機(jī)電一體化的研究和應(yīng)用，國務(wù)院成立了機(jī)電一體化領(lǐng)導(dǎo)小組并將其列為“863計(jì)劃”。在制定“九五”規(guī)劃和2010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(dòng)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。雖然目前國內(nèi)機(jī)電一體化技術(shù)與日本、歐美等先進(jìn)國家相比仍有一定差距[6]，但隨著新技術(shù)革命的迅猛發(fā)展，我國加大了機(jī)電一體化技術(shù)的研究力度，并將其確定為國家高技術(shù)重點(diǎn)研究領(lǐng)域，給予優(yōu)先支持，并取得了一定的成績。

    （1）數(shù)控技術(shù)方面。我國數(shù)控技術(shù)起步于1958年，在“九五”末期,國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的國內(nèi)市場占有率達(dá)50%,配國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)(普及型)也達(dá)到了10%�？v觀我國數(shù)控技術(shù)近50年的發(fā)展歷程,特別是經(jīng)過4個(gè)5年計(jì)劃的攻關(guān),總體來看取得了很好成績。目前,已具有年產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)3000多套、主軸與進(jìn)給裝置5000多套的生產(chǎn)能力。近十年來,普通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已由10μm提高到5μm,精密級(jí)加工中心則從3～5μm,提高到1～1.5μm,并且超精密加工精度已開始進(jìn)入納米級(jí)(0.01μm)[7]。

    （2）工業(yè)機(jī)器人方面。我國1986年將機(jī)器人的研究開發(fā)列入國家科技計(jì)劃,現(xiàn)已掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)和軟件編程技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù),生產(chǎn)了部分機(jī)器人的關(guān)鍵元器件,并進(jìn)入實(shí)用化階段，開發(fā)出弧焊、點(diǎn)焊、噴漆、裝配、搬運(yùn)、注塑、沖壓及能前后行走、爬墻、水下作業(yè)的多種機(jī)器人。目前，國內(nèi)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)已掌握了工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)的優(yōu)化制造技術(shù)，解決了工業(yè)機(jī)器人控制、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)，機(jī)器人軟件的設(shè)計(jì)和編程等關(guān)鍵技術(shù)，還掌握弧焊、點(diǎn)焊及大型機(jī)器人自動(dòng)生產(chǎn)線（工作站）與周邊配套設(shè)備的開發(fā)和制備技術(shù)�，F(xiàn)在，我國從事機(jī)器人研發(fā)的單位有200多家，專門從事機(jī)器人產(chǎn)業(yè)開發(fā)的企業(yè)有50家以上，中國市場上總共擁有近萬臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，其中完全國產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人（行業(yè)內(nèi)規(guī)模比較大的前三家工業(yè)機(jī)器人企業(yè)）行業(yè)集中度占30%左右。

    （3）計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)方面。我國經(jīng)過多年的理論和技術(shù)準(zhǔn)備,CIMS已經(jīng)有了較快發(fā)展。
 
目前,已在清華大學(xué)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(gè)CIMS單元技術(shù)實(shí)驗(yàn)室和8個(gè)CIMS培訓(xùn)中心[9]。2000年,全國已有20多個(gè)省市、10多個(gè)行業(yè)、200多家不同規(guī)模和類型的企業(yè)通過實(shí)施CIMS應(yīng)用示范工程,取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)前,CIMS的進(jìn)一步試點(diǎn)推廣應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到機(jī)械、電子、航空、航天、輕工、紡織、冶金、石油化工等諸多領(lǐng)域,正得到各行各業(yè)越來越多的關(guān)注和投入。
    3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�？v觀國內(nèi)外機(jī)電一體化的發(fā)展現(xiàn)狀和高新技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向，機(jī)電一體化將朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展：

    （1）綠色化

    工業(yè)的發(fā)達(dá)給人們生活帶來了巨大變化。一方面,物質(zhì)豐富,生活舒適;另一方面,資源減少,生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重污染。于是,人們呼吁保護(hù)環(huán)境資源,回歸自然。綠色產(chǎn)品概念在這種呼聲下應(yīng)運(yùn)而生,綠色化是時(shí)代的趨勢。綠色產(chǎn)品在其設(shè)計(jì)、制造、使用和銷毀的生命過程中,符合特定的環(huán)境保護(hù)和人類健康的要求,對生態(tài)環(huán)境無害或危害極少,資源利用率極高。機(jī)電一體化產(chǎn)品的綠色化主要是指使用時(shí)不污染生態(tài)環(huán)境,報(bào)廢后能回收利用[6]。工業(yè)的發(fā)展使得資源減少，生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重污染。綠色化成了時(shí)代的趨勢，產(chǎn)品的綠色化更成了適應(yīng)未來發(fā)展的一大特色。

    如果我們把機(jī)械產(chǎn)品和制造機(jī)械產(chǎn)品的機(jī)械裝置統(tǒng)稱為機(jī)械系統(tǒng)，則機(jī)電一體化技術(shù)的功能可歸結(jié)為：提高機(jī)械系統(tǒng)的性能，完成傳統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)不能完成的功能；提高機(jī)械系統(tǒng)的智能化程度，使人在更舒適的環(huán)境中工作；提高機(jī)械系統(tǒng)的可回收性；降低機(jī)械系統(tǒng)的原材料消耗；降低機(jī)械系統(tǒng)的能耗；降低機(jī)械系統(tǒng)對環(huán)境的污染，可以看出其中至少有3條是和環(huán)境保護(hù)有關(guān)的。因而，進(jìn)入21世紀(jì)，機(jī)電一體化技術(shù)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(huán)境舒適和可回收的智能化機(jī)械產(chǎn)品，即提供一種能滿足可持續(xù)性發(fā)展的綠色產(chǎn)品。

