淺談機電一體化及其應(yīng)用

黎民樂

【摘 要】本文主要是對當(dāng)今機電一體化技術(shù)作系統(tǒng)的介紹與論述，論述了機電一體化的定義、本質(zhì)、作用、應(yīng)用與前景，通過介紹可知，機電一體化技術(shù)已經(jīng)滲透到國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域以及我們的日常生活中，機電一體化技術(shù)已服務(wù)著我們的普通平民百姓，大幅地提高我們的生活素質(zhì)，已成為當(dāng)今新技術(shù)發(fā)展的主流。

【關(guān)鍵詞】機電一體化；技術(shù)；應(yīng)用

機電一體化是指在機構(gòu)的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進電子技術(shù)，將機械裝置與電子化設(shè)計及軟件結(jié)合起來所構(gòu)成的系統(tǒng)的總稱。機電一體化技術(shù)是將機械制造技術(shù)、電工電子技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)、微電子技術(shù)、接口技術(shù)、傳感器技術(shù)、信號變換技術(shù)、光學(xué)制造技術(shù)等多種技術(shù)進行有機地整合，并綜合應(yīng)用到實際中去的綜合技術(shù)。

一、機電一體化技術(shù)的界定

（1）具體內(nèi)容

傳統(tǒng)意義上的機電一體化，主要指機械與電工電子及電氣控制這兩方面的一體化，并且明顯偏重于機械方面，目前科技發(fā)展的態(tài)勢特別注重學(xué)科的交叉、融合以及電子計算機的應(yīng)用，機電一體化技術(shù)就是利用電子技術(shù)、信息技術(shù)（主要包括傳感技術(shù)、控制技術(shù)、計算機技術(shù)等）使機械實現(xiàn)柔性化和智能化的技術(shù)。機械技術(shù)可以承受較大載荷，但不容易實現(xiàn)微小和復(fù)雜運動的控制，而電子技術(shù)則相反，不可以承受較大載荷，但容易實現(xiàn)微小運動和復(fù)雜運動的控制，使機械實現(xiàn)柔性化和智能化。機電一體化的目的是使機械技術(shù)與電子技術(shù)實現(xiàn)完美結(jié)合，充分發(fā)揮各自長處，實現(xiàn)互補。與其相關(guān)的學(xué)科應(yīng)包括機械工程學(xué)科、檢測與控制學(xué)科、電子信息學(xué)科三大內(nèi)容。

（2）內(nèi)在本質(zhì)

機電一體化的本質(zhì)是將電子技術(shù)引入到機械控制中，也就是利用傳感器檢測機械運動，將檢測到的信息輸入計算機，計算機通過比較和判斷和計算，得到能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期運動的控制信號，值此來控制執(zhí)行裝置。對于計算機軟件開發(fā)的任務(wù)，就是通過輸入到計算機的檢測信息，計算得到能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期運動的控制信號。此外，要是一件真正意義上的機電一體化產(chǎn)品，則應(yīng)具備兩個明顯特征：一是產(chǎn)品中要有運動的機械；二是采用了電子技術(shù)，使運動機械實現(xiàn)柔性化和智能化。

（3）它的作用與系統(tǒng)

采用機電一體化技術(shù)的最大作用是擴展新功能，增強它的柔性。它是眾多自動化技術(shù)中最重要的一種，如實現(xiàn)過程自動化、機械自動化、辦公自動化等。一個機電一體化的系統(tǒng)主要是由機械裝置、執(zhí)行裝置、動力源、傳感器、計算機這五個要素構(gòu)成，比如機器人就是一個十分典型的機電一體化系統(tǒng)。

二、機電一體化技術(shù)的發(fā)展歷程

“機電一體化”這個詞是日本安川機電公司在上世紀(jì)60年代末作商業(yè)注冊時最先研發(fā)的。時至70年代，人們一直把機電一體化看作是機械與電子相結(jié)合的。國內(nèi)早期將“機電一體化”與“機械電子學(xué)”合用，近年來“機電一體化”更流行使用。

80年代，信息技術(shù)嶄露頭角。微機的性能提高，為更高級的機電一體化產(chǎn)品所采用，典型的機電一體化產(chǎn)品如數(shù)控機床、工業(yè)機器人和汽車的電子控制系統(tǒng)。微機作為關(guān)鍵技術(shù)引入了飛行器系統(tǒng)后，使機電一體化系統(tǒng)在高度控制、排氣控制、震動控制和保險氣袋等方面獲得廣泛應(yīng)用。信息技術(shù)驅(qū)使機械系統(tǒng)在不同程度上利用數(shù)據(jù)庫，連洗衣機和其他消費品也用上了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。這樣，對機電一體化的系統(tǒng)設(shè)計方法的探索、成型和系統(tǒng)集成以及并行工程設(shè)計和控制的實施顯得日趨重要。另外，光學(xué)也進入了機電一體化，產(chǎn)生了“光機電一體化”的新領(lǐng)域。進入90年代，通信技術(shù)進入了機電一體化，機器可以像機器人系統(tǒng)那樣遙控和虛擬現(xiàn)實。有些機電一體化機械可兩用，有的在性能上更是多用途，尤其是微傳感器和執(zhí)行器技術(shù)的發(fā)展，和半導(dǎo)體技術(shù)以光刻為基礎(chǔ)的方法以及和傳統(tǒng)機電一體化、微型化方法的結(jié)合，開創(chuàng)了以精密工程和系統(tǒng)集成為特點的機電一體化新分支“微機電一體化” 。雖然微加工方法尚未成熟，將逐漸成為集成控制系統(tǒng)的一個組成部分。然后，機電一體化隨著自動化技術(shù)的發(fā)展而日益發(fā)展，穩(wěn)步進入21世紀(jì)。

