機電一體化技術發展研究

趙雙龍+王戩

摘 要：機電一體化技術是多學科相互交叉、相互融合所形成的一門科學。它的飛速發展使傳統機械工業的面貌煥然一新，在機械工業領域中的地位日趨重要，為人類帶來了巨大的經濟效益和社會效益。以下論文主要就近年來機電一體化的發展與應用概況進行了分析。

關鍵詞：機電一體化機械設計工程自動化

進入20世紀60年代以來，微電子技術、信息技術、自動化技術得到了迅猛發展，以信息技術為中心，極大地提高勞動生產率和工作效率為重要目標。測量與控制技術、計算機技術和通信技術，三者結合在一起，構成完整的信息系統。在這種新技術革命的影響和沖擊下，機電業發生了深刻的變化。機電一體化的共性關鍵技術是；精密機械技術、伺服傳動技術、傳感檢測技術、信息處理技術、白動控制技術以及系統總體技術。但是區分機電一體化或非機電一體化的機械系統，其核心是計算機控制的伺服控制系統，其他的都是與此匹配的重要部分現有機械產品的電子化必須采用系統科學的觀點和綜合集成的技巧，使機械、電子設備和軟件之間相互適應和匹配，發揮各自的優勢，才能促進工業產品和消費產品向自動化方向發展。

1 機械機電一體化技術及其應用

機電一體化系統的形式多種多樣，其功能也各不相同。一個較完善的機電一體化系統應包括以下幾個基本要素：機械本體、動力單元、傳感檢測單元、執行單元、驅動單元、控制及信息處理單元。隨著機電一體化產品技術性能、水平和功能的提高，機械本體需在機械結構、材料、加工工藝以及幾何尺寸等方面都應適應產品高效、多功能、可靠、節能、小型、輕量、美觀等要求。動力單元動力單元的功能是按照機電一體化系統的控制要求，為系統提供能量和動力以保證系統正常運行。機電一體化的顯著特征之一是用盡可能小的動力輸入獲得盡可能大的功能輸出。與一般的同類型機械裝置相比，機電一體化系統中的機械部分精度要求更高，結構更簡單，功能更強大，性能更優越，同時還要有更好的可靠性、維護性和更新穎的結構。零部件要求模塊化、標準化、規格化，還有許多新的課題要加以研究和運用，如對結構進行優化設計，采用新型復合材料以使機械系統既減輕重量、縮小體積，同時又不降低機械的靜、動剛度，采用高精度導軌、精密滾珠絲杠、高精度主軸軸承和高精度齒輪等，以提高關鍵零部件的精度和可靠性；開發新型復合材料以提高刀具、磨具的質量；通過零部件的模塊化和標準化設計，提高其互換性和維護性等。因此機械技術的出發點在于如何與機電一體化技術相適應，利用其他高新技術來更新概念，實現結構上、材料上、性能上以及功能上的變革。

2 信息處理與自動控制技術及其應用

機電一體化系統中主要采用丁業控制機（包括可編程控制器，單、多回路調節器，單片微控制器，總線式丁業控制機，分布式計算機測控系統）進行信息處理。計算機應用及信息處理技術已成為促進機電一體化技術發展和變革的最重要因素。隨著社會和經濟發展，對信息交流的需求越來越大，這就需要信息傳輸，即通信技術，圍繞如何提高傳輸速度、減少誤碼率等進行的。為了共享資源、提供分布式功能和集中管理，可通過通信設備和線路，將不同地理位置具有獨立處理功能的多個計算機連接起來，運用功能完善的網絡軟件按照網絡協議進行數據通信，組成計算機網絡系統。計算機技術、通信技術和計算機網絡技術的發展為信息處理技術提供了技術保障。

控制與信息處理單元像是對其他要素和它們之間的連接進行有機的統一控制一樣，其功能是將來自傳感器的信息和各種命令進行集中處理，根據處理結果，按照一定的規則發出相應的控制信號，控制各要素或子系統連接成為一個有機整體，使各個功能環節有目的地協調一致運動，并達到預期的性能，從而形成機電一體化的系統工程。各子系統之間必須通過控制信息進行聯系才能協調統一的運動，進行有規則地物質和能量的交換和轉移。因此，控制與信息處理單元是機電一體化系統的核心單元，一般由計算機、可編程控制器、數控裝置以及各種邏輯電路等組成。信息處理技術包括信息的交換、存取、運算、判斷和決策。自動控制技術包括高精度位置控制、速度控制、自適應控制、自校正等技術。自動控制就是依據自動控制原理對具體控制裝置或系統在設計之后進行系統仿真，現場調試，最后使研制的系統可靠地投入運行，尤其是計算機技術高速發展，使得自動控制技術與計算機技術的結合越趨密切，因此自動控制技術是機電一體化技術中十分重要的關鍵技術。

3 伺服驅動技術及其發展

電動機伺服驅動方式在數控系統中的運用非常廣泛，交直流伺服電動機驅動主要用在閉環伺服數控系統中。由于變頻技術的進步，交流伺服電動機驅動技術取得突破性進展，為機電一體化系統提供了高質量的伺服驅動單元，極大地促進了機電一體化技術的發展。步進電動機驅動主要用在開環伺服數控系統中。對機電一體化系統的動態性能、控制質量和功能來說，伺服驅動技術具有決定性的作用。液壓伺服系統（如液壓馬達、脈沖液壓缸等）具有工作穩定、響應速度快、輸出力矩大等特點，特別是在低速運行時其性能更突出，但液壓系統需要增加液壓泵等動力源，設備復雜、體積大、維修難及污染環境；而電氣伺服系統（如步進電動機、直流伺服電動機等）具有控制靈活、費用較小、可靠性高等優點，但低速時輸出力矩不夠大。由于近年來變頻技術的進步，交流伺服驅動技術取得突破性進展，為機電一體化系統提供了高質量的伺服驅動單元，極大地促進了機電一體化技術的發展。

4 結論與展望

機電一體化技術需要很多部門、產業的配合和支持，才能取得滿意的結果。我們不僅要對機電一體化的各項相關技術進行全面深入的了解，還要能從系統工程的概念人手，通過系統總體設計來使各個相關技術形成有機的結合，并且要注意研究和解決技術融合過程中所產生的新問題，只有這樣才能滿足機電一體化高速發展的需要。機電一體化概論都很好，如果整個系統不能很好地協調，則它仍然不可能可靠地正常運行。隨著科技的進步和社會經濟的發展，機電一體化技術正在不斷地深人到各個領域，并且迅猛地向前推進，特別是制造工業對機電一體化技術提出了許多新的更高的要求。機電一體化的發展趨勢應為：在性能上向高精度、高效率、高性能、智能化方向發展；在功能上向小型化、輕型化、多功能方向發展；在層次上向系統化、復合集成化的方向發展。