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

    內(nèi)容提示：機電一體化是許多科學技術發(fā)展的結晶,是社會生產(chǎn)力發(fā)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(yè)的主角，在各方面均可帶來顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

    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(fā)展和進步依賴于也促進相關技術的發(fā)展和進步。本文介紹了國內(nèi)外機電一體化的發(fā)展現(xiàn)狀,分析了機電一體化的發(fā)展趨勢。

    機電一體化是一個新興的邊緣學科，正處于發(fā)展階段，代表著機械工業(yè)技術革命的發(fā)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曾于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(yè)產(chǎn)品和過程的設計和制造中，機械工程和電子與智能計算機控制的協(xié)同集成’，包括以下11個方面：（1）成型和設計；（2）系統(tǒng)集成；（3）執(zhí)行器和傳感器；（4）智能控制；（5）機器人；（6）制造；（7）運動控制；（8）振動和噪聲控制；（9）微器件和光電子系統(tǒng)；（10）汽車系統(tǒng)；（11）其他應用”。目前，國際上普遍采用日本機械振興協(xié)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，并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(tǒng)的總稱[3]”，涉及機械制造技術、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(xiàn)代工業(yè)的發(fā)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(fā)展現(xiàn)狀

    機電一體化的發(fā)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并使之得到比較廣泛的承認。第二階段，機電一體化技術和產(chǎn)品得到了極大發(fā)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(chǎn)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(fā)展的標志，各國政府也開始有計劃地推動和發(fā)展機電一體化技術和產(chǎn)品。目前，日本和美國在機電一體化產(chǎn)品開發(fā)和應用方面處于世界領先地位。美國商務部曾發(fā)表過一份關于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(fā)與形成產(chǎn)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、計算機芯片制造技術、具有觸覺和人機對話功能的人工智能工業(yè)機器人、柔性制造系統(tǒng)等列為高技術領域的重大研究課題，并投入大量資金支持發(fā)展相關技術。

    20世紀90年代后期，機電一體化進入了深入發(fā)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(xiàn)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(tǒng)的建模設計、分析和集成方法，以及學科體系和發(fā)展趨勢都進行了深入研究。人工智能技術、神經(jīng)網(wǎng)絡技術及光纖技術也為機電一體化技術開辟了廣闊的發(fā)展天地。

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

    （1）機電一體化產(chǎn)品幾乎遍及所有制造業(yè)領域。在工業(yè)發(fā)達國家，數(shù)控機床占機床總數(shù)的30%～40%。
 
工業(yè)機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制造業(yè)的集成化過渡。計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)是當今世界制造業(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”,實現(xiàn)從經(jīng)營決策、產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)準備、生產(chǎn)實驗到生產(chǎn)經(jīng)營管理的有機結合。CIMS的實現(xiàn)是全局動態(tài)的最優(yōu)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(yè)出現(xiàn)重大變革，是當今信息業(yè)與制造業(yè)的最佳結合點。

    （4）微細加工技術與設備發(fā)展迅猛。微電子技術及其產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)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(chǎn)業(yè)的發(fā)展,而且對微機械的誕生和發(fā)展也起了決定性的作用。

    2國內(nèi)機電一體化發(fā)展現(xiàn)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并將其列為“863計劃”。在制定“九五”規(guī)劃和2010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，許多大專院校、研究機構及一些大中型企業(yè)對這一技術的發(fā)展及應用做了大量的工作。雖然目前國內(nèi)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(fā)展，我國加大了機電一體化技術的研究力度，并將其確定為國家高技術重點研究領域，給予優(yōu)先支持，并取得了一定的成績。

    （1）數(shù)控技術方面。我國數(shù)控技術起步于1958年，在“九五”末期,國產(chǎn)數(shù)控機床的國內(nèi)市場占有率達50%,配國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)(普及型)也達到了10%。縱觀我國數(shù)控技術近50年的發(fā)展歷程,特別是經(jīng)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(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)3000多套、主軸與進給裝置5000多套的生產(chǎn)能力。近十年來,普通級數(shù)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,并且超精密加工精度已開始進入納米級(0.01μm)[7]。

    （2）工業(yè)機器人方面。我國1986年將機器人的研究開發(fā)列入國家科技計劃,現(xiàn)已掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)和軟件編程技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術,生產(chǎn)了部分機器人的關鍵元器件,并進入實用化階段，開發(fā)出弧焊、點焊、噴漆、裝配、搬運、注塑、沖壓及能前后行走、爬墻、水下作業(yè)的多種機器人。目前，國內(nèi)相關科研機構和企業(yè)已掌握了工業(yè)機器人操作機的優(yōu)化制造技術，解決了工業(yè)機器人控制、驅動系統(tǒng)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(chǎn)線（工作站）與周邊配套設備的開發(fā)和制備技術�，F(xiàn)在，我國從事機器人研發(fā)的單位有200多家，專門從事機器人產(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工業(yè)機器人，其中完全國產(chǎn)的工業(yè)機器人（行業(yè)內(nèi)規(guī)模比較大的前三家工業(yè)機器人企業(yè)）行業(yè)集中度占30%左右。

