论文部分内容阅读
摘 要： 自从电子技术问世，电子技术与机械技术的结合就开始了，出现了半导体集成电路，尤其是出现了以微处理器为代表的大规模集成电路后，机电一体化技术有了明显发展，从而使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，机械、机电融为一体，相得益彰。
关键词： 机电一体化技术 应用 发展趋势
机电一体化又称机械电子学，亦可称为机电整合，英语称为Mechatronics，它是由英文机械学Mechanics的前半部分与电子学Electronics的后半部分组合而成。随着机电一体化技术的快速发展，机电一体化的概念为人们广泛接受和普遍应用。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了前所未有的发展。现在的机电一体化技术，是机械和微电子技术紧密集合的一门技术，它的发展使冷冰冰的机器人性化、智能化。
一、机电一体化的应用
机电一体化包括软件和硬件两方面技术。硬件是由机械技术、传感器、信息处理单元等部分组成。因此，必须加速推进机电一体化的发展。
（一）机械技术
机械技术必须从改善性能、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
传感技术能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成输出信号的器件或装置。传感技术是将被测的某一物理量按一定规律转换为另一种物理量并输出的装置。有些国家和科学领域，为了避免电磁干扰，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）自动控制技术
自动控制技术范围很广，可进行系统设计、设计后的系统仿真、现场调试。控制技术包括高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、检索等。
二、机电一体化发展趋势
（一）光机电一体化
一般的机电一体化系统是由传感系统、能源系统、信息处理系统、机械结构等部件组成的。因此，引进光学技术，实现光学技术的先天优点是能有效地改进机电一体化系统的传感系统、能源（动力）系统和信息处理系统。光机电一体化是机电产品发展的重要趋势。
（二）自律分配系统化——柔性化
未来的机电一体化产品，控制和执行系统有足够的“冗余度”，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”。在自律分配系统中，各个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”，可根据不同的环境条件作出不同反应。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，具体“行动”是可以改变的。这样，既明显地增加了系统的适应能力（柔性），又不因某一子系统的故障而影响整个系统。
（三）全息系统化——智能化
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、信息技術（尤其是软件及芯片技术）的发展。除此之外，其系统的层次结构，也变简单的“从上到下”的形式而为复杂的、有较多冗余度的双向联系。
（四）工业机器人
第一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；第二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，作出一定的判断，对动作进行反馈控制，表现出低级智能，已开始走向实用化；第三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，与第五代计算机关系密切。
三、机电一体化技术的主要应用领域
（一）数控机床
1.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。
2.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。
3.能实现多过程、多通道控制。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。
四、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最大化的发挥。
五、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、设计修改频繁的离散零件的批量生产。
六、机电一体化技术的发展趋势
（一）智能化
智能化是机电一体化与传统机械自动化的主要区别之一，也是21世纪机电一体化的发展方向。近几年，处理器速度的提高和微机的高性能化、传感器系统的集成化与智能化为嵌入智能控制算法创造了条件，有力地推动着机电一体化产品向智能化方向发展。智能机电一体化产品可以模拟人类智能，具有某种程度的判断推理、逻辑思维和自主决策能力，从而取代制造工程中人的部分脑力劳动。
（二）数字化
微控制器和接口技术的发展奠定了机电产品数字化的基础，如不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、计算机集成制造等。数字化要求机电一体化产品的软件具有高可靠性、通用性、易操作性、可维护性、自诊断能力及友好人机界面。数字化的实现将便于远程控制操作、诊断和修复。
（三）系统化
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，进行任意的剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。表现特征之二是通信功能大大加强。一般除RS232等常用通信方式外，实现远程及多系统通信联网需要的局部网络正逐渐被采用。机电一体化产品还可根据一些生物体优良的构造研究某种新型机体，使其向着生物系统化方向发展。
（四）模块化
模块化也是机电一体化产品的一个发展趋势，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、信息接口的机电一体化产品单元是一件复杂而重要的事，它需要制定一系列标准，以便各部件、单元的匹配和接口。机电一体化产品生产企业可利用标准单元迅速开发新产品，同时也可以不断扩大生产规模。
机电一体化产业覆盖面非常广，而我们的财力、人力和物力是有限的，因此我们在抓机电一体化产业发展时不能面面俱到，而应分清主次，大胆取舍，有所为，有所不为。要注意抓两个层次上的工作。第一个层次是“面上”的工作，即用电子信息技术对传统产业进行改造，在传统的机电设备上植入或嫁接上微电子（计算机）装置，使“机械”和“电子”技术在浅层次上结合。第二个层次是“提高”工作，即在新产品设计之初，就把“机械”与“电子”统一起来进行考虑，使“机械”与“电子”密不可分，深度结合，生产出来的新产品真正做到机电一体化，使产品向智能化、系统化、轻量化、微型化方向发展，从而为国家带来更大的经济效益与社会效益。
