机电一体化技术的应用及发展
张剑
摘 要：随着现代科学技术的迅猛发展，各个领域交叉渗透已在当今科学研究中屡见不鲜，这也加速了工程领域的技术革命与改造。机电一体化作为机械工程领域中发展比较迅速的一个学科，其随着微电技术和计算机技术的迅速发展不断完善和成熟。本文对机电一体化的基本结构、应用及发展趋势作了一个分析研究。
关键词：机电一体化；应用；发展
一、引言
随着科学技术的迅猛发展，在当今的工业科技中机电一体化技术已成为其重要组成部分。在很多高校，机电一体化专业是重点建设专业，当然如今的机械工业行业对这方面的人才技术都是非常看中的，所以发展机电一体化无论是对整个机械工程行业还是对国家的发展都是极其重要的。
那么，什么是机电一体化技术呢？从字面上我们可以很容易明白，机电一体化是几门学科或技术综合运用的产物。从系统的观点出发，机电一体化综合运用了机械、微电子、传感测控、电力电子、接串口、信息变换及软件编程等群体技术。它是一门多学科技术综合运用的学科，而非简单的组合、拼凑，这是机电一体化与机械电气化的根本区别。机电一体化包含两个方面的内容：技术与产品。一方面，机电一体化技术是指其技术原理和使机电一体化产品得以实现、使用和发展的技术，它是集机械技术、传感测控技术、计算机技术等一体的综合技术；另一方面，机电一体化产品并非传统纯机械式的产品，如果把传统机械产品比做成人的各个器官，那么机电一体化产品就是融合这些器官同时拥有感官、大脑的智能产品。传统机械制造业在以往的生产中依靠的是企业规模大小，生产批量和产品结构等因素来获得竞争优势的，集机电一体化技术的现代机械制造业则是通过先进的生产技术、生产模式、生产系统和管理系统来获得高速发展的。近些年来，制造工程领域中一大批新兴技术相继诞生，如计算机数字控制、柔性制造技术、虚拟制造、逆向工程、现代集成制造系统等等，这些都为机电一体化发展提供夯实的基础。
二、机电一体化技术的基本构成和意义
（一）机械本体单元。任何机械，要想其能够完成预定功能动作就少不了机械本体单元，它犹如人的躯干，是系统所有功能单元的机械支持结构，大体包括机身、机架、连接等部分。
（二）动力单元。任何机械，要使其完成相应动作就必须要有动力单元。机器常用的原动部件有电机、液压系统以及人工手动等方式，所以动力单元是为系统提供动力和能量，使系统能够正常运行的重要保证。
（三）传感单元。与传统的机械相比，机电一体化产品具有传感单元。传统的机械往往缺少这一部分，那么在动作执行完成后缺少反馈调节机制。传感单元犹如人的眼、鼻、耳等器官，它能够将系统运行所需要的本身及外部环境的各种参数及工作状态进行检测，然后经过处理产生可识别的信号，最后通过相应的分析处理得到可控制的信息，传感部分大多通过传感器，监控器，仪表仪盘来完成。
（四）驱动单元。驱动单元是机器完成预定动作的中间传递部分，犹如人体的四肢，在控制信息及控制系统的作用下，完成相应的动作与功能。
（五）执行单元。执行部分与上着相比就是完成最终动作的末端执行的部分，通过控制信息与指令完成简单或复杂的功能动作。在当前企业使用较多的机械手的末端执行器就属于该部分，执行单元一般是运动件，如机械、电液与电磁等机构。
（六）信息处理及控制单元。传统机械大多都不含此部分，在机电一体化产品中，本部分是很重要的一个部分。现代制造系统采用的都是生产半自动或全自动化的模式，那么这就必须要有对传感器所采集到的信息进行集中、存储、分析、加工并处理，然后根据编制完成的指定程序来使整个系统稳定运行。本部分采用的技术与计算机技术有很大相关，如采用数控装置、逻辑转换、I/O接口与计算机外部设备等部分组成。
