機電一體化技術的應用及其發展

張宵烽　王元森　李明鋒

摘要：機電一體化技術又稱為機械電子技術，是一門集機械技術、電子技術和信息技術有機結合的綜合技術。本文通過機電一體化技術概述、機電一體化技術的應用、機電一體化的發展與優化及其在工業機器人領域和數控領域的介紹，展望機電一體化技術的未來發展。

1機電一體化技術概述

機電一體化技術又稱為機械電子技術，是機械技術、電子技術和信息技術有機結合的產物。隨著計算機技術的迅猛發展和廣泛應用，機電一體化技術獲得前所未有的發展，成為一門綜合計算機信息技術、自動控制技術、傳感檢測技術、伺服傳動技術和機械技術等，能夠融合機械技術、微電子技術、電工、電子技術、接口技術、軟件編程技術、PLC控制技術、液壓與氣動技術、傳感器技術、信號處理技術等多個方面的內容，有效應用在實際工程中的復合性綜合技術。以機械、微電子、電工、電子、接口、傳感器、信號處理等技術為基礎，對各組件及其間的信息處理，接口耦合，運動傳遞，機械運動，能量變換進行研究，使得整個系統有機結合與綜合集成，并在微電子電路程序的有序控制下使現代自動化生產設備高精度、高可靠性、智能化，全面提高機器設備的自動化、智能化水平并在此基礎上不斷拓展其應用。

2機電一體化技術的應用

2.1機電一體化的應用現狀：

機電一體化應用于數控機床、機器人、汽車電子化產品、智能化儀器儀表、電子排版印刷系統、CAD/CAM系統、電力電子器件及裝置、可編程序控制器（plc）、微型電機、傳感器、伺服機構等領域。我國在機電一體化技術方面已經取得了一定的成就，尤其在數控技術方面、機器人方面和計算機集成制造系統方面的成績尤為突出。

在數控方面，機電一體化技術，得到有效應用。數控裝置內的計算機對通過輸入裝置以來數字和字符編碼方式所記錄的信息進行一系列處理后，再通過伺服系統及可編程序控制器向機床主軸及進給等執行機構發出指令，機床主體則按照這些指令，并在檢測反饋裝置的配合下，對工件加工所需的各種動作，如刀具相對于工件的運動軌跡、位移量和給進速度等多項要求實現自動控制，從而完成工件的加工。

在機器人領域，機電一體化技術的應用，作為20世紀最偉大的發明之一，機械、微電子、接口、傳感器、信號處理等技術機器人身上有著很好的體現。程序給定指令后由微電子通過例如RS232等各種接口控制運動機構以及接收傳感器數據，在檢測反饋裝置的配合下，做出所需動作，機器人是機械、傳感器與微電子等機電一體化設備的高度集成，所以說在某種程度上，機器人的工藝和機電一體化程度反映了一個人國家的綜合技術實力的高低。

鑒于機電一體化的安全控制功能、修復功能以及自動化功能充分利用機電一體化技術既可以有效利用工程機械的制動系統、發動機系統、液壓系統等多種裝置可以對機械運行情況進行全面的持續監控可以更加的有效的促進汽車電子產品、數控機床、機器人等機電一體化設備的健康運行。

2.2機電一體化的發展與優化

我國在數控機床方面還有諸多不足，這對機電一體化的發展提供了條件。雖然我國在數控機床方面掌握了關鍵技術，但精度仍然不夠，所以還需要進一步優化機械與電子等技術的有機結合，另外，工業2.0的需求，機電一體化技術還需進行系統化、智能化、模塊化的相應優化。

（1）系統綜合管理：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。并且具有較強的通信功能一般除RS232外，還有RS485、DCS人格化。

（2）數字化和智能化：數字化和智能化是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建設者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。這里所說的“數字化和智能化”是對機器行為的描述，使它具有根據大數據進行判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力，以求得到更高的控制目標。

（3）組合標準化和模塊化：模塊化是一項重要而艱巨的工程。由于機電一體化產品種類和生產廠家繁多，研制和開發具有標準機械接口、電氣接口、動力接口、環境接口的機電一體化產品單元是一項十分復雜但又是非常重要的事。需要制定各項標準，以便各部件、單元的匹配和接口。電氣產品的標準化、系列化帶來的好處是無限的。

3 典型領域機電一體化技術的發展

3.1工業機器人領域

隨著科學技術的不斷發展，智能機器人必須充分運用機電一體化技術，從而更好地在工業上完成任務目標。工業機器人是面向工業領域的多關節機械手或多自由度的機器裝置、分布式CPU計算機結構、機器人控制器（RC）、運動控制器（MC）、光電隔離I/O控制板、傳感器、機器人控制器（RC）和編程示教器通過串口/CAN總線進行通訊。機器人控制器（RC）的主計算機完成機器人的運動規劃、插補板、位置伺服以及主控邏輯、數字I/O、傳感器處理等開放性模塊化的控制系統體系結構，結合特定的機械結構使它能自動執行工作，靠自身動力和控制能力來實現各種功能的一種機器。隨著計算機芯片技術的突飛猛進，處理器性能大幅度提高，計算速度越來越高，再加上發展很快的傳感器系統的集成化、以及嵌入式控制技術的進步，這些都為機電一體化產品的智能化發展奠定了基礎。加上人工智能技術，使機器人有了一定的邏輯處理能力，可以自動進行運動軌跡規劃、速度控制、位置定位等復雜運動及功能，能有效減輕人力勞動。加上微型機電化的應用。能夠把傳感器、CPU、執行機構進行有效的融合，能夠具備體積小、運動靈活、耗能少的特點。未來工業機器人代替人的勞動，指日可待。

3.2數控機床及相應的數控技術

數控機床及相應的數控技術，目前主要采用高精度定位控制、速度控制等自動控制技術，以單板、單片機、可編程控制器（PLC）作為控制器，用戶程序經過數控裝置的系統軟件、邏輯電路譯碼、運算和處理后，發出脈沖到伺服系統，以驅動機床。其中控制器部分集合了計算機技術、信號變換技術、軟件編程技術等多項機電一體化技術，加以各種芯片組合及模塊結構的數控裝置來保證數控機床的正常運行是應用最廣的成熟技術。總線體系設計、模塊化結構處理提高了數控設備的緊湊性;信息處理技術開放性設計，提高了硬件結構零配件的通用性與軟件系統的兼容性，最大限度地提高了用戶的體驗與生產效益;多通道技術使同一臺機床能夠同時完成多個獨立加工任務，提高了機械設計的集成化水平;在線監測技術、自診斷技術與模糊控制技術提高了數控機械的智能化水平。為來的數控機床及相應的數控技術，是機電一體化技術在工業領域的最主要應用。

4總結

機電一體化技術是機械技術、微電子技術、接口技術、軟件編程技術、PLC控制技術、液壓與氣動技術、傳感器技術、信號處理技術的高度融合，隨著機電一體化技術向系統綜合管理、數字化和智能化、標準化和模塊化發展，機電一體化設備的可管理性增強，系統可以進行任意組合，智能化具有兼容性，并且隨著科學技術的發展，微型機電化的應用使得機電一體化技術機器設備也從工業應用中得到了拓展，越來越多的機電一體化設備走入了普通家庭，設備通過無線電控制技術，全面提高機械自動化程度，同時極大的減輕了人力勞動，如掃地機器人。

備注：課題來源遼寧科技大學2020年大學生創新創業計劃項目《離散行業運動控制方向基本定位實訓項目的設計與開發》，項目編號：202010146281。