浅析机电一体化技术应用与发展

浅析机电一体化技术应用与发展

摘要机电一体化技术指的是机械、电子、计算机和自动控制技术相结合，这项技术

目前被广泛应用于各大行业，机电一体化技术具有提高产品性能、提高产品的制造水平等优

点。笔者对机电一体化从技术的概论、基本结构要素、技术优点、发展阶段、具体应用到发

展趋势及对社会的影响几个方面全面、细致的对机电一体化技术做了简述。

关键字机电一体化应用发展趋势

一、机电一体化概论

机电一体化技术是建立在机械技术、微电子技术、计算机与信息技术、传感器与检测技术、

自动控制技术、电力电子技术、驱动技术以及系统总体技术等高新技术群体基础之上的一种

高新技术，是包括技术基础，技术原理在内的、使机电一体化产品或系统得以实现、使用和

发展的技术。

随着生产和技术的发展，在以机械、电子技术为主的多门技术学科相互渗透、相互结合过程

中逐渐形成和发展起来的一门新兴边缘技术学科。它包含机电一体化技术和机电一体化产品

两方面的内容。机电一体化技术顺应了当今科学技术发展的规律，显示了强大的生命力。机

电一体化将机械与电子技术融为一体，使物流、能流、信息流融为一体。计算机技术与液压

控制有机结合，实现了液压支架定压双向邻架或成组自动移架，避免对顶板和支架产生冲击

载荷。此外，引进的工作面供电设备采用了微机控制技术，实现故障查询、闭锁、先导保护

和控制功能，也是一种典型的机电一体化产品。煤矿运输设备的机电一体化进程也十分迅速，

近几年来，引进的电液控制软启动在带式输送机上的应用达到很高水平，它利用计算机与液

压技术相结合，不仅具有良好的启动、停车、调速和功率平衡等功能，而且能监测设备各部

分的工况，对不正常状态进行保护，显示故障类型。矿井提升机是煤矿实现机电一体化水平

最高的大型设备，全数字化交、直流提升机，尤其是内装式提升机从结构上将滚筒和驱动合

为一个整体，机械结构大大简化。

二、机电一体化基本结构要素

（一）机械本体部分

机械本体就像人体的身躯骨架，它是系统所有功能元素的机械支持结构包括机身框架机械连

接等。

（二）动力部分

动力部分与人体内脏产生能量去维持生命运动一样为系统提供能量和动力功能，驱动执行机

构使系统按照控制要求正常运行。

（三）传感部分

传感部分就像人的眼鼻耳口等感觉器官，将系统运行中所需要的本身和外界环境的各种参数

及状态进行检测变成可识别的信号传输到信息处理单元，经过分析处理后产生相应的控制信

息；其功能一般由专门的传感器和仪器仪表完成。

（四）执行部分

执行部分如同人的四肢由大脑支配完成各项工作任务一样，根据控制信息和指令完成各种动

作和功能；执行机构是运动部件一般采用机械电磁电液等机构。

（五）控制及信息处理部分

控制及信息处理部分犹如人的大脑指挥和控制全身运动并能记忆思考和判断问题一样，将来

自各传感器的检测信息集中存储分析加工并根据信息处理的结果按照一定的程序和节奏发

出相应的指令控制整个系统有目的的运行；它一般由计算机可编程序控制器数控装置以及逻

辑电路A/D与D/A转换I/O输入输出接口和计算机外部设备等组成。

三、机电一体化技术优点

（一）高安全性能

机电一体化产品在很多领域具有较强的功能，其中包括有监视、报警、自动保护等方面工作

中发生一些电力故障的时候，机电一体化产品能够自动启动保护措施，使人和设备的损害降

到最低，提高了使用设备的安全性能。

（二）高生产能力

机电一体化产品自动处理信息和自动控制能力很强，在控制和检测方面的灵敏度和精度等都

很高。机电一体化产品有自身的控制系统，通过启动这个系统可以使机械执行机构按照设计

的要求完成动作，可以保证工作完成的质量和产品的高合格率。机电一体化产品的生产能力

也随着自动化的成功实现得以提高。

（三）高使用性能

机电一体化产品采用了数字显示和程序控制，这使得手柄和按钮的数量得到很大程度的减

少，方便了操作过程。机电一体化产品可以重复大量的动作，更先进的产品还能够筛选工作

程序。

