机电一体化范文

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主管单位：上海市科学技术情报研究所

主办单位：上海科技文献出版社

出版周期：月刊

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种：中文

开

本：大16开

国际刊号：1007-080X

国内刊号：31-1714/TM

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发行范围：国内外统一发行

创刊时间：1995

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中图分类号：TH-39 文献标识码：A 文章编号：

一、机电一体化技术的发展历程与现状

1、机电一体化的发展历程

机电一体化技术的发展有三个阶段，即发展初级阶段、蓬勃发展阶段和智能化发展阶段。最初早在20实际60年代人们开始利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。而由于军事和工业发展的需求，当时的人们对于这方面开始重视，由于当时电子技术水平发展不够，技术结合与运用还没有得到深入发展。到上个世纪七八十年，计算机技术和通信技术开始快的发展为机电一体化的发展奠定了技术基础。到了90年代后期，机电一体化进入深入发展时期，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支。此外，由于神经网络技术、人工智能技术、光纤技术等领域巨大进步，为机电一体化技术的发展创造了更好的条件。从数控机床的问世到微电子技术的全新发展， 进而可编程序控制器、电力电子等的发展为机电一体化提供了电机坚强基础，最后激光技术、模糊技术、信息技术等新技术使机电一体化跃上新台阶。

2、机电一体化技术发展现状

近些年来，机电一体化技术有了更全面的进步，其中的微电子装置除可取代某些机械部件的原有功能外，还能赋予自动显示记录、自动处理信息、自动检测、自动调节与控制自动诊断与保护等许多新的功能。目前一些电动的实际运行中依然存在着一定的问题，比如执行机构机构多、定位精度低、结构复杂、可靠性差等问题，因而对于这种情况，采用机电一体化技术，将伺服电机、阀门、控制器合为一体，采用模糊神经网络，通过内置变频器，实现阀门的高效控制。

二、机电一体化中电动机构的组成及工作原理

1、电机执行机构的组成

目前较常用的主要是交流电动机，它可分为三相异步电动机、单相交流电动机两，前一种比较多的用在工业上，而后一种通常用在民用电器上。从电机的结构上看，主要分为控制部分和执行驱动部分，控制部分主要由三相PWM波发生器、单片机、智能逆变模块、整流模块、A/D、故障检测、输入输出通道等组成；执行驱动部分主要包括三相伺报电机和位置传感器。

2、电机的工作原理

电机执行机构系统通过电流与电压传感器和位置传感器的检测，得出逆变模块三相输出电流、电压及阀门的位置信号，然后由A/D转换后送入单片机。单片机通过控制PWM波发生器的作用，最后实现电机的运行控制。逆变模块工作时所需要的直流电压信号由整流电路对380V电源进行全桥整流得到。对于电动机运行原理的分析，这里主要针对工业中应用的三相异步电动机的原理进行探讨。电动机转动的基本工作原理是三相对称绕组中通人三相对称电流产生圆形旋转磁场，转子导体切割旋转磁场感应电动势和电流，转子载流导体在磁场中受到电磁力的作用，从而形成电磁转距，驱使电动机转子转动。

三、机电一体化中电机阀位及速度控制与运行维护

1、电机阀位及速度控制

实现电机执行机构的阀位和速度的控制需要解决的关键性技术问题主要有五个方面，分别是阀门柔性开关的控制、阀位的极限位置的判断、电机保护的实现、准确定位与模拟信号的隔离。对于机电一体化中电机阀门位和速度的控制，微处理器根据测得的变频器输出电压和电流，通过计算得出输出力矩，如果输出力矩达到或大于设定的力矩，那么就会自动降低运行速度。在传统电机的执行机构中，阀位的极限位置的检测是通过机械式限位开关获得的。电动执行机构极限位置通过检测位置信号的增量获得，单片机将本次检测的位置信号与上次检测的信号相比较，如果未发生变化或变化较小，就会自动电机的供电电源。

电机的运行控制与加速度的大小、时间长短、当前位置、速度控制给定位置以及运行速度有关。在机电一体化中电机采用的是双环控制方案，外环为位置环，内环为速度环。外环是通过当前位置速度的设定将速度给定发生器向内环提供速度的设定值。内环是将当前速度与速度给定与发生器的设定速度进行比较，依靠速度调节器改变PWM波发生器载波频率，以实现电机的转速调节。

2、机电一体化中电机的运行维护

机械工业的飞速发展对电机运行维护不断提出新的要求，而现代科技技术的飞速发展又为电机的保护水平的提高提供了新的空间。然而再先进的技术都需要依靠人为的操控，因而对于电机的运行维护是确保电机的机电一体化技术优势表现的重要前提。在这里把电机的维护分为三个方面，一个是电机运行前的准备，一个是电机运行中的监管，还一个是电机的日常保养。

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众所周知，随着科学技术的不断发展以及现代先进生产加工技术的不断完善，相关执行机构的重要性不言而喻，因为执行机构在自动控制系统工作中起着至关重要的作用。但是当前我国国产大流量电动执行机构无论是在相关控制手段上还是在机械传动机构上都出现明显落后和偏多的情况，同时电动执行机构中其结构相对复杂且其可靠性能也相对较低。本文针对执行机构发展的相关缺陷和不足，对如何采用机电一体化技术将阀门和控制器进行有机融合进行深度探究。

