机电一体化的主要特征

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机电一体化的主要特征范文第1篇

关键词：机电一体化；应用；发展趋势

中图分类号：TH-39 文献标识码： A

机电一体化是社会生产力发展的产物，也是多门学科交织发展的成果。随着科学技术的快速发展，机电一体化在发展过程中，将会融入越来越多的高科技，从而推动技术的进一步发展。在对机电一体化的应用进行分析，对其发展状态要进行细致的分析，发现其发展过程中存在的问题。在今后的工作中，对机电一体化存在的问题进行进一步的研究和采取措施进行解决。使机电一体化更好更快的发展，从而提高其技术含量，在各个领域中作出更大的贡献。

1、机电一体化的概述

机电一体化技术是将机械技术、电工电子技术、微电子技术、信息传感器技术、接口技术、信号变换技术等多种技术融合而成，是一种实用性很强的综合技术[1]。机电一体化是一种全新的综合技术，不是将若干种新技术随意组合与拼凑出来的技术。机电一体化主要有两个方面：技术和产品。机电一体化的产品的特征之一是具有非常强的智能化。当前很多的自动化生产设备都离不开机电一体化，传统的机械生产的竞争优势主要来依靠企业的发展规模、生产量以及调整产业结构实现的，它加强资源的利用率，通过降低成本提高产量和效率以提高经济效益。以机器代替人力，从而转变生产方式，提高经济效益。

现代先进的机械制造业主要以信息为导向，采用先进的生产模式、制造系统、制造技术以及先进的现代管理模式。其主要特征是全球化、网络化、虚拟化、智能化等[2]。现代制造业的发展，将现代先进的科学技术融入其中，充分利用当前发展迅猛的信息技术，从而进一步提高制造业的发展水平。

2、机电一体化的应用

2.1数控机床

我国的数控机床数量位于世界之首，其生产量飞速增长，位居世界第三。一个国家机床技术的水平主要在于其数控机床技术水平的高低。当前，我国生产的数控机床在国内市场占有31%的份额，其余部分主要被国外产品所占据，我国的高端数控机床主要依赖于进口。通过多年的不懈努力，当前我国的数控机床一体化技术已趋于成熟，但整体实力及水平与国外相比，仍处于劣势。我国的数控机床在未来的发展中，加强检测道具破损、物料搬运以及机械手动控制，从而提高数控机床的利用效率[3]。

2.2自动生产线

自动生产线也是机电一体化技术的重要发展方面。当前我国的国民经济发展过程中，各种自动化生产线和设备运用于生产中。各类饮料食品的生产均运用自动化生产线和设备，生产量得到极大的提高。电子技术和传感技术也应用自动生产线，例如可编程序的控制装置、人机界面系统等，均应用机电一体化技术。

2.3机器人

机电一体化技术应用的一个重要成果是机器人。机器人的发明是二十世纪科技发展的结果。一个国家的综合技术水平，可以根据这个国家机器人的建设以及发展的水平得出答案。在当前的生产发展中，机器人在许多工业领域得到运用，对我国的军事、医疗等各类服务事业发展起到重要作用。随着科学技术的快速发展，机器人及其相关技术影响着人们的生活和工作。机器人的技术融合许多方面的技术，其中包括自动控制、电子计算机、微电子、人工技能、通讯等方面的技术，这些技术融合。机器人可以运用于很多领域之中，完成很多繁杂的工作，提高工作效率和效益，为社会的发展作出重要的贡献。

3、机电一体化发展的趋势

3.1引入光学技术

普通的机电一体化系统主要由传感、能源、信息处理系统以及机械结构等相关不见构成。随着科技的发展，光学技术逐渐引入于机电一体化系统之中。引入光学技术的机电一体化系统的传感、动力、信息处理等系统得到进一步的改进，未来机电产品朝着光机电一体化而发展。

3.2自律分配系统

未来的机电一体化产品，控制系统和执行系统更加的灵活和方便，更够快速的处理突发事件，被称为“自律分配系统”。在此系统之中的各个系统，均能互相独立进行工作，分支系统服务与总系统，并拥有其“自律性”。可以根据具体的情况，作出相应的反应。其特点在于，系统可以根据环境的变化生成属于自己的有关信息，在总的控制之下，改变自己的“行为”。这样的处理方式，使系统更加的灵活，能够快速的适用环境，从而提高工作效率。