机电一体化技术在现代化生产中有及其极其重要的意义。首先，在完成指定动作的角度上来说，机电一体化产品是多功能复合的产品，它超越传统机械只能完成某一单一动作的局限。例如，加工中心集车、铣、钻、磨等多功能于一体，将多台机床的多道工序通过编程控制在一次装夹中完成。这样既提高了生产效率又提高了产品的质量。其次，机电一体化产品的结构趋于简化，由于采用了微处理器，大规模集成电路与电子电路元器件，机电一体化产品的体积，数量都变小。所以结构简化后的产品的实用性更强。再者，机电一体化产品的可靠性有了显著的提高，高集成的电路，高性能的材料，搭载安全联锁控制、过载失控保护等技术都进一步提高了其产品的安全可靠性能。最后，机电一体化产品改善了操作的繁琐性，提高了柔性。基于计算机技术的机电一体化产品的控制平台是计算机，代替按键操纵杆，构件了良好的人际界面。当需要修改及其工作的状态时只需修改相应的指令程序即可，所以这大大提高了柔性。简言之，极限一体化产品的意义在于使生产更加简便、高效、高质与安全。
三、机电一体化技术的应用
（一）数控机床。数控机床的发展历史有40余年，从开始发展到现在，数控机床及数控技术在功能、结构、操作、控制上都在迅猛发展，具体表现为其结构的发展逐步向总线式、模块化、紧凑型、多CPU、多主总线体系的方向发展。WOP技术和智能化，系统根据实际生产要求提供相应的编程技术，实现二维、三维加工动态仿真。由于其设计采用的是开放性设计，所以它能够最大限度的提高使用效益，硬件体系结构，功能模块兼容性更强，接口符合一定的标准。计算机技术的融入大大提高了数控机床的操作性，丰富了其功能。同时还能实现多过程、多通道的控制，例如将刀具的破损检测，产品质量的检测，物料的运输等环节都融入到系统中去。系统的多级网络控制，增强了系统组合，构成复杂加工系统的能力。以大规模集成电路，单板或单片机作为控制机，使数控装置结构更加紧凑。近些年，我国数控机床技术取得了很大进步与一些不错的成绩，但与欧美一些国家相比，还存在一定的差距。
（二）工业机器人。机器人技术代表了机电一体化技术的最高研究成果，涉及机械工程、电子技术、计算机技术、自动控制理论及人工智能等多门学科，是当代科学技术发展最活跃的领域之一。机器人的研究、制造和应用程度是一个国家和公司科技水平和经济实力的象征。目前，国际上许多大公司都竞相研制各类先进机器人，向人们展示其科技实力。从机器人技术发展至今一共经历了三代。第一代机器人指局限于示教内容进行简单的重复动作，其适应性灵活性不能应对多变的工作环境和对象；第二代机器人拥有能够反馈的传感元件，它们能够获取信息，通过计算机处理分析信息进行反馈，然后做出相应的应随措施。这一代机器人已基本上走上实用化的道路；第三代机器人也即现代智能化机器人，这代机器人拥有多重感知能力，它们能够处理复杂的逻辑运算，做出判断和决策，并且能够在各种不同的环境中独立作业。因此，机器人技术能够很好的阐述什么是机电一体化的相关应用。
（三）计算机集成制造系统。计算机集成制造系统（Com
puter Integrated Manufacturing System 简称CIMS）是随着计算机辅助设计与制造的发展而产生的。通过将计算机技术运用到产品的设计制造过程中，使机械生产与计算机技术相结合，实现整体效益的智能化和集成化制造系统。企业集成度的提高可以使生产要素发挥到最大极限，大大提高生产效益。
（四）柔性制造系统。柔性制造系统是信息控制、物料运输、数字控制加工与一体的系统，能够适应加工对象的变化。
除以上列举的应用领域，还有诸如自动机与自动生产线、微型机电化与汽车电子化产品的应用。所以机电一体化在现在生产领域中是处处可见的，可以这样说，没有机电一体化技术，很多先进产品或技术无法制造或实现运用。
四、机电一体化技术的发展趋势与前景
纵观国内外机电一体化的发展现状和高新技术的开发动向，机电一体化技术将朝着一下几个方向发展。
（一）智能化。智能化发展是当今机械领域发展的一个必然趋势，机电一体化技术要想获得更快的发展，在这方面必须予以足够的重视。随着处理器运行速度的提高、微机存储能力和性能的提升、传感系统的集成化，智能化发展也更加迅猛。智能机电一体化产品可以模拟人类智能，其拥有独立运算，决策和控制的能力，可以逐步取代工程中人的脑力劳动。