一、机电一体化发展历程与现代化技术发展趋势

从始初的数控机床逐渐演变为微电子技术机电一体化并在基础上沿用了可编程控制器，同时电力电子的出现也会机电一体化的发展奠定了重要基础。还需要强调的是，现代机电一体化技术主要是由激光技术和信息技术以及相应的模糊技术共同构成，其无论是在运转效率上还是在工作质量上都有着较大进步。

微控制器在生产数字化机电产品中起着重要作用，数控机床施工和机器人施工都是数字化机电一体生产中的重要表现形式，与此同时，随着科学技术的飞速发展和计算机系统的广泛应用，虚拟设计技术以及集成制造技术都是数字化机电一体应用中的重点环节。其优点一般具有软件可靠性、软件可维护性和软件自行诊断性以及软件高可靠性等。新型数字化技术的出现在一定程度上使远程操作远程诊断和远程修复成为可能。

智能化就是要求在进行机电产品生产的过程中其产品又有一定的智能特性，并使相关产品能够独立进行逻辑思考和自主决策。CNC中的人机对话功能就是机电产品智能化的的一种重要表现形式，其会在设置智能工艺数据库的同时使产品使用和产品操作以及产品维护带来较大便利。需要强调的是，模糊控制技术、灰色理论技术、神经网络技术和小波理论技术以及混沌分岔技术都是机电一体化产品智能化的几种体现，并在此基础上为机电一体化技术的发展奠定了有力基础。

因为生产机电一体化产品的商家和种类相对较多，那么在进行研制机械接口和研制动力接口以及开发环境接口的过程中就会产生一定的困难，具有集减速变频调的动力驱动单元以及需要进行视觉信息处理和图像信息识别等工作就是其中厂商研制开发机电一体化产品中的典型实例。

二、硬件控制与相关工作原理分析

（一）机电一体化智能执行机构主要分为智能控制部分以及智能执行驱动部分两种，而我们通常所说的控制部分主要包括单片机、IPM逆变器、输入输出通道和整流模块以及报警电路等，而智能执行驱动部分主要是由三相伺报电机结构以及位置传感器结构二者共同构成。

（二）被检测逆变模块中的电压位置信号以及三相输出电流会被相关程序转换，并在此过程中传送相应单片机上。而单片机则是用过8255控制PWM波发生器的，通过其中的光电耦合被逆变模块IPM所应用，这样就在一定程度上实现了阀位控制工作以及电机变频调速工作等。需要注意的是，在逆变模块进行正常工作的过程中，380V电源调整模式会将其所需直流电压信号进行全桥整流。

（三）双环控制技术是进行机电一体化电机控制工作中的主要技术，其内环和外环分别为速度环和位置环。我们需要了解的是，速度环的主要工作任务是将基础速度与设定速度进行相互比较，之后通过对PWM波发生器的载波频率的变换实现机电一体化电机自动转速调节，此时的速度调节器是以模糊神经网络控制算法为主要计算手段的。而外环中的相应速度设定则主要是根据其当前所处位置来完成并在此基础上形成内环设定值的。因为流量阀减速和流量阀匀速以及流量阀加速是其机构运行中的三个主要运行阶段，此时每个阶段中的运行时间和运行加速度以及特定位置特定运行的频率也有所不同，速度给定发生器的主要工作原理就是当实际阀位与相关给定阀位不等时，其会以恒定加速度为主要加速手段，此时的减速点会根据相关阀位值和阀位给定值以及当前速度这三者的大小来进行计算并得出具体数值。

（四）阀门柔性开关以及阀位极限位置判定是我们在执行机构是所要考虑的两项主要技术因素，阀门柔性开关的主要功能是当阀门开关的过程中保证阀门不受损伤，正确的做法是，我们应该运用微处理器对变频器输出电压和变频器输出电流进行相对精准的计算，并在计算的过程中得出输出力矩，在得出力矩信息后自动调节速度以防止阀门撞击。阀门全开位置以及阀门全关位置就是阀门的极限位置，传统执行机构中阀位监测在监测的过程中容易出现阀门松动，我们应该运用单片机将两次监测信号进行具体对比，并在确认已达到正确阀门极限位置的同时切断异步供电电源。

三、结束语

综上所诉，机电一体化中的电机控制是当下我们要亟待解决的问题，正确的做法是要根据机电一体化技术的技术发展现状和技术应用现状作为分析基础，之后进行对新型电动执行机构的相应合理方案进行较为科学的制定。本文针对执行机构发展的相关缺陷和不足，对如何采用机电一体化技术将阀门和控制器进行有机融合进行深度探究，希望为我国机电行业的发展贡献出一份力量。

参考文献：

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中图分类号：TH39 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2012）1210154-01

