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浅谈机电一体化技术的现状及发展趋势

  机电一体化是机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉融合,它的发展和进步依赖于也促进相关技术的发展和进步。本文介绍了国内外机电一体化的发展现状,分析了机电一体化的发展趋势。

  机电一体化是一个新兴的边缘学科,正处于发展阶段,代表着机械工业技术革命的发展方向。一般认为,机电一体化技术是一门跨学科的综合性高技术,是由微电子技术、计算机技术、信息技术、机械技术及其他技术相融合而构成的一门独立的交叉学科。美国IEEE/ASME曾于1996年给出了一个较为全面的定义:“我们对机电一体化初步定义为,在工业产品和过程的设计和制造中,机械工程和电”,涉及机械制造技术、电子技术、信息处理技术、测试和传感器技术、控制技术、接口技术、计算机技术、伺服驱动等多种技术。机电一体化技术对现代工业的发展有巨大的推动力,因此世界各国都在大力推广机电一体化技术。
  国外机电一体化发展现状
  机电一体化的发展大体可以分为三个阶段。第一阶段(又称初级阶段)是20世纪60年代以前,这一时期人们不自觉地利用电子技术并使之得到比较广泛的承认。第二阶段,机电一体化技术和产品得到了极大发展。第三阶段,各国均开始极大关注和支持机电一体化技术和产品。
  1989年在日本东京召开的第一届国际先进机电一体化学术会议,是机电一体化向纵深发展的标志,各国政府也开始有计划地推动和发展机电一体化技术和产品。目前,日本和美国在机电一体化产品开发和应用方面处于世界领先地位。美国商务部曾发表过一份关于日本机电一体化的研究报告,对日美两国机电一体化技术的基础研究、超前开发与形成产品等三方面进行了比较,结论是除机器视觉与软件外,日本的基础研究与美国是可以比拟的。当前,他们都将智能传感器、计算机芯片制造技术、具有触觉和人机对话功能的人工智能工业机器人、柔性制造系统等列为高技术领域的重大研究课题,并投入大量资金支持发展相关技术。
  20世纪90年代后期,机电一体化进入了深入发展时期。光学、通信技术、微细加工技术等进入了机电一体化,出现了光机电一体化和微机电一体化的新分支。同时对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法,以及学科体系和发展趋势都进行了深入研究。人工智能技术、神经网络技术及光纤技术也为机电一体化技术开辟了广阔的发展天地。
  因此,机电一体化产品得以迅猛发展,主要表现在以下4个方面:
   (1)机电一体化产品几乎遍及所有制造业领域。在工业发达国家,数控机床占机床总数的30%~40%。
  工业机器人正向智能化和智能系统的方向发展,数量在未来十年将以25%~30%的速度增长。智能机器人将逐步进入办公、管理、娱乐、家庭等各个领域。 
  (2)机电一体化从单机向整个制造业的集成化过渡。计算机集成制造系统(CIMS)是当今世界制造业发展的总趋势,它打破原有部门之间的界线以制造为基干来控制“物流”和“信息流”,实现从经营决策、产品开发、生产准备、生产实验到生产经营管理的有机结合。CIMS的实现是全局动态的最优综合。
  (3)激光技术进入机电一体化领域。光机电一体化是激光技术与机械、电子技术相结合,不仅大大扩展了机电一体化的应用领域,而且使一些行业出现重大变革,是当今信息业与制造业的最佳结合点。
  (4)微细加工技术与设备发展迅猛。微电子技术及其产业的高速发展,带动了大量高新技术的兴起,微细加工技术和装备不仅支持了电子产业的发展,而且对微机械的诞生和发展也起了决定性的作用。
  国内机电一体化发展现状
  我国从20世纪80年代初开始进行机电一体化的研究和应用,国务院成立了机电一体化领导小组并将其列为“863计划”。在制定“九五”规划和2010年发展纲要时充分考虑了国际上关于机电一体化技术的发展动向和由此可能带来的影响,许多大专院校、研究机构及一些大中型企业对这一技术的发展及应用做了大量的工作。虽然目前国内机电一体化技术与日本、欧美等先进国家相比仍有一定差距,但随着新技术革命的迅猛发展,我国加大了机电一体化技术的研究力度,并将其确定为国家高技术重点研究领域,给予优先支持,并取得了一定的成绩.
(1)数控技术方面。我国数控技术起步于1958年,在“九五”末期,国产数控机床的国内市场占有率达50%,配国产数控系统(普及型)也达到了10%。纵观我国数控技术近50年的发展历程,特别是经过4个5年计划的攻关,总体来看取得了很好成绩。目前,已具有年产数控系统3000多套、主轴与进给装置5000多套的生产能力。近十年来,普通级数控机床的加工精度已由10μm提高到5μm,精密级加工中心则从3~5μm,提高到1~1.5μm,并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01μm)。
(2)工业机器人方面。我国1986年将机器人的研究开发列入国家科技计划,现已掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统和软件编程技术、运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人的关键元器件,并进入实用化阶段,开发出弧焊、点焊、等机器人。
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