学生姓名： XXXXXX 学号：XXXXXX专业班级： 指导教师：

论文（设计）题目：机电一体化技术的发展历程及其趋势 序号 1 日期 2月26日 指导、检查内容 提出毕业设计或论文选题的初步设想 学生签名 2 3月17日 搜集、整理与毕业设计或论文有关的资料 3 3月23日 提交开题报告 4 4月24日 完成毕业设计或论文的初稿 5 6月21日 毕业论文修改稿 6 6月28日 毕业设计（论文）答辩 注：日期和指导、检查内容由指导教师填写。

机电一体化技术的发展历程及其趋势

摘要：机电一体化概要“机电一体化”是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能

和控制功能上引进电子技术，将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。因此，“机电一体化”涵盖“技术”和“产品”两个方面。

目前，我国从事“机电一体化”研究开发及生产的单位很多，并且各自都有一套自己的发展策略。因此，建议各主管部门责成有关单位在进行深入调查研究、科学分析的基础上，制定出统管全局的“机电一体化”研究、开发、生产计划和规划，避免开发上重复，生产上撞车!

关键词：数控机床，机器人，汽车电子化产品，机电一体化，工作任务

一、绪论

现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，并导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品结构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。

二、机电一体化概要

“机电一体化”是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术，将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。

机电一体化发展至今已成为一门有着自身体系的新型学科，并且伴随着科学技术的不断进步还将被赋予新的内容。但其基本特征可概括为：机电一体化是从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标和优化组织目标，合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值，并使整个系统最优化的系统工程技术。由此而产生的功能系统，则成为一个机电一体化系统或机电一体化产品。

因此，“机电一体化”涵盖“技术”和“产品”两个方面。只是，机电一体化技术是基于上述群体技术有机融合的一种综合技术，而不是机械技术、微电子技术以及其它新技术的简单组合、拼凑。这是机电一体化与机械加电气所形成的机械电气化在概念上的根本区别。机械工程技术有纯技术发展到机械电气化，仍属传统机械，其主要功能依然是代替和放大的体力。但是发展到机电一体化后，其中的微电子装置除可取代某些机械部件的原有功能外，还能赋予许多新的功能，如自动检测、自动处理信息、自动显示记录、自动调节与控制自动诊断与保护等。即机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸，还是人的感官与头脑的眼神，具有智能化的特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质区别。

三、机电一体化技术发展历程及其趋势

自电子技术一问世,电子技术与机械技术的结合就开始了。但是直到出现了半导体集成电路,尤其是出现了以微处理器为代表的大规模集成电路以后，机电一体化技术才开始有了明显的进展,并引起了人们的广泛关注。

(一)机电一体化的发展历程

“机电一体化”这个词是日本安川电机公司在上世纪60年代末作商业注册时最先创用的。当时及70年代，人们一直把机电一体化看作是机械与电子的结合。国内早期将机电一体化技术与机械电子学并用，近年来机电一体化则更加流行。 80年代，信息技术崭露头角。微处理机的性能提高，为更高级的机电一体化产品所采用，典型的机电一体化产品有数控机床、工业机器人和汽车的电子控制系统等。微机作为关键技术引入了飞行器系统后，使机械——电子系统在高度控制、排气控制、振动控制和保险气袋等方面获得广泛应用。

信息技术驱使机械系统在不同程度上利用数据库，连洗衣机和其他消费品也用上了数据库驱动系统。这样，对机电一体化的系统设计方法的探索、成型和系统集成以及并行工程设计和控制的实施日显重要。此外，光学也进入了机电一体化，产生了“光机电一体化”的新领域。

进入90年代，通信技术进入了机电一体化，机器可以像机器人系统那样遥控和虚拟现实，多媒体等技术紧密联系的计算机控制的网络化机电一体化日益普及。有些机电一体化机械可两用，有的在性能上更是多用途的，尤其是微传感器和执行器技术的发展，和半导体技术以光刻为基础的方法以及和传统机电一体化微型化方法的结合，开创了以精密工程和系统集成为特点的机电一体化新分支，即“微机电一体化”。虽然微加工方法尚未成熟，但将逐渐成为集成控制系统的一个组成部分。之后，机电一体化随着自动化技术的发展而日益发展，稳步进入了21世纪。

简言之，机电一体化技术的发展历程可以概括为以下几点： 1.数控机床的问世,写下了机电一体化历史的第一页； 2.微电子技术为机电一体化带来勃勃生机；

3.可编程序控制器、电力电子等的发展为机电一体化提供了坚强基础； 4.激光技术、模糊技术、信息技术等新技术使机电一体化跃上新台阶。 (二)机电一体化发展趋势

机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合，它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。因此，机电一体化的主要发展方向如下：

