張子方（天津市聯(lián)大通訊發(fā)展有限公司天津300192）

淺析機電一體化核心技術及發(fā)展

張子方（天津市聯(lián)大通訊發(fā)展有限公司天津300192）

機電一體化技術是集計算機、機械、電子、信息、光學、控制等多學科交叉綜合的一項技術，隨著科學技術日益走向整體化、交叉化和數(shù)字化，以及微電子技術信息技術的迅速發(fā)展，機電一體化技術的應用也越來越廣泛。簡述了機電一體化的核心技術及特點，并對其發(fā)展趨勢進行簡要探索。

機電一體化核心技術發(fā)展趨勢

0 引言

機電一體化指的是在機械的主功能、動力功能、控制功能和信息功能的基礎上引進微電子技術，并且將機械設備和電子設備用軟件有機結合而構成的系統(tǒng)的總稱。因此，“機電一體化技術”是機械、微電子和信息3項技術相互融合、交叉的產(chǎn)物，是機械技術、計算機與信息處理技術、自動控制技術、檢測傳感技術、伺服傳動技術和系統(tǒng)技術等多學科技術領域綜合交叉的技術密集型系統(tǒng)工程。隨著電子技術的迅速發(fā)展，微處理器、微型機在各個技術領域已經(jīng)得到廣泛應用，對各個領域的發(fā)展起了很大的推動作用，正因為電子技術的快速發(fā)展，進而帶動了機電一體化技術的發(fā)展，其未來的發(fā)展對科技的進步起著至關重要的作用。

1 機電一體化的核心技術

機電一體化包括軟件和硬件兩方面技術。硬件是由機械本體、傳感器、信息處理單元和驅動單元等部分組成。因此，為加速推進機電一體化的發(fā)展，必須從以下幾方面著手：

1.1 機械本體技術

機械本體必須從改善性能、減輕質量和提高精度等幾方面考慮?，F(xiàn)代機械產(chǎn)品一般都是以鋼鐵材料為主，為了減輕質量除了在結構上加以改進，還應考慮利用非金屬復合材料。只有機械本體減輕了重量，才有可能實現(xiàn)驅動系統(tǒng)的小型化，進而在控制方面改善快速響應特性，減少能量消耗，提高效率。

1.2 傳感技術

傳感器的問題集中在提高可靠性、靈敏度和精確度方面，提高可靠性與防干擾有著直接的關系。為了避免電干擾，目前有采用光纖電纜傳感器的趨勢。對外部信息傳感器來說，目前主要發(fā)展非接觸型檢測技術。

1.3 信息處理技術

機電一體化與微電子學的顯著進步、信息處理設備（特別是微型計算機）的普及應用緊密相連。為進一步發(fā)展機電一體化，必須提高信息處理設備的可靠性，包括模/數(shù)轉換設備的可靠性和分時處理的輸入輸出的可靠性，進而提高處理速度，并解決抗干擾及標準化問題。

1.4 驅動技術

電機作為驅動機構已被廣泛采用，但在快速響應和效率等方面還存在一些問題。目前，正在積極發(fā)展內(nèi)部裝有編碼器的電機以及控制專用組件-傳感器-電機三位一體的伺服驅動單元。

1.5 接口技術

為了與計算機進行通信，必須使數(shù)據(jù)傳遞的格式標準化、規(guī)格化。接口采用同一標準規(guī)格不僅有利于信息傳遞和維修，而且可以簡化設計。目前，技術人員正致力于開發(fā)低成本、高速串行的接口，來解決信號電纜非接觸化、光導纖維以及光藕器的大容量化、小型化、標準化等問題。

1.6 軟件技術

軟件與硬件必須協(xié)調一致地發(fā)展。為了減少軟件的研制成本，提高生產(chǎn)維修的效率，要逐步推行軟件標準化，包括程序標準化、程序模塊化、軟件程序的固化、推行軟件工程等。

2 機電一體化產(chǎn)品的構成及特點

機電一體化產(chǎn)品的功能是通過其內(nèi)部各組成部分功能的協(xié)調和綜合來共同實現(xiàn)的。從其結構來看，機電一體化產(chǎn)品具有自動化、智能化和多功能的特性，而實現(xiàn)這種多功能一般需要機電一體化產(chǎn)品具備5種內(nèi)部功能，即：主功能、動力功能、檢測功能、控制功能和執(zhí)行功能，而實現(xiàn)這些功能的各個組成部分及其技術就構成了機電一體化產(chǎn)品的總體或系統(tǒng)。