3.3智能化

随着机电产品的“全息”功能越来越强，其只智能化水平逐渐提高。模糊、信息技术以及软件、芯片技术的快速发展，推动了机电产品的发展。其内部系统从最初的上下结构已经变成一个复杂的结构，从而使其愈加智能化。

3.4环保化

人类的发展必须以保护环境为前提，环保化，是高科技发展的的根本也是最终追求。随着社会的快速发展，所消耗的资源越来越多，在这样的发展情况之下，如何进行资源回收再利用，提高资源的利用率，减轻环境污染，是今后生产发展需要重视的课题。因此，要求在运用机械设备进行生产的各个环节，都要将环保因素纳入其中。机电一体化技术朝着环保化发展，有利于社会可持续发展。

3.5网络化

随着信息技术的快速发展，机电一体化技术与网络进行良好的融合，从而进一步提高其技术含量。随着网络时代的带来，人们的生产和生活发生了很大的变化，生产、教育、科技、军事等均因为运用网络而进一步发展。远程监控技术的终端设备是以机电一体化技术为基础的设备，而当前远程监控技术的发展积极引入网络技术。因此，机电一体化技术想要与时俱进，进一步提高其竞争、创新力，需要引入网络，促进资源共享，提高其科技含量。

结束语

机电一体化技术的快速发展是社会发展到一定阶段得出的产物，进一步运用于社会各行业的发展之中，创造更多的经济效益，不断的推进社会的发展。在发展机电一体化技术的过程中，要注意将更过的先进技术融入其中，提高其技术含量。在发展的同时，要注意其环保性，将环保元素融入其中，从而和谐可持续发展。

参考文献

[1]郭广超. 机电一体化技术的应用及发展趋势探讨[J]. 电子世界，2014，06：196.

机电一体化的主要特征范文第2篇

[摘 要] 随着技术的发展和应用领域的不断推广，机电一体化的发展越来越快，分析机电一体化发展状况和总体的趋势，可以让人们把握发展方向，再度创新。

[关键词] 机电一体化；电子技术；机电技术；定位控制

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2017. 07. 072

[中图分类号] TP311 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2017）07- 0152- 03

0 前 言

几十年以来，高新技术推动了远程操控无人值守系统技术的发展并取得了巨大进步，其发展趋势和主要特征如下：①具有比较明显的机电化属性。而更为重要的是其改变了以往的纯C械属性。②高新技术带来崭新的生命力。远程操控无人值守系统在高新技术推动下成为多种技术的综合体。③我国远程操控无人值守系统技术以机电融合技术为基础。自动化、自主化和智能化是我国远程操控无人值守系统发展的方向。 在机械技术、信息技术与电子技术进行有机结合的条件下，机电一体化技术成为一种最新的技术实现了生产过程和工业产品的整体优化。远程操控系统是机电一体化系统进一步发展的结晶，它结合了机械、微电子与计算机、精密机械、自动控制与驱动装置、传感器及信息处理技术、人工智能等多个学科领域的最新科研成果。

1 国内外机电一体化发展状况

1.1 发展概述

机电一体化起源于日本，伴随着电子信息技术向传统机械产品渗透的过程中产生了机电一体化，其发展大致分为三个阶段。

初级阶段即20世纪前期是第一阶段。在第一阶段期间，由于初步发展的电子技术对机械产品的性能的优化。特别是在第二次世界大战期间，为适应战争的迫切需要，电子技术进一步优化了纯机械产品的性能，在战争结束后，与军用技术相结合的机电技术转为民用，此新兴技术加速了战后经济的恢复。那个时期研制及开发整体上处于自发阶段。因为当时的电子技术发展水平还不是很高，电子技术和机械技术还不能很好的结合与渗透，导致已开发的产品不能得到大量快速地推广。

20世纪中后期为第二阶段，机电技术得到迅猛发展。这一阶段，控制技术、计算机技术和通信技术的发展又为机电一体化的快速发展埋下深基。除此之外，机电一体化的发展以大规模型和超大规模的微型 PC 和集成电路为中心。该时期的特点：①机电一体化技术及其产品快速发展；② mechatronics 一词起源于日本，该词直到20世纪80年代末才在世界范围内被广泛承认；③机电一体化技术和产品均受到各国的关注和支持。