（二）微型化。随着微型机械技术、微型电子技术和软件技术的开发，微型化是机电一体化技术发展的一个大的趋势。与传统机械比较，微型机电一体化产品在生物医疗、军事、信息等方面都具有相当大的优势，主要在于其体积小、运动灵活、耗能低等特点。
（三）系统化。系统化特征之一为采用开放式和模式化总线结构并行；系统化特征之二为升级了通讯系统。机电一体化产品往往是根据现实生活中动物或人来设计，所以系统化的产品更能够满足要求。
（四）柔性化。在上述机电一体化技术的应用中已提及到柔性制造系统，在该技术发展的趋势中柔性化仍然是其发展的一个必然趋势。柔性化也即自律分配系统化的特点是能够生成自身信息和附加信息，根据生产需求自动改变动作，因此这样会极大提高系统的灵活性、适应性。
除上述的几个机电一体化技术发展的趋势之外，还有光机电一体化、区域模块化、网络化、环保绿色化等方向。机电一体化技术的发展不仅仅只是朝着某一单一方向发展，它的发展方向将该技术编制成一个网络，犹如高速公路网络，在各个方向领域都能够互通。
五、结束语
机电一体化技术是多学科交叉发展的一个综合学科，它集多学科的优点于一体。因此机电一体化产品具有其他产品所无法比拟的优势。机电一体化技术促使着机械工业发生战略性的变革，它超越了传统设计与制造理念的局限。大力开发新兴机电一体化产品，是推动机械产品更新换代的重要因素，同时它还是开辟新领域、发展与振兴机械工业的必经之路，在各个方面它将带来显著的经济效益和社会效益，同时它自身也具有广阔的发展前景。
参考文献：
[1] 章浩，张西良，周士冲. 机电一体化技术的发展与应用 [J].农机化研究，2006（7）.
[2] 梁均彦，李玉翔. 机电一体化技术的发展与应用[J].科技资讯，2007 （9）.
摘 要：随着现代科学技术的迅猛发展，各个领域交叉渗透已在当今科学研究中屡见不鲜，这也加速了工程领域的技术革命与改造。机电一体化作为机械工程领域中发展比较迅速的一个学科，其随着微电技术和计算机技术的迅速发展不断完善和成熟。本文对机电一体化的基本结构、应用及发展趋势作了一个分析研究。
关键词：机电一体化；应用；发展
一、引言
随着科学技术的迅猛发展，在当今的工业科技中机电一体化技术已成为其重要组成部分。在很多高校，机电一体化专业是重点建设专业，当然如今的机械工业行业对这方面的人才技术都是非常看中的，所以发展机电一体化无论是对整个机械工程行业还是对国家的发展都是极其重要的。
那么，什么是机电一体化技术呢？从字面上我们可以很容易明白，机电一体化是几门学科或技术综合运用的产物。从系统的观点出发，机电一体化综合运用了机械、微电子、传感测控、电力电子、接串口、信息变换及软件编程等群体技术。它是一门多学科技术综合运用的学科，而非简单的组合、拼凑，这是机电一体化与机械电气化的根本区别。机电一体化包含两个方面的内容：技术与产品。一方面，机电一体化技术是指其技术原理和使机电一体化产品得以实现、使用和发展的技术，它是集机械技术、传感测控技术、计算机技术等一体的综合技术；另一方面，机电一体化产品并非传统纯机械式的产品，如果把传统机械产品比做成人的各个器官，那么机电一体化产品就是融合这些器官同时拥有感官、大脑的智能产品。传统机械制造业在以往的生产中依靠的是企业规模大小，生产批量和产品结构等因素来获得竞争优势的，集机电一体化技术的现代机械制造业则是通过先进的生产技术、生产模式、生产系统和管理系统来获得高速发展的。近些年来，制造工程领域中一大批新兴技术相继诞生，如计算机数字控制、柔性制造技术、虚拟制造、逆向工程、现代集成制造系统等等，这些都为机电一体化发展提供夯实的基础。
二、机电一体化技术的基本构成和意义
