論機電一體化技術的發展方向及實際應用

摘 要：，機電一體化是機械技術、微電子技術及信息技術相互交叉、融合（有機結合）的產物。隨著社會的進步，機電一體化技術在越來越多的學科得到應用與發展。本文通過對機電一體化技術的研究，探討其發展應用前景，分析了機電一體化技術在未來的實際應用。

關鍵詞： 機電一體化；發展趨勢；應用

一、機電一體化技術的基本概要

機電一體化是從系統的觀點出發，綜合運用機械技術、微電子技術、自動控制技術、計算機技術、信息技術、傳感測控技術、電力電子技術、接口技術、信息變換技術以及軟件編程技術等群體技術，根據系統功能目標和優化組織目標，合理配置與布局各功能單元，在多功能、高質量、高可靠性、低能耗的意義上實現特定功能價值，并使整個系統最優化的系統工程技術。由此而產生的功能系統，則成為一個機電一體化系統或機電一體化產品。

二、機電一體化的發展歷程

1、數控機床的問世，寫下了機電一體化歷史的第一頁；

2、微電子技術為機電一體化帶來勃勃生機；

3、可編程序控制器、電力電子等的發展為機電一體化提供了堅強基礎；

4、激光技術、模糊技術、信息技術等新技術使機電一體化躍上新臺階。

三、機電一體化的發展趨勢

（1）智能化。智能化是 21 世紀機電一體化技術發展的一個重要發展方向。人工智能在機電一體化方面的研究日益得到重視，機器人與數控機床的智能化就是重要應用。

（2）網絡化。20 世紀 90 年代，計算機技術等的突出成就是網絡技術。基于網絡的各種遠程控制和監視技術方興未艾，而遠程控制的終端設備本身就是機電一體化產品。如利用家庭網絡將各種家用電器連接成以計算機為中心的計算機集成家電系統已成現實。

（3）微型化。微型化興起于 20 世紀 80 年代末，指的是機電一體化向微型機器和微觀領域發展的趨勢。國外稱其為微電子機械系統 （MEMS），泛指幾何尺寸不超過 1 cm的機電一體化產品，并向微米、納米級發展。微機電一體化產品體積小 、耗能少、運動靈活，在生物醫療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優勢。

（4）綠色化。綠色機電一體化產品在其設計、制造、使用和銷毀的生命過程中，符合特定的環境保護和人類健康的要求，對生態環境無害或危害極少，資源利用率極高，使用時也不污染生態環境，報廢后又能回收利用。

（5）系統化。系統化的表現特征之一就是系統體系結構進一步采用開放式和模式化的總線結構。系統可以靈活組態，進行任意剪裁和組合，同時尋求實現多子系統協調控制和綜合管理。表現之二是通信功能的大大加強。

四、機電一體化技術的應用研究

為了提高機電產品的性能品質，發展高新技術，現在有許多零件要求制造精度越來越高，形狀也越來越復雜，為了提高零件的效率，減少阻力和降低噪聲，往往被設計成復雜的空間曲面，如螺桿壓縮機包絡成型螺旋曲面，膨脹機的葉輪葉片，飛機螺旋槳、潛水艇的推進器等都具有極其復雜的空間曲面；現代汽車發動機的活塞也不是圓柱形，而是要求具有橢圓鼓形；為提高強度和使用壽命，機械軸也不再是圓柱形，而是由幾段圓弧組成的復合圓柱體；衛星天線中饋源要求有方與圓光滑過渡實體；而各類特殊刀具與模具，其型面也極其復雜，所有這些，都要求新一代機電一體化技術、產品及系統朝著高性能、智能化、系統化以及輕量化、微型化方向發展。下面是機電一體化技術的主要應用領域。

4.1 數控機床

數控機床及相應的數控技術經過40年的發展，在結構、功能、操作和控制精度上都有迅速提高，具體表現在：

1）總線式、模塊化、緊湊型的結構，即采用多CPU，多主總線的體系結構。

2）開放性設計，即硬件體系結構和功能模塊具有層次性、兼容性、符合接口標準，能最大限度地提高用戶的使用效益。

3） WOP技術和智能化。系統能提供面向車間的編程技術和實現二、三維加工過程的動態仿真，并引入在線診斷、模糊控制等智能機制。

4）大容量存儲器的應用和軟件的模塊化設計，不僅豐富了數控功能，同時也加強了CNC系統的控制功能。

5）能實現多過程、多通道控制，即具有一臺機床同時完成多個獨立加工任務或控制多臺和多種機床的能力，并將刀具破損檢測、物料搬運、機械手等控制都集成到系統中去。

6）系統的多級網絡功能，加強了系統組合及構成復雜加工系統的能力。

7）以單板、單片機作為控制機，加上專用芯片及模板組成結構緊湊的數控裝置。

4.2 計算機集成制造系統（CIMS）

CIMS的實現不是現有各分散系統的簡單組合，而是全局動態最優綜合。它打破原有部門之間的界線，以制造為基干來控制/物流0和/信息流0，實現從經營決策、產品開發、生產準備、生產實驗到生產經營管理的有機結合。企業集成度的提高可以使各種生產要素之間的配置得到更好的優化，各種生產要素的潛力可以得到更大的發揮。

4.3 柔性制造系統（FMS）

柔性制造系統是計算機化的制造系統，主要由計算機、數控機床、機器人、料盤、自動搬運小車和自動化倉庫等組成。它可以隨機地、實時地、按量地按照裝配部門的要求，生產其能力范圍內的任何工件，特別適于多品種、中小批量、設計更改頻繁的離散零件的批量生產。

4.4 工業機器人

第1代機器人亦稱示教再現機器人，它們只能根據示教進行重復運動，對工作環境和作業對象的變化缺乏適應性和靈活性；第2代機器人帶有各種先進的傳感元件，能獲取作業環境和操作對象的簡單信息，通過計算機處理、分析，做出一定的判斷，對動作進行反饋控制，表現出低級智能，以開始走向實用化；第3代機器人即智能機器人，具有多種感知功能，可進行復雜的邏輯思維、判斷和決策，在作業環境中獨立行動，與第5代計算機關系密切。

五、應用實例

以數控激光雕刻機為載體，綜合應用CAD /CAM，軟件編程、電氣設計、運動控制、電機驅動、數控編程等技術，進行數控機械創新設計的實踐，開展機電一體化技術的應用。數控激光雕刻機綜合運用機電一體化的各種知識，充分體現軟件、硬件等信息技術與制造技術的聯系。

5.1 總體設計

總的說來數控激光雕刻機是一種典型的機電一體化產品，它由機械部分、電氣部分、軟硬件部分以及計算機控制等級部分組成，框架圖如圖1。目的就是實現球面的激

光雕刻。

5.2 機械部分設計

根據實現球面的激光雕刻的目的，選擇了兩個直導軌和一個旋轉導軌。首先確定基本尺寸，利用當前比較流行三維設計軟件Pro/E進行初步設計，然后進行了干涉檢查，最后對主要零部件進行校核。設計完成的效果

5.3 電氣部分設計

電氣部分主要實現以下幾個功能：

1）控制交流伺服系統，包括上電、下電和使能控制；

2）軸流風機的控制；

3）急停鍵的控制。

結論

機電一體化是許多科學技術發展的結晶，是社會生產力發展到一定階段的必然，隨著社會的進步，科學技術的發展，機電一體化技術也在不斷的發展進步，并向綜合運用各學科最新成果、利用微電子技術等方面發展。數控雕刻機就是綜合應用CAD /CAM、軟件編程、電氣設計、運動控制、電機驅動、數控編程等技術，開展機電一體化技術的最好證明。

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