1.光机电一体化。

一般的机电一体化系统是由传感系统、能源系统、信息处理系统、机械结构等部件组成的。因此,引进光学技术,实现光学技术的先天优点能有效地改进机电一体化系统的传感系统、能源(动力)系统和信息处理系统。光机电一体化是机电产品发展的重要趋势。

2.自律分配系统化——柔性化。

未来的机电一体化产品,控制和执行系统有足够的“冗余度”，有较强的“柔性”，能较好地应付突发事件，被设计成“自律分配系统”。在自律分配系统中，各个子系统是相互独立工作的，子系统为总系统服务，同时具有本身的“自律性”，可根据不同的环境条件作出不同反应。其特点是，子系统可产生本身的信息并附加所给信息，在总的前提下，具体“行动”是可以改变的。这样，既明显地增加了系统的适应能力，即柔性，又不会因某一子系统的故障而影响整个系统。

3.全息系统化——智能化。

今后的机电一体化产品“全息”特征将越来越明显，智能化水平也越来越高。这主要得益于模糊技术、信息技术尤其是软件及芯片技术的发展。除此之外，其系统的层次结构也由简单的“从上到下”的形势转而变为复杂的、有较多冗余度的双向联系。

4.“生物一软件”化——仿生物系统化。

今后的机电一体化装置对信息的依赖性很大，并且往往在结构上是处于“静态”时不稳

定，但在动态(工作)时却是稳定的。这有点类似于活的生物，即当控制系统(大脑)停止工作时，生物便“死亡”，而当控制系统(大脑)工作时，生物就很有活力。仿生学研究领域中已发现的一些生物体优良的机构可为机电一体化产品提供新型机体，但如何使这些新型机体具有活的“生命”还有待于深入研究。这一研究领域称为“生物——软件”或“生物——系统”，而生物的特点是硬件(肌体)与软件(大脑)一体，不可分割。由此看来，机电一体化产品虽然有向生物系统化发展的趋势，但要达到这一目的还需要有一段漫长的道路去走。

5.微型机电化——微型化。

目前，利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术，在实验室中已制造出亚微米级的机械元件。当我们将这一成果用于实际产品时，就没有必要区分机械部分和控制器了。届时机械和电子完全可以“融合”，机体、执行机构、传感器、CPU等可集成在一起，体积很小，并组成一种自律元件。这种微型机械学是机电一体化的重要发展方向。

四、典型的机电一体化产品

机电一体化产品分系统(整机)和基础元、部件两大类。典型的机电一体化系统有：数控机床、机器人、汽车电子化产品、智能化仪器仪表、电子排版印刷系统、CAD／CAM系统等。典型的机电一体化基础元、部件有：电力电子器件及装置、可编程序控制器、模糊控制器、微型电机、传感器、专用集成电路、伺服机构等。下面，我将针对其中的几种产品的进一步发展趋势进行详细说明。

（一）数控机床

目前我国是全世界机床拥有量最多的国家（近320万台），但数控机床只占约5％且大多数是普通数控（发达国家数控机床占10％）。近些年来数控机床为适应加工技术的发展，在以下几个技术领域都有巨大进步。

1．高速化。由于高速加工技术普及，机床普遍提高了各方面的速度。车床主轴转速有3000～4000r/min提高到8000～10000r/min；铣床和加工中心主轴转速由4000～8000r/min提高到12000～40000r/min以上；快速移动速度由过去的10～20m/min提高到48m/min，60m/mni，80m/min，120m/min；在提高速度的同时要求提高运动部件起动的加速度，由过去一般机床的0.5G（重力加速度）提高到1.5G～2G，最高可达15G；直线电机在机床上开始使用，主轴上大量采用内装式主轴电机。

2．高精度化。数控机床的定位精度已由一般的0.01～0.02mm提高到0.008左右；亚微米级机床达到0.0005mm左右；纳米级机床达到0.005～0.01um；最小分辨率为1nm（0.000001mm）的数控系统和机床已问世。 数控中两轴以上插补技术大大提高，纳米级插补使两轴联动出的圆弧都可以达到1u的圆度，插补前多程序预读，大大提高了插补质量，并可进行自动拐角处理等。