机电一体化技术的发展历程与现状

1.1 机电一体化的发展历程

机电一体化技术的发展有三个阶段，即发展初级阶段、蓬勃发展阶段和智能化发展阶段。最初早在20实际60年代人们开始利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。而由于军事和工业发展的需求，当时的人们对于这方面开始重视，由于当时电子技术水平发展不够，技术结合与运用还没有得到深入发展。到上个世纪七八十年，计算机技术和通信技术开始快速的发展为机电一体化的发展奠定了技术基础。到了90年代后期，机电一体化进入深入发展时期，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支。此外，由于神经网络技术、人工智能技术、光纤技术等领域巨大进步，为机电一体化技术的发展创造了更好的条件。从数控机床的问世到微电子技术的全新发展，进而可编程序控制器、电力电子等的发展为机电一体化提供了坚强基础，最后激光技术、模糊技术、信息技术等新技术使机电一体化跃上新台阶。

1.2 机电一体化技术发展现状

近些年来，机电一体化技术有了更全面的进步，其中的微电子装置除可取代某些机械部件的原有功能外，还能赋予自动显示记录、自动处理信息、自动检测、自动调节与控制自动诊断与保护等许多新的功能。目前一些电动的实际运行中依然存在着一定的问题，比如执行机构机构多、定位精度低、结构复杂、可靠性差等问题，因而对于这种情况，采用机电一体化技术，将伺服电机、阀门、控制器合为一体，采用模糊神经网络，通过内置变频器，实现阀门的高效控制。

2 机电一体化中电动机构的组成及工作原理

2.1 电机执行机构的组成

目前较常用的主要是交流电动机，它可分为三相异步电动机、单相交流电动机两，前一种比较多的用在工业上，而后一种通常用在民用电器上。从电机的结构上看，主要分为控制部分和执行驱动部分，控制部分主要由三相PWM波发生器、单片机、智能逆变模块、整流模块、A/D、故障检测、输入输出通道等组成；执行驱动部分主要包括三相伺报电机和位置传感器[1]。

2.2 电机的工作原理

电机执行机构系统通过电流与电压传感器和位置传感器的检测，得出逆变模块三相输出电流、电压及阀门的位置信号，然后由A/D转换后送入单片机。单片机通过控制PWM波发生器的作用，最后实现电机的运行控制。逆变模块工作时所需要的直流电压信号由整流电路对380V电源进行全桥整流得到。对于电动机运行原理的分析，这里主要针对工业中应用的三相异步电动机的原理进行探讨。电动机转动的基本工作原理是三相对称绕组中通人三相对称电流产生圆形旋转磁场，转子导体切割旋转磁场感应电动势和电流，转子载流导体在磁场中受到电磁力的作用，从而形成电磁转距，驱使电动机转子转动。

3 机电一体化中电机阀位及速度控制与运行维护

3.1 电机阀位及速度控制

实现电机执行机构的阀位和速度的控制需要解决的关键性技术问题主要有五个方面，分别是阀门柔性开关的控制、阀位的极限位置的判断、电机保护的实现、准确定位与模拟信号的隔离。对于机电一体化中电机阀门位和速度的控制，微处理器根据测得的变频器输出电压和电流，通过计算得出输出力矩，如果输出力矩达到或大于设定的力矩，那么就会自动降低运行速度。在传统电机的执行机构中，阀位的极限位置的检测是通过机械式限位开关获得的。电动执行机构极限位置通过检测位置信号的增量获得，单片机将本次检测的位置信号与上次检测的信号相比较，如果未发生变化或变化较小，就会自动电机的供电电源。

电机的运行控制与加速度的大小、时间长短、当前位置、速度控制给定位置以及运行速度有关。在机电一体化中电机采用的是双环控制方案，外环为位置环，内环为速度环。外环是通过当前位置速度的设定将速度给定发生器向内环提供速度的设定值。内环是将当前速度与速度给定与发生器的设定速度进行比较，依靠速度调节器改变PWM波发生器载波频率，以实现电机的转速调节。

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中图分类号：TH-39 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2012） 18-0116-01

随着社会不断发展，科学技术广泛运用到各个领域，机电一体化这个名词不仅仅是理论，更被人们熟练运用到企业发展上。按照系统科学的观点，机电一体化又可称为机电一体化系统，它是集机械元件和电子元件为一体的复合系统。随着机电一体化的迅速发展，它主要结合了光学、电子学、计算机技术、机械技术等领域知识，使整个机电一体化系统变得柔性化、智能化。更加合理、高效，它大幅度地推动了整个工业的生产。对社会的不断进步具有深远的意义。

一、机电一体化技术主要运用领域

（一）在数控机床中的应用。传统数控机床及数控技术结构比较简单，性能低，操作复杂笨拙，控制精度较差。然而经过40多年的发展，机电一体化的投入，除了解决了上述传统数控技术的弊端更增添了其他的。先进的数控技术以信息为主导，其开发性设计即硬件体系结构和功能模块具有标准性、兼容性、层次性，最大限度提高了其可操作性，大大提高了经济效益。现代的数控技术充分结合现代科学技术，能实现多过程、多通道控制即一台机床同时完成多个独立加工任务或控制多台和多种机床的能力，并将刀具破损检测、物料搬运、机械手等控制都集成到系统中去。系统的多级网络功能，加强了系统组合及构成复杂加工系统的能力。

