青岛理工——机械电子作业

机电一体化

一．机电一体化技术

1. 概述

机电一体化最早出现在 1971 年日本杂志《机械设计》的副刊上，随着机电一体化技术的快速发展，机电一体化的概念被我们广泛接受和普遍应用。

机电一体化技术是一门综合性的学科，是将机械技术、电工电子技术、微电子技术、信息技术、传感器技术、接口技术、信号变换技术等多种技术进行有机地结合，并综合应用到实际中去的综合技术。现代化的自动生产设备几乎可以说都是机电一体化的设备。机电一体化从字面上的理解就是将机械制造与电子技术结合起来，使得机械设备在运转、维护等各个方面实现智能化的功能。所以机电一体化又称机械电子学，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。机械技术与电子技术融合在一起，在功能上并不是简单的叠加、仅达到1+1=2，而是要实现1+1＞2，使其具有新的意义、新的功能。机电一体化的结果，大大提高了产品的使用性能，特别是提高了机械设备的信息响应能力和自动化程度。

2. 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，他的发展使冷冰冰的机器有了人性化，智能化。而随着我国机械工业和科学技术的不断进步， 将机电一体化技术的研究融入到我国国防、工业制造、电子电工等多个行业中去。 同时，机电一体化技术是整合了产品和技术两个方面的内容，缺一不可，既要保持产品的质量和品质，又得保证技术创新的特点。

机电一体化不仅对我国机械制工业发展起着有利的推动作用，还逐步引入到我们的生活工作中来， 如应用于工程机械中的电子监控、自动报警等功能，可以对正在运行中的机械起到实时监控，发现异常能够迅速做出反应，避免不必要的事故发生。还有在数控机床中的应用， 现代化的数控机床一般都留有数据传输通信接口，在实际的应用过程中实现计算机与数控机床之间的通信联系，指挥操作，还可以将这些数控机床之间联系起来，通过计算机操作实现机床操作和数据通信。

机电一体化技术使得许多机械产品发展到自动化、智能化的阶段，以机电一体化为基本特征的机械设备正在逐步取代传统的机械设备，并广泛应用于国民经济各领域和人民生活当中。例如：自动生产线、数控机床、工业机器人，全自动洗衣机、自动售货机、石英电子表等等。

二．机电一体化系统

一个较完善的机电一体化系统应包括：机械本体、执行机构、驱动部分、检测部分、信息处理与控制单元。

1. 机械本体

机械本体包括机架、机械连接、机械传动等，它是机电一体化的基础，起着支撑系统中其他功能单元、传递运动和动力的作用。与纯粹的机械产品相比，机电一体化系统的技术性能得到提高、功能得到增强，这就要求机械本体在机械结构、材料、加工工艺性以及几何尺寸等方面能够与之相适应，具有高效、多功能、可靠和节能、小型、轻量、美观的特点。

2. 执行机构

执行机构是运动部件，它的功能是根据控制信息和指令完成所要求的动作，将输入的各种形式的能量转换为机械能。执行机构一般分为两类：一类是电气执行部件，按运动方式的不同又可分为直线运动元件和旋转运动元件，直线运动元件主要有电磁铁、压电驱动器等，而旋转运动元件则主要指各种电动机。另一类是液压式执行元件，主要包括液压马达和液压缸等。

3. 驱动部分

驱动部分为系统提供能量和动力，即按照机电一体化系统的要求或者说接受信息处理和控制单元发出的控制信号和指令，驱动执行机构进行工作，使系统正常运行。驱动部分的设计应考虑用尽可能小的动力输入获得尽可能大的输出。此外，驱动元件必须与执行元件匹配，以便获得最佳的执行性能。

驱动元件种类繁多，如电机 (包括步进电机、伺服电机、变频电机等等 )，液压、气动马达和动作缸、弹性元件、电磁铁、光能马达、形状记忆合金等等。驱动元件的多样性可使机电一体化系统得到更加有效工作。

4. 检测部分

检测部分由各种传感器组成，其功能是把系统工作过程中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态检测出来，变换成可识别的信号，送往系统的信息处理与控制单元，经信息处理后产生相应的控制信息，用以提高系统的整体或某一部分的控制水平。

传感器是能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，主要用于检测机电一体化系统自身与操作对象、作业环境状态，为有效控制机电一体化系统的运作提供必须的相关信息。随着人类探知领域和空间的拓展，电子信息种类日益繁多，信息传递速度日益加快，信息处理能力日益增强，相应的信息采集技术---传感技术也将日益发展，传感器也将无所不在。

传感器是左右机电一体化系统（或产品）发展的重要技术之一，广泛应用于各种自动化产品之中：

1、机器人用传感器

工业机器人之所以能够准确操作，是因为它能够通过各种传感器来准确感知自身、操作对象及作业环境的状态，包括其自身状态信息的获取通过内部传感器（位置、位移、速度、加速度等）来完成，操作对象与外部环境的感知通过外部传感器来实现，这个过程非常重要，足以为机器人控制提供反馈信息。