20世纪末期，机电一体化技术迈向智能化方向舞台。发展出微机电一体化和光机电一体化等新分支领域；与此同时，开创了以光纤技术、神经网络技术、人工智能技术等领域推动的发展新纪元。诸多研究促进机电一体化进一步发展并更加完善。

1.2 机电一体化装置主要完成功能及组成

凡是系统，其内部都有动力、检测、控制等功能。机电一体化系统的主要功能是实现动力和运动的转换和传递，动力功能是向系统提供动力，能量应与动力和运动的传递和转换相匹配。使系统得以正常运转。对整个系统的内部信息、外部信息加工处理，控制系统实现正常运转，并实现其工作目的。机电一体化装置及系统由以机械部分、信息检测控制部分和驱动单元等为主体部分组成，如图1所示。

此系统在电动驱动方式下，利用部分信息处理指令，规定的运动即可在驱动执行部分作用下完成。检测部分将检测到的信息送回信息处理与控制部分，作为发送信息的依据。传动部分由光杆、滚珠丝杠副组成，驱动部分由电机组成，信息处理和控制部分作为信息处理和控制的核心，它将传感器检测的信号，根据一定的算法，对数据和信息进行存储、变换等处理，并通过接口向执行机构发出执行命令，完成规定的动作，同时，电源部分为系统提供所需的动力和能量。

2 国内外机电一体化发展的趋势

2.1 智能化

智能化是机电一体化与传统机械自动化的主要区别之一， 也是21世纪机电一体化的发展方向。近几年，处理器速度的提高和微机的高性能化、传感器系统的集成化与智能化为嵌入智能控制算法创造了条件，有力地推动着机电一体化产品向智能化方向发展。智能机电一体化产品可以模拟人类智能，具有某种程度的判断推理、逻辑思维和自主决策能力，从而取代制造工程中人的部分脑力劳动。目前， 专家系统、模糊系统、神经网络以及遗传算法，是机电一体化产品（系统） 实现智能化的4种主要技术，它们各自独立发展又彼此相互渗透。随着制造自动化程度的不断提高，将会出现智能制造系统控制器来模拟人类专家的智能制造活动， 并会对制造中出现的问题进行分析、判断、推理、构思和决策。例如，在CNC数控机床上增加人机对话功能，设置智能I/O接口和智能工艺数据库，会给使用、操作和维护带来极大的方便。随着模糊数学、神经网络、灰色理论、心理学、生理学和混沌动力学等人工智能技术的进步与发展，为机电一体化技术发展开辟了广阔天地。

2.2 集成模块化

模块化是一项重要而艰巨的任务，研制具有标准化的机械接口，动力接口，信号接口很有必要。模块化也给机电一体化企业带来美好的发展未来。

2.3 微型化

微型化是指机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。它是一个新兴的、多学科交叉的高科技领域，面临许多课题，涉及许多关键技术。由于微机电一体化系统具有体积小、耗能小、运动灵活等特点，可进入一般机械无法进入的空间并易于进行精细操作，故在生物医学、航空航天、信息技术、工农业乃至国防等领域，都有广阔的应用前景。微型机械加工技术作为微型机械的最关键技术，也必将有一个大的发展。硅加工、LIGA加工和准LIGA加工正向着更复杂、更高深度适合各种要求的材料特性和表面特性的微结构以及制作不同材料特别是功能材料微结构，更易于与电路集成的方向发展，多种加工技术结合也是其重要方向。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。

2.4 系统化

系统可以灵活组态，进行任意剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。 它的表现特征之一就是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构。系统可以灵活组态，进行任意的剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。表现特征之二是通信功能大大加强，一般除R S232等常用通信方式外，实现远程及多系统通信联网需要的局部网络正逐渐被采用。未来的机电一体化更加注重产品与人的关系，如何赋予机电一体化产品以人的智能、情感、人性显得越来越重要以及模仿生物机理等方面的产品。机电一体化产品还可根据一些生物体优良的构造研究某种新型机体，使其向着生物系统化方向发展。

2.5 自源化

自源化是指机电一体化产品自身带有能源，如太阳能电池、燃料电池和大容量电池。由于在许多场合无法使用电能，因而对于运动的机电一体化产品，自带动力源具有独特的好处。

2.6 环保化

工业的发达给人们生活带来巨大变化。一方面，物质丰富，生活舒适；另一方面，资源减少，生态环境受到严重污染。于是，人们呼吁保护环境资源，回归自然。绿色产品概念在这种呼声下应运而生，绿色化是时代的趋势。绿色产品在其设计、制造、使用和销毁的生命过程中，符合特定的环境保护和人类健康的要求，对生态环境无害或危害极少，资源利用率极高。设计绿色的机电一体化产品，具有远大的发展前景。