（二）在计算机集成制造系统（CIMS）中的应用。机电一体化以其发展快适用范围广的特点深受各行各业的欢迎。机电一体化技术打破原有部门之间的界限，使各分散系统最优的结合，充分做好“物流”和“信息流”之间的关系，将生产线各个环节有机的结合，大大提高各种生产要素之间的连接作用，从而生产能力得到了很大的提高，使得各种生产要素充分发挥提高企业经济效益。

（三）在现代机械制造中的应用。传统的机械制造主要依赖于企业规模、生产批量、产品结构和重复性来获得竞争优势的，它着重考虑的是资源的有效利用，用低成本换取高效率，以机器代替人力，靠复杂的专业加工取代人的技能来获取的。然而，先进的机械制造业是以信息为主导，采用先进生产模式、先进制造系统、先进制造技术和先进组织管理形式的全新的机械制造业，其特征是全球化、网络化、虚拟化、智能化以及环保协调的绿色制造。现代制造业集成了现代科学技术的发展，充分利用电子计算机技术，使制造技术提高到新的高度。

二、机电一体化技术的发展趋势

（一）智能化。机电一体化与传统机械的主要区别在于技术是否智能化，即使机电一体化产品具有类似人的逻辑思考、判断推理、自主决策等能力。如传统的数控机床像个被动执行者，它只能按照事前规定好的程序去严格执行操作，而现代的只能数控机床，它被结合了人的思想与感知，它可以主动地对自己的环境和加工条件进行感知及分析，从而采取相应的措施。利用这种智能化产品，从而能够大大减少人的脑力劳动。为机电一体化技术发展开辟了广阔天地。

（二）系统化。机电一体化可以看成为系统结构，它主要采用开放式和模式化的总线结构。这种系统结构的组态比较灵活，在任何情况下都可以剪裁和组合，从而达到各个子系统之间的协调控制和统一管理。其次，通过机电一体化的系统化结构信息的传递功能极强，它可以使远程网络更稳定。然而，随着科技的不断发展，相信机电一体化产品还会更加完善，人类会赋予它更人性的发展，从而想着生物系统化飞跃。

（三）模块化。机电一体化的正向着模块化发展。众所周知机电一体化产品种类和生产厂家繁多，故研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、信息接口的机电一体化产品单元是一项复杂而十分重要的工作。若能制作出一系列的标准件，则对后续的产品开发大大缩短了时间。由于产品的标准化和系列化，使得生产规模大大提高，非常有利于企业的发展。

（四）网络化。网络技术的兴起和飞速发展对全球都是一次巨大的变革，它带给人类一次巨大的飞跃，然而对机电一体化也具有重要的作用。网络在人类的生活中越来越普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾。因此，机电一体化产品无疑应朝网络化方向发展。

（五）人性化。各类产品的生产都是为了方便于人类，故机电一体化向人性化是个必然的趋势。机电一体化产品要求除了能够达到人类最基本的使用需求外还需要考虑它的外观结构包括形状及颜色等从而使产品更接近生活，让人们在使用过程中更自然，更便捷。

（六）微型化。机电一体化的新目标是向着微型化转化。机电一体化的微型化又称为微型机电一体化系统，国外对其几何尺寸定义为一般不超过1cm3，并正向微米、纳米级方向发展。微型机电一体化系统主要特点为具有体积小、耗能小、运动灵活等，由于微型化的特点，其可进入一般机械无法进入的空间并易于进行精细操作，故非常受生物医学、航空航天、信息技术、工农业乃至国防等领域的欢迎。

（七）绿色化。人类生活的巨大改变离不开工业的发展，然而在我们个人感觉到物质丰富、生活舒适的同时资源却在大批量减少、生态环境变得极具恶化，所以急需大量开发绿色产品。机电一体化产品的绿色化最根本目标为尽最大限度地减少对生态环境的破坏。故这就要求产品从设计、制造、使用和销毁的整个生命周期中，达到符合环境保护和人类健康的要求，并使得资源的利用率提高。其产品的特点为低能耗、低材耗、低污染、舒适、协调而可再生利用的产品。

三、结束语

随着机电一体化技术的发展，大量的产品与装置都在向着机电一体化发展，在优化整体的同时，提高了产品质量和生产效率，大大缩短开发新产品的生产准备周期，有利于加速科技成果向商品转化，有利推动传统产业发生深刻变革；同时，随着新产品的研发及高精密等设备的发展，要求新一代机电一体化技术、产品及系统朝着高性能、智能化、系统化以及轻量化、微型化方向发展，从而为国家带来更大的经济效益与社会效益。

参考文献：

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机电一体化就是将机械技术、电工电子技术、微电子技术、信息技术、传感器技术、接口技术、信号变换技术等多种技术进行有机的结合，并应用到实际中去的综合技术。随着科学技术的飞速发展，现代化的自动生产设备可以说都是机电一体化的设备。