2.1 機械系統(tǒng)

機電一體化產(chǎn)品的機械系統(tǒng)包括機身、框架、機械傳動和聯(lián)接等機械部分。這部分是實現(xiàn)產(chǎn)品功能的基礎。因此對機械結構提出了更高的要求，需在結構、材料、工藝加工及幾何尺寸等方面滿足機電一體化產(chǎn)品高效、多功能、可靠、節(jié)能和小型輕量等要求。

2.2 動力系統(tǒng)

動力系統(tǒng)為機電一體化產(chǎn)品提供能量和動力功能，去驅動執(zhí)行機構工作以完成預定的主功能。動力系統(tǒng)包括電、液、氣等動力源。機電一體化產(chǎn)品以電能利用為主，包括電源、電動機及驅動電路等。

2.3 傳感與檢測系統(tǒng)

傳感器的作用是將機電一體化產(chǎn)品在運行過程中所需要的自身和外界環(huán)境的各種參數(shù)轉換成可以測定的物理量，同時利用檢測系統(tǒng)的功能對這些物理量進行測定，為機電一體化產(chǎn)品提供運行控制所需的各種信息。傳感與檢測系統(tǒng)的功能一般由測量儀器或儀表來實現(xiàn)，對其要求是體積小、便于安裝與聯(lián)接、檢測精度高、抗干擾等。

2.4 信息處理及控制系統(tǒng)

根據(jù)機電一體化產(chǎn)品的功能和性能要求，信息處理及控制系統(tǒng)接收傳感與檢測系統(tǒng)反饋的信息，并對其進行相應的處理、運算和決策，以對產(chǎn)品的運行施以按照要求的控制，實現(xiàn)控制功能。機電一體化產(chǎn)品中，信息處理及控制系統(tǒng)主要是由計算機的軟件和硬件以及相應的接口所組成。

2.5 執(zhí)行機構

執(zhí)行機構在控制信息的作用下完成要求的動作，實現(xiàn)產(chǎn)品的主功能。機電一體化產(chǎn)品的執(zhí)行機構一般是運動部件，常采用機械、電液、氣動等機構。執(zhí)行機構因機電一體化產(chǎn)品的種類和作業(yè)對象不同而有較大的差異。執(zhí)行機構是實現(xiàn)產(chǎn)品目的功能的直接執(zhí)行者，其性能好壞決定著整個產(chǎn)品的性能，因而是機電一體化產(chǎn)品中最重要的組成部分。機電一體化產(chǎn)品的5個組成部分在工作時相互協(xié)調，共同完成所規(guī)定的目的功能。在結構上，各組成部分通過各種接口及其相應的軟件有機地結合在一起，構成一個內(nèi)部匹配合理、外部效能最佳的完整產(chǎn)品。

3 機電一體化的發(fā)展趨勢

機電一體化是集機械、電子、光學、控制、計算機、信息等多學科的交叉綜合，它的發(fā)展和進步依賴并促進相關技術的發(fā)展。主要發(fā)展方向大致有以下幾個方面：

3.1 數(shù)字化

微控制器及其發(fā)展奠定了機電產(chǎn)品數(shù)字化的基礎，如不斷發(fā)展的數(shù)控機床和機器人；而計算機網(wǎng)絡的迅速崛起，為數(shù)字化設計與制造鋪平了道路，如虛擬設計、計算機集成制造等。數(shù)字化要求機電一體化產(chǎn)品的軟件具有高可靠性、易操作性、可維護性、自診斷能力以及友好人機界面。數(shù)字化的實現(xiàn)將便于遠程操作、診斷和修復。

3.2 智能化

即要求機電產(chǎn)品有一定的智能,使它具有類似人的邏輯思考、判斷推理、自主決策等能力。例如在CNC數(shù)控機床上增加人機對話功能，設置智能I/O接口和智能工藝數(shù)據(jù)庫，會給使用、操作和維護帶來極大的方便。模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡、灰色理論、小波理論、混沌與分岔等人工智能技術的進步與發(fā)展，為機電一體化技術發(fā)展開辟了廣闊天地。