主要参考文献

机电一体化的主要特征范文第3篇

关键词：机电工程技术；应用及其自动化；问题

机电一体化是当今自动化技术发展的最高阶段也是微电子技术、计算机技术、信息技术、控制技术和精密机械技术等发展的必然产物，是以计算机为主要特征的自动化技术。如果说机械系统处理的对象是运动、力、物质和能量，电子系统处理的对象是信息和知识，则机电一体化系统不仅有处理能量和物质的功能，而且还有处理信息和知识的能力。

1机电技术应用的内容含义

1.1机器的构造及工作原料

机械本体必须从改善性能、减轻质量和提高精度等几方面考虑。现代机械产品一般都是以钢铁材料为主，为了减轻质量除了在结构上加以改进，还应考虑利用非金属复合材料。只有机械本体减轻了重量，才有可能实现驱动系统的小型化，进而在控制方面改善快速响应特性，减少能量消耗.提高效率。

1.2传感技术

传感器的问题集中在提高可靠性、灵敏度和精确度方面.提高可靠性与防干扰有着直接的关系。为了避免电干扰，目前有采用光纤电生产机器的构造一般都是由主体部位的发动机、曲柄连杆、配气、缆传感器的趋势。对外部信息传感器来说，目前主要发展非接触型检起动、传动、行驶、转向、制动等构成，要提高机器的工作效率，必须从测技术。其主体部位改善性能、减轻质重和提高运转精度等方面考虑。

1.3信息处理技术

机器产品一般以钢铁材料为主，已经不具备很强的市场竞争能力要机电一体化与微电子学的显著进步、信息处理设备（特别是微型想改进机器的效率不但要从结构上加以改进，还应该多考虑利用非传计算机）的普及应用紧密相连。为进一步发展机电一体化，必须提高非传统钢铁材料为主的生产概念，如用非金属复合材料或者更高层次的信息处理设备的可靠性，包括模/数转换设备的可靠性和分时处理的输金属材料。当机器主体重量减轻了，方能实现驱动系统的功率的最大入输出的可靠性，进而提高处理速度，并解决抗干扰及标准化问题。减少不必要的能量消耗，提高机器的工作效率。

2驱动技术

2.1提高弱电控制线路

电机作为驱动机构已被广泛采用，但在快速响应和效率等方面还提高弱电控制线路关键在于提高部件间的综合性能。目前，正在积极发展内部装有编码器的电机以及控制传感器、信息处理设备、软件等方面进行提高。专用组件一传感器一电机三位一体的伺服驱动单元驱动机最为广泛使用的是电机，但其工作效率及响应速度还存在着诸多问题，我们面对此类问题要更为全面的发展新型的驱动单位，如驱动单元中装了编码器的电机以及控制专用组件、传感器等多位一机的伺服驱动单元传感器的问题集中在提高可靠性、灵敏度和精确度方面，提高可靠性与防干扰有着直接的关系。为了避免电干扰，目前有采用光纤电缆传感器的趋势。对外部信息传感器来说主要发展非接触型检测技术。微型计算机作为信息处理设备的主要设备，大大推进了机电技术应用与微电子学的进步。为进一步发展机电技术应用，必须提高信息处理设备的可靠性、准确性、快速性等特点。最大程度的提高处理速度，并解决好抗干扰及其它可能出现的问题。除此之外，在与信息处理设备进去通信时，必须规范数据传递的格式，采用同一标准.这样不仅有利于信息传递和后续维修。而且可以简化设计流程，培养专业技术人才，除低开发成本、开发高速传递方式。以便解决日后更为大容量化的机器运作能力。

2.2机电一体化的核心技术

机电一体化包括软件和硬件两方面技术。硬件是由机械本体、传感器、信息处理单元和驱动单元等部分组成。

2.3接口技术

为了与计算机进行通信，必须使数据传递的格式标准化、规格化。接口采用同一标准规格不仅有利于信息传递和维修，而且可以简化设计。目前，技术人员正致力于开发低成本、高速串行的接口，来解决信号电缆非接触化、光导纤维以及光藕器的大容量化、小型化、标准化等问题。

