機電

機電

日本企業界在1970年左右最早提出"機電一體化技術"這一概念,當時他們取名為"Mechatronics",即結合套用機械技術和電子技術于一體。隨著電腦技術的迅猛發展和廣泛套用,機電一體化技術獲得前所未有的發展,成為一門綜合電腦與信息技術自動控製技術感測檢測技術、伺服傳動技術和機械技術等交叉的系統技術,正向光機電一體化技術(Opto-mechatronics)方向發展,套用範圍愈來愈廣。

  • 中文名稱
    機電
  • 技術領域
    機械技術
  • 範    圍
    日本企業界
  • 系統組成
    機械本體

簡介

日本企業界在1970年左右最早提出“機電一體化技術”這一概念,當時他們取名為“Mechatronics”,即結合套用機械技術和電子技術于一體。隨著電腦技術的迅猛發展和廣泛套用,機電一體化技術獲得前所未有的發展,成為一門綜合電腦與信息技術、自動控製技術、感測檢測技術、伺服傳動技術和機械技術等交叉的系統技術,目前正向光機電一體化技術(Opto-mechatronics)方向發展,套用範圍愈來愈廣。

技術

(1) 機械技術

機械技術是機電一體化的基礎,機械技術的著眼點在于如何與機電一體化技術相適應,利用其它高、新技術來更新概念,實現結構上、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。在機電一體化系統製造過程中,經典的機械理論與工藝應借助于電腦輔助技術,同時採用人工智慧與專家系統等,形成新一代的機械製造技術。

(2) 電腦與信息技術

其中信息交換、存取、運算、判斷與決策、人工智慧技術、專家系統技術、神經網路技術均屬于電腦信息處理技術。

(3) 系統技術

系統技術即以整體的概念組織套用各種相關技術,從全局角度和系統目標出發,將整體分解成相互關聯的若幹功能單元,接口技術是系統技術中一個重要方面,它是實現系統各部分有機連線的保證。

(4) 自動控製技術

其範圍很廣,在控製理論指導下,進行系統設計,設計後的系統仿真,現場調試,控製技術包括如高精度定位控製、速度控製、自適應控製、自診斷校正、補償、再現、檢索等。

(5) 感測檢測技術

感測檢測技術是系統的感受器官,是實現自動控製、自動調節的關鍵環節。其功能越強,系統的自動化程度就越高。現代工程要求感測器能快速、精確地獲取信息並能經受嚴酷環境的考驗,它是機電一體化系統達到高水準的保證。

(6) 伺服傳動技術

包括電動、氣動、液壓等各種類型的傳動裝置,伺服系統是實現電信號到機械動作的轉換裝置與部件、對系統的動態性能、控製質量和功能有決定性的影響。

專業

(1)培養目標:

本專業培養德、智、體、美、勞全面發展的具有機械、電子、液(氣)壓一體化技術基本理論,掌握機電一體化設備的操作、維護、調試和維修,掌握套用機電一體化設備加工的工藝設計和加工工藝的基本方法和基本技能的中級工程技術人才。

(2)主幹課程:

電工技術、電子技術、機械設計基礎、機械加工機床機械加工工藝、液壓與氣動技術、檢測技術、數控技術、電氣控製技術、單片機原理與套用、可程式控製器及套用、機電一體化系統與設計等車輛、船舶、工具(工夾具、測試儀器等)等都包含在其中了。

發展狀況

機電一體化的發展大體可以分為3個階段。20世紀60年代以前為第一階段,這一階段稱為初級階段。在這一時期,人們自覺不自覺地利用電子技術的初步成果來完善機械產品的性能。特別是在第二次世界大戰期間,戰爭刺激了機械產品與電子技術的結合,這些機電結合的軍用技術,戰後轉為民用,對戰後經濟的恢復起了積極的作用。那時研製和開發從整體上看還處于自發狀態。由于當時電子技術的發展尚未達到一定水準,機械技術與電子技術的結合還不可能廣泛和深入發展,已經開發的產品也無法大量推廣。

機電

20世紀70~80年代為第二階段,可稱為蓬勃發展階段。這一時期,電腦技術、控製技術、通信技術的發展,為機電一體化的發展奠定了技術基礎。大規模、超大規模積體電路和微型電腦的迅猛發展,為機電一體化的發展提供了充分的物質基礎。這個時期的特點是:①mechatronics一詞首先在日本被普遍接受,大約到20世紀80年代末期在世界範圍內得到比較廣泛的承認;②機電一體化技術和產品得到了極大發展;③各國均開始對機電一體化技術和產品給以很大的關註和支持。

