论机电一体化技术及其发展

论机电一体化技术及其发展

摘要：机电一体化是一种复合技术，是机械技术与微电子技术、信息技术互相渗透的产物，

是机电工业发展的必然趋势。简述了机电一体化技术的基本结构组成及其发展情况。

关键词：机电一体化；发展；技术；模块化

机电一体化的核心技术20世纪7080年代为第二阶段，可称为蓬勃发展阶机电一体化包括软

件和硬件两方面技术。硬件是由机段。这一时期，计算机技术、控制技术、通信技术的发展，

为械本体、传感器、信息处理单元和驱动单元等部分组成。因机电一体化的发展奠定了技术

基础。大规模、超大规模集成此，为加速推进机电一体化的发展，必须从以下几方面着手。

电路和微型计算机的迅猛发展，为机电一体化的发展提供了．1机械本体技术充分的物质基

础。这个时期的特点是：

机械本体必须从改善性能、减轻质量和提高精度等几方(1mcarnc一词首先在日本被普遍

接受，大约到面考虑。现代机械产品一般都是以钢铁材料为主，为了减轻20世纪80年代末

期在世界范围内得到比较广泛的承认；质量除了在结构上加以改进，还应考虑利用非金属复

合材(2)机电一体化技术和产品得到了极大发展；料。只有机械本体减轻了重量，才有可能

实现驱动系统的小(3)各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的型化，进而在控制方

面改善快速响应特性，减少能量消耗，提关注和支持。

传感技术方向迈进的新阶段，机电一体化进人深入发展时期。一方传感器的问题集中在

提高可靠性、灵敏度和精确度方面，光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也

在面，提高可靠性与防干扰有着直接的关系。为了避免电干机电一体化中崭露头脚，出现了

光机电一体化和微机电一体扰，目前有采用光纤电缆传感器的趋势。对外部信息传感器化等

新分支；另一方面对机电一体化系统的建模设计、分析来说，目前主要发展非接触型检测技

术。和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深．3信息处理技术人研究。

同时，由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技机电一体化与微电子学的显著进步、信息

处理设备(特术等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的别是微型计算机)的

普及应用紧密相连。为进一步发展机广阔天地。这些研究，将促使机电一体化进一步建立完

整的电一体化，必须提高信息处理设备的可靠性包括模／数转换基础和逐渐形成完整的科学

体系。设备的可靠性和分时处理的输入输出的可靠性(，)，进而提高处现代科学技术的不

断发展，极大地推动了不同学科的交理速度，并解决抗干扰及标准化问题。叉与渗透，导

致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程．4驱动技术领域，由于微电子技术和计算机

技术的迅速发展及其向机械电机作为驱动机构已被广泛采用，但在快速响应和效率工业的渗

透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、等方面还存在一些问题。目前，正在积极

发展内部装有编码产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变器的电机以及

控制专用组件一传感器一电机三位一体的伺化，使工业生产由机械电气化迈入了机电一体化

为特服驱动单元。征的发展阶段。