3．复合加工，新结构机床大量出现。如5轴5面体复合加工机床，5轴5联动加工各类异形零件。同时派生出各种新颖的机床结构，包括6轴虚拟轴机床，串并联绞链机床等，采用特殊机械结构，数控的特殊运算方式，特殊编程要求。 4．使用各种高效特殊功能的刀具使数控机床“如虎添翼”。如内冷转头由于使高压冷却液直接冷却转头切削刃和排除切屑，在转深孔时大大提高效率。加工刚件切削速度能达1000m/min，加工铝件能达5000m/min。 5．数控机床的开放性和联网管理。数控机床的开放性和联网管理已是使用数控机床的基本要求，它不仅是提高数控机床开动率、生产率的必要手段，而且是企业合理化、最佳化利用这些制造手段的方法。因此，计算机集成制造、网络制造、异地诊断、虚拟制造、并行工程等等各种新技术都在数控机床基础上发展起来，这必然成为21世纪制造业发展的一个主要潮流。

（二）自动机与自动生产线

在国民经济生产和生活中广泛使用的各种自动机械、自动生产线及各种自动化设备，是当前机电一体化技术应用的又一具体体现。如：2000～80000瓶/h的啤酒自动生产线；18000～120000瓶/h的易拉罐灌装生产线；各种高速香烟生产线；各种印刷包装生产线；邮政信函自动分捡处理生产线；易拉罐自动生产线；FEBOPP型三层共挤双向拉伸聚丙烯薄膜生产线等等，这些自动机或生产线中广泛应用了现代电子技术与传感技术。如可编程序控制器，变频调速器，人机界面控制装置与光电控制系统等。我国的自动机与生产线产品的水平，比10多年前跃升了一大步，其技术水平已达到或超过发达国家上一世纪80年代后期的水平。使用这些自动机和生产线的企业越来越多，对维护和管理这些设备的相关人员的需求也越来越多。

（三）机器人

机器人是20世纪人类最伟大的发明之一。从某种意义上讲，一个国家机器人技术水平的高低反映了这个国家综合技术实力的高低。机器人已在工业领域得到了广泛的应用，而且正以惊人的速度不断向军事、医疗、服务、娱乐等非工业领域扩展。毋庸质疑，21世纪机器人技术必将得到更大的发展，成为各国必争之知识经济至高点。

在计算机技术和人工智能科学发展的基础上，产生了智能机器人的概念。智能机器人是具有感知、思维和行动功能的机器，是机构学、自动控制、计算机、人工智能、微电子学、光学、通讯技术、传感技术、仿生学等多种学科和技术的综合成果。智能机器人可获取、处理和识别多种信息，自主地完成较为复杂的操作任务，比一般的工业机器人具有更大的灵活性、机动性和更广泛的应用领域。智能机器人作为新一代生产和服务工具，在制造领域和非制造领域具有更广泛、更重要的位置，如核工业、水下、空间、农业、工程机械（地上和地下）、建筑、医用、救灾、排险、军事、服务、娱乐等方面，可代替人完成各种工作。同时，智能机器人作为自动化、信息化的装置与设备，完全可以进入网络世界，发挥更多、更大的作用，这对人类开辟新的产业，提高生产水平与生活水平具有十分现实的意义。

因此，面向先进制造的工业机器人和面向非制造业的先进机器人的研究、开发和应用将成为21世纪智能机器人的两个重要发展方向。

目前，围绕未来的机器人需要研究开发如下一些关键技术：

1.网络机器人技术。通信网络技术的发展完全能够将各种机器人连接到计算机网络上，并通过网络对机器人进行有效的控制。这种技术包括网络遥操作控制技术、众多信息组的压缩与扩展方法及传输技术等。

2.虚拟机器人技术。许多特种机器人在使用时，遥控是一个主要手段。基于多传感、多媒体和虚拟现实、增强现实（或临场感）的虚拟遥控操作和人机交互，将成为需要共同发展的一项技术。

3.多智能体协调控制技术。用于实现决策和操作自治性的、由多智能体组成的群行为控制是一个具有挑战性的关键技术，这里包括任务的解释和表达、学习、实时推理和广义反应能力、监控和异况处理、多智能体协调等。 4.微型和微小型技术。这是一项由技术驱动的新领域，尽管微型/小型尺寸的机器人实用化还要等几年，但是这个时代即将到来。

5.软机器人技术。许多特种机器人，特别是用于医疗和护理、休闲和娱乐等场合时，经常处于与人共存的环境中。现在的大多数机器人，由于在设计时未考虑与人共存，用的是金属等硬材料。软机器人技术要求其结构和相应的控制以及所用的传感器，在机器人意外地碰撞人或相互碰撞时是“ 软”的，增强人对机器人的安全感和亲近感。

6.新型机构、新型控制器、新型传感器及体系结构的研究。 （四）汽车电子化产品

汽车上比较常用的一般有5种仪表和3种相应的传感器，即电流表、机油压力表、水温