2、机械加工过程的传感检测技术

（1）切削过程和机床运行过程的传感技术；

（2）工件的过程传感；

（3）刀具的检测传感。

3、汽车自动控制系统中的传感技术

汽车传感器在汽车上主要用于发动机控制系统、底盘控制系统、车身控制系统和导航系统中。它的应用，大大提高了汽车电子化的程度，增加了汽车驾驶的安全系数。

发动机控制系统传感器包括温度传感器、压力传感器、位置和转速传感器、流量传感器、气体浓度传感器和爆震传感器等。这些传感器向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工作状况信息，供ECU对发动机工作状况进行精确控制，以提高发动机的动力性、降低油耗、减少废气排放和进行故障检测。

底盘控制传感器是用于变速器控制系统、悬架控制系统、动力转向系统、制动防抱死系统等底盘控制系统中的传感器。

车身控制用传感器主要用于提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等。主要包括以下几种：用于自动空调系统的温度传感器、湿度传感器、风量传感器、日照传感器等；用于安全气囊系统中的加速度传感器；用于门锁控制的车速传感器；用于亮度自动控制的光传感器等。

随着GPS/GIS（全球定位系统和地理信息系统）导航系统在汽车上的应用，导航用传感器得到了迅速的发展。导航系统用传感器主要包括：确定汽车行驶方向的罗盘传感器、陀螺仪和车速传感器、方向盘转角传感器等。

5. 信息处理与控制单元

机电一体化系统的核心部分，它从检测部分获得传感信息，根据这些信息和系统的目标，进行信息处理，并按照一定的程序发出相应的控制信号，通过输出接口送往执行机构，控制整个系统有目的的运行，达到预期的目标。信息处理与控制单元通常是由电子电路和微控制芯片或计算机组成。

机电一体化系统中的计算机主要有三种：单片机、工业控制计算机（总线控制计算机）、可编程控制器

（1）单片机：全称单片微型计算机，又称微控制器，是把中央处理器、存储器、定时/计数器、各种输入输出接口等都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。

（2）工业控制计算机：依赖于某种标准的总线，按工业化标准设计，包括主机，各种I/O接口功能模块。

（3）可编程控制器：一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

6. 接口

构成机电一体化系统的各组成部分或各子系统之间必须能顺利进行物质、能量和信息的传递与交换，为此各子系统相连接处就必须有一定的连接部件，这个连接部件就称为接口。接口的概念是广义的，包括机械部件与机械部件之间、机械部件与电子器件之间以及电子器件与电子器件之间的逻辑上的和机械上的连接，它的作用是将系统的各组成部分或各子系统连接成为一个有机的整体，使各个功能环节有目的地协调一致的运动，从而形成完整的机电一体化系统。

三．机电一体化技术现状

1. 发展历史

机电一体化发展历史可分为三个阶段：

20世纪60年代为初级阶段，这一时期，技术工程师开始有意识的将电子技术应用于机械产品中，以期提高机械产品的性能。由于此时电子技术比较落后，机械与电子的结合只停留在比较浅的层面，无法进一步深入。

20世纪70年代至80年代，机电一体化进入蓬勃发展期，这一阶段，计算机技术、 控制技术、 通信技术等迅速发展，为机电一体化的深入结合提供了可能性。 另外，大规模和超大规模集成电路和微型计算机相机出现，促使机电一体化更加广泛、 深入的发展。

在20世纪末，电一体化技术发展进入一个新阶段，这一时期,通信技术、 微细加工技术、 光学开始加入到机电一体化技术中，形成了新的分支微机电一体化和光机电一体化。 与此同时，人工智能技术、神经网络技术、 光纤技术的迅速发展使机电一体化技术的发展空间更加广阔，更具有价值。 机电一体化体系在这一时期不断完善，系统的建模设计、分析和继承方法也在不断发展进步，逐渐形成了较为完善的学科体系。 我国关于机电一体化的研究始于19世纪90年代末，直到目前，我国不断的引进新技术、 新工艺，在高校和企业中不断进行实践研究，但是相对于发达国家，技术水平还有很大差距，需要加强进一步的研究和发展。

目前，我国在机电一体化技术方面我国已经取得了一定的成就，特别是在机器人方面、 数控技术方面和计算机集成制造系统方面尤为显著。

在机器人方面： 经过 20 多年的发展，我国已经掌握了机器人操作的设计制造技术、控制技术和软件编程等关键技术。 机器人已经被广泛应用于工业上，并逐步涉及到医疗和水下探测等方面，在国防上也占有一席之地。 特别值得一提的是，目前我国很多高校的自动化专业都在研究各种各样的机器人。 比如说，国防科技大学研发出了类人机器人，北京航空航天大学与海军总医院联合研发了医用机器人，哈尔滨工业大学研发出了足球机器人，哈尔滨工程大学研发出了水下机器人并在抚仙湖水下遗址探测上得到了成功应用等等。