关键词： 机电一体化技术 应用 发展趋势
机电一体化又称机械电子学，亦可称为机电整合，英语称为Mechatronics，它是由英文机械学Mechanics的前半部分与电子学Electronics的后半部分组合而成。随着机电一体化技术的快速发展，机电一体化的概念为人们广泛接受和普遍应用。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了前所未有的发展。现在的机电一体化技术，是机械和微电子技术紧密集合的一门技术，它的发展使冷冰冰的机器人性化、智能化。
一、机电一体化的应用
机电一体化包括软件和硬件两方面技术。硬件是由机械技术、传感器、信息处理单元等部分组成。因此，必须加速推进机电一体化的发展。
（一）机械技术
机械技术必须从改善性能、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
传感技术能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成输出信号的器件或装置。传感技术是将被测的某一物理量按一定规律转换为另一种物理量并输出的装置。有些国家和科学领域，为了避免电磁干扰，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）自动控制技术
自动控制技术范围很广，可进行系统设计、设计后的系统仿真、现场调试。控制技术包括高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、检索等。
二、机电一体化发展趋势
（一）光机电一体化
一般的机电一体化系统是由传感系统、能源系统、信息处理系统、机械结构等部件组成的。因此，引进光学技术，实现光学技术的先天优点是能有效地改进机电一体化系统的传感系统、能源（动力）系统和信息处理系统。光机电一体化是机电产品发展的重要趋势。
（二）自律分配系统化——柔性化
未来的机电一体化产品，控制和执行系统有足够的“冗余度”，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”。在自律分配系统中，各个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”，可根据不同的环境条件作出不同反应。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，具体“行动”是可以改变的。这样，既明显地增加了系统的适应能力（柔性），又不因某一子系统的故障而影响整个系统。
（三）全息系统化——智能化
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、信息技術（尤其是软件及芯片技术）的发展。除此之外，其系统的层次结构，也变简单的“从上到下”的形式而为复杂的、有较多冗余度的双向联系。
（四）工业机器人
第一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；第二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，作出一定的判断，对动作进行反馈控制，表现出低级智能，已开始走向实用化；第三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，与第五代计算机关系密切。
三、机电一体化技术的主要应用领域
（一）数控机床
1.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。
2.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。
3.能实现多过程、多通道控制。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。
四、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最大化的发挥。
五、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、设计修改频繁的离散零件的批量生产。
六、机电一体化技术的发展趋势
（一）智能化
智能化是机电一体化与传统机械自动化的主要区别之一，也是21世纪机电一体化的发展方向。近几年，处理器速度的提高和微机的高性能化、传感器系统的集成化与智能化为嵌入智能控制算法创造了条件，有力地推动着机电一体化产品向智能化方向发展。智能机电一体化产品可以模拟人类智能，具有某种程度的判断推理、逻辑思维和自主决策能力，从而取代制造工程中人的部分脑力劳动。
（二）数字化
微控制器和接口技术的发展奠定了机电产品数字化的基础，如不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、计算机集成制造等。数字化要求机电一体化产品的软件具有高可靠性、通用性、易操作性、可维护性、自诊断能力及友好人机界面。数字化的实现将便于远程控制操作、诊断和修复。
（三）系统化
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，进行任意的剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。表现特征之二是通信功能大大加强。一般除RS232等常用通信方式外，实现远程及多系统通信联网需要的局部网络正逐渐被采用。机电一体化产品还可根据一些生物体优良的构造研究某种新型机体，使其向着生物系统化方向发展。
（四）模块化
模块化也是机电一体化产品的一个发展趋势，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、信息接口的机电一体化产品单元是一件复杂而重要的事，它需要制定一系列标准，以便各部件、单元的匹配和接口。机电一体化产品生产企业可利用标准单元迅速开发新产品，同时也可以不断扩大生产规模。
机电一体化产业覆盖面非常广，而我们的财力、人力和物力是有限的，因此我们在抓机电一体化产业发展时不能面面俱到，而应分清主次，大胆取舍，有所为，有所不为。要注意抓两个层次上的工作。第一个层次是“面上”的工作，即用电子信息技术对传统产业进行改造，在传统的机电设备上植入或嫁接上微电子（计算机）装置，使“机械”和“电子”技术在浅层次上结合。第二个层次是“提高”工作，即在新产品设计之初，就把“机械”与“电子”统一起来进行考虑，使“机械”与“电子”密不可分，深度结合，生产出来的新产品真正做到机电一体化，使产品向智能化、系统化、轻量化、微型化方向发展，从而为国家带来更大的经济效益与社会效益。