接口技术机电一体化发展至今也已成为一门有着自身体系的新为了与计算机进行通信，

必须使数据传递的格式标准型学科，随着科学技术的不断发展还将被赋予新的内容。

规格化。接口采用同一标准规格不仅有利于信息传递和但其基本特征可概括为：机电一

体化是(，)从系统的观点出发，维修，而且可以简化设计。目前，技术人员正致力于开发

低综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技成本、高速串行的接口，来解

决信号电缆非接触化、光导纤维术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、

信息以及光藕器的大容量化、小型化、标准化等问题。

变换技术以及软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标．6软件技术和优化组织目

标，合理配置与布局各功能单元，在多功能、高软件与硬件必须协调一致地发展。为了减少

软件的研质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值，并使整制成本，提高生产维

修的效率，要逐步推行软件标准化，包括个系统最优化的系统工程技术。由此而产生的功能

系统，则程序标准化、程序模块化、软件程序的固化、推行软件工程成为一个机电一体化系

统或机电一体化产品。

机电一体化的发展前景等。

机电一体化是机械、微电子、控制、计算机、信息处理等机电一体化的发展概况机电一

体化的发展大体可以分为3个阶段。20世纪多学科的交叉融合，其发展和进步有赖于相关

技术的进步与年代以前为第一阶段，这一阶段称为初级阶段。在这一时发展，其主要发展方

向有数字化、智能化、模块化、网络化、人期，人们自觉不自觉地利用电子技术的初步成果

来完善机械性化、微型化、集成化、带源化和绿色化。

产品的性能。特别是在第二次世界大战期间，战争刺激了机．1数字化械产品与电子技

术的结合，这些机电结合的军用技术，战后微控制器及其发展奠定了机电产品数字化的基础，

如不转为民用，对战后经济的恢复起了积极的作用。那时研制和断发展的数控机床和机器人；

而计算机网络的迅速崛起，为数字化设计与制造铺平了道路，如虚拟设计、计算机集成制开

发从总体上看还处于自发状态。由于当时电子技术的发造等。数字化要求机电一体化产品的

软件具有高可靠性、易展尚未达到一定水平，机械技术与电子技术的结合还不可能操作性、

可维护性、自诊断能力以及友好人机界面。数字化广泛和深入发展，已经开发的产品也无法

大量推广。

智能化即要求机电产品有一定的智能，使它具有类似人的逻辑思考、判断推理、自主决

策等能力。例如在CNC数控机床上增加人机对话功能，设置智能I／O接口和智能工艺数

据库，会给使用、操作和维护带来极大的方便。随着模糊控制、神经网络、灰色理论、小波

理论、混沌与分岔等人工智能技术的进步与发展，为机电一体化技术发展开辟了广阔天地。

模块化由于机电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、动力接

口、环境接口的机电体化产品单元模块是一项复杂而有前途的工作。如研制具有集减速、变

频调速电机体的动力驱动单元；具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的电机体控制单元

等。这样，在产品开发设计时，可以利用这些标准模块化单元迅速开发出新的产品。

网络化由于网络的普及，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，现场总线和局域网技术使家用电器网络化成为可能，利