机电一体化也称为机械电子学，是由英文单词Mechanics（机械学）的词头和Electronics（电子学）的词尾组合而成的新词，即Mechatronics。机电一体化最早出现在1971年日本杂志《机械设计》的副刊上，随着机电一体化技术的快速发展，机电一体化的概念被世界各国所承认和应用。随着电子技术和信息技术的迅猛发展，机电一体化技术也获得了高速发展，并对现代工业的生产产生了重要影响。

1 机电一体化的含义

在人类漫长的发展历史中，有一种“看不见的思想”推动着技术的进步和发展，而这种“看不见的思想”就是人们追求的“精益求精”的思想，也正是这种思想使人们创造了一个又一个技术奇迹，也正是“精益求精”的思想迫使人们去提高工作效率，从而创造了机电一体化技术。

机电一体化在国外被称为“Mechatronics”，这个词是由英文单词Mechanics（机械学）的词头和Electronics（电子学）的词尾组合而成的新词，意思是机械技术和电子技术的有机结合。随着科学技术的发展，这一技术已经得到包括我国在内的世界各国的承认和应用，我国的工程人员将这一名称译为“机电一体化技术”，机电一体化技术又称为机械电子技术，是机械技术、电子技术和信息技术有机结合的产物，是诸多高新技术产业和高新技术装备的基础。

2 机电一体化技术的发展历史

机电一体化技术的发展历程，大致可以分为三个阶段。

20世纪60年代以前是第一阶段，这一阶段是机电一体化的初创阶段，也就是电子技术开始在机械行业中得到广泛应用，因此，可以称其为“萌芽阶段”。在这一时期，电子技术研究的初步成果开始被人们用来完善机械产品的相关性能。尤其是第二次世界大战的爆发，更是刺激了机械产品与电子技术的结合，出现了一些机械性能相当优良的军事用途的机电产品。战后，这些军事用途的机电产品转为民用，对经济的恢复和技术的进步起到了积极的促进作用。

20世纪70年代到80年代是第二阶段，这一阶段机电一体化获得了蓬勃发展，因此，可以称其为“蓬勃发展阶段”。在这一时期，人们已经开始主动地去利用电子技术、通信技术和控制技术，也就是人们常讲的3C（Compute、Control、Communication Techology，简称3C）技术的发展成果来研究新的机电一体化产品。

20世纪90年代至今，是机电一体化技术发展的第三阶段，这一阶段智能化技术在机电一体化技术中得到了良好的应用，因此，这一阶段可以称其为“智能化阶段”。这一时期，由于人工智能技术、网络技术和光纤技术等的发展，为机电一体化带来了巨大的发展空间。而目前，随着机械技术与激光-微电子等技术的结合，光机电一体化技术将会成为机电一体化技术未来发展的重要方向。光机电一体化技术包括产品和技术两方面：光机电一体化产品是集光学、机械、微电子、自动控制和通信技术于一体的高科技产品，具有丰富的功能和很高附加值；光机电一体化技术是指其技术原理和使光机电一体化产品得以实现、使用和发展的技术。随着机电一体化技术在各行各业的广泛应用，光机电一体化技术将会获得巨大的发展空间。

3 机电一体化的发展趋势

机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合， 它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。[1]21世纪，随着科学技术和人们的环保意识的提升，机电一体化的发展趋势主要是智能化、数字化、网络化、微型化及绿色化。

3.1 智能化

智能化是21世纪机电一体化发展的重要趋势。随着计算机技术、信息技术、电子技术的飞速发展，机电一体化的智能化在工业中得到了广泛的应用，机器人就是机电一体化的重要体现。机器人就是通过计算机技术、电子技术、传感器技术等自动执行工作的机器装置，它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。机器人的主要任务就是协助或代替人类的工作，尤其是一些危险场合，如高电压环境、核电站等，都需要机器人来完成人类不适宜的工作。随着机器人性能的提高，在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域，机器人都有着非常重要的用途。

3.2 数字化

数字化就是将许多复杂多变的信息转变为可以度量的数字、数据，再以这些数字、数据建立起适当的数字化模型，把它们转变为一系列二进制代码，引入计算机内部，进行统一处理，这是数字化的基本过程。21世纪是信息时代，信息的数字化越来越受到人们的重视。随着计算机技术的发展，奠定了机电产品数字化的基础，也为数字化设计和制造提供了重要手段，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具有高可靠性、易操作性、可维护性以及自诊断能力等。

3.3 网络化

网络化就是指利用通信技术和计算机技术，把分布在不同地点的计算机及各类电子终端设备互联起来，按照一定的网络协议相互通信，以达到所有用户都可以共享软件、硬件和数据资源的目的。20世纪90年代中期，网络技术得到了迅猛发展，它把互联网上分散的资源融为有机整体，实现资源的全面共享和有机协作，使人们能够透明地使用资源的整体能力并按需获取信息，给世界带来了巨大的变革，也给机电一体化的发展带来了重大影响，如可以通过网络对机电一体化的设备进行远程控制。机电一体化的产品很多，我们以数控机床为例来说明。

