論機電一體化及其應用

摘 要：隨著計算機技術的迅猛發展和廣泛應用，以及社會發展的需求，“催生”了機電一體化技術。目前，隨著社會各行各業發展步伐的加快，尤其是工業的飛快發展，人們迫切的希望能提高工作效率。同時，在高效率工作的前提下，如果能提高相關產品的性能，那就再好不過了。機電一體化技術就是綜合計算機與信息技術、自動控制技術、傳感檢測技術、伺服傳動技術和機械技術等交叉的系統技術，不僅可以提高人們的工作效率，還可以解決某些情況下人們不易操作的問題，如工業機器人在核反應堆中的應用，就是機電一體化技術廣泛應用的例子之一。文章就對機電一體化的含義、機電一體化的發展歷史、機電一體化的發展趨勢及其應用做了重要論述。

關鍵詞：機電一體化；信息技術；數控機床

機電一體化就是將機械技術、電工電子技術、微電子技術、信息技術、傳感器技術、接口技術、信號變換技術等多種技術進行有機的結合，并應用到實際中去的綜合技術。隨著科學技術的飛速發展，現代化的自動生產設備可以說都是機電一體化的設備。

機電一體化也稱為機械電子學，是由英文單詞Mechanics（機械學）的詞頭和Electronics（電子學）的詞尾組合而成的新詞，即Mechatronics。機電一體化最早出現在1971年日本雜志《機械設計》的副刊上，隨著機電一體化技術的快速發展，機電一體化的概念被世界各國所承認和應用。隨著電子技術和信息技術的迅猛發展，機電一體化技術也獲得了高速發展，并對現代工業的生產產生了重要影響。

1 機電一體化的含義

在人類漫長的發展歷史中，有一種“看不見的思想”推動著技術的進步和發展，而這種“看不見的思想”就是人們追求的“精益求精”的思想，也正是這種思想使人們創造了一個又一個技術奇跡，也正是“精益求精”的思想迫使人們去提高工作效率，從而創造了機電一體化技術。

機電一體化在國外被稱為“Mechatronics”，這個詞是由英文單詞Mechanics（機械學）的詞頭和Electronics（電子學）的詞尾組合而成的新詞，意思是機械技術和電子技術的有機結合。隨著科學技術的發展，這一技術已經得到包括我國在內的世界各國的承認和應用，我國的工程人員將這一名稱譯為“機電一體化技術”，機電一體化技術又稱為機械電子技術，是機械技術、電子技術和信息技術有機結合的產物，是諸多高新技術產業和高新技術裝備的基礎。

2 機電一體化技術的發展歷史

機電一體化技術的發展歷程，大致可以分為三個階段。

20世紀60年代以前是第一階段，這一階段是機電一體化的初創階段，也就是電子技術開始在機械行業中得到廣泛應用，因此，可以稱其為“萌芽階段”。在這一時期，電子技術研究的初步成果開始被人們用來完善機械產品的相關性能。尤其是第二次世界大戰的爆發，更是刺激了機械產品與電子技術的結合，出現了一些機械性能相當優良的軍事用途的機電產品。戰后，這些軍事用途的機電產品轉為民用，對經濟的恢復和技術的進步起到了積極的促進作用。

20世紀70年代到80年代是第二階段，這一階段機電一體化獲得了蓬勃發展，因此，可以稱其為“蓬勃發展階段”。在這一時期，人們已經開始主動地去利用電子技術、通信技術和控制技術，也就是人們常講的3C（Compute、Control、Communication Techology，簡稱3C）技術的發展成果來研究新的機電一體化產品。

20世紀90年代至今，是機電一體化技術發展的第三階段，這一階段智能化技術在機電一體化技術中得到了良好的應用，因此，這一階段可以稱其為“智能化階段”。這一時期，由于人工智能技術、網絡技術和光纖技術等的發展，為機電一體化帶來了巨大的發展空間。而目前，隨著機械技術與激光-微電子等技術的結合，光機電一體化技術將會成為機電一體化技術未來發展的重要方向。光機電一體化技術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、自動控制和通信技術于一體的高科技產品，具有豐富的功能和很高附加值；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。隨著機電一體化技術在各行各業的廣泛應用，光機電一體化技術將會獲得巨大的發展空間。