三、機電一體化技術(shù)廣泛應(yīng)用

在人們的日常生活當(dāng)中，自動機械、信息處理設(shè)備、辦公室設(shè)備、車輛電子設(shè)備、醫(yī)療器械、光學(xué)裝置、智能家電、樓宇安全系統(tǒng)、城市軌道交通監(jiān)控等機電一體化系統(tǒng)都離不開執(zhí)行元件為它提供動力。而執(zhí)行元件和電子控制裝置之間是沒辦法直接連接的，所以需要一個驅(qū)動部件。該驅(qū)動部件在電子控制裝置的控制下，接收指令，進行能量轉(zhuǎn)換。從而得到目標(biāo)輸出。電子控制驅(qū)動系統(tǒng)對于精密傳動來說，需要在執(zhí)行元件輸出終端進行傳動測量，比如測量其位置、速度、加速度，同時將所測得的數(shù)據(jù)反饋給電子控制裝置，讓其進行比較，進行誤差修正的控制，最終實現(xiàn)精密的傳動。當(dāng)有多個執(zhí)行元件 ，其輸出動作規(guī)律各不相同時，一方面要根據(jù)各執(zhí)行元件工作情況來考慮其控制的方式，另一方面需要確定它們之間是否存在輸出的聯(lián)系，如果它們之間沒有聯(lián)系，就可以讓它們單獨來工作，也可以通過構(gòu)建PC機上位機控制來統(tǒng)一管理。若工作聯(lián)動內(nèi)容經(jīng)常變化，就應(yīng)該構(gòu)建一個可以直接識別聯(lián)動輸出的軟件將聯(lián)動輸出寫入軟件當(dāng)中，讓其直接轉(zhuǎn)化為控制程序，這樣就能靈活地應(yīng)對動作輸出的需求。機電一體化在人們的日常生活中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在全自動洗衣機、空調(diào)機、智能全自動電飯煲、高級單反數(shù)碼相機、汽車電子中的ABS系統(tǒng)等產(chǎn)品，它極大地提高了我們的生活素質(zhì)。

四、機電一體化技術(shù)的前景

縱觀國內(nèi)外機電一體化的發(fā)展現(xiàn)狀和高新技術(shù)的發(fā)展動向，機電一體化將朝著以下幾個方面來發(fā)展。

（1）智能化

智能化是機電一體化與傳統(tǒng)機械自動化的主要區(qū)別之一，也是21世紀(jì)機電一體化的發(fā)展方向。近幾年，處理器速度的提高和微機的高性能化、傳感器系統(tǒng)的集成化與智能化為嵌入智能控制算法創(chuàng)造了條件，有力地推動著機電一體化產(chǎn)品向智能化方向發(fā)展。

（2）系統(tǒng)化

系統(tǒng)化的表現(xiàn)特征之一就是系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進一步采用開放式和模式化的總線結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)可以靈活組態(tài)，進行任意的剪裁和組合，同時尋求實現(xiàn)多子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制和綜合管理。表現(xiàn)特征之二是通信功能大大加強，一般除RS232等常用通信方式外，實現(xiàn)遠程及多系統(tǒng)通信聯(lián)網(wǎng)需要的局部網(wǎng)絡(luò)正逐漸被采用。

（3）微型化

微型機電一體化系統(tǒng)高度融合了微機技術(shù)、微電子技術(shù)和軟件技術(shù)，是機電一體化的一個新的發(fā)展方向。由于微機電一體化系統(tǒng)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，故在生物醫(yī)學(xué)、航空航天、信息技術(shù)、工農(nóng)業(yè)乃至國防等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。

（4）模塊化

模塊化也是機電一體化產(chǎn)品的一個發(fā)展趨勢，是一項重要而艱巨的工程。機電一體化產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)可利用標(biāo)準(zhǔn)單元迅速開發(fā)新產(chǎn)品，同時也可以不斷擴大生產(chǎn)規(guī)模。

（5）網(wǎng)絡(luò)化

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展對機電一體化有重大影響，使其朝著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。機電一體化產(chǎn)品的種類很多，面向網(wǎng)絡(luò)的方式也不同，由于網(wǎng)絡(luò)的普及，基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠程控制和監(jiān)視技術(shù)方興未艾，而遠程控制的終端設(shè)備本身就是機電一體化產(chǎn)品。

（6）綠色化或低碳化

機電一體化產(chǎn)品的綠色化或低碳化主要是指使用時不污染或少污染生態(tài)環(huán)境，報廢時能回收利用。綠色制造業(yè)是現(xiàn)代制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展模式。綜合以上所述，機電一體化是眾多科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶，是社會生產(chǎn)力發(fā)展到一定階段的必然要求。它促使機械工業(yè)發(fā)生戰(zhàn)略性的變革，使傳統(tǒng)的機械設(shè)計方法和設(shè)計概念發(fā)生著革命性的變化。大力發(fā)展新一代機電一體化產(chǎn)品，不僅是改造傳統(tǒng)機械設(shè)備的要求，而且是推動機械產(chǎn)品更新?lián)Q代和開辟新領(lǐng)域、發(fā)展與振興機械工業(yè)的必由之路。

機電一體化的出現(xiàn)不是孤立的，它是許多科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶，是人類社會發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物。當(dāng)然，與機電一體化相關(guān)的技術(shù)還有很多，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種技術(shù)相互滲透的趨勢將越來越明顯，機電一體化技術(shù)的廣闊前景也將趨于完美。