机电一体化技术综述.docx

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机电一体化技术综述

机电一体化技术综述

一．机电一体化技术的内容

（一）概念

机电一体化是指在机构得主功能、动力功能、信息处理功能及控制功能上引进电子技术，将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。

（二）根本特征

机电一体化开展至今也已成为一门有着自身体系的新型学科，随着科学技术的不但开展，还将被赋予新的内容。

但其根本特征可概括为：

机电一体化是从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，以智力、动力、结构、运动和感知组成要素为根底，根据系统功能目标和优化组织目标，合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值，并使整个系统最优化的系统工程技术。

由此而产生的功能系统，那么成为一个机电一体化系统或机电一体化产品。

因此，“机电一体化〞涵盖“技术〞和“产品〞两个方面。

只是，机电一体化技术是基于上述群体技术有机融合的一种综合技术，而不是机械技术、微电子技术以及其它新技术的简单组合、拼凑。

这是机电一体化与机械加电气所形成的机械电气化在概念上的根本区别。

机械工程技术有纯技术开展到机械电气化，仍属传统机械，其主要功能依然是代替和放大的体力。

但是开展到机电一体化后，其中的微电子装置除可取代某些机械部件的原有功能外，还能赋予许多新的功能，如自动检测、自动处理信息、自动显示记录、自动调节与控制自动诊断与保护等。

即机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸，还是人的感官与头脑的眼神，具有智能化的特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质区别。

〔三〕、机电一体化技术五大组成要素与四大原那么：

1、五大组成要素：

一个机电一体化系统中一般由结构组成要素、动力组成要素、运动组成要素、感知组成要素、智能组成要素五大组成要素有机结合而成。

〔

〔1〕机械本体〔结构组成要素〕

是系统的所有功能要素的机械支持结构，一般包括有机身、框架、支撑、联接等。

〔2〕动力驱动局部〔动力组成要素〕

依据系统控制要求，为系统提供能量和动力以使系统正常运行。

〔3〕测试传感局部〔感知组成要素〕

对系统的运行所需要的本身和外部环境的各种参数和状态进行检测，并变成可识别的信号，传输给信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的控制信息。

〔4〕控制及信息处理局部〔职能组成要素〕

将来之测试传感局部的信息及外部直接输入的指令进行集中、存储、分析、加工处理后，按照信息处理结果和规定的程序与节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的的运行。

〔5〕执行机构〔运动组成要素〕

根据控制及信息处理局部发出的指令，完成规定的动作和功能。

2、机电一体化四大原那么：

构成机电一体化系统的五大组成要素其内部及相互之间都必须遵循结构耦合、运动传递、信息控制与能量转换四大原那么。

〔1〕接口耦合：

两个需要进行信息交换和传递的环节之间，由于信息模式不同〔数字量与模拟量，串行码与并行码，连续脉冲与序列脉冲等〕无法直接传递和交换，必须通过接口耦合来实现。

而两个信号强弱相差悬殊的环节之间，也必须通过接口耦合后，才能匹配。

变换放大后的信号要在两个环节之间可靠、快速、准确的交换、传递，必须遵循一致的时序、信号格式和逻辑标准才行，因此接口耦合时就必须具有保证信息的逻辑控制功能，使信息按规定的模式进行交换与传递。

〔2〕能量转换：

两个需要进行传输和交换的环节之间，由于模式不同而无法直接进行能量的转换和交流，必须进行能量的转换，能量的转换包括执行器，驱动器和他们的不同类型能量的最优转换方法及原理。

