浅谈机电一体化及其应用

黎民乐

【摘 要】本文主要是对当今机电一体化技术作系统的介绍与论述，论述了机电一体化的定义、本质、作用、应用与前景，通过介绍可知，机电一体化技术已经渗透到国民经济的各个领域以及我们的日常生活中，机电一体化技术已服务着我们的普通平民百姓，大幅地提高我们的生活素质，已成为当今新技术发展的主流。

【关键词】机电一体化；技术；应用

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。机电一体化技术是将机械制造技术、电工电子技术、计算机技术、信息技术、微电子技术、接口技术、传感器技术、信号变换技术、光学制造技术等多种技术进行有机地整合，并综合应用到实际中去的综合技术。

一、机电一体化技术的界定

（1）具体内容

传统意义上的机电一体化，主要指机械与电工电子及电气控制这两方面的一体化，并且明显偏重于机械方面，目前科技发展的态势特别注重学科的交叉、融合以及电子计算机的应用，机电一体化技术就是利用电子技术、信息技术（主要包括传感技术、控制技术、计算机技术等）使机械实现柔性化和智能化的技术。机械技术可以承受较大载荷，但不容易实现微小和复杂运动的控制，而电子技术则相反，不可以承受较大载荷，但容易实现微小运动和复杂运动的控制，使机械实现柔性化和智能化。机电一体化的目的是使机械技术与电子技术实现完美结合，充分发挥各自长处，实现互补。与其相关的学科应包括机械工程学科、检测与控制学科、电子信息学科三大内容。

（2）内在本质

机电一体化的本质是将电子技术引入到机械控制中，也就是利用传感器检测机械运动，将检测到的信息输入计算机，计算机通过比较和判断和计算，得到能够实现预期运动的控制信号，值此来控制执行装置。对于计算机软件开发的任务，就是通过输入到计算机的检测信息，计算得到能够实现预期运动的控制信号。此外，要是一件真正意义上的机电一体化产品，则应具备两个明显特征：一是产品中要有运动的机械；二是采用了电子技术，使运动机械实现柔性化和智能化。

（3）它的作用与系统

采用机电一体化技术的最大作用是扩展新功能，增强它的柔性。它是众多自动化技术中最重要的一种，如实现过程自动化、机械自动化、办公自动化等。一个机电一体化的系统主要是由机械装置、执行装置、动力源、传感器、计算机这五个要素构成，比如机器人就是一个十分典型的机电一体化系统。

二、机电一体化技术的发展历程

“机电一体化”这个词是日本安川机电公司在上世纪60年代末作商业注册时最先研发的。时至70年代，人们一直把机电一体化看作是机械与电子相结合的。国内早期将“机电一体化”与“机械电子学”合用，近年来“机电一体化”更流行使用。

80年代，信息技术崭露头角。微机的性能提高，为更高级的机电一体化产品所采用，典型的机电一体化产品如数控机床、工业机器人和汽车的电子控制系统。微机作为关键技术引入了飞行器系统后，使机电一体化系统在高度控制、排气控制、震动控制和保险气袋等方面获得广泛应用。信息技术驱使机械系统在不同程度上利用数据库，连洗衣机和其他消费品也用上了数据库系统。这样，对机电一体化的系统设计方法的探索、成型和系统集成以及并行工程设计和控制的实施显得日趋重要。另外，光学也进入了机电一体化，产生了“光机电一体化”的新领域。进入90年代，通信技术进入了机电一体化，机器可以像机器人系统那样遥控和虚拟现实。有些机电一体化机械可两用，有的在性能上更是多用途，尤其是微传感器和执行器技术的发展，和半导体技术以光刻为基础的方法以及和传统机电一体化、微型化方法的结合，开创了以精密工程和系统集成为特点的机电一体化新分支“微机电一体化” 。虽然微加工方法尚未成熟，将逐渐成为集成控制系统的一个组成部分。然后，机电一体化随着自动化技术的发展而日益发展，稳步进入21世纪。

三、机电一体化技术广泛应用

在人们的日常生活当中，自动机械、信息处理设备、办公室设备、车辆电子设备、医疗器械、光学装置、智能家电、楼宇安全系统、城市轨道交通监控等机电一体化系统都离不开执行元件为它提供动力。而执行元件和电子控制装置之间是没办法直接连接的，所以需要一个驱动部件。该驱动部件在电子控制装置的控制下，接收指令，进行能量转换。从而得到目标输出。电子控制驱动系统对于精密传动来说，需要在执行元件输出终端进行传动测量，比如测量其位置、速度、加速度，同时将所测得的数据反馈给电子控制装置，让其进行比较，进行误差修正的控制，最终实现精密的传动。当有多个执行元件 ，其输出动作规律各不相同时，一方面要根据各执行元件工作情况来考虑其控制的方式，另一方面需要确定它们之间是否存在输出的联系，如果它们之间没有联系，就可以让它们单独来工作，也可以通过构建PC机上位机控制来统一管理。若工作联动内容经常变化，就应该构建一个可以直接识别联动输出的软件将联动输出写入软件当中，让其直接转化为控制程序，这样就能灵活地应对动作输出的需求。机电一体化在人们的日常生活中的应用主要体现在全自动洗衣机、空调机、智能全自动电饭煲、高级单反数码相机、汽车电子中的ABS系统等产品，它极大地提高了我们的生活素质。

四、机电一体化技术的前景

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面来发展。

（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世纪机电一体化的发展方向。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。

（2）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。

（3）微型化

微型机电一体化系统高度融合了微机技术、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。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。

（4）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。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。

（5）网络化

网络技术的飞速发展对机电一体化有重大影响，使其朝着网络化方向发展。机电一体化产品的种类很多，面向网络的方式也不同，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。

（6）绿色化或低碳化

机电一体化产品的绿色化或低碳化主要是指使用时不污染或少污染生态环境，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。综合以上所述，机电一体化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着革命性的变化。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。

机电一体化的出现不是孤立的，它是许多科学技术发展的结晶，是人类社会发展到一定阶段的必然产物。当然，与机电一体化相关的技术还有很多，随着科学技术的发展，各种技术相互渗透的趋势将越来越明显，机电一体化技术的广阔前景也将趋于完美。