（一）机械本体单元。任何机械，要想其能够完成预定功能动作就少不了机械本体单元，它犹如人的躯干，是系统所有功能单元的机械支持结构，大体包括机身、机架、连接等部分。
（二）动力单元。任何机械，要使其完成相应动作就必须要有动力单元。机器常用的原动部件有电机、液压系统以及人工手动等方式，所以动力单元是为系统提供动力和能量，使系统能够正常运行的重要保证。
（三）传感单元。与传统的机械相比，机电一体化产品具有传感单元。传统的机械往往缺少这一部分，那么在动作执行完成后缺少反馈调节机制。传感单元犹如人的眼、鼻、耳等器官，它能够将系统运行所需要的本身及外部环境的各种参数及工作状态进行检测，然后经过处理产生可识别的信号，最后通过相应的分析处理得到可控制的信息，传感部分大多通过传感器，监控器，仪表仪盘来完成。
（四）驱动单元。驱动单元是机器完成预定动作的中间传递部分，犹如人体的四肢，在控制信息及控制系统的作用下，完成相应的动作与功能。
（五）执行单元。执行部分与上着相比就是完成最终动作的末端执行的部分，通过控制信息与指令完成简单或复杂的功能动作。在当前企业使用较多的机械手的末端执行器就属于该部分，执行单元一般是运动件，如机械、电液与电磁等机构。
（六）信息处理及控制单元。传统机械大多都不含此部分，在机电一体化产品中，本部分是很重要的一个部分。现代制造系统采用的都是生产半自动或全自动化的模式，那么这就必须要有对传感器所采集到的信息进行集中、存储、分析、加工并处理，然后根据编制完成的指定程序来使整个系统稳定运行。本部分采用的技术与计算机技术有很大相关，如采用数控装置、逻辑转换、I/O接口与计算机外部设备等部分组成。
机电一体化技术在现代化生产中有及其极其重要的意义。首先，在完成指定动作的角度上来说，机电一体化产品是多功能复合的产品，它超越传统机械只能完成某一单一动作的局限。例如，加工中心集车、铣、钻、磨等多功能于一体，将多台机床的多道工序通过编程控制在一次装夹中完成。这样既提高了生产效率又提高了产品的质量。其次，机电一体化产品的结构趋于简化，由于采用了微处理器，大规模集成电路与电子电路元器件，机电一体化产品的体积，数量都变小。所以结构简化后的产品的实用性更强。再者，机电一体化产品的可靠性有了显著的提高，高集成的电路，高性能的材料，搭载安全联锁控制、过载失控保护等技术都进一步提高了其产品的安全可靠性能。最后，机电一体化产品改善了操作的繁琐性，提高了柔性。基于计算机技术的机电一体化产品的控制平台是计算机，代替按键操纵杆，构件了良好的人际界面。当需要修改及其工作的状态时只需修改相应的指令程序即可，所以这大大提高了柔性。简言之，极限一体化产品的意义在于使生产更加简便、高效、高质与安全。
三、机电一体化技术的应用
（一）数控机床。数控机床的发展历史有40余年，从开始发展到现在，数控机床及数控技术在功能、结构、操作、控制上都在迅猛发展，具体表现为其结构的发展逐步向总线式、模块化、紧凑型、多CPU、多主总线体系的方向发展。WOP技术和智能化，系统根据实际生产要求提供相应的编程技术，实现二维、三维加工动态仿真。由于其设计采用的是开放性设计，所以它能够最大限度的提高使用效益，硬件体系结构，功能模块兼容性更强，接口符合一定的标准。计算机技术的融入大大提高了数控机床的操作性，丰富了其功能。同时还能实现多过程、多通道的控制，例如将刀具的破损检测，产品质量的检测，物料的运输等环节都融入到系统中去。系统的多级网络控制，增强了系统组合，构成复杂加工系统的能力。以大规模集成电路，单板或单片机作为控制机，使数控装置结构更加紧凑。近些年，我国数控机床技术取得了很大进步与一些不错的成绩，但与欧美一些国家相比，还存在一定的差距。