〔3〕信息控制：

在系统中，所谓智能组成要素的系统控制单元，在软、硬件的保证下，完成信息的采集、传输、储存、分析、运算、判断、决策，以到达信息控制的目的。

对于智能化程度高的信息控制系统还包含了知识获得、推理机制以及自学习功能等知识驱动功能。

〔4〕运动传递：

运动传递使构成机电一体化系统各组成要素之间，不同类型运动的变换与传输以及以运动控制为目的的优化。

〔四〕、自动化技术：

所谓自动化技术，是指人类利用各种技术手段和方法来代替人去完成各种测试、分析、判断和控制工作，以现实预期的目标、功能。

一个自动化系统通常由多个环节要素组成，以完成信息的获取、信息的传递、信息的转换、信息的处理及信息的执行等功能，最后实现自动运行目标。

二．开展机电一体化的意义

给传统的机械产业和制造业从产业结构变化,是当今机械工业技术和由于种种系统越来越大,越来越复杂,所以,机电一体化在系统分析和集成方面的作用越显重要。

机电一体化是一种以实践即产品为根底的技术,这是它和任何其它技术不一样的地方。

它从系统工程的观点出发,使产品与系统实现整体优化。

机电一体化技术产品开展的主要趋势,也是我国机械工业振兴与开展主要趋势,也是我国机械工业振兴与开展的必由之路。

随着机电一体化产品占有额的迅速增大,机电一体化技术的重要性将日益为人们所认识。

比方机器人,只是机电一体化广阔领域的一个局部,就具有100亿美元的市场,而整个机电一体化是集机械技术、光学技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术及电子化设计软件编程技术结合的总称。

它是从系统的观点出发，综合运用机械、电气、计算机、信息、自动控制等各种技术，根据系统功能目标和优化组织目标，合理进行配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性的根底上实现特定功能价值，并使整个系统最优化，运行后实现自动检测、自动处理信息、自动调节与控制、自动诊断与保护，实现无人值守，这不仅是人的肢体的延伸，更是人的感管与智慧的表达和发挥。

机电一体化产品的使用大大改善了煤矿生产的劳动强度、工作环境及平安系数，同时在降低能耗、保证平安生产方面也实现了特定的价值。

机电一体化技术是众多科学技术开展的结晶，是社会生产力开展到一定阶段的必然要求。

它促使机械工业发生战略性的变革，使传统的机械设计方法和设计概念发生着革命性的变化。

大力开展新一代机电一体化产品，不仅是改造传统机械设备的要求，而且是推动机械产品更新换代和开辟新领域、开展与振兴机械工业的必由之路。

一体化的市场那么要大10倍。

所以,对机电一体化技术的需求与日俱增。

机电一体化技术的应用与开展对我国经济建设起到了很好的促进作用,因此受到了国家的重视。

国家科委综合局组织的?

我国机电一体化开展途径与对策?

中,根据社会需要、投资效益和现有根底等条件,提出优先开展15个领域中的机电一体化产优先开展15个领域中的机电一体化产电子化量具量仪、工业自动化控制仪表、中小型电机与电气传动控制装置、电子化低压电器、工业机器人、电子化家用电器、电压电器、工业机器人、电子化家用电器、电子控制的轻工机械、电子控制的纺织机械、机电一体化的医疗器械、汽车电子化和电子控制内燃机、机电一体化的办公机械、电站电子化自动化自动控制系统、电子式照相机、采用微电子技术的印刷机械等。

机电一体化技术应用于我们生产和生活的方方面面。

因机电一体化技术应用领域的不同而使机电一体化专业派生出许多专门化,例如数控技术应用、机电一体化设备的制造与维修、自动机和自动线、制冷与空调、机器人等概括为两句话：

1在于广泛深入地用机电一体化技术改造传统产业到达节能、节材，提高工效，提高产品质量，把传统工业的技术进步提高一步的目的；，2是大张旗鼓地开发机电一体化产品，促进机电产品的更新换代。

总的目的是促进机电一体产业的形成、为我国产业结构和产品结构调整作奉献。

机电一体化技术既是振兴传统机电工业的新鲜血液和源动力，又是开启我国机电行业产品结构、产业结构调整大门的钥匙。

三．国内外机电一体化技术的现状

〔一〕国外开展现状

自从20世纪70年代机电一体化技术诞生并在世界范围内得到广泛成认以来，机电一体化技术和产品得到了极大开展各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持。