（四）高适用范围

机电一体化产品具有复合技术和功能不具有单技术、单功能的局限性，这使得机电体化产品

的功能得到很大提高，也深化了自动化的程度。机电一体化产品具有的自动和智能功能可以

轻松应对用户的需求。

（五）高可靠运维

程度的控制可以对安装调试机电一体化产品，在其控制系统中输人控制程序就可以对产品进

行调控了，这样就不用改变产品的零件或者哪一个部件了。机电一体化产品还能够对工作中

的故障自动进行检验和监视等，并且可以自动采取应对措施。工作对象不同时，具有存储功

能的机电一体化产品可以根据存储的执行程序自动工作。

四、机电—体化的发展阶段

机电一体化的发展20世纪60年代以前为第一阶段，这一阶段称为初级阶段。在这一时期，

人们自觉不自觉地利用电于技术的初步成果来完善机械产品的性能。特别是在第二次世界大

战期间，战争刺激了机械产品与电子技术的结合，这些机电结合的军用技术，战后转为民用，

对战后经济的恢复起了积极的作用。那时研制和开发从总体上看还处于自发状态。由于当时

电子技术的发展尚未达到一定水平，机械拄术与电子技术的结合还不可广泛和深入发展，已

经开发的产品也无法大推广。20世纪70至80年代为第二阶段，可称为蓬勃发展阶段。这

一时期，计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展奠定了技术基础。

大规模、超大规模集成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充分的物

质基础。20世纪90年代后期，开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段，机电

一体化深入发展时期。一方面光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电

一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化、微机电一体化等新分支；另一方面对机电一体化

系统的建设、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究，同时，

由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开

辟了发展的广阔天地。这些研究，将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐步形成完整

的科学体系。我国是从20世纪80年代初才开始在这方面研究和应用，经过十多年的发展

取得了重大进展，但从总体上看，离国民经济对先进技术的要求还有相当距离。

五、机电一体化技术的应用

（一）现代机械制造业的应用

传统机械制造业是建立在规模经济的基础上，靠企业规模、生产批量、产品结构和重复性来

获得竞争优势的，它强调资源的有效利用，以低成本获得高质量和高效率，其生产盈利是靠

机器取代人力，靠复杂的专业加工取代人的技能来获取的。先进的机械制造业是以信息为主

导，采用先进生产模式、先进制造系统、先进制造技术和先进组织管理形式的全新的机械制

造业，其特征是全球化、网络化、虚拟化、智能化以及环保协调的绿色制造。现代制造业集

成了现代科学技术的发展，充分利用电子计算机技术，使制造技术提高到新的高度。近年

来．制造工程领域的新技术相继诞生。如计算机数字控制、现代集成制造系统、柔性制造技

术、敏捷制造、虚拟制造、并行工程等。

（二）在饮料行业中的应用

机电一体化技术是当今发展最快、应用前景最为广泛的技术之一。机电一体化技术在食品、

饮料包装机械的开发、设计和制造过程中的应用。不仅使单机的自动化程度大大提高．而且

使整条包装生产线的自动化控制水平、生产能力得到很大提高，使其竞争能力远远超过传统

的机械控制的同类设备。可以大大改善食品饮料包装生产设备产品的质量，提高其国内、国

际竞争能力。

（三）计算机集成制造系统(CIMS)

