機電一體化技術的應用及發展

摘 要：隨著現代科學技術的迅猛發展，各個領域交叉滲透已在當今科學研究中屢見不鮮，這也加速了工程領域的技術革命與改造。機電一體化作為機械工程領域中發展比較迅速的一個學科，其隨著微電技術和計算機技術的迅速發展不斷完善和成熟。本文對機電一體化的基本結構、應用及發展趨勢作了一個分析研究。

關鍵詞：機電一體化；應用；發展

一、引言

隨著科學技術的迅猛發展，在當今的工業科技中機電一體化技術已成為其重要組成部分。在很多高校，機電一體化專業是重點建設專業，當然如今的機械工業行業對這方面的人才技術都是非常看中的，所以發展機電一體化無論是對整個機械工程行業還是對國家的發展都是極其重要的。

那么，什么是機電一體化技術呢？從字面上我們可以很容易明白，機電一體化是幾門學科或技術綜合運用的產物。從系統的觀點出發，機電一體化綜合運用了機械、微電子、傳感測控、電力電子、接串口、信息變換及軟件編程等群體技術。它是一門多學科技術綜合運用的學科，而非簡單的組合、拼湊，這是機電一體化與機械電氣化的根本區別。機電一體化包含兩個方面的內容：技術與產品。一方面，機電一體化技術是指其技術原理和使機電一體化產品得以實現、使用和發展的技術，它是集機械技術、傳感測控技術、計算機技術等一體的綜合技術；另一方面，機電一體化產品并非傳統純機械式的產品，如果把傳統機械產品比做成人的各個器官，那么機電一體化產品就是融合這些器官同時擁有感官、大腦的智能產品。傳統機械制造業在以往的生產中依靠的是企業規模大小，生產批量和產品結構等因素來獲得競爭優勢的，集機電一體化技術的現代機械制造業則是通過先進的生產技術、生產模式、生產系統和管理系統來獲得高速發展的。近些年來，制造工程領域中一大批新興技術相繼誕生，如計算機數字控制、柔性制造技術、虛擬制造、逆向工程、現代集成制造系統等等，這些都為機電一體化發展提供夯實的基礎。

二、機電一體化技術的基本構成和意義

（一）機械本體單元。任何機械，要想其能夠完成預定功能動作就少不了機械本體單元，它猶如人的軀干，是系統所有功能單元的機械支持結構，大體包括機身、機架、連接等部分。

（二）動力單元。任何機械，要使其完成相應動作就必須要有動力單元。機器常用的原動部件有電機、液壓系統以及人工手動等方式，所以動力單元是為系統提供動力和能量，使系統能夠正常運行的重要保證。

（三）傳感單元。與傳統的機械相比，機電一體化產品具有傳感單元。傳統的機械往往缺少這一部分，那么在動作執行完成后缺少反饋調節機制。傳感單元猶如人的眼、鼻、耳等器官，它能夠將系統運行所需要的本身及外部環境的各種參數及工作狀態進行檢測，然后經過處理產生可識別的信號，最后通過相應的分析處理得到可控制的信息，傳感部分大多通過傳感器，監控器，儀表儀盤來完成。

（四）驅動單元。驅動單元是機器完成預定動作的中間傳遞部分，猶如人體的四肢，在控制信息及控制系統的作用下，完成相應的動作與功能。

（五）執行單元。執行部分與上著相比就是完成最終動作的末端執行的部分，通過控制信息與指令完成簡單或復雜的功能動作。在當前企業使用較多的機械手的末端執行器就屬于該部分，執行單元一般是運動件，如機械、電液與電磁等機構。

（六）信息處理及控制單元。傳統機械大多都不含此部分，在機電一體化產品中，本部分是很重要的一個部分。現代制造系統采用的都是生產半自動或全自動化的模式，那么這就必須要有對傳感器所采集到的信息進行集中、存儲、分析、加工并處理，然后根據編制完成的指定程序來使整個系統穩定運行。本部分采用的技術與計算機技術有很大相關，如采用數控裝置、邏輯轉換、I/O接口與計算機外部設備等部分組成。

機電一體化技術在現代化生產中有及其極其重要的意義。首先，在完成指定動作的角度上來說，機電一體化產品是多功能復合的產品，它超越傳統機械只能完成某一單一動作的局限。例如，加工中心集車、銑、鉆、磨等多功能于一體，將多臺機床的多道工序通過編程控制在一次裝夾中完成。這樣既提高了生產效率又提高了產品的質量。其次，機電一體化產品的結構趨于簡化，由于采用了微處理器，大規模集成電路與電子電路元器件，機電一體化產品的體積，數量都變小。所以結構簡化后的產品的實用性更強。再者，機電一體化產品的可靠性有了顯著的提高，高集成的電路，高性能的材料，搭載安全聯鎖控制、過載失控保護等技術都進一步提高了其產品的安全可靠性能。最后，機電一體化產品改善了操作的繁瑣性，提高了柔性。基于計算機技術的機電一體化產品的控制平臺是計算機，代替按鍵操縱桿，構件了良好的人際界面。當需要修改及其工作的狀態時只需修改相應的指令程序即可，所以這大大提高了柔性。簡言之，極限一體化產品的意義在于使生產更加簡便、高效、高質與安全。

