机电一体化技术的应用及其发展

张宵烽　王元森　李明锋

摘要：机电一体化技术又称为机械电子技术，是一门集机械技术、电子技术和信息技术有机结合的综合技术。本文通过机电一体化技术概述、机电一体化技术的应用、机电一体化的发展与优化及其在工业机器人领域和数控领域的介绍，展望机电一体化技术的未来发展。

1机电一体化技术概述

机电一体化技术又称为机械电子技术，是机械技术、电子技术和信息技术有机结合的产物。随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用，机电一体化技术获得前所未有的发展，成为一门综合计算机信息技术、自动控制技术、传感检测技术、伺服传动技术和机械技术等，能够融合机械技术、微电子技术、电工、电子技术、接口技术、软件编程技术、PLC控制技术、液压与气动技术、传感器技术、信号处理技术等多个方面的内容，有效应用在实际工程中的复合性综合技术。以机械、微电子、电工、电子、接口、传感器、信号处理等技术为基础，对各组件及其间的信息处理，接口耦合，运动传递，机械运动，能量变换进行研究，使得整个系统有机结合与综合集成，并在微电子电路程序的有序控制下使现代自动化生产设备高精度、高可靠性、智能化，全面提高机器设备的自动化、智能化水平并在此基础上不断拓展其应用。

2机电一体化技术的应用

2.1机电一体化的应用现状：

机电一体化应用于数控机床、机器人、汽车电子化产品、智能化仪器仪表、电子排版印刷系统、CAD/CAM系统、电力电子器件及装置、可编程序控制器（plc）、微型电机、传感器、伺服机构等领域。我国在机电一体化技术方面已经取得了一定的成就，尤其在数控技术方面、机器人方面和计算机集成制造系统方面的成绩尤为突出。

在数控方面，机电一体化技术，得到有效应用。数控装置内的计算机对通过输入装置以来数字和字符编码方式所记录的信息进行一系列处理后，再通过伺服系统及可编程序控制器向机床主轴及进给等执行机构发出指令，机床主体则按照这些指令，并在检测反馈装置的配合下，对工件加工所需的各种动作，如刀具相对于工件的运动轨迹、位移量和给进速度等多项要求实现自动控制，从而完成工件的加工。

在机器人领域，机电一体化技术的应用，作为20世纪最伟大的发明之一，机械、微电子、接口、传感器、信号处理等技术机器人身上有着很好的体现。程序给定指令后由微电子通过例如RS232等各种接口控制运动机构以及接收传感器数据，在检测反馈装置的配合下，做出所需动作，机器人是机械、传感器与微电子等机电一体化设备的高度集成，所以说在某种程度上，机器人的工艺和机电一体化程度反映了一个人国家的综合技术实力的高低。

鉴于机电一体化的安全控制功能、修复功能以及自动化功能充分利用机电一体化技术既可以有效利用工程机械的制动系统、发动机系统、液压系统等多种装置可以对机械运行情况进行全面的持续监控可以更加的有效的促进汽车电子产品、数控机床、机器人等机电一体化设备的健康运行。

2.2机电一体化的发展与优化

我国在数控机床方面还有诸多不足，这对机电一体化的发展提供了条件。虽然我国在数控机床方面掌握了关键技术，但精度仍然不够，所以还需要进一步优化机械与电子等技术的有机结合，另外，工业2.0的需求，机电一体化技术还需进行系统化、智能化、模块化的相应优化。

（1）系统综合管理：系统可以灵活组态，进行任意剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。并且具有较强的通信功能一般除RS232外，还有RS485、DCS人格化。

（2）数字化和智能化：数字化和智能化是21世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向。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“数字化和智能化”是对机器行为的描述，使它具有根据大数据进行判断推理、逻辑思维、自主决策等能力，以求得到更高的控制目标。

（3）组合标准化和模块化：模块化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、环境接口的机电一体化产品单元是一项十分复杂但又是非常重要的事。需要制定各项标准，以便各部件、单元的匹配和接口。电气产品的标准化、系列化带来的好处是无限的。

3 典型领域机电一体化技术的发展

3.1工业机器人领域

随着科学技术的不断发展，智能机器人必须充分运用机电一体化技术，从而更好地在工业上完成任务目标。工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置、分布式CPU计算机结构、机器人控制器（RC）、运动控制器（MC）、光电隔离I/O控制板、传感器、機器人控制器（RC）和编程示教器通过串口/CAN总线进行通讯。机器人控制器（RC）的主计算机完成机器人的运动规划、插补板、位置伺服以及主控逻辑、数字I/O、传感器处理等开放性模块化的控制系统体系结构，结合特定的机械结构使它能自动执行工作，靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。随着计算机芯片技术的突飞猛进，处理器性能大幅度提高，计算速度越来越高，再加上发展很快的传感器系统的集成化、以及嵌入式控制技术的进步，这些都为机电一体化产品的智能化发展奠定了基础。加上人工智能技术，使机器人有了一定的逻辑处理能力，可以自动进行运动轨迹规划、速度控制、位置定位等复杂运动及功能，能有效减轻人力劳动。加上微型机电化的应用。能够把传感器、CPU、执行机构进行有效的融合，能够具备体积小、运动灵活、耗能少的特点。未来工业机器人代替人的劳动，指日可待。

3.2数控机床及相应的数控技术

数控机床及相应的数控技术，目前主要采用高精度定位控制、速度控制等自动控制技术，以单板、单片机、可编程控制器（PLC）作为控制器，用户程序经过数控装置的系统软件、逻辑电路译码、运算和处理后，发出脉冲到伺服系统，以驱动机床。其中控制器部分集合了计算机技术、信号变换技术、软件编程技术等多项机电一体化技术，加以各种芯片组合及模块结构的数控装置来保证数控机床的正常运行是应用最广的成熟技术。总线体系设计、模块化结构处理提高了数控设备的紧凑性;信息处理技术开放性设计，提高了硬件结构零配件的通用性与软件系统的兼容性，最大限度地提高了用户的体验与生产效益;多通道技术使同一台机床能够同时完成多个独立加工任务，提高了机械设计的集成化水平;在线监测技术、自诊断技术与模糊控制技术提高了数控机械的智能化水平。为来的数控机床及相应的数控技术，是机电一体化技术在工业领域的最主要应用。

4总结

机电一体化技术是机械技术、微电子技术、接口技术、软件编程技术、PLC控制技术、液压与气动技术、传感器技术、信号处理技术的高度融合，随着机电一体化技术向系统综合管理、数字化和智能化、标准化和模块化发展，机电一体化设备的可管理性增强，系统可以进行任意组合，智能化具有兼容性，并且随着科学技术的发展，微型机电化的应用使得机电一体化技术机器设备也从工业应用中得到了拓展，越来越多的机电一体化设备走入了普通家庭，设备通过无线电控制技术，全面提高机械自动化程度，同时极大的减轻了人力劳动，如扫地机器人。

备注：课题来源辽宁科技大学2020年大学生创新创业计划项目《离散行业运动控制方向基本定位实训项目的设计与开发》，项目编号：202010146281。