機電一體化技術的應用與分析

付強

摘 要：現代科學技術的發展極大地推動了不同學科的交叉與滲透，引起了工程領域的技術改造與革命。在機械工程領域，由于微電子技術和計算機技術的迅速發展及其向機械工業的滲透所形成的機電一體化，使機械工業的技術結構、產品機構、功能與構成、生產方式及管理體系發生了巨大變化，使工業生產由“機械電氣化”邁入了“機電一體化”為特征的發展階段。 本文主要對機電一體化的優勢、核心技術及發展趨勢進行了分析與探究。

關鍵詞：機電一體化；核心技術；優勢；發展趨勢

機電一體化又稱機械電子工程，是機械工程與自動化的一種，英語稱為Mechatronics，它是由英文機械學Mechanics的前半部分與電子學Electronics的后半部分組合而成。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我們廣泛接受和普遍應用。隨著計算機技術的迅猛發展和廣泛應用，機電一體化技術獲得前所未有的發展。現在的機電一體化技術，是機械和微電子技術緊密集合的一門技術，他的發展使冷冰冰的機器有了人性化，智能化。

1 機電一體化的優勢

隨著機電一體化相關技術的快速發展，機電產品的外觀更加人性化、功能更加強大、體積和重量更加輕巧、可靠性更高等。與傳統的機電產品相比機電一體化產品具有以下優勢。

1、功能增強并且應用廣泛

機電一體化產品最顯著的特點就是突破了原來傳統機電產品的單技術和單功能的局限性，將多種技術與功能集成于一體，使其功能更加強大。而且能適應于不同的場合和不同的領域，滿足用戶需求的應變能力較強。

2、精度大大提高

機電一體化技術簡化了機構，減少了傳動部件，從而使機械磨損、配合及受力變形等所引起的誤差大大減少，同時由于采用計算機檢測與控制技術補償和校正因各種干擾造成的動態誤差，從而達到單純用機械技術所無法實現的工作精度。

3、安全性和可靠性提高

機電一體化產品一般具有自動監控、報警、自動診斷、自動保護、安全聯鎖控制等功能。這些功能能夠避免人身傷害和設備事故的發生，提高了設備的安全性和可靠性。

4、改善操作

機電一體化產品采用計算機程序控制和數字顯示，具有良好的人機界面，減少了操作按鈕及手柄，改善了設備的操作性能，減少了操作人員的培訓時間，從而大大簡化操作。

5、提高柔性

所謂柔性，即可以利用軟件來改變機器的工作程序，以滿足不同的需要。例如，工業機器人具有較多的運動自由度，手爪部分可以換用不同的工具，通過改變控制程序改變運動軌跡和運動姿態，以適應不同的作業要求。

6、生產能力和工作質量提高

基于虛擬原型的機電一體化設計建模與仿真技術研究。

2 機電一體化的核心技術

機電一體化技術是將機械技術、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地結合，并綜合應用到實際中去的綜合技術，現代化的自動生產設備幾乎可以說都是機電一體化的設備。

1、機械本體技術

機械本體必須從改善性能、減輕質量和提高精度等幾方面考慮。現代機械產品一般都是以鋼鐵材料為主，為了減輕質量除了在結構上加以改進，還應考慮利用非金屬復合材料。只有機械本體減輕了重量，才有可能實現驅動系統的小型化，進而在控制方面改善快速響應特性，減少能量消耗，提高效率。

2、傳感技術

傳感器的問題集中在提高可靠性、靈敏度和精確度方面，提高可靠性與防干擾有著直接的關系。為了避免電干擾，目前有采用光纖電纜傳感器的趨勢。對外部信息傳感器來說，目前主要發展非接觸型檢測技術。

3、信息處理技術

機電一體化與微電子學的顯著進步、信息處理設備（特別是微型計算機）的普及應用緊密相連。為進一步發展機電一體化，必須提高信息處理設備的可靠性，包括模/數轉換設備的可靠性和分時處理的輸入輸出的可靠性，進而提高處理速度，并解決抗干擾及標準化問題。

4、驅動技術

電機作為驅動機構已被廣泛采用，但在快速響應和效率等方面還存在一些問題。目前，正在積極發展內部裝有編碼器的電機以及控制專用組件-傳感器-電機三位一體的伺服驅動單元。

5、接口技術

為了與計算機進行通信，必須使數據傳遞的格式標準化、規格化。接口采用同一標準規格不僅有利于信息傳遞和維修，而且可以簡化設計。目前，技術人員正致力于開發低成本、高速串行的接口，來解決信號電纜非接觸化、光導纖維以及光藕器的大容量化、小型化、標準化等問題。

6、軟件技術

軟件與硬件必須協調一致地發展。為了減少軟件的研制成本，提高生產維修的效率，要逐步推行軟件標準化，包括程序標準化、程序模塊化、軟件程序的固化、推行軟件工程等。

3 機電一體化技術的發展前景

縱觀國內機電一體化的發展現狀和科學技術的提升，機電一體化將朝著以下幾個方向發展：

一是智能化。智能化是機電一體化與傳統機械自動化的主要區別之一。近幾年，處理器速度的提高和微機的高性能化、傳感器系統的集成化，有力地推動著機電一體化產品向智能化方向發展。其產品可以模擬人類智能，從而取代制造工程中人的部分腦力勞動。

二是系統化。系統化的表現特征之一就是系統體系結構進一步采用開放式和模式化的總線結構。系統可以靈活組態，進行任意的剪裁和組合。表現特征之二是通信功能大大加強，遠程及多系統通信聯網的局部網絡正逐漸被采用。另外，機電一體化產品還可根據一些生物體優良的構造研究某種新型機體，使其向著生物系統化方向發展。

三是微型化。微型機電一體化系統高度融合了微機械技術、微電子技術和軟件技術，是機電一體化的一個新的發展方向。由于微機電一體化系統具有體積小、耗能小、運動靈活等特點，可進入一般機械無法進入的空間并易于進行精細操作，其具有廣闊的應用前景。

四是模塊化。模塊化也是機電一體化產品的一個發展趨勢。由于機電一體化產品種類和生產廠家繁多，它需要制訂一系列標準，以便各部件、單元的匹配和接口。機電一體化產品生產企業可利用標準單元迅速開發新產品，同時也可以不斷擴大生產規模。

五是綠色化。綠色化是時代的趨勢，機電一體化產品的綠色化主要是指使用時不污染生態環境，報廢時能回收利用。綠色制造業是現代制造業的可持續發展模式。

六是網絡化。網絡技術的飛速發展對機電一體化有重大影響，使其朝著網絡化方向發展。機電一體化產品的種類很多，面向網絡的方式也不同。由于網絡的普及，基于網絡的各種遠程控制和監視技術方興未艾，而遠程控制的終端設備本身就是機電一體化產品。

4 結束語

綜上所述，機電一體化技術是眾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。它促使機械工業發生戰略性的變革，使傳統的機械設計方法和設計概念發生著革命性的變化。大力發展新一代機電一體化產品，不僅是改造傳統機械設備的要求，而且是推動機械產品更新換代和開辟新領域、發展與振興機械工業的必由之路。

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