三、機電一體化技術的應用

（一）數控機床。數控機床的發展歷史有40余年，從開始發展到現在，數控機床及數控技術在功能、結構、操作、控制上都在迅猛發展，具體表現為其結構的發展逐步向總線式、模塊化、緊湊型、多CPU、多主總線體系的方向發展。WOP技術和智能化，系統根據實際生產要求提供相應的編程技術，實現二維、三維加工動態仿真。由于其設計采用的是開放性設計，所以它能夠最大限度的提高使用效益，硬件體系結構，功能模塊兼容性更強，接口符合一定的標準。計算機技術的融入大大提高了數控機床的操作性，豐富了其功能。同時還能實現多過程、多通道的控制，例如將刀具的破損檢測，產品質量的檢測，物料的運輸等環節都融入到系統中去。系統的多級網絡控制，增強了系統組合，構成復雜加工系統的能力。以大規模集成電路，單板或單片機作為控制機，使數控裝置結構更加緊湊。近些年，我國數控機床技術取得了很大進步與一些不錯的成績，但與歐美一些國家相比，還存在一定的差距。

（二）工業機器人。機器人技術代表了機電一體化技術的最高研究成果，涉及機械工程、電子技術、計算機技術、自動控制理論及人工智能等多門學科，是當代科學技術發展最活躍的領域之一。機器人的研究、制造和應用程度是一個國家和公司科技水平和經濟實力的象征。目前，國際上許多大公司都競相研制各類先進機器人，向人們展示其科技實力。從機器人技術發展至今一共經歷了三代。第一代機器人指局限于示教內容進行簡單的重復動作，其適應性靈活性不能應對多變的工作環境和對象；第二代機器人擁有能夠反饋的傳感元件，它們能夠獲取信息，通過計算機處理分析信息進行反饋，然后做出相應的應隨措施。這一代機器人已基本上走上實用化的道路；第三代機器人也即現代智能化機器人，這代機器人擁有多重感知能力，它們能夠處理復雜的邏輯運算，做出判斷和決策，并且能夠在各種不同的環境中獨立作業。因此，機器人技術能夠很好的闡述什么是機電一體化的相關應用。

（三）計算機集成制造系統。計算機集成制造系統（Com

puter Integrated Manufacturing System 簡稱CIMS）是隨著計算機輔助設計與制造的發展而產生的。通過將計算機技術運用到產品的設計制造過程中，使機械生產與計算機技術相結合，實現整體效益的智能化和集成化制造系統。企業集成度的提高可以使生產要素發揮到最大極限，大大提高生產效益。

（四）柔性制造系統。柔性制造系統是信息控制、物料運輸、數字控制加工與一體的系統，能夠適應加工對象的變化。

除以上列舉的應用領域，還有諸如自動機與自動生產線、微型機電化與汽車電子化產品的應用。所以機電一體化在現在生產領域中是處處可見的，可以這樣說，沒有機電一體化技術，很多先進產品或技術無法制造或實現運用。

四、機電一體化技術的發展趨勢與前景

縱觀國內外機電一體化的發展現狀和高新技術的開發動向，機電一體化技術將朝著一下幾個方向發展。

（一）智能化。智能化發展是當今機械領域發展的一個必然趨勢，機電一體化技術要想獲得更快的發展，在這方面必須予以足夠的重視。隨著處理器運行速度的提高、微機存儲能力和性能的提升、傳感系統的集成化，智能化發展也更加迅猛。智能機電一體化產品可以模擬人類智能，其擁有獨立運算，決策和控制的能力，可以逐步取代工程中人的腦力勞動。

（二）微型化。隨著微型機械技術、微型電子技術和軟件技術的開發，微型化是機電一體化技術發展的一個大的趨勢。與傳統機械比較，微型機電一體化產品在生物醫療、軍事、信息等方面都具有相當大的優勢，主要在于其體積小、運動靈活、耗能低等特點。

（三）系統化。系統化特征之一為采用開放式和模式化總線結構并行；系統化特征之二為升級了通訊系統。機電一體化產品往往是根據現實生活中動物或人來設計，所以系統化的產品更能夠滿足要求。

（四）柔性化。在上述機電一體化技術的應用中已提及到柔性制造系統，在該技術發展的趨勢中柔性化仍然是其發展的一個必然趨勢。柔性化也即自律分配系統化的特點是能夠生成自身信息和附加信息，根據生產需求自動改變動作，因此這樣會極大提高系統的靈活性、適應性。

除上述的幾個機電一體化技術發展的趨勢之外，還有光機電一體化、區域模塊化、網絡化、環保綠色化等方向。機電一體化技術的發展不僅僅只是朝著某一單一方向發展，它的發展方向將該技術編制成一個網絡，猶如高速公路網絡，在各個方向領域都能夠互通。

五、結束語

機電一體化技術是多學科交叉發展的一個綜合學科，它集多學科的優點于一體。因此機電一體化產品具有其他產品所無法比擬的優勢。機電一體化技術促使著機械工業發生戰略性的變革，它超越了傳統設計與制造理念的局限。大力開發新興機電一體化產品，是推動機械產品更新換代的重要因素，同時它還是開辟新領域、發展與振興機械工業的必經之路，在各個方面它將帶來顯著的經濟效益和社會效益，同時它自身也具有廣闊的發展前景。

參考文獻：

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