20世紀90年代後期,開始了機電一體化技術向智慧型化方向邁進的新階段,機電一體化進入深入發展時期。一方面,光學、通信技術等進入了機電一體化,微細加工技術也在機電一體化中嶄露頭腳,出現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的建模設計、分析和集成方法,機電一體化的學科體系和發展趨勢都進行了深入研究。同時,由于人工智慧技術、神經網路技術及光纖技術等領域取得的巨大進步,為機電一體化技術開闢了發展的廣闊天地。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年代初才開始在這方面研究和套用。國務院成立了機電一體化領導小組並將該技術列為“863計畫”中。在製定“九五”規劃和2010年發展綱要時充分考慮了國際上關于機電一體化技術的發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對這一技術的發展及套用做了大量的工作,已經取得了一定成果,但與日本等先進國家相比仍有相當差距。

發展趨勢

機電一體化是集機械、電子、光學、控製、電腦、信息等多學科的交叉綜合,它的發展和進步依賴並促進相關技術的發展和進步。因此,機電一體化的主要發展方向如下:

1、智慧型化

智慧型化是21世紀機電一體化技術發展的一個重要發展方向。人工智慧在機電一體化建設者的研究日益得到重視,機器人與數控機床的智慧型化就是重要套用。這裏所說的“智慧型化”是對機器行為的描述,是在控製理論的基礎上,吸收人工智慧、運籌學、電腦科學模糊數學、心理學、生理學和混沌動力學等新思想、新方法,模擬人類智慧型,使它具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力,以求得到更高的控製目標。誠然,使機電一體化產品具有與人完全相同的智慧型,是不可能的,也是不必要的。但是,高性能、高速的微處理器使機電一體化產品賦有低級智慧型或人的部分智慧型,則是完全可能而又必要的。

2、模組化

模組化是一項重要而艱巨的工程。由于機電一體化產品種類和生產廠家繁多,研製和開發具有標準機械接口、電氣接口、動力接口、環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。如研製集減速、智慧型調速、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製單元,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出新產品,同時也可以擴大生產規模。這需要製定各項標準,以便各部件、單元的匹配和接口。由于利益沖突,近期很難製定國際或國內這方面的標準,但可以通過組建一些大企業逐漸形成。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還是對生產機電一體化產品的企業,規模化將給機電一體化企業帶來美好的前程。

3、網路化

20世紀90年代,電腦技術等的突出成就是網路技術。網路技術的興起和飛速發展給科學技術、工業生產、政治、軍事、教育義舉人麽日常生活都帶來了巨大的變革。各種網路將全球經濟、生產連成一片,企業間的競爭也將全球化。機電一體化新產品一旦研製出來,隻要其功能獨到,質量可靠,很快就會暢銷全球。由于網路的普及,基于網路的各種遠程控製和監視技術方興未艾,而遠程控製的終端設備本身就是機電一體化產品。現場匯流排和區域網路技術是家用電器網路化已成大勢,利用家庭網路(homenet)將各種家用電器連線成以電腦為中心的電腦集成家電系統(computerintegratedappliancesystem,CIAS),使人們在家裏分享各種高技術帶來的便利與快樂。因此,機電一體化產品無疑朝著網路化方向發展。

4、微型化

微型化興起于20世紀80年代末,指的是機電一體化向微型機器和微觀領域發展的趨勢。國外稱其為微電子機械系統(MEMS),泛指幾何尺寸不超過1cm3的機電一體化產品,並向微米、納米級發展。微機電一體化產品體積小、耗能少、運動靈活,在生物醫療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優勢。微機電一體化發展的瓶頸在于微機械技術,微機電一體化產品的加工採用精細加工技術,即超精密技術,它包括光刻技術和蝕刻技術兩類。

5、綠色化

工業的發達給人們生活帶來了巨大變化。一方面,物質豐富,生活舒適;另一方面,資源減少,生態環境受到嚴重污染。于是,人們呼吁保護環境資源,回歸自然。綠色產品概念在這種呼聲下應運而生,綠色化是時代的趨勢。綠色產品在其設計、製造、使用和銷毀的生命過程中,符合特定的環境保護和人類健康的要求,對生態環境無害或危害極少,資源利用率極高。設計綠色的機電一體化產品,具有遠大的發展前途。機電一體化產品的綠色化主要是指,使用時不污染生態環境,報廢後能回收利用。

6、系統化

系統化的表現特征之一就是系統體系結構進一步採用開放式和模式化的匯流排結構。系統可以靈活組態,進行任意剪裁和組合,同時尋求實現多子系統協調控製和綜合管理。表現之二是通信功能的大大加強,一般除RS232外,還有RS485、DCS人格化。未來的機電一體化更加註重產品與人的關系,機電一體化的人格化有兩層含義。一層是,機電一體化產品的最終使用對象是人,如何賦予機電一體化產品人的智慧型、情感、人性顯得越來越重要,特別是對家用機器人,其高層境界就是人機一體化。另一層是模仿生物機理,研製各種機電一體花產品。事實上,許多機電一體化產品都是受動物的啓發研製出來的。

系統組成

1、機械本體:

機械本體包括機架、機械連線、機械傳動等,它是機電一體化的基礎,起著支撐系統中其他功能單元、傳遞運動和動力的作用。與純粹的機械產品相比,機電一體化系統的技術性能得到提高、功能得到增強,這就要求機械本體在機械結構、材料、加工工藝性以及幾何尺寸等方面能夠與之相適應,具有高效、多功能、可靠和節能、小型、輕量、美觀的特點。

2、檢測感測部分:

檢測感測部分包括各種感測器及其信號檢測電路

機電一體化實驗,其作用就是檢測機電一體化系統工作過程中本身和外界環境有關參量的變化,並將信息傳遞給電子控製單元,電子控製單元根據檢查到的信息向執行器發出相應的控製。

3、電子控製單元:

電子控製單元又稱ECU(ElectricalControlUnit),是機電一體化系統的核心,負責將來自各感測器的檢測信號和外部輸入命令進行集中、存儲、計算、分析,根據信息處理結果,按照一定的程度和節奏發出相應的指令,控製整個系統有目的地進行。

4、執行器:

執行器的作用是根據電子控製單元的指令驅動機械部件的運動。執行器是運動部件,通常採用電力驅動、氣壓驅動和液壓驅動等幾種方式。

5、動力源:

動力源是機電一體化產品能量供應部分,其作用是按照系統控製要求向機械系統提供能量和動力使系統正常運行。提供能量的方式包括電能、氣能和液壓能,以電能為主。

行業發展

未來一年機電行業發展是美好還是殘酷,無疑成為業內人士最為關註問題,不過透析2010年企業發展,筆者相信2011年會是國產機電高端產品大爆發一年。

2010年,機電行業難逃製造鏈牽製,富士康漲薪在鎮共工業鏈條掀起軒然大浪,機電行業製造成本大幅提高,多數廠商看出勞動力成本不在佔優勢,轉向技術創新;人民幣升值,導致機電行業國外訂單大幅下滑,在國際市場慘淡大背景下,原本專註于國外市場代工許多機電大廠紛紛轉型開始操盤自主品牌;絕路求生製造業迸發出無限創造力,各種前瞻性概念得以從紙面變成現實,新概念新產品接踵而至,成為主導機電行業發展主要力量。這些,都為11年機電產品邁向高端化打下了堅實基礎。

那麽,接下來2011年,國產機電行業究竟會從那些方面具體轉變呢?

1、智慧型化

智慧型化是21世紀機電一體化技術發展一個重要方向。智慧型手機智慧型電網自動化設備等給人們生產生活帶來極佳便利。機電市場分析研究報告指出,人工智在機電一體化建設中日益得到重視,從2010年展會展出產品,機器人與數控機床智慧型化更是得到了廣泛套用。

2、高端化

明年是“十二五”第一年,國家將會重點督促製造業邁向高端化。故此,未來一年,調整產業結構將至關企業發展。機電企業必須通過加大新品開發力度來提高產品技術含量和附加值,形成自己特殊,使企業成功轉型,鎖住高端消費市場,實現向客戶轉移成本壓力目,提高企業市場競爭力。

3、綠色化

發達工業雖然給人們提供了豐富、舒適物質生活,但也給環境造成了嚴重污染。所以,哥本哈根會議掀起了環境熱潮,十一五節能減排運動,更是促生企業邁向綠色化生產,綠色化已成時代趨勢。機電企業應該加大綠色投入使產品在設計、製造、使用和銷毀生命過程中,符合特定環境保護和人類健康要求,生產出對生態環境無害或危害極少,資源利用率極高綠色機電一體化產品。

4、兩極化

機電產品是中國出口經濟有力支撐,隨著近年來行業洗牌速度加快,國內機電企業為了提高自身實力,更快地拓展國際市場,將透過過多種手段加快和國外企業融合來提高產品質量、提高競爭力。外資型企業在與國際接軌速度日益加快情勢下,產品更新換代越來越快,新產品、新技術不斷涌現,實力越來越強。而內銷型企業卻在國內無序競爭中不堪重負,一些不適應市場競爭企業會通過不同渠道推出市場競爭,因此,機電企業兩級化局面會愈演愈烈,而機電巨頭將日漸浮出水面。

未來十年是中國由製造大國向製造強國轉變,實現由中國製造中國創造、中國智造轉變關鍵時期。在這樣背景環境中,2011年中國五金機電行業定能迎來下一個發展“暖春”。

光機電一體化技術

光機電一體化技術是微電子技術、電腦技術、控製技術、光學技術與機械技術的相互交叉與融合,是諸多高新技術產業和高新技術裝備的基礎。它包括產品和技術兩方面:光機電一體化產品是集光學、機械、微電子、自動控製和通信技術于一體的高科技產品,具有很高功能和附加值;光機電一體化技術是指其技術原理和使光機電一體化產品得以實現,使用和發展的技術。

光機電一體化技術是由光學,光電子學,電子信息和機械製造及其他相關技術交叉與融合構成的綜合性高新技術是諸多高新技術產業和高新技術裝備的基礎。它豐富和拓寬了光機電一體化技術的內涵和外延。

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