论述机电一体化的核心及其发展

论述机电一体化的核心及其发展

摘要：机电一体化技术是机械技术和微电子技术、计算机技术、信息技术的有机结合、柔和融汇在一起的、正在发展的新兴科技技术，随着经济的发展和科学技术的进步，机电一体化技术在我国得到发展和普及，不仅是传统机械工业技术改造的重要手段和内容，而且是加速我国机械工业现代化的主要途径。作为一种新兴的科学技术，机电一体化技术促进了传统机械产品的更新换代，提高了我国在国际市场的竞争力。提高了社会效益和经济效益。文章详细探索了机电一体化的核心内容和核心技术，并分析了机电一体化的未来发展前景。

关键词：机械工业；核心技术；机电一体化；模块化；前景展望

以微电子技术、软件技术、计算机技术及通信技术为核心而引发的智能化、仿生物系统化方向、网络化、集成化、带源化、绿色化、人性化，不仅深刻地影响着全球的科技、经济、社会和军事的发展，而且也深刻影响着机电一体化的发展趋势。现代科学技术的发展极大地推动了不同学科的交叉与渗透，引起了工程领域的技术改造与革命。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机

械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。

1 机电一体化的核心技术

机电一体化是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术，将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。机电一体化发展至今也已成为一门有着自身体系的新型学科，随着科学技术的不断发展，还将被赋予新的内容。但其基本特征可概括为：机电一体化是从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标和优化组织目标，合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值，并使整个系统最优化的系统工程技术。由此而产生的功能系统，则成为一个机电一体化系统或机电一体化产品。

1.1 机械本体技术

机械本体技术是机电一体化的基础，机械技术的着眼点在于如何与机电一体化技

术相适应，利用其高、新技术来更新概念，实现结构上、材料上、性能上变更，满足减小重量、缩小体积、提高精度、提高刚度及改善性能要求。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 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。

1.3 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。

1.4 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 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。

1.6 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、光导纤维以及光耦器的大容量化、小型化、标准化等问题。

2 机电一体化技术的发展

机电一体化是机械、微电子、控制、计算机、信息处理等多学科的交叉融合，其发展和进步有赖于相关技术的进步与发展，其主要发展方向有智能化、微型化、系统化、网络化、模块化、数字化、人性化、集成化、绿色化。

2.1 智能化

智能化是机电一体化与传统机械自动化的主要区别之一，也是21世纪机一体化的发展方向。人工智能在机电一体化建设者的研究日益得到重视，机器人与数控机床的智能化就是重要应用。这里所说的“智能化”是对机器行为的描述，是在控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法，模拟人类智能，使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力，以求得到更高的控制目标。近几年，处理器速度的提高和微机的高性能化、传感器系统的集成化与智能化为嵌入智能控制算法创造了条件，有力地推动着机电一体化产品向智能化方向发展。智能机电一体化产品可以模拟人类智能，具有某种程度的判断推理、逻辑思维和自主决策能力，从而取代制造工程中人的部分脑力劳动。2.2 微型化

微型化兴起于20世纪80年代末,指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。微型机电一体化系统高度融合了微机械技术、微电子技术和软件技术,是机电一体化的一个新的发展方向。国外称微电子机械系统的几何尺寸一般不超过13

cm，并正向微米、纳米级方向发展。由于微机电一体化系统具有体积小、耗能小、运动灵活等特点，可进入一般机械无法进入的空间并易于进行精细操作，故在生物医学、航空航天、信息技术、工农业乃至国防等领域，都有广阔的应用前景。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。

2.3 系统化

系统化的表现特征之一就是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构。系统可以灵活组态，进行任意的剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。表现特征之二是通信功能大大加强，一般除RS232等常用通信方式外，实现远程及多系统通信联网需要的局部网络正逐渐被采用。未来的机电一体化更加注重产品与人的关系，如何赋予机电一体化产品以人的智能、情感、人性显得越来越重要。

机电一体化产品还可根据一些生物体优良的构造研究某种新型机体，使其向着生物系统化方向发展。

2.4 网络化

20世纪90年代，计算机技术等的突出成就是网络技术。网络技术的兴起和飞速发展给科学技术、工业生产、政治、军事、教育以及人们的日常生活都带来了巨大的变革。各种网络将全球经济、生产连成一片，企业间的竞争也将全球化。机电一体化新产品一旦研制出来，只要其功能独到，质量可靠，很快就会畅销全球。由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾，而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。现场总线和局域网技术使家用电器网络化已成大势，利用家庭网络(home net)将各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电系统，使人们在家里分享各种高技术带来的便利与快乐。因此，机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。

2.5 模块化

模块化也是机电一体化产品的一个发展趋势，是一项重要而艰巨的工程。由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、信息接口的机电一体化产品单元是一项复杂而重要的事，它需要制订一系列标准，以便各部件、单元的匹配。机电一体化产品生产企业可利用标准单元迅速开发新产品，同时也可以不断扩大生产规模。

由于利益冲突，近期很难制定国际或国内这方面的标准，但可以通过组建一些大企业逐渐形成。显然，从电气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定，无论是对生产标准机电一体化单元的企业还是对生产机电一体化产品的企业，规模化将给机电一体化企业带来美好的前程。

2.6 数字化

微控制器及其发展奠定了机电产品数字化的基础，如不断发展的数控机床和机器人，而计算机网络的迅速崛起，为数字化设计与制造铺平了道路，如虚拟设计、计算机集成制造等。数字化要求机电一体化产品的软件具有高可靠性、易操作性、可维护性、自诊断能力以及友好人机界面。数字化的实现将便于远程操作、诊断和修复。