CIMS的实现不是现有各分散系统的简单组合，而是全局动态最优综合，它打破原有部门之

间的界线，以制造为基干来控制物流和信息流实现。从经营决策产品开发、生产准备、生产

实验到生产经营管理的有机结合，企业集成度的提高可以使各种生产要素之间的配置得到更

好的优化，各种生产要素的潜力可以得到更大的发挥。

（四）工业机器人

第1代机器人，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，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在

作业环境中独立行动与第4代计算机关系密切。

六、机电一体化发展趋势

（一）智能化发展

自动化就是设计时已按需要输入特定功能的程序，使用时只需要人们起动后就能定时或行程

中自动感应信号就能自动完成整个加工或生产程序。智能化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。

（二）人性化发展

机电一体化产品要有完善的功能，色彩、造型等方面与环境也要协调，让人们在使用中感到

更简单、更方便、更自然、更接近人们的生活习惯。所以机电一体化产品人性化是必然发展

方向。

（三）数字化发展

微控制器和接口技术的发展为机电产品数字化奠定了基础，如不断发展的数控机床和机器

人；计算机网络的迅速崛起也为数字化设计、控制技术和制造技术铺平了道路，如虚拟设计、

计算机集成制造等。数字化要求机电一体化产品的软件具有环保性、高可靠性、通用性、易

操作性、可维护性、自诊断能力以及友好人机对话界面。

（四）网络系统化发展

机电一体化产品必须朝网络化方向发展。网络技术的兴起普及和飞速发展，促使网络的

各种远程控制和监视技术兴起实现。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，进行任意剪裁和组合，同时寻求实现多子系

统协调控制和综合管理。

（五）绿色自源化发展

在物质极大丰富的同时也出现乱开乱伐资源和资源浪费的现象，带来了资源减少、生态环境

恶化的严重后果。自源化是指机电一体化产品自身带有能源，运动的机电一体化产品在许多

场合没有电源就无法使用电能，自带动力源具有独特的优越性。

（六）微型模块化发展

微机电系统是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理器和控

制电路，直至接口、通信和电源等于一体的微型器件和系统。它们具有耗能少、体积小、运

动灵活，在生物医疗、信息等方面有很大的优势。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、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元模块是一项复杂而

具有远大前途的工作。研制有集减速单元、变频调速电机一体的动力驱动单元；有视觉、有

图像处理、有识别能一体化、控制单元、有测距功能的机电一体控制单元等。

七、对社会的影响

（一）加快机电工业赶超国际水平的步伐

我国机械制造工此和装备工业的总体水平与国外相比差距明显，主要机械产品中达到当代世

界先进水平的所占比例很小，产品结构不能满足市场需求变化。一些低档次普通机电产品严

重积压，生产能力过剩，而市场急需的机电一体化技术装备和产品严重短缺，不得不长期依

赖进口。机电一体化技术产业以其特有的技术带动性、融合性和广泛适用性成为高新技术产

业中的主导产业，将成为新世纪经济发展的重要支柱。当今世界各国制造业广泛采用数控技

术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场约适应能力和竞争能力。大力发展以数控

技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位

的重要途径。

（二）加速改善我国的出口产品结构

加入WTO后，国内市场的“保护围墙”被拆掉，发达国家首先输人的就是这些深加工、精

加工，高附加值的高新技术机电产品，如计算机、录像机、复印机、汽车，摩托车、数控机

床、广播电视设备，通信设备、自动化精密印刷机械、精密加工机械，工业用各种控制仪表、

自动化仪表、照相机等。从我国机电行业的现状看，正在兴起的确新技术产品具备与国外同

类先进产品抗衡的能力。用机电一体化技术提高机械制造、电器设备，轻工、纺织等行业的

素质，可以生产出质置优良，品种多样的产品投放国际市场，机电一体化产品知识密集、技

术密集，在国际市场上具有较强的竞争力，创汇效益高。

（三）增强企业的生产经营能力

机电一体化以其本身特有的技术优势迅速改变现代制造生产的产品结构和生产装备结构，促

进经营管理体制发生根本性的变化，使生产方式具有柔性。机电一体化产品的技