在数控技术方面：在坚持自我开发与借鉴国外先进技术和经验的基础上，目前我国已经基本具备了自我研发能力，并在国内建立了多处数控研发和生产基地。 到现在为止，我国数控技术行业已经具有年生产数控系统 3000 多套、主轴与进给装置 5000 多套的能力，成为促进国民经济发展的重要产品。掌握关键数控技术并形成自我研发和生产能力，对于发展民用工业和国防工业都有着不可替代的作用，同时也增强了我国的综合国力。可以说，我国的数控产业已经基本成形。

在计算机集成制造系统方面：近年来，我国在计算机集成制造系统方面取得了巨大的进步，已经掌握了一些关键技术。目前，我国已经在清华大学建成了国家 CIMS 工程研究中心，在国内其他高校和科研单位建立了 7 个 CIMS 单元技术实验室和 8 个 CIMS 培训中心。 同时，计算机集成制造系统在国内多家企业中得到了广泛应用，取得了良好的经济效益。 但是，我们看到上述成就的同时还应该看到关于计算机集成制造系统的核心技术我们还没有取得突破，部分产品还主要依靠国外技术的支持才能得以研发和生产。

2. 机电一体化技术发展趋势

根据社会需要，机电一体化的发展趋势必须符合可持续发展的要求和以人为本的发展目的。机电一体化的发展，不仅要满足工业需求，更要提高其自身的便

捷性和艺术性。在保持原有技术功能的基础上，对产品的外观、性能做出进一步改善，满足人们的需求。由于计算机技术的发展，人们越来越依赖机械产品，手工逐渐被机器所取代。因此，机电一体化的发展要逐步向智能化迈进。其次，占地面积大、操作方式困难同样成为了机电一体化发展道路上的绊脚石，由此便引进了产品微型化及科技网络化的概念。最后，为了保护人类赖以生存的环境，所有工业产品都必须向绿色化发展，以达到可持续发展的目的。所以机电一体化技术必定要求向着以下方向发展。

（1）智能化。 智能化是对机器行为的描述，是综合现代通信与信息技术、 计算机网络技术、 行业技术、 智能控制技术在某一方面的应用，是21世纪机电一体化技术发展的重要方向。 它使机器能够具备人的思维、推理判断，并具有自主决策能力，达到更高的控制目标，可取代生产过程中人的部分脑力劳动。 目前的机电一体化产品机器人、数控机床是智能化的体现，当然现在其技术还不完善，随着智能化所起的作用越来越明显，工程师对机电一体化技术的研究也越来越重视，随着各项技术的迅速发展，机电一体化技术的智能化将会越来越完善。

（2）标准化。机电一体化产品种类和生产厂家繁多，机械接口、 电力接口、 动力接口、 环境接口等只有具有了一定的标准，便于各部件、 各单元的匹配。 由于各生产商为了维护自己的利益，目前无论是国际还是国内都没有一个标准。 随着经济全球化的发展，经营理念的进步，资源的共享，技术的进步，机电一体化技术的标准化已成为未来的一个发展趋势。机电一体化技术上的标准化有利于新技术、 新产业的开发，有利于产品的规模化生产，同时反过来也促进机电一体化企业的发展。

（3）网络化。自上世纪末，网络迅速发展，其应用渗透到各个行业，生产方式发生了巨大的变化，机电一体化技术也是如此。计算机网络技术的发展促进了机电一体化技术的进步，而机电一体化技术也促进了网络的发展，例如：网络的各种远程控制的终端设备就是机电一体化的产品。现场总线和局域网技术的应用逐渐出现了集成家电系统、企业内部局域网，人们的生活、工作方式及企业的生产方式逐渐向网络化发展。为了服务于客户，机电一体化技术必须顺应时代的发展向着网络化方向发展。

（4）精密化。微型机电一体化是机电一体化的一个新的发展方向，它是微机械技术、微电子技术和软件技术的融合，使微型机电一体化产品体积更小、耗能更少、运动更加灵活。微型机电一体化技术在医学、军事、航空、信息领域具有较高的应用价值，发展前景广阔。它还将向微米、纳米级方向发展，在更多的领域发挥更加积极的作用。

（5）绿色环保。资源循环利用，绿色生产、不污染自然生态环境，已成为各行各业继续发展的必然趋势。 机电一体化行业也是如此。 绿色环保需要做到产品的设计、生产、运输、使用、维修、销毁等环节，不会对自然环境和人类健康造成威胁，在各环节对资源的利用率达到最高，不浪费资源，并且产品停止使用后可回收利用。机电一体化技术及其产品，应当朝着绿色环保的方向发展，走可持续发展的道路。

机电一体化是一项有多个学科组成的新兴技术，也是工业发展的基础。经过几十年的发展，我国的机电一体化水平也达到了一定的程度，为我国的工业发展也作出了重要的贡献。在新的阶段，随着社会生产力发展的不断提升，对机电一体化的技术要求越来越高，以机械技术和微电子技术、信息技术良好整合的机电一体化技术的将会成为发展的必然趋势。