机电一体化的开展大体可以分为3个阶段。

20世纪60年代以前为第一阶段，这一阶段称为初级阶段。

在这一时期，人们自觉不自觉地利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。

特别是在第二次世界大战期间，战争刺激了机械产品与电子技术的结合，这些机电结合的军用技术，战后转为民用，对战后经济的恢复起了积极的作用。

那时研制和开发从总体上看还处于自发状态。

由于当时电子技术的开展尚未到达一定水平，机械技术与电子技术的结合还不可能广泛和深入开展，已经开发的产品也无法大量推广。

20世纪70~80年代为第二阶段，可称为蓬勃开展阶段。

这一时期，计算机技术、控制技术、通信技术的开展，为机电一体化的开展奠定了技术根底。

大规模、超大规模集成电路和微型计算机的迅猛开展，为机电一体化的开展提供了充分的物质根底。

这个时期的特点是：

①机电首先在日本被普遍接受，大约到20世纪80年代末期在世界范围内得到比拟广泛的成认；②机电一体化技术和产品得到了极大开展；③各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持。

20世纪90年代后期，开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段，机电一体化进入深入开展时期。

一方面，光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中露头脚，出现了光机电一体化和机电一体化等新分支；另一方面对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和开展趋势都进行了深入研究。

同时，由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了开展的广阔天地。

这些研究，将促使机电一体化进一步建立完整的根底和逐渐形成完整的科学体系。

随着科技的开展，信息技术、数据库、光电技术、通信技术相继被引入机电一体化技术中，机电一体化技术应用范围越来越广泛。

机器可像机器人系统那样遥控和虚拟现实，多媒体等技术紧密联系的计算机控制的网络化机电一体化日益普及。

有些机电一体化机械可两用，有的在性能上更是多用途的，尤其是微传感器和执行器技术的开展，和半导体技术以光刻为根底的方法以及和传统机电一体化微型化方法的结合，开创了以精密工程和系统集成为特点的机电一体化新分支“微机电一体化〞。

虽然微加工方法尚未成熟，但将逐渐成为集成控制系统的一个组成局部。

同时，由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了开展根底和逐渐形成完整的科学体系。

之后，机电一体化随着自动化技术的开展而日益开展，在21世纪开端的近十年里，机电一体化技术已经涉及人类生活的各个角落。

〔二〕国内开展现状

我国机电一体化技术起步相对较晚，但是其开展进程也与世界各国一样，经历过准备时期、起步时期和开展时期。

自从1984年以来曾屡次召开过全国性微电子技术改造机械设备会议，大力开展机电一体化技术推广工作开始，我国正式开展机电一体化技术。

21世纪初期，国内仍处于工业化进程中，机电一体化技术的应用和开展既有巨大的市场需求，又是我国机械工业加快增长方式转变、实现健康开展的客观需要，是形势所需。

在此大背景下，机械工业将有望长期保持持续较快的开展势头。

快速增长的机械产品市场为以自动化、智能化为特征的机电一体化技术的应用和开展提供了快速增长的市场机遇、技术升级的开展机遇、中外合作创新的机遇和推进企业信息化的机遇。

机电一体化的应用范围正越来越广，几乎涉及无所不包的社会领域。

现已有种类繁多的机电一体化产品与系统，例如锻压、铸造、轻工、纺织、冶金、印刷、通讯、办公、起重运输等所用的机械，机床，机器人量仪，量具、仪表，低压电器，焊接设备，电机传动装置电站控制系统信息装置，军事装备以及医疗器械家用电器等。