3 機電一體化的發展趨勢

機電一體化是集機械、電子、光學、控制、計算機、信息等多學科的交叉綜合， 它的發展和進步依賴并促進相關技術的發展和進步。[1]21世紀，隨著科學技術和人們的環保意識的提升，機電一體化的發展趨勢主要是智能化、數字化、網絡化、微型化及綠色化。

3.1 智能化

智能化是21世紀機電一體化發展的重要趨勢。隨著計算機技術、信息技術、電子技術的飛速發展，機電一體化的智能化在工業中得到了廣泛的應用，機器人就是機電一體化的重要體現。機器人就是通過計算機技術、電子技術、傳感器技術等自動執行工作的機器裝置，它既可以接受人類指揮，又可以運行預先編排的程序，也可以根據以人工智能技術制定的原則綱領行動。機器人的主要任務就是協助或代替人類的工作，尤其是一些危險場合，如高電壓環境、核電站等，都需要機器人來完成人類不適宜的工作。隨著機器人性能的提高，在工業、醫學、農業、建筑業甚至軍事等領域，機器人都有著非常重要的用途。

3.2 數字化

數字化就是將許多復雜多變的信息轉變為可以度量的數字、數據，再以這些數字、數據建立起適當的數字化模型，把它們轉變為一系列二進制代碼，引入計算機內部，進行統一處理，這是數字化的基本過程。21世紀是信息時代，信息的數字化越來越受到人們的重視。隨著計算機技術的發展，奠定了機電產品數字化的基礎，也為數字化設計和制造提供了重要手段，如虛擬設計、計算機集成制造等。數字化要求機電一體化產品的軟件具有具有高可靠性、易操作性、可維護性以及自診斷能力等。

3.3 網絡化

網絡化就是指利用通信技術和計算機技術，把分布在不同地點的計算機及各類電子終端設備互聯起來，按照一定的網絡協議相互通信，以達到所有用戶都可以共享軟件、硬件和數據資源的目的。20世紀90年代中期，網絡技術得到了迅猛發展，它把互聯網上分散的資源融為有機整體，實現資源的全面共享和有機協作，使人們能夠透明地使用資源的整體能力并按需獲取信息，給世界帶來了巨大的變革，也給機電一體化的發展帶來了重大影響，如可以通過網絡對機電一體化的設備進行遠程控制。機電一體化的產品很多，我們以數控機床為例來說明。

數控機床是一種裝有程序控制系統的自動化機床。該控制系統能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號指令規定的程序，并將其譯碼，用代碼化的數字表示，通過信息載體輸入數控裝置。經運算處理由數控裝置發出各種控制信號，控制機床的動作，按圖紙要求的形狀和尺寸，自動地將零件加工出來。數控機床較好地解決了復雜、精密、小批量、多品種的零件加工問題，是一種柔性的、高效能的自動化機床，代表了現代機床控制技術的發展方向，是一種典型的機電一體化產品。

3.4 微型化

近年來，作為機電一體化技術的重要分支的微機電系統，得到了迅猛發展。微機電系統是微電路和微機械按功能要求在芯片上的集成，尺寸通常在毫米或微米級，自八十年代中后期崛起以來發展極其迅速，被認為是繼微電子之后又一個對國民經濟和軍事具有重大影響的技術領域，將成為21世紀新的國民經濟增長點和提高軍事能力的重要技術途徑。

由于微機電系統具有體積小、重量輕、能耗低、耐用性好、價格低廉、性能穩定等優點，在生物醫學、航空航天、工業、農業乃至國防等領域等有著廣闊的應用前景。雖然目前技術上還存在一定困難，但取得技術上的重大突破已經為期不遠。

3.5 多樣化

未來的機電一體化裝置將會越來越強化其與生命機體的相似性，它高度依賴于信息，具有相當高的智能，能夠學習和積累經驗，有靈活適應環境的能力，并能根據需要和具體條件進行決策、指揮并完成某些任務。[2]這些在技術上雖然有一定難度，但其部分功能已經得以實現。人們正在研究如何用機電一體化技術取代人體的大部分器官，如人造假肢，過去只是外表和真肢相似的機械化裝置，而目前，已經研究出可以和身體器官相連的裝置，這種假臂的手非常靈活，甚至可以操作樂器等。

