浅议机电一体化技术的发展

1、浅议机电一体化技术的发展一、引言机电一体化的英文译名为 Mechatronic ，即结合应用机械技术和电子技术于一体 。在 1971 年提出的前后，工业先进国家美、日、英德均已开始将机电一体化技术应用在机械产品上， 使机械产品的水平上了一个新的台阶，产品的性能得到很大提高，从而使产品的竞争力大大增强。于是产生了像傻瓜照相机、全自动洗衣机、 自动售货机以及加工中心等等为大家所熟知的典型的机电一体化产品。 由于机电一体化产品具有高附加值， 因此发展机电一体化产品已成为机械行业共同的目标。二、机电一体化的核心技术机电一体化包括软件和硬件两方面技术。硬件是由机械本体、传感器、 信息处理单元和驱动单元等

2、部分组成。因此，为加速推进机电一体化的发展，必须从以下几方面着手：（一）机械本体技术机械本体必须从改善性能、 减轻质量和提高精度等几方面考虑。 现代机械产品一般都是以钢铁材料为主，为了减轻质量，除了在结构上加以改进，还应考虑利用非金属复合材料。只有机械本体减轻了重量， 才有可能实现驱动系统的小型化， 进而在控制方面改善快速响应特性，减少能量消耗，提高效率。（二）传感技术传感器的问题集中在提高可靠性、 灵敏度和精确度方面， 提高可靠性与防干扰有着直接的关系。为了避免电干扰，目前有采用光纤电缆传感器的趋势。对外部信息传感器来说，目前主要发展非接触型检测技术。（三）信息处理技术机电一体化与微电子学的

3、显著进步、信息处理设备 （特别是微型计算机）的普及应用紧密相连。为进一步发展机电一体化，必须提高信息处理设备的可靠性，包括模 /数转换设备的可靠性和分时处理的输入输出的可靠性， 进而提高处理速度， 并解决抗干扰及标准化问题。（四）驱动技术电机作为驱动机构已被广泛采用，但在快速响应和效率等方面还存在一些问题。目前，正在积极发展内部装有编码器的电机以及控制专用组件- 传感器 - 电机三位一体的伺服驱动单元。（五）接口技术为了与计算机进行通信， 必须使数据传递的格式标准化、 规格化。 接口采用同一标准规格不仅有利于信息传递和维修，而且可以简化设计。目前，技术人员正致力于开发低成本、高速串行的接口，来

4、解决信号电缆非接触化、 光导纤维以及光藕器的大容量化、小型化、标准化等问题。（六）软件技术软件与硬件必须协调一致地发展。 为了减少软件的研制成本， 提高生产维修的效率， 要逐步推行软件标准化，包括程序标准化、程序模块化、软件程序的固化、推行软件工程等。三、机电一体化技术的典型应用（一）数控机床数控机床应该算是机电一体化最典型的产品了。数控机床及相应的数控技术经过40 年的发展，在结构、功能、操作和控制精度上都有迅速提高，具体表现在：1 总线式、模块化、紧凑型的结构，即采用多CPU、多主总线的体系结构。2 开放性设计，即硬件体系结构和功能模块具有层次性、兼容性、符合接口标准，能最大限度地提高用户

5、的使用效益。3 WOP 技术和智能化。系统能提供面向车间的编程技术和实现二、三维加工过程的动态仿真，并引入在线诊断、模糊控制等智能机制。4 大容量存储器的应用和软件的模块化设计，不仅丰富了数控功能，同时也加强了CNC 系统的控制功能。5 能实现多过程、多通道控制，即具有一台机床同时完成多个独立加工任务或控制多台和多种机床的能力，并将刀具破损检测、物料搬运、机械手等控制都集成到系统中去。6 系统的多级 网络 功能，加强了系统组合及构成复杂加工系统的能力。7 以单板、单片机作为控制机，加上专用芯片及模板组成结构紧凑的数控装置。（二）柔性制造系统（FMS）柔性制造系统是计算 机化的制造系统，主要由计

6、算机、数控机床、机器人、料盘、自动搬运小车和自动化仓库等组成。 它可以随机地、实时地、 按量地按照装配部门的要求， 生产其能力范围内的任何工件， 特别适于多品种、 中小批量、 设计更改频繁的离散零件的批量生产。（三）工业机器人第 1 代机器人亦称示教再现机器人， 它们只能根据示教进行重复运动， 对工作环境和作业对象的变化缺乏适应性和灵活性； 第 2 代机器人带有各种先进的传感元件， 能获取作业环境和操作对象的简单信息， 通过计算机处理、 分析，做出一定的判断， 对动作进行反馈控制，表现出低级智能，已开始走向实用化；第3 代机器人即智能机器人，具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑思维、判断和决策，

7、在作业环境中独立行动，与第5 代计算机关系密切。四、机电一体化技术的发展方向以微电子技术、 软件技术、 计算机技术及通信技术为核心而引发的数字化、网络化、综合化、个性化信息技术革命，不仅深刻地影响着全球的科技、经济、社会和军事的发展，而且也深刻影响着机电一体化的发展趋势。在未来，机电一体化技术将向以下几个方向发展：（一）光机电一体化方向一般机电一体化系统是由传感系统、能源（动力）系统、信息处理系统、机械结构等部件组成。 引进光学技术， 利用光学技术的先天特点， 就能有效地改进机电一体化系统的传感系统、能源系统和信息处理系统。（二）柔性化方向未来机电一体化产品，控制和执行系统有足够的“冗余度”，

8、有较强的“柔性”，能较好地应付突发事件， 被设计成“自律分配系统”。 在这系统中， 各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， 具有“行动”是可以改变的。这样，既明显地增加了系统的能力（柔性） ，又不因某一子系统的故障而影响整个系统。（三）智能化方向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。这主要得益于模糊技术与信息技术（尤其是软件及芯片技术）的发展。（四）仿生物系统化方向今后的机电一体化装置对信息的依赖性很大，并且往往在结构上处于“静态”时不稳定

9、，但在动态（工作）时却是稳定的。这有点类似于活的生物：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。就目前情况看，机电一体化产品虽然有仿生物系统化方向发展的趋势，但还有一段很漫长的道路要走。（五）微型化方向目前，利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术，在实验室中已制造出亚微米级的机械元件。 当这一成果用于实际产品时，就没有必要再区分机械部分和控制器部分了。那时，机械和电子完全可以“融合”机体，执行结构、传感器、CPU等可集成在一起，体积很小，并组成一种自律元件。这种微型化是机电一体化的重要发展方向。五、结语制造技术不仅是衡量一个国家科技发展水平的重要标志, 也是国际间科技竞争的重点。我国正处于经济发展的关键时期,制造技术是我们的薄弱环节。只有跟上发展先进制造技术的世界潮流, 将其放在战略优先地位, 并以足够