1.我国“机电一体化〞工作面临的形势

〔1〕.我国用微电子技术改造传统工业的工作量大而广，有难度

〔2〕.我国用机电一体化技术加速产品更新换代，提高市场占有率的呼声高，有压力。

〔3〕.我国用机电一体化产品取代技术含量和附加值低，耗能、耗水、耗材高，污染、扰民产品的责任重，有意义。

在我国工业系统中，能耗、耗水大户，对环境污染严重的企业还占相当大的比重。

近年来我国的工业结构、产品结构虽然几经调整，但由于多种原因，成效一直不够明显。

这里面固然有上级领导部门的政出多门问题，有企业的“故土难离〞“死守故业〞问题，但不可否认也有优化不出理想的产业，优选不出中意的产品问题。

上佳的答案早就摆在了这些企业的面前，这就是开展机电一体化，开发和生产有关的机电一体化产品。

机电一体化产品功能强、性能好、质量高、本钱低，且具有柔性，可根据市场需要和用户反映时产品结构和生产过程做必要的调整、改革，而无须改换设备。

这是解决机电产品多品种、少批量生产的重要出路。

同时，可为传统的机械工业注入新鲜血液，带来新的活力，把机械生产从繁重的体力劳动中解脱出来，实现文明生产。

另外，从市场需求的角度看，由于我国研制、开发机电一体化产品的历史不长，差距较大，许多产品的品种、数量、档次、质量都不能满足需求，每年进口量都比拟大，因此亟需开展。

2.我国“机电一体化〞工作的任务

我国在机电一体化方面的任务可以概括为两句话：

一句话是广泛深入地用机电一体化技术改造传统产业；另一句话是大张旗鼓地开发机电一体化产品，促进机电产品的更新换代。

总的目的是促进机电一体产业的形成、为我国产业结构和产品结构调整作奉献。

总之，机电一体化技术既是振兴传统机电工业的新鲜血液和动力，又是开启我国机电行业产品结构、产业结构调整大门的钥匙。

3.我国开展“机电一体化〞的对策

〔1〕.加强统筹安排，协调开展方案

目前，我国从事“机电一体化〞研究开发及生产的单位很多。

各自都有一套自己的开展策略。

各单位的方案由于受各自立足点、着眼点的限制，难免只考虑局部利益，各主管部门的有关方案和规划，也有统一考虑缺乏，统筹安排不够的问题，同时缺少综观全局的有权威性的开展方案和战略规划。

因此，建议各主管部门责成有关单位在进行深入调查研究、科学分析的根底上，制定出统管全局的“机电一体化〞研究、开发、生产方案和规划，防止开发上重复，生产上撞车!

〔2〕.强化行业管理，发挥“协会〞作用

目前，我国“机电一体化〞较热，而按目前的行业划分方法和管理体制，“政出多门〞是难的。

因此，我国有必要明确一个“机电一体化〞行业的统管机构，根据目前国家政治体制改革和经济体制改革的精神，以及机电一体化行业特点，我们建议，尽快加强北京机电一体化协会的建设，赋予其行业管理职能。

“协会〞要进一步扩大领导机构——理事会的代表层面和覆盖面，要加强办公室、秘书处的建设；要通过其精明干练的办事机构、经济实体，组织“行业〞开展方案、战略规划的拟制；指导行业布点布局的调整，进行开展突破口的选择，抓好重点工程的试点和有关工程的发标、招标工作……

（3）.优化开展环境、增大支持力度

优化开展环境指通过宣传群众，造成一种社会上下、企业内外都重视、支持“机电一体化〞开展的气氛，如尽快为外商到我国投资开展“机电一体化〞产业提供方便；尽可能为兴办开发、生产机电一体化产品的高新技术企业开绿灯；尽力为开发、生产机电一体化产品调配好资源要素等。

增大支持力度，在技术政策上，要严格限制耗电、耗水、耗材高的传统产品的开展，对未采用机电一体化技术落后产品限制强制淘汰；大力提倡用机电一体化技术对传统产业进行改造，对有关机电一体化技术对传统产业改造，对有关技术开发、应用工程优先立项、优先支持，对在技术开发、应用中做出奉献的单位领导、科技人员进行表彰奖励等。

（4）.突出开展重点，，大胆取舍，有所为，有所不为。

要注意抓两个层次上的工作。

第一个层次是“面上〞的工作，即用电子信息技术对传统产业进行改造，兼顾“两个层次〞

机电一体化产业覆盖面非常广，而我们的财力、人力和物力是有限的，因此我们在抓机电一体化产业开展时不能面面俱到、平铺直叙，而应分清主次在传统的机电设备上植入或嫁接上微电子（计算机）装置，使“机械〞和“电子〞技术在浅层次上结合。

第二个层次是“提高〞工作，即在新产品设计之初，就把“机械〞与“电子〞统一起来进行考虑，使“机械〞与“电子〞密不可分，深度结合，生产出来的新产品起码正做到机电一体化。

