浅谈机电一体化技术发展趋势

张振华　赵灿林

机电一体化是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置和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”是机械技术、微电子技术及信息技术相互交叉、融合(有机结合)的产物(图1)。

一、机电一体化产品的优越性

1．使用安全性和可靠性提高

机电一体化产品具有自动监视、报警、自动诊断、自动保护等功能。在工作过程中，遇到过载、过压、过流、短路等电力故障时，能自动采取保护措施，避免和减少人身和设备事故，显著提高设备的使用安全性。

2．生产能力和工作质量提高

机电一体化产品大都具有信息自动处理和自动控制功能，可通过自动控制系统精确保证机械的执行机构按照设计的要求完成预定动作，保证最佳工作质量和产品合格率。同时，由于机电一体化产品实现了工作的自动化，使得生产能力大大提高。

3．使用性能改善

机电一体化产品普遍采用程序控制和数字显示，操作按钮和手柄数量显著减少，使得操作大大简化。机电一体化产品的工作过程根据预设程序逐步由电子控制系统指挥实现，全部动作可重复。高级的机电一体化产品可通过被控对象的数学模型及外界参数的变化随机自寻最佳工作程序，实现自动最优化操作。

4．具有复合功能并且适用面广

机电一体化产品一般具有自动化控制、自动补偿、自动校验、自动调节、自动保护和智能化等多种功能，能应用于不同场合和不同领域。例如，电子式空气断路器具有保护特性可调、选择性脱扣、正常通过电流与脱扣时电流的测量、显示和故障自动诊断等功能，应用范围大为扩大。

5．调整和维护方便

机电一体化产品在安装调试时，可通过改变控制程序来实现工作方式的改变，以适应不同用户对象及现场参数变化的需要。这些控制程序可通过多种手段输入到机电一体化产品的控制系统中，而不需要改变产品中的任何部零件。对于具有存储功能的机电一体化产品，可以事先存入若干套不同的执行程序，然后根据不同的工作对象，输入一个给定代码信号，即可按指定的程序进行自动工作。机电一体化产品的自动化检验和自动监视功能可对工作过程中出现的故障自动采取措施，使工作恢复正常。

二、机电一体化系统的要素及功能构成

机电一体化系统由机械系统(机构)、电子信息处理系统(计算机)、动力系统(动力源)、传感检测系统(传感器)、执行元件系统(如电动机)五个子系统组成。

机电一体化系统(或产品)是由若干具有特定功能的机械与微电子要素组成的有机整体，具有满足人们使用要求的功能(且的功能)。根据不同的使用目的，要求系统对输入的物质、能量和信息(即工业三大要素)进行某一处理，输出所需要的物质、能量和信息。所以系统必须具下三大“目的功能”：变换(加工、处理)功能：传递(移动、输送)功能；储存(保持、积蓄、记录)功能(图2)。

系统必须具备主功能、动力功能、检测功能、控制功能、构造功能五种内部功能。主功能是实现系统目的功能必需的功能，主要是对物质、能量、信息或其相互结合进行交换、传递和存储。动力功能是向系统提供动力，让系统得以运转的功能。检测功能和控制功能的作用是根据系统内部信息和外部信息对整个系统进行控制，使系统正常运转，实施目的功能。而构造功能则是使构成系统的子系统及元、部件维持所定的时间和空间上的相互关系所必需的功能。

机电一体化系统的五大要素及相应的五大功能如图3所示。

1、光机电一体化

一般的机电一体化系统是由传感系统、能源系统、信息处理系统、机械结构等部件组成的。因此，引进光学技术，实现光学技术的先天优点是有效改进机电一体化系统的传感系统、能源(动力)系统和信息处理系统。光机电一体化是机电产品发展的重要趋势。

2、自律分配系统化——柔性化

未来的机电一体化产品被设计成“自律分配系统”，控制和执行系统有足够的“冗余度”，有较强的“柔性”，能较好地应对突发事件。在自律分配系统中，各个子系统是相互独立工作的，子系统为总系统服务，同时具有本身的“自律性”，可根据不同的环境条件做出不同反应。其特点是子系统可产生本身的信息并附加所给信息，在总的前提下，具体“行动”是可以改变的。这样，既明显地增加了系统的适应能力(柔性)，又不因某一子系统的故障而影响整个系统。

3、全息系统化——智能化

今后的机电一体化产品“全息”特征越来越明显，智能化水平越来越高。这主要收益于模糊技术、信息技术(尤其是软件及芯片技术)的发展。除此之外，其系统的层次结构，也变简单的“从上到下”的形势为复杂的、有较多冗余度的双向联系。

4、“生物－软件”化——仿生物系统化

今后的机电一体化装置对信息的依赖性很大，并且往往处于“静态”时不稳定，但在动态(工作)时却是稳定的。这有点类似于生物：当控制系统(大脑)停止工作时，生物便“死亡”，而当控制系统(大脑)工作时，生物就很有活力。仿生学研究已发现的一些生物体优良的机构可为机电一体化产品提供新型机体，但如何使这些新型机体具有活的“生命”还有待深入研究。这一研究领域称为“生物－软件”或“生物系统”，而生物的特点是硬件(肌体)－软件(大脑)一体，不可分割。看来，机电一体化产品虽有向生物系统化趋势，但有一段漫长的道路要走。

5．微型机电化——微型化

目前，利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术，已在实验室制造出亚微米级的机械元件。当这一成果用于实际产品时，就没有必要区分机械部分和控制器了。届时机械和电子可以完全“融合”，机体、执行机构、传感器、CPU等可集成在一起，体积很小，并组成一种自律元件。这种微型机械学是机电一体化的重要发展方向。