2.4软件技术

软件与硬件必须协调一致地发展。为了减少软件的研制成本，提高生产维修的效率，要逐步推行软件标准化，包括程序标准化、程序模块化、软件程序的固化、推行软件工程等。

3结束语

综上所述，机电一体化技术是众多科学技术发展的结晶，是社会生产力发展到一定阶段的必然要求，它促使机械工业发生战略性的变革，使传统的机械设计方法和设计概念发生着革命性的变化，大力发展新一代机电一体化产品，不仅是改造传统机械设备的要求，而且是推动机械产品更新换代和开辟新领域、发展与振兴机械工业的必由之路。

参考文献：

机电一体化的主要特征范文第4篇

[关键词]高职院校教学改革；任务驱动教学法；机电一体化

引言：机电一体化技术即结合应用机械技术和电子技术于一体。随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用，机电一体化技术获得前所未有的发展，成为一门综合计算机与信息技术、自动控制技术、传感检测技术、伺服传动技术和机械技术等交叉的系统技术，目前正向光机电一体化技术方向发展，应用范围愈来愈广。随着科技的迅速发展，高职院校培养既懂理论又会实际操作的高素质技能型人才势在必行。传统的教学方法采用由浅入深，循序渐进式的授课方式，教师是主角，学生被动地接受，往往容易造成学生学习目的不明确，学习主动性不高，动手解决实际问题的能力不强。毕业以后不能很快地融入社会。为了提高教学效果，调动学生的学习积极性。我在机电一体化专业的实际教学中运用了任务驱动教学法获得了非常好的教学效果。

1 任务驱动教学法概念的阐述

任务教学法最初作为交际式语言教学的方法之一，产生于20世纪80年代末，是外语教学界提出的“过程教学大纲”（process syllabuses）的产物，旨在把语言教学真实化，把课堂社会化。任务教学的基本思想就是“干中学”，通过学生参与活动，而不是靠教师或书本使学生体验语言在日常生活中解决问题、处理矛盾时的适用方式，侧重培养语言的运用能力而不仅仅是语言的习得。后来这一教学方法作为一种模式为其他学科的教学所借鉴。 在职业教育领域，任务驱动法教学模式是指以完成某一实际任务为中心展开一系列教学活动。学生在教师指导下，面对真实世界的挑战，在完成任务过程中进行学习。偏重于包括智力在内的多种技能的训练，特别适合培养职业能力、职业态度的教学。

2 任务驱动教学法概念的具体应用

任务驱动教学法实施的前提是教师首先要对学生的知识结构要有一定的了解。具体可以分一下几步实施：

2.1 创设情境：使学生的学习能在与现实情况基本一致或相类似的情境中发生。

需要创设与当前学习主题相关的、尽可能真实的学习情境，引导学习者带着真实的任务进入学习情境，使学习更加直观和形象化。生动直观的形象能有效地激发学生联想，唤起学生原有认知结构中有关的知识、经验及表象，从而使学生利用有关知识与经验去同化或顺应所学的新知识，发展能力。

2.2 确定问题（任务）：在创设的情境下。选择与当前学习主题密切相关的真实性事件或问题（任务）作为学习的中心内容，让学生面临一个需要立即去解决的现实问题。

问题（任务）的解决有可能使学生更主动、更广泛地激活原有知识和经验，来理解、分析并解决当前问题，问题的解决为新旧知识的衔接、拓展提供了理想的平台，通过问题的解决来建构知识，正是探索性学习的主要特征。

2.3 自主学习、协作学习：例如以广东三向教学仪器设备有限公司的SX-815Q机电一体化设备为载体，以加盖拧盖单元为例。

2.3.1 初始位置： 主皮带：处于停止状态；加盖推料气缸，加盖拧盖定位气缸，加盖拧盖气缸：处于收回状态；拧盖电机：处于停止状态。

2.3.2 “单机”工作状态下按“启动”按钮，或者“联机”状态下，主站给出“启动”信号后，系统进入运行状态，“启动”指示灯亮，主皮带开始运行；加盖位检测到物料瓶时，延时0.5S，当物料瓶到达加盖位置，皮带停止，同时加盖定位气缸伸出，准确将物料瓶顶紧；瓶盖料筒检测到有盖信号，加盖伸缩气缸推出瓶盖，加盖升降气缸下降，同时加盖伸缩气缸缩回，将瓶盖加到物料瓶上后加盖升降气缸上升，加盖完成，加盖定位气缸退回，皮带运转；拧盖位检测到物料瓶时，延时0.5S，当物料瓶到达拧盖位位置，皮带停止，同时拧盖定位气缸推出，拧盖电机运转，拧盖升降气缸慢慢下降，拧盖电机对加盖后的物料瓶拧紧，完成后拧盖升降气缸上升，拧盖电机停止，拧盖定位气缸退回，皮带运转，送入下一单元，并如此循环下去。