    （3）計算機集成制造系統(tǒng)方面。我國經(jīng)過多年的理論和技術準備,CIMS已經(jīng)有了較快發(fā)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(yè)、200多家不同規(guī)模和類型的企業(yè)通過實施CIMS應用示范工程,取得了巨大的經(jīng)濟效益。當前,CIMS的進一步試點推廣應用已經(jīng)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(yè)越來越多的關注和投入。
    3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技術的發(fā)展和進步�？v觀國內(nèi)外機電一體化的發(fā)展現(xiàn)狀和高新技術的發(fā)展動向，機電一體化將朝著以下幾個方向發(fā)展：

    （1）綠色化

    工業(yè)的發(fā)達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)境受到嚴重污染。于是,人們呼吁保護環(huán)境資源,回歸自然。綠色產(chǎn)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(chǎn)品在其設計、制造、使用和銷毀的生命過程中,符合特定的環(huán)境保護和人類健康的要求,對生態(tài)環(huán)境無害或危害極少,資源利用率極高。機電一體化產(chǎn)品的綠色化主要是指使用時不污染生態(tài)環(huán)境,報廢后能回收利用[6]。工業(yè)的發(fā)展使得資源減少，生態(tài)環(huán)境受到嚴重污染。綠色化成了時代的趨勢，產(chǎn)品的綠色化更成了適應未來發(fā)展的一大特色。

    如果我們把機械產(chǎn)品和制造機械產(chǎn)品的機械裝置統(tǒng)稱為機械系統(tǒng)，則機電一體化技術的功能可歸結為：提高機械系統(tǒng)的性能，完成傳統(tǒng)機械系統(tǒng)不能完成的功能；提高機械系統(tǒng)的智能化程度，使人在更舒適的環(huán)境中工作；提高機械系統(tǒng)的可回收性；降低機械系統(tǒng)的原材料消耗；降低機械系統(tǒng)的能耗；降低機械系統(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(huán)境舒適和可回收的智能化機械產(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世紀機電一體化技術發(fā)展的一個重要發(fā)展方向。人工智能系統(tǒng)是一個知識處理系統(tǒng),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(shù)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(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。目前,專家系統(tǒng)、模糊系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡以及遺傳算法,是機電一體化產(chǎn)品(系統(tǒng))實現(xiàn)智能化的4種主要技術，它們各自獨立發(fā)展又彼此相互滲透。隨著制造自動化程度的不斷提高,將會出現(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,并會對制造中出現(xiàn)的問題進行分析、判斷、推理、構思和決策[10]。

    （3）網(wǎng)絡化

    20世紀90年代,計算機技術的突出成就是網(wǎng)絡技術。網(wǎng)絡技術的興起和飛速發(fā)展給科學技術、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，同樣也給機電一體化技術帶來了重大影響，例如通過網(wǎng)絡對機電一體化設備進行遠程控制。
 
    各種網(wǎng)絡將全球經(jīng)濟、生產(chǎn)連成一片,企業(yè)間的競爭也將全球化。機電一體化新產(chǎn)品一旦研制出來,只要其功能獨到,質(zhì)量可靠,很快就會暢銷全球。由于網(wǎng)絡的普及,基于網(wǎng)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(chǎn)品�，F(xiàn)場總線和局域網(wǎng)技術是家用電器網(wǎng)絡化已成大勢,利用家庭網(wǎng)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(tǒng)(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(chǎn)品無疑朝著網(wǎng)絡化方向發(fā)展。
    （4）微型化

    微型化興起于20世紀80年代末,是機電一體化向微型機器和微觀領域發(fā)展的趨勢。近十余年來，微機電系統(tǒng)（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(chǎn)品,并向微米、納米級發(fā)展。微機電系統(tǒng)高度融合了微機械技術、微電子技術和軟件技術，發(fā)展難點在于微機械并不是簡單地將大尺寸的機械按比例縮小，由于結構的微型化，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(chǎn)生了一些特殊問題。

    微機電一體化產(chǎn)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，并易于進行精細操作，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、航空航天、信息技術、工農(nóng)業(yè)乃至國防等領域，都有廣闊的應用前景。目前，利用半導體器件制造過程中的蝕刻技術，在實驗室中已制造出亞微米級的機械元件。

    （5）模塊化

    機電一體化產(chǎn)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(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(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�？傊�，模塊化設計與制造是機電一體化系統(tǒng)的基本方法和發(fā)展趨勢。隨著微處理器性能價格比的迅速提高和微機械電子（MEMS）技術的飛速發(fā)展，各種機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，可以迅速方便地設計和制造出各種新的機電一體化產(chǎn)品。

    機電一體化是許多科學技術發(fā)展的結晶,是社會生產(chǎn)力發(fā)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(yè)的主角，在各方面均可帶來顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。機電一體化的出現(xiàn)不是孤立的,它是許多科學技術發(fā)展的結晶,是社會生產(chǎn)力發(fā)展到一定階段的必然要求。隨著科學技術的發(fā)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(yè)發(fā)展的必然趨勢，機電一體化技術的廣闊發(fā)展前景也將越來越光明。