浅谈机电一体化技术

浅谈机电一体化技术

【摘要】日本20世纪70年代初为这一科学技术创造了一个新术语，称为“机械电子学”。这个词的创造是根据英文Mechanics（机械学）的前半部和Electronics（电子学）的后半部而构成的，即Mechatronics，在我国则称为“机电一体化”。机电一体化恰当地表述了一个新的概念，因而能迅速直接被我国接受和使用。[1]

【关键词】机电一体化主要特征基本结构要素发展趋势

1 机电一体化技术概要

随着科技的发展，在以机械、电子技术为主的多门技术学科在相互渗透、融合过程中逐渐形成和发展了一门新兴的边缘技术学科。从词义上看即机械与电子的结合，但并非机械与电子技术的简单叠加或一般地结合，而是有机的融合。关于机电一体化的定义，国内外说法不一，尚无定论。日本较权威的解释被大家普遍接受：“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入电子技术，并将机械装置和电子设备以及软件等有机结合而构成系统的总称。”它对产业或产品结构、生产或管理方式以及人才的知识结构等将产生巨大的影响，并使国民经济建设的各个领域发生深刻的变化。

2 机电一体化技术的主要特征

2.1 机械结构简单化

一台传统的机械设备，往往需要采用机械传动装置来连接各个工作构件，采用机电一体化技术后，可以使用多台电动机分别驱动，用电子器件、微机来控制各工作元件的动作，完成工艺流程。

2.2 提高了加工工艺的精度

由于机械传动部件减少，机械磨损及间隙配合等所引起的动作误差大为减少。通过微机控制可以精确地按照预先给定量，使间隙和各干扰因素造成的误差自行校正、补偿，从而达到普通机械加工方法所实现不了的精度。

2.3 工艺过程的柔性化

由于机电一体化产品采用微机控制，因此，只要改变计算机程序，就能改变设备的加工能力和工艺流程，以适应迅速改变的产品结构、满足多品种小批量生产的需要。

2.4 操作自动化

采用微机控制系统可以实现一台机器各个相关传动机构的动作及它们的功能的协调关系，实现机器操作的全部自动化。

2.5 调整及维修更加方便

机电一体化产品在使用现场安装调试时，一般均可通过控制程序的变更来实现工作方式、动作过程的变动，以适应变化的需要。[2]

3 机电一体化系统的基本结构要素

一个较完善的机电一体化系统应包括以下几个基本要素：机械本体、动力部分、测试传感部分、执行机构、驱动部分、控制及信息处理单元，各要素和环节通过接口相联系。

3.1 机械本体

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、连接等。由于机电一体化产品各方面指标和功能的提高，机械本体要在机械结构、材料、加工流程以及几何尺寸等方面适应产品高效节能、小型轻量、美观可靠等一系列要求。

3.2 动力部分

按照系统控制要求，为其提供能量和动力，维持系统正常运行。以尽可能小的输入，获得尽可能大的输出，是机电一体化产品的显著特征之一。

3.3 测试传感部分

由专门的传感器和仪表对系统运行中所本身所需和外界环境的各种状态及参数进行测试，变成可识别信号，传输到信息处理单元，再经过分析、处理后产生相应的控制信息。

3.4 执行机构

根据控制信息指令，完成动作要求。执行机构是运动部件，一般采用机械、电磁、电液等机构，根据机电一体化系统的匹配性要求，改良性能，如提高刚性、系统整体的可靠性，实现组件化、标准化和系统化提高等。

3.5 驱动部分

在控制信息作用下提供动力，驱动各机构完成各种动作和执行功能。机电一体化系统一方面要求驱动的高效性和快速响应特性，另一方面要求对外部环境的适应。由于受几何尺寸、动作范围的限制，及综合考虑维修等因素，高性能步进驱动、直流和交流伺服驱动目前大量应用于机电一体化系统。

3.6 控制及信息处理单元

将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中处理，根据处理结果，按照一定的程序和步骤发出相应的指令，控制整个系统有序地运行，一般由计算机及其外部设备、可编程序控制器（PLC）等设备组成。[3]

4 机电一体化技术的发展趋势

纵观国内外机电一体化的发展现状和高新技术的发展动向，机电一体化将朝着以下几个方向发展：

4.1 智能化

智能化是机电一体化技术的一个重要发展方向。人工智能系统目的是模拟人对问题的推理，学习和解决，在机电一体化的研究中日益重要，它是智能机器人、数控机床的一个重要应用。目前，专家系统，模糊系统，神经网络和遗传算法的智能机电一体化，它们将各自的发展渗透到对方，互相交叉。模糊控制，神经网络，灰色理论，小波理论，混沌与分叉进步和发展人工智能技术，为机电一体化技术的发展开辟了新天地。

4.2 柔性化

柔性化在机电一体化产品中，使系统有足够灵活性，能更好地应对突发事件，称为“自律分配系统”。在系统中，各子系统相互独立，而又统一服务于总系统。在同一时间，可根据不同的环境条件下做出不同的反应。其特点是子系统可以生成它自己的信息。这种方式，既显著增加系统的容量（柔性），又不会因为一个子系统的故障而影响整个系统。

4.3 微型化

微型化是机电一体化微型机械和微观领域的发展趋势。过去十年里，微机电系统是机电一体化技术中备受关注的新尖端分支，由立方厘米向微米，纳米发展。微机电一体化产品体积小，能耗低，移动灵活，可进入一般机械无法进入的狭小空间。因此，在生物医学，航空航天，信息技术，工业，农业，军事等领域具有广阔的应用前景。

4.4 网络化

随着计算机和网络技术杰出成就的崛起，互联网在工业生产，政治，军事，教育等方面来了巨大的变化，也为机电一体化技术带来了显著的变革。多重网络连接到全球经济，同时企业之间的竞争也将是全球性的。机电一体化新产品一旦研制成功，它独到的作用及可靠的质量将会迅速被人们接受，很快被销往世界各地，使人们足不出户就能享受到高科技带来的方便和快乐。机电一体化产品无疑