3.6 綠色化

綠色設計就是指充分利用資源來獲得綠色產品的設計。在漫長的人類發展史中，工業設計為人類創造了現代生活方式和生活環境，與此同時，也加速了資源、能源的消耗，并對地球的生態平衡造成了嚴重破壞。但地球上的一次性資源、能源畢竟有限，隨著世界人口的日益增多和人們對物質生活越來越高的要求，這種高投入高輸出發展模式能否持續下去、還能持續多久，已成為國際社會的重點研究課題。[3]鑒于此，綠色設計也就成了機電一體化發展的重要方向。綠色設計反映了人們對于現代科技文化所引起的環境及生態破壞的反思，要求世界各國要合理的利用資源，轉變傳統粗放式的發展模式，采用以資源、能源高效利用為特色的集約型發展模式，是實現可持續發展的重要途徑。

4 機電一體化的重要應用

機電一體化技術自問世以來獲得了迅猛發展，推動了機械工業的良好發展，新產品層出不窮。無論是軍事還是經濟，亦或是生產、生活，機電一體化都在時刻推動著社會的發展。

4.1 數控機床

數控機床是一種裝有程序控制系統的自動化機床。數控機床的基本組成包括加工程序載體、數控裝置、伺服驅動裝置、機床主體和其他輔助裝置。數控機床工作時，不需要工人直接去操作機床，要對數控機床進行控制，必須編制加工程序。零件加工程序中，包括機床上刀具和工件的相對運動軌跡、工藝參數和輔助運動等。數控裝置是數控機床的核心。現代數控裝置均采用CNC（Computer Numerical Control）形式，這種CNC裝置一般使用多個微處理器，以程序化的軟件形式實現數控功能，因此又稱軟件數控（Software NC）。伺服系統是數控機床的重要組成部分，用于實現數控機床的進給伺服控制和主軸伺服控制。伺服系統的作用是把接受來自數控裝置的指令信息，經功率放大、整形處理后，轉換成機床執行部件的直線位移或角位移運動。機床主機是數控機床的主體。它包括床身、底座、立柱、橫梁、滑座、工作臺、主軸箱、進給機構、刀架及自動換刀裝置等機械部件。它是在數控機床上自動地完成各種切削加工的機械部分。輔助裝置是保證充分發揮數控機床功能所必需的配套裝置，常用的輔助裝置包括：氣動、液壓裝置，排屑裝置，冷卻、潤滑裝置，回轉工作臺和數控分度頭，防護，照明等各種輔助裝置。

4.2 工業機器人

工業機器人是面向工業領域的多關節機械手或多自由度的機器人。工業機器人是工業物流自動化中的重要裝置之一，是當今世界新技術革命的一個重要標志。[4]工業機器人是自動執行工作的機器裝置，是靠自身動力和控制能力來實現各種功能的一種機器。它可以接受人類指揮，也可以按照預先編排的程序運行，現代的工業機器人還可以根據人工智能技術制定的原則綱領行動。20世紀40年代中后期，機器人的研究與發明得到了更多人的關心與關注。50年代以后，美國橡樹嶺國家實驗室開始研究能搬運核原料的遙控操縱機械手。1954年美國戴沃爾最早提出了工業機器人的概念，并申請了專利。1959年UNIMATION公司的第一臺工業機器人在美國誕生，開創了機器人發展的新紀元。UNIMATION的VAL（very advantage language）語言也成為機器人領域最早的編程語言在各大學及科研機構中傳播，這也是各個機器人品牌的最基本范本。

5 結束語

機電一體化的出現不是孤立的，它是許多科學技術發展的結晶，是社會生產力發展到一定階段的必然要求。應當指出，機電一體化是機械理論與計算機和網絡等信息理論的結合，是機械設計理論的發展，而不是取代。當然，與機電一體化相關的技術還有很多，并且隨著科學技術的發展，各種技術相互融合的趨勢將越來越明顯，機電一體化技術的廣闊發展前景也將越來越光明。

參考文獻

[1]梁俊彥，李玉翔，林樹忠.機電一體化技術的發展及應用[J].科技資訊，2007.

[2]張楊林.機電一體化技術進展及發展趨勢[J].機械制造，2005.

[3]周琴.機電一體化技術的現狀和發展趨勢[J].機械，2010.

[4]王恒升.機電一體化及其應用[J].機床電器，1998.

作者簡介：湯秀紅（1974，12-），女，湖北十堰市人，漢，講師，工程碩士，研究方向：機電控制，高職教學方法研究。

莫足琴（1973-），女，湖北十堰市人，漢，副教授，工學碩士，研究方向：計算機應用技術，高職教育研究。