用家庭网络把各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家用电器系统，使人们在家

里可充分享受各种高技术带来的好处，因此，机电一体化产品无疑应朝网络化方向发展。

人性化机电一体化产品的最终使用对象是人如何给机电一体化产品赋予人的智能、情感和人

性显得愈来愈(，)重要，机电一体化产品除了完善的性能外，还要求在色彩、造型等方面

与环境相协调，使用这些产品，对人来说还是一种艺术享受，如家用机器人的最高境界就是

人机一体化。

微型化微型化是精细加工技术发展的必然，也是提高效率的需要。微机电系统

(MirlcrncMehnclSse，简称是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及

信号处理和控制电路，直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。自1986年美国

斯坦福大学研制间隙，引起动作失灵，影响工作性能或造成事故，还可能引起滤网堵塞，并

可能使滤网完全丧失过滤作用，造成液压系统的恶性循环。

②加速元件磨损。污染颗粒在液压缸内会刮伤缸筒内表面，加速密封件的损坏，使泄漏

增大，引起推力不足或者动作不稳定、爬行、速度下降、异常噪声等故障现象，严重影响系

统的稳定性和可靠性。

③加速油液性能的劣化。液压油中的污染颗粒长期存在，会与油液发生一些反应，反应

的生成物会腐蚀元件。

液压油被污染的主要原因及解决措施。

①作业环境粉尘多，系统外部不清洁。液压系统长期在粉尘污染严重的场地作业时，最

好2个月过滤一次油液，大概半年更换一次进油滤油器。

②在加油、检查油面和检修作业时，杂质被带人系统，通过被损坏的油封、密封环进入

系统。

泄漏泄漏的危害。

液压系统一旦发生泄漏，将会使系统压力建立不起来。

液压油泄漏还会造成环境污染，影响生产，甚至产生无法估计的严重后果。

泄漏产生的主要原因及解决措施。

①设计因素。由于设计中密封结构选用不合理，密封件的选用不合乎规范；另外，由于

工程机械的使用环境中具有尘埃和杂质和没有选用合适的防尘密封，致使尘埃等污物进人系

统破坏密封而产生泄漏。应在选用和设计密封件的时候，考虑液压油与密封材料的相容型式、

负载情况、极限压力、工作速度高低、环境温度的变化等，选择合理的密封件，当在恶劣的

环境下工作时，要选用合适的防尘密封。

②制造和装配因素。所有的液压元件及密封部件都有严格的尺寸公差、表面处理、表面

光洁度及形位公差等要求。

出第一个医用微探针，年美国加州大学Berkeley分校研制出第一个微电机以来，国内

外在MEMS工艺、材料以及微观机理研究方面取得了很大进展，开发出各种MEMS器件

和系统如各种微型传感器(压力传感器、微加速度计、微触觉传感器)(，)，各种微构件(微

膜、微粱、微探针、微连杆、微齿轮、微轴承、微泵、微弹簧以及微机器人等)。

集成化集成化既包含各种技术的相互渗透、相互融合和各种产品不同结构的优化与复

合，又包含在生产过程中同时处理加工、装配、检测、管理等多种工序。为了实现多品种、

小批量生产的自动化与高效率，应使系统具有更广泛的柔性。首先可将系统分解为若干层次，

使系统功能分散，并使各部分协调而又安全地运转，然后再通过软、硬件将各个层次有机地

联系起来，使其性能最优、功能最强。

带源化是指机电一体化产品自身带有能源，如太阳能电池、燃料电池和大容量电池。由

于在许多场合无法使用电能，因而对于运动的机电一体化产品，自带动力源具有独特的好处。

带源化是机电一体化产品的发展方向之一。

绿色化科学技术的发展给人们的生活带来巨大变化，在物质丰富的同时也带来资源减

少、生态环境恶化的后果。所以，人们呼唤保护环境，回归自然，实现可持续发展，绿色产

品概念在这种呼声中应运而生。绿色产品是指低能耗、低材耗、低污染、舒适、协调而可再

生利用的产品。在其设计、制造、使用和销毁时应符合环保和人类健康的要求，机电一体化

产品的绿色化主要是指在其使用时不污染生态环境，产品寿命结束时，产品可分解和再生利

用。

综上所述，机电一体化技术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。

由于在制造过程中超差，使得密封件就会有变形、划伤、压死或压不实等现象发生，使

其失去密封功能：液压元件在装配中的野蛮操作，过度用力将使零件产生变形，特别是用铜

棒等敲打缸体、密封法兰等。这些原因都可以破坏密封而产生泄漏。应在设计和加工环节中

要充分注意密封部件的设计和加工，另外要选择正确的装配方法。

③零部件损伤。密封件是由耐油橡胶等材料制成的，由于长时间使用发生的老化、龟裂、

损伤等都会引起系统泄漏。

如果零件在工作过程中受碰撞而损伤，会划伤密封元件造成泄漏。要选择合适的密封件，

延长其老化时间，并注意对密封件的保护，避免其被别的部件划伤。

故障诊断时应遵循的一般原则当发生故障时要根据不同机型的特点，充分利用设备自身

的监控系统，具体问题具体分析，掌握有效的故障分析方法。在诊断时应遵循由外到内、由

易到难、由简单到复杂的原则进行，挖掘机液压传动系统故障诊断的顺序是：查问资料(挖

掘机使用说明书及运行、维修记录等)了解故障发生前后的设备工作情况外部检查试车观察

(故障现象、车上仪表)内部系统检查(参照系统原理图)仪器检查系统参数(流量、温度等)