2.3.3 在“单机”工作状态下按“停止”按钮，或者“联机”状态下主站给出“停止”信号，“停止”指示灯亮，皮带停止运行，定位气缸保持在当前位置，其他气缸回到初始状态。

2.3.4 在“单机”工作状态下按“复位”按钮，或者“联机”状态下主站给出“复位”信号、“复位”指示灯，定位气缸复位到初始状态。再按下“启动”按钮，设备又能正常运行下去。每次按下一个按钮，只有相应的指示灯亮。根据上述任务，不是由教师直接告诉学生应当如何去解决面临的问题，而是由教师向学生提供解决该问题的有关线索，如需要搜集哪一类资料。从何处获取有关的信息资料等，强调发展学生的自主学习能力。

2.3.5 效果评价：对在规定的时间内完成任务的每一位同学进行评价。有完成任务的同学进行操作讲解，其他同学观摩，使每一位同学都认识到别人的优点和不足。对学习效果的评价主要包括两部分内容，一方面是对学生是否完成当前问题的解决方案的过程和结果的评价，即所学知识的意义建构的评价，而更重要的一方面是对学生自主学习及协作学习能力的评价。评价既要有老师的评价更要有同学之间的评价。

3 任务驱动教学法小结

任务驱动教学法体现了“学生为主体”的教学思想，改变了传统教学法的教师讲、学生听的教学模式，学生在学习中起主体作用，是学习的主人，教师由在教学中起组织、引导、促进、评价、咨询的作用。同时任务驱动教学法更容易激发和保持学生的学习积极性，在教学中随着一个个任务的完成，学生一个跟一个成就感的产生，学生学习信息技术的兴趣、自信油然而生，改变了传统教学中学生无所适从的局面，使学生在学习中充满自信。任务驱动教学法不但可以锻炼学生的合作精神和沟通能力，而且可以促进学生在学习过程中表达自己的见解、聆听他人的意见、理解他人的想法，促进了学生思维能力的培养，提升了学生的信息素养。任务驱动教学法在培养学生实践和创新能力、提高学习效果、促进学生的个性化发展、增强学生探索精神、锻炼学生顽强意志等方面有很好的促进作用。

参考文献：

机电一体化的主要特征范文第5篇

 

1 引言

 

所谓的工业4.0，是指利用物联信息系统将生产中的供应，制造，销售信息数据化、智慧化，最后达到快速，有效，个人化的产品供应。而在如今制造业开始逐步应用智能化技术的背景下，工业4.0的出现，则能更好的推动制造业智能化技术的发展。基于此，本文就工业4.0推动制造业智能化技术的发展进行了探讨，相信对有关方面的需要能有一定的帮助。

 

2 智能技术系统

 

2.1 三大技术发展加速催生新一代技术系统

 

进入21世纪以来，信息与通信技术取得了突破性进展，出现了如下3个重要的技术发展趋势。

 

(1)电子部件的微小型化。

 

随着超大规模集成电路技术的突破、电子设计自动化的广泛应用以及半导体工艺的迅速发展，新型微控制器和8核、16核等多核微处理器研发速度明显加快，新产品不断问世。这些新型电子部件具有集成度高、可靠性与性能价格比高、抗干扰能力强以及功耗低等优点;平行计算功能极大地提高了信息处理能力，为智能技术系统的研发创造了优越的硬件条件。

 

(2)软件成为创新的驱动力。

 

由于功能的增加、产品用户特定需求的增加、交付要求不断变化、不同技术学科和组织日益融合以及不同的公司间合作形式迅速变化等原因，工业产品及其相关的制造系统变得越来越复杂。特别是具有嵌入式软件的系统，其复杂性还在快速地增加，管理这样复杂的系统，其难度越来越大。

 