数控机床是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品。

3.4 微型化

近年来，作为机电一体化技术的重要分支的微机电系统，得到了迅猛发展。微机电系统是微电路和微机械按功能要求在芯片上的集成，尺寸通常在毫米或微米级，自八十年代中后期崛起以来发展极其迅速，被认为是继微电子之后又一个对国民经济和军事具有重大影响的技术领域，将成为21世纪新的国民经济增长点和提高军事能力的重要技术途径。

由于微机电系统具有体积小、重量轻、能耗低、耐用性好、价格低廉、性能稳定等优点，在生物医学、航空航天、工业、农业乃至国防等领域等有着广阔的应用前景。虽然目前技术上还存在一定困难，但取得技术上的重大突破已经为期不远。

3.5 多样化

未来的机电一体化装置将会越来越强化其与生命机体的相似性，它高度依赖于信息，具有相当高的智能，能够学习和积累经验，有灵活适应环境的能力，并能根据需要和具体条件进行决策、指挥并完成某些任务。[2]这些在技术上虽然有一定难度，但其部分功能已经得以实现。人们正在研究如何用机电一体化技术取代人体的大部分器官，如人造假肢，过去只是外表和真肢相似的机械化装置，而目前，已经研究出可以和身体器官相连的装置，这种假臂的手非常灵活，甚至可以操作乐器等。

3.6 绿色化

绿色设计就是指充分利用资源来获得绿色产品的设计。在漫长的人类发展史中，工业设计为人类创造了现代生活方式和生活环境，与此同时，也加速了资源、能源的消耗，并对地球的生态平衡造成了严重破坏。但地球上的一次性资源、能源毕竟有限，随着世界人口的日益增多和人们对物质生活越来越高的要求，这种高投入高输出发展模式能否持续下去、还能持续多久，已成为国际社会的重点研究课题。[3]鉴于此，绿色设计也就成了机电一体化发展的重要方向。绿色设计反映了人们对于现代科技文化所引起的环境及生态破坏的反思，要求世界各国要合理的利用资源，转变传统粗放式的发展模式，采用以资源、能源高效利用为特色的集约型发展模式，是实现可持续发展的重要途径。

4 机电一体化的重要应用

机电一体化技术自问世以来获得了迅猛发展，推动了机械工业的良好发展，新产品层出不穷。无论是军事还是经济，亦或是生产、生活，机电一体化都在时刻推动着社会的发展。

4.1 数控机床

数控机床是一种装有程序控制系统的自动化机床。数控机床的基本组成包括加工程序载体、数控装置、伺服驱动装置、机床主体和其他辅助装置。数控机床工作时，不需要工人直接去操作机床，要对数控机床进行控制，必须编制加工程序。零件加工程序中，包括机床上刀具和工件的相对运动轨迹、工艺参数和辅助运动等。数控装置是数控机床的核心。现代数控装置均采用CNC（Computer Numerical Control）形式，这种CNC装置一般使用多个微处理器，以程序化的软件形式实现数控功能，因此又称软件数控（Software NC）。伺服系统是数控机床的重要组成部分，用于实现数控机床的进给伺服控制和主轴伺服控制。伺服系统的作用是把接受来自数控装置的指令信息，经功率放大、整形处理后，转换成机床执行部件的直线位移或角位移运动。机床主机是数控机床的主体。它包括床身、底座、立柱、横梁、滑座、工作台、主轴箱、进给机构、刀架及自动换刀装置等机械部件。它是在数控机床上自动地完成各种切削加工的机械部分。辅助装置是保证充分发挥数控机床功能所必需的配套装置，常用的辅助装置包括：气动、液压装置，排屑装置，冷却、装置，回转工作台和数控分度头，防护，照明等各种辅助装置。

4.2 工业机器人

工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人。工业机器人是工业物流自动化中的重要装置之一，是当今世界新技术革命的一个重要标志。[4]工业机器人是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。20世纪40年代中后期，机器人的研究与发明得到了更多人的关心与关注。50年代以后，美国橡树岭国家实验室开始研究能搬运核原料的遥控操纵机械手。1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。1959年UNIMATION公司的第一台工业机器人在美国诞生，开创了机器人发展的新纪元。UNIMATION的VAL（very advantage language）语言也成为机器人领域最早的编程语言在各大学及科研机构中传播，这也是各个机器人品牌的最基本范本。

5 结束语

机电一体化的出现不是孤立的，它是许多科学技术发展的结晶，是社会生产力发展到一定阶段的必然要求。应当指出，机电一体化是机械理论与计算机和网络等信息理论的结合，是机械设计理论的发展，而不是取代。当然，与机电一体化相关的技术还有很多，并且随着科学技术的发展，各种技术相互融合的趋势将越来越明显，机电一体化技术的广阔发展前景也将越来越光明。

参考文献

[1]梁俊彦，李玉翔，林树忠.机电一体化技术的发展及应用[J].科技资讯，2007.

[2]张杨林.机电一体化技术进展及发展趋势[J].机械制造，2005.