    （2）智能化

    智能化是21世紀(jì)機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要發(fā)展方向。人工智能系統(tǒng)是一個(gè)知識(shí)處理系統(tǒng),它包括知識(shí)表示、知識(shí)利用和知識(shí)獲取三個(gè)基本問題,其最終的目標(biāo)是模擬人的問題求解、推理、學(xué)習(xí)。人工智能在機(jī)電一體化建設(shè)中的研究日益得到重視,機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床的智能化就是重要應(yīng)用。“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(dòng)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)。目前,專家系統(tǒng)、模糊系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及遺傳算法,是機(jī)電一體化產(chǎn)品(系統(tǒng))實(shí)現(xiàn)智能化的4種主要技術(shù)，它們各自獨(dú)立發(fā)展又彼此相互滲透。隨著制造自動(dòng)化程度的不斷提高,將會(huì)出現(xiàn)智能制造系統(tǒng)控制器來模擬人類專家的智能制造活動(dòng),并會(huì)對制造中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析、判斷、推理、構(gòu)思和決策[10]。

    （3）網(wǎng)絡(luò)化

    20世紀(jì)90年代,計(jì)算機(jī)技術(shù)的突出成就是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的興起和飛速發(fā)展給科學(xué)技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)、政治、軍事、教育等人們?nèi)粘Ｉ�活都帶來了巨大的變革，同樣也給機(jī)電一體化技術(shù)帶來了重大影響，例如通過網(wǎng)絡(luò)對機(jī)電一體化設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。
 
    各種網(wǎng)絡(luò)將全球經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)連成一片,企業(yè)間的競爭也將全球化。機(jī)電一體化新產(chǎn)品一旦研制出來,只要其功能獨(dú)到,質(zhì)量可靠,很快就會(huì)暢銷全球。由于網(wǎng)絡(luò)的普及,基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視技術(shù)方興未艾,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。現(xiàn)場總線和局域網(wǎng)技術(shù)是家用電器網(wǎng)絡(luò)化已成大勢,利用家庭網(wǎng)絡(luò)(homenet)將各種家用電器連接成以計(jì)算機(jī)為中心的計(jì)算機(jī)集成家電系統(tǒng)(computerintegratedappliancesystem,CIAS),使人們在家里分享各種高技術(shù)帶來的便利與快樂。因此機(jī)電一體化產(chǎn)品無疑朝著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。
    （4）微型化

    微型化興起于20世紀(jì)80年代末,是機(jī)電一體化向微型機(jī)器和微觀領(lǐng)域發(fā)展的趨勢。近十余年來，微機(jī)電系統(tǒng)（MicroElectroMechanicSystem,MEMS）,作為機(jī)電一體化技術(shù)的新尖端分支而倍受重視,泛指幾何尺寸不超過1cm3的機(jī)電一體化產(chǎn)品,并向微米、納米級(jí)發(fā)展。微機(jī)電系統(tǒng)高度融合了微機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)和軟件技術(shù)，發(fā)展難點(diǎn)在于微機(jī)械并不是簡單地將大尺寸的機(jī)械按比例縮小，由于結(jié)構(gòu)的微型化，在材料、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、摩擦特性、加工方法、測試與定位及驅(qū)動(dòng)方式等方面都產(chǎn)生了一些特殊問題。

    微機(jī)電一體化產(chǎn)品體積小、耗能少、運(yùn)動(dòng)靈活,可進(jìn)入一般機(jī)械無法進(jìn)入的空間，并易于進(jìn)行精細(xì)操作，因此在生物醫(yī)療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優(yōu)勢。因此在生物醫(yī)學(xué)、航空航天、信息技術(shù)、工農(nóng)業(yè)乃至國防等領(lǐng)域，都有廣闊的應(yīng)用前景。目前，利用半導(dǎo)體器件制造過程中的蝕刻技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)室中已制造出亞微米級(jí)的機(jī)械元件。

    （5）模塊化

    機(jī)電一體化產(chǎn)品和技術(shù)可分為機(jī)械、電子和軟件三大部分。模塊化技術(shù)是這三者的共同技術(shù)。模塊化技術(shù)可以減少產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)成本，提高不同產(chǎn)品間的零部件通用化程度，提高產(chǎn)品的可裝配性、可維修性和可擴(kuò)展性等。融合機(jī)械、電子和軟件三大部分的機(jī)電一體化模塊代表了未來產(chǎn)品的發(fā)展方向，具有高度自主性、良好的協(xié)調(diào)性和自組織性的特點(diǎn)。總之，模塊化設(shè)計(jì)與制造是機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本方法和發(fā)展趨勢。隨著微處理器性能價(jià)格比的迅速提高和微機(jī)械電子（MEMS）技術(shù)的飛速發(fā)展，各種機(jī)電一體化模塊將越來越多地出現(xiàn)在市場上。利用這些模塊，可以迅速方便地設(shè)計(jì)和制造出各種新的機(jī)電一體化產(chǎn)品。

    機(jī)電一體化是許多科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶,是社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展到一定階段的必然要求。21世紀(jì),機(jī)電一體化技術(shù)將成為機(jī)械工業(yè)的主角，在各方面均可帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。機(jī)電一體化的出現(xiàn)不是孤立的,它是許多科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶,是社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展到一定階段的必然要求。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,各種技術(shù)相互融合的趨勢將越來越明顯，以機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)的有機(jī)結(jié)合為主體的機(jī)電一體化技術(shù)是機(jī)械工業(yè)發(fā)展的必然趨勢，機(jī)電一體化技術(shù)的廣闊發(fā)展前景也將越來越光明。