(3)工业生产系统网络化。

 

过去二十年，互联网很好地解决了人与人之间的互联互通，并颠覆了与人密切相关的一些传统行业。今后，随着技术的不断发展，互联网将要实现物与物的互联互通，进而实现信息世界与物理世界的融合，于是产生了物联网。工厂生产系统需要完成控制功能，为了将控制技术融入互联网，在将物理设备联网的同时，也要将计算与通信嵌入实物过程，并使其与实物过程密切互动，从而出现了信息物理融合系统，又称工业互联网，它将互联网的发展推向了新高度。

 

2.2 智能技术系统的定义与特征

 

以上3个技术发展趋势加速了机电一体化系统的升级。新一代技术系统将以机械学、电气/电子学、控制工程、软件技术和新材料的紧密相互作用为基础，通过“嵌入式智能”产生一种超越机电一体化的新系统。在这里，信息技术将与诸如认知科学、神经生物学和语言学等非技术学科相融合，跨学科融合不断研发出过去只是在生物系统中才使用的新的集成方法、技术和规范，使用这些方法、技术和规程可以将感知、认知和执行功能集成融入技术系统，这样的技术系统称作智能技术系统。

 

智能技术系统具有自动适配功能，适应力强，并且使用方便。同时，系统还具有节约资源、可进行直观操作以及可靠性高等特点。

 

通常，智能技术系统都具有如下主要特征。

 

适应性，即智能技术系统能够与所处的环境相互交互，并能自治地适应它们的运行模式。按照这种方式，在设计人员设定的框架内，智能技术系统能够在运行期间逐步完善，从而确保它们能够长期保持最佳使用状态。

 

坚固性，即智能技术系统能够在动态环境中灵活和自治地运行，甚至能够在开发设计者不希望或未曾预见到的环境中运行。系统能够处理不确定或者不足的信息，确保至少达到某种使用等级，满足各种要求。

 

可预期性，即以经验积累的知识为基础，智能技术系统能够预测未来的效果和可能的情况。按照这种方式，系统能够早期识别出风险，并能及时选择和执行适合的策略，迅速解决问题。这样一来，系统就能够更有效地实现目标。

 

用户友好性，即智能技术系统能够适应用户指定的特性，能与用户进行合理的交互。对用户而言，系统具有一定的理解能力。

 

3 认知信息处理参考模型及其模块的研制

 

3.1 非认知系统与认知系统

 

信息处理方法是推动机电一体化向智能技术系统升级的主要推动力。机电一体化系统与智能技术系统的信息处理方法是不同的。机电一体化系统在传感器和执行机构之间提供一种反应式和固定的耦合。而智能技术系统则类似于具有认知的生物，能够变更这些耦合。认知处理不会取代直接的和反应式耦合，它会与后者共存。认知系统和非认知系统的比较如图1所示。

 

3.2 认知信息处理参考模型

 

如上所述，认知科学完全参照认知生物的行为，以此为基础创建了智能信息处理技术。因此，评价一个系统是否具有“智能“，应该看该技术系统是否具备如下3个特殊的特征：

 

(1)主动嵌入到环境中，并能够与所处的生产场景环境交换信息;

 

(2)借助周围环境与系统相关信息的内部表达，产生灵活的、与环境相适应的控制动作;

 

(3)具有学习和参与综合信息处理的能力。

 

3.3 操作器-控制器智能模块的研制。

 

为了实现STRUBE认知信息处理3层模型，德国帕德博恩大学Jugen Gausemeier教授领导的研发人员开发了用于自寻最优系统的操作器-控制器模块。在这里，信息处理分成3级，即控制器、条件反射操作器和认知操作器。

 

控制器的主要任务是按照更优的方式控制基本系统的动态性能。其控制回路是获取测量信号和确定调节信号十分有效的链路，因此称它为“原动”回路。该级软件在硬实时条件下运行。大量控制器配置能够由控制器本身完成。

 

条件反射操作器的操作能够监视和指挥控制器。它不能直接访问系统的执行机构;但是它能够通过改变参数和结构，完成对控制器的修改。条件反射操作器本质上是面向事件的，它与控制器紧密相连，其按硬实时方式处理事件。作为认知操作器的连接部件，条件反射操作器可以当作控制器和那些软实时或不能实时工作的部件之间的接口。它将进入的信号过滤，并将其送给下一级。条件反射操作器负责若干OCM之间的实时通信，这些OCM一起构成一个自寻最优控制系统。