[3]周琴.机电一体化技术的现状和发展趋势[J].机械，2010.

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机电一体化最早出现在1971年日本杂志《机械设计》的副刊上，随着机电一体化技术的快速发展，机电一体化的概念被我们广泛接受和普遍应用。随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用，机电一体化技术获得前所未有的发展。现在的机电一体化，是机械和微电子技术紧密集合的一门技术，它的发展使冷冰冰的机器有了人性化、智能化。

一、机电一体化技术的具体内容

1　机械技术

该技术是机电一体化的基础，着眼点在于如何与机电一体化技术相适应，利用其他高、新技术来更新概念，实现结构上、材料上、性能上的变更，满足减小重量、缩小体积、提高精度、提高精度、提高刚度及改善性能的要求。在机电一体化系统制造工程中，经典的机械理论与工艺借助于计算机辅助技术，同时采用人工智能与专家系统等，形成新一代的机械制造技术。

2　计算机与信息技术

其中信息交换、存取、运算、判断与决策、人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术均属于计算机信息处理技术。

3　系统技术

以整体的概念组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目的出发，将总体分解成相互关联的若干功能单元，接口技术是系统技术中一个重要方面，它是实现系统各部分有机连接的保证。

4　自动控制技术

范围很广，在控制理论指导下，进行系统设计，设计后的系统仿真，现场调试，控制技术包括高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿、再现、检索等。

5　传感检测技术

系统的感受器官，是实现自动控制、自动调节的关键环节。其功能越强，系统的自动化程序就越高。现代工程要求传感器能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境的考验，它是机电一体化系统达到高水平的保证。

6　伺服传动技术

包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，是实现电信号到机械动作的转换装置与部件、对系统的动态性能、控制质量和功能有决定性影响。

二、机电一体化系统组成

1　机械本体

包括机架、机械连接、机械传动等，是机电一体化的基础，起着支撑系统中其他功能单元、传递运动和动力的作用。与纯粹的机械产品相比，机电一体化系统的技术性能得到提高、功能得到增强，这就要求机械本体在机械结构、材料、加工工艺性及几何尺寸等方面能够与之相适应，具有高效、多功能、可靠和节能、小型、轻量、美观的特点。

2　检测传感部分

包括各种传感器及其信号检测电路，其作用就是检测机电一体化系统工作过程中本身和外界环境有关参量的变化，并将信息传递给电子控制单元，电子控制单元根据检查到的信息向执行器发出相应的控制。

3　电子控制单元

是机电一体化系统的核心，负责将来各自传感器的检测信号和外部输入命令进行集中、存储、计算、分析，根据信息处理结果，按照一定的程度和节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的的进行。

4　执行器

作用是根据电子控制单元的指令驱动机械部件的运动。是运动部件，通常采用电力驱动、气压驱动和液压驱动等几种方式。

5　动力源

动力源是机电一体化产品能量供应部分，作用是按照系统控制要求向机械系统提供能量和动力使系统正常运行。提供能量的方式包括电能、气能和液压能，以电能为主。

三、机电一体化的发展趋势

1　智能化

智能化是21世纪机电一体化技术的一个重要发展方向。人工智能日益得到机电一体化研究建设的重视，机器人与数控机床的智能化就是重要应用。在控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、混沌动力学等新思想、新方法，模拟人类智能，使产品具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力，以求得到更高的控制目标。

2　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、电气接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元式一项十分负责但又是非常重要的事还需要制定各项标准，以便各部件、单元的匹配和接口。规模化将给机电一体化企业带来美好的前程。

3　网络化

20世纪90年代，计算机技术等的突出成就是网络技术。机电一体化新产品一旦研制出来，只要其功能独到，质量可靠，很快就会畅销全球。由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾，而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。因此，机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。

4　微型化

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二、内容摘要及关键词..................................2

三、正文............................................3-9

四、参考文献..........................................10

论文提纲

1、机电产品的优越性

2、机电一体化技术的应用

3、机电一体化技术的发展趋势

4、缺乏全、系统的并且实地性的专业信息平台

5、应有的技术法规体系、市场管理体系不完善

内容摘要、关键词

摘要：随着科技日益直向整体化、交叉化和数字化以及微电子技术信息技术的飞速发展，机电一体化技术应用越来越广泛，机电一体化逐渐成为国民经济增长的重要推助力。现如今，我国的机电一体化已取得初步成效，其应用领域不断拓展，有效解决了人工劳动强度大、工作效率低、不可控质量影响因素多等问题。本文将对机电一体化技术的应用进行简要概述，并展望其未来发展趋势。

关键词：机电一体化技术;应用;发展趋势

探究机电一体化的发展及应用

一、机电产品的优越性

与传统的机电产品相比，机电一体化产品具有下述优越性：

（一）使用安全性和可靠性提高

一般机电一体化产品都具有自动监视、提醒、报警等自动保护功能，可以减少和避免人身和设备事故，设备的使用安全性能明显提高。

（二）生产能力和工作质量提高

一体化的机电产品具有自动控制和自动处理信息的功能，其灵敏度、精确度等都有很大提高，可以确保机械按照设计要求完动工作，减少人为者主观因素的影响。

（三）人机交流和复合功能进一步得到提升

一体化机电普遍采用电子屏数字显示和程控技术，减少了许多外延性的操作，更加方便、简单，人机互动更容易。自动补偿、自动校验、自动调节保护等便多的智能化功能，能在不同工作场合领域适应更多的工作要求。