3.3 網(wǎng)絡化

由于網(wǎng)絡的普及，基于網(wǎng)絡的各種遠程控制和監(jiān)視技術方興未艾，而遠程控制的終端設備本身就是機電一體化產(chǎn)品?，F(xiàn)場總線和局域網(wǎng)技術的應用使家用電器網(wǎng)絡化已成大勢，利用家庭網(wǎng)絡（home net）將各種家用電器連接成以計算機為中心的計算機集成家電系統(tǒng)（computer integrated appliance system，CIAS），能使人們呆在家里就可分享各種高技術帶來的便利與快樂。因此，機電一體化產(chǎn)品無疑將朝著網(wǎng)絡化方向發(fā)展。

3.4 微型化

微型化興起于20世紀80年代末，指的是機電一體化向微型機器和微觀領域發(fā)展的趨勢。國外稱其為微電子機械系統(tǒng)（MEMS），泛指幾何尺寸不超過1 cm3的機電一體化產(chǎn)品，并向微米、納米級發(fā)展。微機電一體化產(chǎn)品體積小，耗能少，運動靈活，在生物醫(yī)療、軍事、信息等方面具有無可比擬的優(yōu)勢。微機電一體化發(fā)展的瓶頸在于微機械技術。微機電一體化產(chǎn)品的加工采用精細加工技術，即超精密技術，它包括光刻技術和蝕刻技術兩類。

3.5 環(huán)保化

工業(yè)的發(fā)達給人們生活帶來巨大變化。一方面，物質豐富，生活舒適；另一方面，資源減少，生態(tài)環(huán)境受到嚴重污染。于是，人們呼吁保護環(huán)境資源，回歸自然。綠色產(chǎn)品概念在這種呼聲下應運而生，綠色化是時代的趨勢。綠色產(chǎn)品在其設計、制造、使用和銷毀的生命過程中，符合特定的環(huán)境保護和人類健康的要求，對生態(tài)環(huán)境無害或危害極少，資源利用率極高。設計綠色的機電一體化產(chǎn)品，具有遠大的發(fā)展前景。機電一體化產(chǎn)品的綠色化主要是指，使用時不污染生態(tài)環(huán)境，報廢后能回收利用。

3.6 人性化

機電一體化產(chǎn)品的最終使用對象是人，如何給機電一體化產(chǎn)品賦予人的智能、情感和人性顯得愈來愈重要。機電一體化產(chǎn)品除了完善的性能外，還要求在色彩、造型等方面與環(huán)境相協(xié)調，使用這些產(chǎn)品，對人來說還是一種藝術享受，如家用機器人的最高境界就是人機一體化。

3.7 集成化

集成化既包含各種技術的相互滲透、相互融合和各種產(chǎn)品不同結構的優(yōu)化與復合，又包含在生產(chǎn)過程中同時處理加工、裝配、檢測、管理等多種工序。為了實現(xiàn)多品種、小批量生產(chǎn)的自動化與高效率，應使系統(tǒng)具有更廣泛的柔性。首先可將系統(tǒng)分解為若干層次，使系統(tǒng)功能分散，并使各部分協(xié)調而又安全地運轉，然后再通過軟、硬件將各個層次有機地聯(lián)系起來，使其性能最優(yōu)、功能最強。

3.8 帶源化

是指機電一體化產(chǎn)品自身帶有能源，如太陽能電池、燃料電池和大容量電池。由于在許多場合無法使用電能，因而對于運動的機電一體化產(chǎn)品，自帶動力源具有獨特的好處。帶源化是機電一體化產(chǎn)品的發(fā)展方向之一。

綜上所述，機電一體化是眾多科學技術發(fā)展的結晶，是社會生產(chǎn)力發(fā)展到一定階段的必然要求。它促使機械工業(yè)發(fā)生戰(zhàn)略性的變革，使傳統(tǒng)的機械設計方法和設計概念發(fā)生著革命性的變化。大力發(fā)展新一代機電一體化產(chǎn)品，不僅是改造傳統(tǒng)機械設備的要求，而且是推動機械產(chǎn)品更新?lián)Q代和開辟新領域，發(fā)展與振興機械工業(yè)的必由之路?！?/p>

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2011-03-06