 

认知操作器位于OCM的最高一级，系统能够采用各种方法(诸如学习方法、基于模型的最佳化方法或基于系统的知识的系统方法)，去使用它本身和其周围环境的信息，以提升它自身的性能。在这里，特别要强调能够实现自寻最优的认知能力。

 

4 智能子系统与智能网络化系统

 

智能技术系统具有两种结构形式，一种是子系统基本结构形式，即智能子系统;另一种是组群结构形式，称作智能网络化系统。

 

对于大型机械装备或生产流水线，为了完成各种各样的功能，通常都由几个子系统构成，它们被看成是一个相互作用的组合体。这些智能子系统在地理位置上是分散的，通常采用分布式结构，它们彼此之间需要进行通信和协调，从而形成了网络化系统结构。但是，由此产生的网络化系统的功能作用仅能通过单个系统间的交互作用呈现出来。无论是网络还是单个系统的角色都是静态的，而要完成整体功能作用，就需要借助于通过动态改变来实现。在过去，这完全是分开考虑的问题，诸如一方面是云计算，另一方面是嵌入式系统。现在，我们可以采用最新的信息物理融合系统(CPS)的途径进行集成。

 

5 智能技术系统的实现

 

从2007年开始，德国科技创新主要依靠分布在全国各地的15个前沿技术创新集群，每个集群都主攻一个专业方向。“it’s OWL”北威州创新集群专注于智能技术系统产品与系统的研发，它是欧洲具有最强产品开发能力的地区之一，其愿景是成为全球智能技术系统市场和技术的领导者。该集群共有174个成员，包括25个工程和顾问咨询公司、25个核心公司和78个基本公司、6个高等院校以及10个竞争力中心。2012年2月，某教研部投入1亿欧元，支持45个产品和生产的研发项目，计划用5年时间完成。这些项目分为平台、创新及可持续项目3种类型。

 

平台项目，即为推动集群内各家公司在今后几年内进入智能技术系统业务领域，以及实现技术成果向大量中小型企业转移，创建自寻最优控制系统、人机交互、智能网络、能源效率以及系统工程等5个最基本的技术平台。

 

创新项目，即系统集群内的核心公司为实现战略目标，基于上述技术平台，开发子系统、系统以及网络化系统等具体产品和解决方案。

 

可持续项目，即这些项目研究采取7种有效措施，在政府计划支持的时间结束后，仍然能保持长期的可持续性。特别是在这些项目内，中小型企业在今后几年仍然能够自身实现智能技术系统的开发工作。

 

6 工业4.0智能自适应生产系统产品与应用

 

某公司为了实现工业4.0“智能生产”战略目标，按照智能技术系统的技术概念，研发了自适应生产系统。该系统采用分散式模块化结构，并使用公司最新研制的即插即生产智能化网络技术。分散式模块化结构意味着整个生产过程所使用的机械、控制和通信系统全部采用模块化设计，这就使得生产制造系统能够按照工艺和生产的要求任意组合，系统的适应性可以通过插入或移除其中的模块来实现。

 

即插即生产技术具有自寻最优特性和即插即生产网络自配置功能。自配置功能是建立在实时通信系统的自配置方法和生产系统、模块和部件语义自描述能力的基础上，无须使用任何工程工具。生产制造系统通过分析与理解外界及自身的信息，对系统中各组成部分进行自动协调、重组与扩充，实现对产品的数量、种类、性能和质量的自动适应，从而最佳地完成不断变化的工作任务。该自适应生产系统已成功用于公司的I/O装置生产线，取得了满意的效果。按照计划，自适应生产技术与系统产品即将推向市场。与此同时，“it’s OWL”创新集群的各成员公司也将分批各种类型的智能技术系统的产品和系统，并在传统的机电一体化系统用户领域推广应用。这些创新的技术与产品，将为制造企业，特别是中小型制造企业的转型升级创造理想的条件，也为工业4.0的实现提供了具体路径和解决方案。

 

7 结束语

 

综上所述，工业4.0的出现，对于机械制造和电气工程等领域来说有着重要的意义。而随着我国制造业逐渐迈向智能化，针对工业4.0的战略目标，我们需要采取更为有效的技术措施，进一步推动制造业的智能化技术发展，从而提高我国制造业的科技水平。