機電一體化技術的應用及發(fā)展趨勢

李財勇

摘要：本文簡要闡述了機電一體化基本結構要素，對機電一體化技術在數控機床、工程機械以及智能制造中的應用進行了探討，并對其未來的發(fā)展趨勢進行了分析。

關鍵詞：機電一體化；應用與發(fā)展；發(fā)展趨勢

機電一體化是在機械的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進微電子技術，并將機械裝置與電子裝置用相關軟件有機結合而構成的系統(tǒng)的總稱。機電一體化的概念最早由日本人提出，目前已經發(fā)展成為一門有著自身體系的新型學科。機電一休化技術將機械、電子、信息處理和控制以及軟件等技術有機地結合起來，是當前自動化技術發(fā)展的最高階段。本文將就其技術應用與發(fā)展趨勢進行探討。

1機電一體化的結構要素

機電一體化的基本結構要素包括：機械本體部分、動力部分、傳感部分、驅動部分、執(zhí)行部分、控制及信息處理部分等。

機械本體是系統(tǒng)所有功能元素的機械支持結構，包括機身、框架、機械連接等。動力部分為系統(tǒng)提供能量和動力功能，驅動執(zhí)行機構，使系統(tǒng)按照控制要求正常運行。傳感部分將系統(tǒng)運行中所需要的本身和外界環(huán)境的各種參數及狀態(tài)進行檢測，變成可識別的信號，傳輸到信息處理單元，經過分析、處理后產生相應的控制信息，其功能一般由專門的傳感器和儀器儀表完成。驅動部分在控制信息作用下，驅動執(zhí)行機構完成各種動作和功能。執(zhí)行部分根據控制信息和指令，完成各種動作和功能，一般采用機械、電磁、電液等機構。控制及信息處理部分將來自各傳感器的檢測信息集中、存儲、分析、加工，并根據信息處理的結果，按照一定的程序發(fā)出相應的指令控制整個系統(tǒng)有目的的運行。它一般由計算機、可編程序控制器、數控裝置以及邏輯電路、A/D 與 D/A 轉換、I/O（輸入輸出）接口和計算機外部設備等組成。

2機電一體化技術的應用領域

2.1機電一體化技術在數控機床上的應用

機電一體化技術在數控機床上的應用，使得數控機床在在結構、功能、操作和控制精度上都有迅速提高。具體表現為總線式、模塊化、緊湊型的結構，即采用多CPU、多主總線的體系結構；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；系統(tǒng)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(tài)仿真，并引入在線診斷、模糊控制等智能機制；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(tǒng)的控制功能；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(tǒng)中；系統(tǒng)的多級網絡功能，加強了系統(tǒng)組合及構成復雜加工系統(tǒng)的能力；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。

2.2工程機械中機電一體化技術的應用

機電一體化技術在很大程度上提升了工程機械的性能，并改善了工程機械的投入使用效果，增加了可靠性和經濟性。在當前的工程機械制造中，機電一體化技術的應用主要通過微電子處理器，來進一步優(yōu)化、綜合處理和全面總結工程項目中所需的所有系統(tǒng)設備。其應用特點是自動檢測、高精度以及機械自動化。

對于工程機械而言，機電一體化技術的應用將設備系統(tǒng)的全程、動態(tài)電子監(jiān)控變成現實，一旦出現運行故障將會立即發(fā)出警報，以此來警示工作人員。有些更加進步的機電一體化可自發(fā)清除系統(tǒng)故障，及時修復，保證工程機械的正常運轉，進而降低機械故障對正常生產的影響程度。機電一體化技術的應用可調整施工精度，具體表現在電子控制系統(tǒng)中。在工程機械中裝設電子控制系統(tǒng)，不僅能增加稱量結果的精確度，還將自動化稱量變成現實，有效避免和降低了人工操作誤差，為施工精度提供重要保障。另外，電子控制系統(tǒng)的應用還能減少力投入，減輕工作強度，大大提升了工程施工的現代化水平。

2.3機電一體技術在智能制造中的應用

智能制造技術隨著工業(yè)生產的需要發(fā)展迅速，當前，機電一體化技術正在逐步的和智能制造技術進行結合，用以滿足多樣化生產需要，同時兩種技術的有機結合也為兩者的發(fā)展提供了更為廣闊的發(fā)展空間。機電一體化技術在智能制造中的逐步應用必然會應用到一些核心的技術。傳感技術就是其中的核心技術之一，傳感技術如若應用到智能生產當中來必須要保證其準確性和靈敏性，并且保證傳感器不被目標信號以外的其他信號所干擾。在傳感器網絡系統(tǒng)中，傳感器用于目標信號的收集，無線傳感器網絡實現信息的傳輸，通過計算機收集的信息進行分析和處理，最終達到對于整個生產過程的控制。就目前生產制造而言，主要采用的是非接觸性的檢測手段以及光纖電纜傳感器，采用統(tǒng)一且標淮化的接口，將設計的難度適當降低，主要開發(fā)成本較低的串行接口。

3機電一體化技術的發(fā)展趨勢

機電一體化技術在未來的發(fā)展趨勢總的來說趨向于智能化、微型化、柔性化、網絡化以及光機電一體化等，其內涵隨著技術的發(fā)展及需求的變化在不斷的拓展。

隨著計算機技術、通訊技術、集成電路技術的飛速發(fā)展，以全數字式現場總線技術為代表現場控制儀表、設備大量應用，使得傳統(tǒng)的現場控制技術及現場控制設備發(fā)生了巨大的變化。電子技術的飛速發(fā)展及在機械上的廣泛應用，使得機械設備的智能化程度越來越高，特別是在控制器技術被引入機械控制領域后，機械設備的操作便利性、安全性、燃油經濟性都得到了大幅提高。

微型機電系統(tǒng)（MEMS）是指那些外形輪廓尺寸在毫米量級以下，構成元件是微米量級的可控制、可運動的微型機電裝置。它是自微電子技術問世以來，人們不斷追求高新技術微型化的必然結果。微型機電一體化產品體積小、耗能少、運動靈活，在生物醫(yī)療、軍事、信息等方面具有無可比擬的優(yōu)勢，能夠完成常人無法想象的任務。目前，利用半導體器件制造過程中的蝕刻技術，在實驗室中已制造出亞微米級的機械元件。

網絡技術的迅速發(fā)展給世界帶來了巨大變革，同樣也給機電一體化技術以重大影響，例如通過網絡對機電一體化設備進行遠程控制。機電一體化的產品種類很多，面向網絡的方式也有差別，以數控機床為例，當代數控機床配裝的CNC系統(tǒng)不少具有以太網接口，可以直接連入企業(yè)內部的局域網，實現制造過程的集成，當然進一步還要通過企業(yè)的主干通信網實現制造環(huán)境與企業(yè)級的ERP等系統(tǒng)的集成。在此基礎上，再通過因特網就可以實現企業(yè)間的網絡化了。此外，基于PC的CNC系統(tǒng)連接調制解調器和通信軟件，還能借助因特網進行遠程診斷。

4結束語

機電一體化是當今世界機械工業(yè)發(fā)展的主要趨向，它的應用與發(fā)展已引起工農業(yè)、科技、經濟、軍事、社會乃至生活的巨大變革。從某種程度而言，機電一體化技術的水平高低反映著一個國家制造業(yè)的整體實力，而其技術的演變與發(fā)展十分迅速，重視機電一體化技術的研究取得技術優(yōu)勢將成為21世紀國家競爭力的一個重要方面。

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