四．对机电一体化的展望

机电一体化是机械、微电子、控制、计算机、信息处理等多学科的交叉融合，其开展和进步有赖于相关技术的进步与开展，其主要开展方向有数字化、智能化、模块化、网络化、人性化、微型化、集成化、带源化和绿色化。

〔1〕、数字化

　　微控制器及其开展奠定了机电产品数字化的根底，如不断开展的数控机床和机器人；而计算机网络的迅速崛起，为数字化设计与制造铺平了道路，如虚拟设计、计算机集成制造等。

数字化要求机电一体化产品的软件具有高可靠性、易操作性、可维护性、自诊断能力以及友好人机界面。

数字化的实现将便于远程操作、诊断和修复。

〔2〕、智能化

　　即要求机电产品有一定的智能,使它具有类似人的逻辑思考、判断推理、自主决策等能力。

例如在CNC数控机床上增加人机对话功能，设置智能I/O接口和智能工艺数据库，会给使用、操作和维护带来极大的方便。

随着模糊控制、神经网络、灰色理论、小波理论、混沌与分岔等人工智能技术的进步与开展，为机电一体化技术开展开辟了广阔天地。

〔3〕、模块化

　　由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元模块是一项复杂而有前途的工作。

如研制具有集减速、变频调速电机一体的动力驱动单元；具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的电机一体控制单元等。

这样，在产品开发设计时，可以利用这些标准模块化单元迅速开发出新的产品。

〔4〕、网络化

　　由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术。

而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品，现场总线和局域网技术使家用电器网络化成为可能，利用家庭网络把各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家用电器系统，使人们在家里可充分享受各种高技术带来的好处，因此，机电一体化产品无疑应朝网络化方向开展。

〔5〕、人性化

　　机电一体化产品的最终使用对象是人，如何给机电一体化产品赋予人的智能、情感和人性显得愈来愈重要，机电一体化产品除了完善的性能外，还要求在色彩、造型等方面与环境相协调，使用这些产品，对人来说还是一种艺术享受，如家用机器人的最高境界就是人机一体化。

〔6〕、微型化

　　微型化是精细加工技术开展的必然，也是提高效率的需要。

微机电系统（MicroElectronicMechanicalSystems，简称MEMS）是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。

自1986年美国斯坦福大学研制出第一个医用微探针，1988年美国加州大学Berkeley分校研制出第一个微电机以来，国内外在MEMS工艺、材料以及微观机理研究方面取得了很大进展，开发出各种MEMS器件和系统，如各种微型传感器〔压力传感器、微加速度计、微触觉传感器〕，各种微构件〔微膜、微探针、微连杆、微齿轮、微轴承、微泵、微弹簧以及微机器人等〕。

〔7〕、集成化

　　集成化既包含各种技术的相互渗透、相互融合和各种产品不同结构的优化与复合，又包含在生产过程中同时处理加工、装配、检测、管理等多种工序。

为了实现多品种、小批量生产的自动化与高效率，应使系统具有更广泛的柔性。

首先可将系统分解为假设干层次，使系统功能分散，并使各局部协调而又平安地运转，然后再通过软、硬件将各个层次有机地联系起来，使其性能最优、功能最强。

〔8〕、带源化

　　是指机电一体化产品自身带有能源，如太阳能电池、燃料电池和大容量电池。

由于在许多场合无法使用电能，因而对于运动的机电一体化产品，自带动力源具有独特的好处。

带源化是机电一体化产品的开展方向之一。

〔9〕、绿色化

　　科学技术的开展给人们的生活带来巨大变化，在物质丰富的同时也带来资源减少、生态环境恶化的后果。

所以，人们呼唤保护环境，回归自然，实现可持续开展，绿色产品概念在这种呼声中应运而生。

绿色产品是指低能耗、低材耗、低污染、舒适、协调而可再生利用的产品。

在其设计、制造、使用和销毁时应符合环保和人类健康的要求，机电一体化产品的绿色化主要是指在其使用时不污染生态环境，产品寿命结束时，产品可分解和再生利用。