机电一体化技术的应用与发展前景

(乌兰察布市新技术应用研究所，内蒙古 乌兰察布 010050)
摘 要：文章简述了机电一体化技术的基本结构组成和主 要应用领域，并指出了其发展趋势。 
关键词：机电一体化；核心技术；应用领域；发展趋势 
中图分类号：TH-39  文献标识码：A  文章编号：1007—6921(2009)24—0123—02

机电一体化技 术是在微型计算机为代表的微电子技术、信息技术迅速发展，向机械工业领域迅猛渗透，机 械电子技术深度结合的现代工业的基础上，综合应用机械技术、微电子技术、信息技术、自 动控制技术、传感测试技术、电力电子技术、接口技术及软件编程技术等群体技术，从系统 理论出发，根据系统功能目标和优化组织结构目标，以智力、动力、结构、运动和感知组成 要素为基础，对各组成要素及其间的信息处理，接口耦合，运动传递，物质运动，能量变换 进行研究，使得整个系统有机结合与综合集成，并在系统程序和微电子电路的有序信息流控 制下，形成物质的和能量的有规则运动，在高功能、高质量、高精度、高可靠性、低能耗等 诸方面实现多种技术功能复合的最佳功能价值系统工程技术。
1 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。为加速推进机电一体化的发展，必须从以下几方面着手。 
1.1 机械本体技术 

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测技术。 
1.3 信息处理技术 

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 。 

1.4 驱动技术 　　

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存在一些问题。目前，正在积极发展内部装有编码器的电机以及控制专 用组件-传感器-电机三位一体的伺服驱动单元。 
1.5 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。 
1.6 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。 2 机电一体化技术的主要应用领域 
2.1 数控机床 

数控机床及相应的数控技术经过40年的发展，在结构、功能、操作和控制精度上都有迅 速提高，具体表现在：①总线式、模块化、紧凑型的结构，即采用多CPU、多主总线的体系结构。②开放性设计，即硬件体系结构和功能模块具有层次性、兼容性、符合接口标准，能最大限 度地提高用户的使用效益。③WOP技术和智能化。系统能提供面向车间的编程技术和实现二、三维加工过程的动态仿 真，并引入在线诊断、模糊控制等智能机制。 ④大容量存储器的应用和软件的模块化设计，不仅丰富了数控功能，同时也加强了CNC 系统的控制功能。 ⑤能实现多过程、多通道控制，即具有一台机床同时完成多个独立加工任务或控制多台 和多种机床的能力，并将刀具破损检测、物料搬运、机械手等控制都集成到系统中去。⑥系统的多级网络功能，加强了系统组合及构成复杂加工系统的能力。 ⑦以单板、单片机作为控制机，加上专用芯片及模板组成结构紧凑的数控装置。 
2.2 计算机集成制造系统（CIMS） 

CIMS的实现不是现有各分散系统的简单组合，而是全局动态最优综合。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。企业集成度的提高可以使各种生产要素之间 的配置得到更好的优化，各种生产要素的潜力可以得到更大的发挥。 
2.3 柔性制造系统（FMS） 

柔性制造系统是计算机化的制造系统，主要由计算机、数控机床、机器人、料盘、自动 搬运小车和自动化仓库等组成。它可以随机地、实时地、按量地按照装配部门的要求，生产 其能力范围内的任何工件，特别适于多品种、中小批量、设计更改频繁的离散零件的批量生 产。 

2.4 工业机器人 　　

第1代机器人亦称示教再现机器人，它们 只能根据示教进行重复运动，对工作环境和作业对象的变化缺乏适应性和灵活性；第2代机 器人带有各种先进的传感元件，能获取作业环境和操作对象的简单信息，通过计算机处理、 分析，做出一定的判断，对动作进行反馈控制，表现出低级智能，已开始走向实用化；第3 代机器人即智能机器人，具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑思维、判断和决策，在作业 环境中独立行动，与第5代计算机关系密切。 
3 机电一体化技术的发展前景 

纵观国内外机电一体化的发展现状和高新技术的发展动向，机电一体化将朝着以 下几个方向发展： 
3.1 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是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。
3.2 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(柔性),又不因某一子系统的故障而影 响整个系统。
3.3 全息系统化——智能化

今后的机电一体化产品“全息”特征越来越明显,智能化水平越来越高。这主要收 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 变简单的“从上到下”的形势而为复杂的、有较多冗余度的双向联系。
3.4 “生物——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: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)——软件(大脑)一体,不可分割。看来,机电一体化产品虽然有向生 物系统化发展趋,但有一段漫长的道路要走。
3.5 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。

综上所述，机电一体化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］
［1］ 李运华.机电控制［M］.北京：北京航空 航天大学出版社,2003.
［2］ 芮延年.机电一体化系统设计［M］.北京：北京 机械工业出版社,2004.
［3］ 王中杰,余章雄,柴天佑.智能控制综述［J］.基础自动化,2006，(6).
［4］ 章浩,张西良,周士冲.机电一体化技术的发展与应用［J］.农机化研究,2006， (7).
［5］ 梁俊彦,李玉翔.机电一体化技术的发展及应用［J］.科技资讯,2007，(9).

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