（二）工业机器人。机器人技术代表了机电一体化技术的最高研究成果，涉及机械工程、电子技术、计算机技术、自动控制理论及人工智能等多门学科，是当代科学技术发展最活跃的领域之一。机器人的研究、制造和应用程度是一个国家和公司科技水平和经济实力的象征。目前，国际上许多大公司都竞相研制各类先进机器人，向人们展示其科技实力。从机器人技术发展至今一共经历了三代。第一代机器人指局限于示教内容进行简单的重复动作，其适应性灵活性不能应对多变的工作环境和对象；第二代机器人拥有能够反馈的传感元件，它们能够获取信息，通过计算机处理分析信息进行反馈，然后做出相应的应随措施。这一代机器人已基本上走上实用化的道路；第三代机器人也即现代智能化机器人，这代机器人拥有多重感知能力，它们能够处理复杂的逻辑运算，做出判断和决策，并且能够在各种不同的环境中独立作业。因此，机器人技术能够很好的阐述什么是机电一体化的相关应用。
（三）计算机集成制造系统。计算机集成制造系统（Com
puter Integrated Manufacturing System 简称CIMS）是随着计算机辅助设计与制造的发展而产生的。通过将计算机技术运用到产品的设计制造过程中，使机械生产与计算机技术相结合，实现整体效益的智能化和集成化制造系统。企业集成度的提高可以使生产要素发挥到最大极限，大大提高生产效益。
（四）柔性制造系统。柔性制造系统是信息控制、物料运输、数字控制加工与一体的系统，能够适应加工对象的变化。
除以上列举的应用领域，还有诸如自动机与自动生产线、微型机电化与汽车电子化产品的应用。所以机电一体化在现在生产领域中是处处可见的，可以这样说，没有机电一体化技术，很多先进产品或技术无法制造或实现运用。
四、机电一体化技术的发展趋势与前景
纵观国内外机电一体化的发展现状和高新技术的开发动向，机电一体化技术将朝着一下几个方向发展。
（一）智能化。智能化发展是当今机械领域发展的一个必然趋势，机电一体化技术要想获得更快的发展，在这方面必须予以足够的重视。随着处理器运行速度的提高、微机存储能力和性能的提升、传感系统的集成化，智能化发展也更加迅猛。智能机电一体化产品可以模拟人类智能，其拥有独立运算，决策和控制的能力，可以逐步取代工程中人的脑力劳动。
（二）微型化。随着微型机械技术、微型电子技术和软件技术的开发，微型化是机电一体化技术发展的一个大的趋势。与传统机械比较，微型机电一体化产品在生物医疗、军事、信息等方面都具有相当大的优势，主要在于其体积小、运动灵活、耗能低等特点。
（三）系统化。系统化特征之一为采用开放式和模式化总线结构并行；系统化特征之二为升级了通讯系统。机电一体化产品往往是根据现实生活中动物或人来设计，所以系统化的产品更能够满足要求。
（四）柔性化。在上述机电一体化技术的应用中已提及到柔性制造系统，在该技术发展的趋势中柔性化仍然是其发展的一个必然趋势。柔性化也即自律分配系统化的特点是能够生成自身信息和附加信息，根据生产需求自动改变动作，因此这样会极大提高系统的灵活性、适应性。
除上述的几个机电一体化技术发展的趋势之外，还有光机电一体化、区域模块化、网络化、环保绿色化等方向。机电一体化技术的发展不仅仅只是朝着某一单一方向发展，它的发展方向将该技术编制成一个网络，犹如高速公路网络，在各个方向领域都能够互通。
五、结束语
机电一体化技术是多学科交叉发展的一个综合学科，它集多学科的优点于一体。因此机电一体化产品具有其他产品所无法比拟的优势。机电一体化技术促使着机械工业发生战略性的变革，它超越了传统设计与制造理念的局限。大力开发新兴机电一体化产品，是推动机械产品更新换代的重要因素，同时它还是开辟新领域、发展与振兴机械工业的必经之路，在各个方面它将带来显著的经济效益和社会效益，同时它自身也具有广阔的发展前景。
参考文献：
[1] 章浩，张西良，周士冲. 机电一体化技术的发展与应用 [J].农机化研究，2006（7）.
[2] 梁均彦，李玉翔. 机电一体化技术的发展与应用[J].科技资讯，2007 （9）.
