机电一体化技术的应用及发展趋势

李财勇

摘要：本文简要阐述了机电一体化基本结构要素，对机电一体化技术在数控机床、工程机械以及智能制造中的应用进行了探讨，并对其未来的发展趋势进行了分析。

关键词：机电一体化；应用与发展；发展趋势

机电一体化是在机械的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成的系统的总称。机电一体化的概念最早由日本人提出，目前已经发展成为一门有着自身体系的新型学科。机电一休化技术将机械、电子、信息处理和控制以及软件等技术有机地结合起来，是当前自动化技术发展的最高阶段。本文将就其技术应用与发展趋势进行探讨。

1机电一体化的结构要素

机电一体化的基本结构要素包括：机械本体部分、动力部分、传感部分、驱动部分、执行部分、控制及信息处理部分等。

机械本体是系统所有功能元素的机械支持结构，包括机身、框架、机械连接等。动力部分为系统提供能量和动力功能，驱动执行机构，使系统按照控制要求正常运行。传感部分将系统运行中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，变成可识别的信号，传输到信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的控制信息，其功能一般由专门的传感器和仪器仪表完成。驱动部分在控制信息作用下，驱动执行机构完成各种动作和功能。执行部分根据控制信息和指令，完成各种动作和功能，一般采用机械、电磁、电液等机构。控制及信息处理部分将来自各传感器的检测信息集中、存储、分析、加工，并根据信息处理的结果，按照一定的程序发出相应的指令控制整个系统有目的的运行。它一般由计算机、可编程序控制器、数控装置以及逻辑电路、A/D 与 D/A 转换、I/O（输入输出）接口和计算机外部设备等组成。

2机电一体化技术的应用领域

2.1机电一体化技术在数控机床上的应用

机电一体化技术在数控机床上的应用，使得数控机床在在结构、功能、操作和控制精度上都有迅速提高。具体表现为总线式、模块化、紧凑型的结构，即采用多CPU、多主总线的体系结构；硬件体系结构和功能模块具有层次性、兼容性、符合接口标准，能最大限度地提高用户的使用效益；系统能提供面向车间的编程技术和实现二、三维加工过程的动态仿真，并引入在线诊断、模糊控制等智能机制；大容量存储器的应用和软件的模块化设计，不仅丰富了数控功能，同时也加强了 CNC 系统的控制功能；能实现多过程、多通道控制，即具有一台机床同时完成多个独立加工任务或控制多台和多种机床的能力，并将刀具破损检测、物料搬运、机械手等控制都集成到系统中；系统的多级网络功能，加强了系统组合及构成复杂加工系统的能力；以单板、单片机作为控制机，加上专用芯片及模板组成结构紧凑的数控装置。

2.2工程机械中机电一体化技术的应用

机电一体化技术在很大程度上提升了工程机械的性能，并改善了工程机械的投入使用效果，增加了可靠性和经济性。在当前的工程机械制造中，机电一体化技术的应用主要通过微电子处理器，来进一步优化、综合处理和全面总结工程项目中所需的所有系统设备。其应用特点是自动检测、高精度以及机械自动化。

对于工程机械而言，机电一体化技术的应用将设备系统的全程、动态电子监控变成现实，一旦出现运行故障将会立即发出警报，以此来警示工作人员。有些更加进步的机电一体化可自发清除系统故障，及时修复，保证工程机械的正常运转，进而降低机械故障对正常生产的影响程度。机电一体化技术的应用可调整施工精度，具体表现在电子控制系统中。在工程机械中装设电子控制系统，不仅能增加称量结果的精确度，还将自动化称量变成现实，有效避免和降低了人工操作误差，为施工精度提供重要保障。另外，电子控制系统的应用还能减少力投入，减轻工作强度，大大提升了工程施工的现代化水平。

2.3机电一体技术在智能制造中的应用

智能制造技术随着工业生产的需要发展迅速，当前，机电一体化技术正在逐步的和智能制造技术进行结合，用以满足多样化生产需要，同时两种技术的有机结合也为两者的发展提供了更为广阔的发展空间。机电一体化技术在智能制造中的逐步应用必然会应用到一些核心的技术。传感技术就是其中的核心技术之一，传感技术如若应用到智能生产当中来必须要保证其准确性和灵敏性，并且保证传感器不被目标信号以外的其他信号所干扰。在传感器网络系统中，传感器用于目标信号的收集，无线传感器网络实现信息的传输，通过计算机收集的信息进行分析和处理，最终达到对于整个生产过程的控制。就目前生产制造而言，主要采用的是非接触性的检测手段以及光纤电缆传感器，采用统一且标淮化的接口，将设计的难度适当降低，主要开发成本较低的串行接口。

3机电一体化技术的发展趋势

机电一体化技术在未来的发展趋势总的来说趋向于智能化、微型化、柔性化、网络化以及光机电一体化等，其内涵随着技术的发展及需求的变化在不断的拓展。

随着计算机技术、通讯技术、集成电路技术的飞速发展，以全数字式现场总线技术为代表现场控制仪表、设备大量应用，使得传统的现场控制技术及现场控制设备发生了巨大的变化。电子技术的飞速发展及在机械上的广泛应用，使得机械设备的智能化程度越来越高，特别是在控制器技术被引入机械控制领域后，机械设备的操作便利性、安全性、燃油经济性都得到了大幅提高。

微型机电系统（MEMS）是指那些外形轮廓尺寸在毫米量级以下，构成元件是微米量级的可控制、可运动的微型机电装置。它是自微电子技术问世以来，人们不断追求高新技术微型化的必然结果。微型机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活，在生物医疗、军事、信息等方面具有无可比拟的优势，能够完成常人無法想象的任务。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。

网络技术的迅速发展给世界带来了巨大变革，同样也给机电一体化技术以重大影响，例如通过网络对机电一体化设备进行远程控制。机电一体化的产品种类很多，面向网络的方式也有差别，以数控机床为例，当代数控机床配装的CNC系统不少具有以太网接口，可以直接连入企业内部的局域网，实现制造过程的集成，当然进一步还要通过企业的主干通信网实现制造环境与企业级的ERP等系统的集成。在此基础上，再通过因特网就可以实现企业间的网络化了。此外，基于PC的CNC系统连接调制解调器和通信软件，还能借助因特网进行远程诊断。

4结束语

机电一体化是当今世界机械工业发展的主要趋向，它的应用与发展已引起工农业、科技、经济、军事、社会乃至生活的巨大变革。从某种程度而言，机电一体化技术的水平高低反映着一个国家制造业的整体实力，而其技术的演变与发展十分迅速，重视机电一体化技术的研究取得技术优势将成为21世纪国家竞争力的一个重要方面。

参考文献：

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