2.7 人性化

机电一体化产品的最终使用对象是人，如何对机电一体化产品赋予人的智能、情感和人性显得愈来愈重要，机电一体化产品除了完善的性能外，还要求在色彩、造型等方面与环境相协调，使用这些产品，对人来说还是一种艺术享受，如家用机器人的最高境界就是人机一体化。

2.8 集成化

集成化既包含各种技术的相互渗透、相互融合和各种产品不同结构的优化与复合，又包含在生产过程中同时处理加工、装配、检测、管理等多种工序。为了实现多品种、小批量生产的自动化与高效率，应使系统具有更广泛的柔性。首先可将系统分解为若干层次，使系统功能分散，并使各部分协调而又安全地运转，然后再通过软、硬件将各个层次有机地联系起来，使其性能最优、功能最强。

2.9 绿色化

工业的发达使人们物质丰富、生活舒适的同时也使资源减少，生态环境受到严重污染，于是绿色产品应运而生。绿色化是时代的趋势，其目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期中，对生态环境无危害或危害极小，资源利用率极高。机电一体化产品的绿色化主要是指使用时不污染生态环境，报废时能回收利用。绿色制造业是现代制造业的可持续发展模式。

3 机电一体化技术应用展望

为了提高机电产品的性能质量，发展高新技术，现在有许多零件要求制造精度越来越高，形状也越来越复杂。一些零件为了提高效率、减少阻力和降低噪声，往往被设计成复杂的空间曲面，如螺杆压缩机包络成型螺旋曲面、膨胀机的叶轮叶片、飞机螺旋桨、潜水艇的推进器等都具有极其复杂的空间曲面；现代汽车发动机的活塞也不是圆柱形，而是要求具有椭圆鼓形；为提高强度和使用寿命，机械轴也不再是圆柱形，而是由几段圆弧组成的复合圆柱体；卫星天线中馈源要求有方与圆光滑过渡实体；而各类特殊刀具与模具，其型面也极其复杂。所有这些，都要求新一代机电一体化技术、产品及系统朝着高性能、智能化、系统化以及轻量化、微型化方向发展。

3.1 机电一体化的高性能化

高性能化一般包含高速化、高精度、高效率和高可靠性。新一代CNC系统就是为满足此“四高”而诞生的。它采用32位或者64位CPU结构，以多总线连接，高速数

据传递。因而，在相当高的分辨率情况下，系统仍有高速度，可控及联动坐标达16轴，并且有丰富的图形功能和自动程序设计功能。在数字伺服控制中使用超高速数字信号处理器(DSP)，并应用现代控制理论的各种算法，如鲁棒控制、前馈控制和特定方式下的加、减速控制等控制策略以及非线性补偿技术，可在系统中进行在线控制。它可以进行非线性补偿以及静、动态惯性补偿值的自动设定和更新等。在给定精度要求下，可使响应速度大幅度提高。至于系统可靠性方面，则采用了冗余、故障诊断、自动检错、纠错、系统自动恢复、软硬件可靠性等技术予以保证，使得这种典型的机电一体化产品具有高性能，即高速、高效、高精度和高可靠性。它代表了机电一体化高性能的发展趋势。

3.2 机电一体化的智能化趋势

人工智能在机电一体化技术中的研究日益得到重视，机器人与数控机床的智能化就是重要应用。智能机器人通过视觉、触觉和听觉等各类传感器检测工作状态，根据实际变化过程反馈信息并作出判断与决定。数控机床的智能化通过各类传感器对切削加工前后和加工过程中的各种参数进行监测，并通过计算机系统作出判断，自动对异常现象进行调整与补偿，以保证加工过程的顺利进行，并保证加工出合格产品。随着制造业自动化程度的提高，信息量与柔性也同样提高，出现以智能制造系统(IMS)控制器来模拟人类专家的智能制造活动；对制造中的问题进行分析、判断、推理、构思和决策，其目的在于取代或延伸制造工程中人的部分脑力劳动，并对人类专家的制造智能进行收集、存储、完善、共享、继承和发展。

3.3 机电一体化产品的轻量化

随着社会进步和科技发展，机电一体化产品，除了机械主体部分以外，其他部分均涉及电子技术，随着片式元器件(SMD)的发展，表面组装技术(SMT)逐渐取代传统的通孔插装技术(THT)成为电子组装的重要手段，电子设备正朝着小型化、轻量化、多功能、高可靠方向发展。20世纪80年代以来，国外SMT发展异常迅速，1997年电子设备平均60%以上采用SMT，同年世界电子元件片式化率达到45%以上。因此，机电一体化中具有智能、动力、运动、感知特征的组成部分将逐渐向轻量化、小型化方向发展。利用集成电路的微细加工技术，实现了将机构及其驱动器、传感器、控制器及电源集成在一个很小的多晶硅上，因而，获得了完备的微型电子机械系统(Micro Electro Mechanical System,简称MEMS)，整个尺寸缩小到几个毫米甚至几百微米。

这是机电一体化的微型化研究领域。科学家预言，本世纪，这种微型机电一体化系统将在工业、农业、航天、军事、生物医学、航海及家庭服务等各个领域广泛应用，它的发展将使现行的某些产业或领域发生深刻的技术革命。

4 结语

综上所述，机电一体化的出现不是孤立的，它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。当然，与机电一体化相关的技术还有很多，并且随着科学技术的发展，各种技术相互融合的趋势将越来越明显，机电一体化技术的广阔发展前景也将越来越光明。

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