二、机电一体化技术的应用

（一）数控机床

数控机床又称数字控制机床，是配置程序控制系统的一种自动化机床。经大量试验数据表明，机电一体化技术是数控机床发展的可靠支撑，不仅提了升数控机床的加工精度、加工质量以及加工效率，同时还有助于加工性能多样化，以满足多元化的工业生产要求。数控机床的实际生产制造过程中，机电一体化技术为总线系统和CPU之间的多重连接提供便利，这对提高管理效率，丰富数控机床种类极为重要。首先，可以削弱多台数控机床的排斥效应，为机床使用周期的延长、生产效率的提高奠定了良好基础;其次，用户可以按照实际生产需求，对操作管理进行自定义设计，大幅度提高了数控机床的智能化水平。

（二）分布式控制系统

机电一体化技术应用于分布式控制系统，可以针对性解决集中控制系统的不足。首先，便于分布式控制系统进行控制流程简化，提高操作稳定性，进而实现对多台主机的有效管控。其次，可以强化系统运行的安全管理。具体来讲，分布式系统与机电一体化技术的结合，有助于控制级别多样化，以便针对不同生产情况，主机可以进行不同的操作管理。同时，还可以化繁为简，优化在线生产以及生产计划等功能，大幅度减少因控制系统故障导致的一系列后续问题。

（三）全自动照相机

全自动照相机是机电一体化技术应用的另一代表性产品。该类型照相机可以利用微电子技术，根据光线条件、拍摄距离等，自动对光圈、曝光速度以及焦距进行最优化选择。全自动照相机主要分为机械与电子两大组成部分，它们互相协作，是一个不可分割的整体。全自动照相机不仅包含精密机械以及复杂电路，同时还涉及光电检测、液晶显示等多种先进技术。

（四）工业机器人

在工业生产过程中，危险生产环节以及作业环境恶劣等情况在所难免，这导致人工操作存在诸多安全隐患。基于此，人们结合机电一体化技术，利用机器人代替人工进行高危操作，以降低工人劳动强度以及作业危险性，有效避免安全事故频发问题。纵观工业机器人发展史，有3个重要转折点：第一代机器人只能机械性重复简单工作，其自动化水平以及对于外界环境变化的敏感度偏低;第二代机器人可以部分感知外界工况，并可对部分信息进行判断与分析;第三代机器人的智能化水平较高，基本可以模拟人脑思维模式。这也是当下机电一体化技术的研发核心课题。

三、机电一体化技术的发展趋势

（一）人工智能

人工智能技术的迅猛发展，为机电一体化技术的智能化建设提供了可靠技术支撑。人工智能，就是指机械设备拥有人脑思维能力，可以自主思考问题，并及时对传感器收集信息进行有效分析与处理。与前两代机器人相比，第三代机器人的人工智能水平得到大跨步发展。与此同时，学习能力也是人工智能技术的重中之重，可以有效提升机电设备控制管理系统的精确性、高效性。

（二）网络化

当今社会是信息化时代，网络化是机电一体化技术发展的重要发展趋势。网络信息通讯技术的合理应用，可以强化机电一体化的远程管控质量，工作人员不需要对生产车间进行实时监控，就可以在任何时间、地点反馈生产信息，对生产规划进行动态管理，并根据实际情况，及时采取应对措施。

（三）模块化

实现模块化是机电一体化发展的迫切需求。然而，由于市场上的机电一体化产品五花八门，且不同配件往往产于不同的制造厂商，导致同一类型的机械设备多少会存在一定差异。同时，模块化对产品标准提出了更严格的要求，真正实现产品模块化，并不容易。因此，相关人员应加大研发力度，充分调动一切可利用资源，不断拓展资金渠道，为部件接口统一化奠定坚实基础。

四、缺乏全、系统的并且实地性的专业信息平台

为应对技术壁垒和反倾销，应由政府和行业协会、出口企业建立全面系统的专业信息平台。我国缺和一个综合性的信息平台，使政府的调控和监督作用难以有效发挥，行业协会的作用也很难到位，企业对国际标准或进口国标准等信息滞后，技术发展遇到壁垒。

五、应有的技术法规体系、市场管理体系不完善

我国有许多产品没有建立统一的技术标准，存在有标准不统一或低于标准的现象。这对于向其它国家作为主机出口发展方向的企业是一个无缺失。执法的不严不及明也使企业没有严格的质量标准意识，使我国机电产品在国际市场存在很大的质量疑问。

要使我国的机电产品在国际上有一足之地，要完善技术标准和相关法规的建设。

六、结束语

综上所述，机电一体化包含计算机技术、机械加工技术、电子信息技术等多方面内容，对社会生产力以及工业产业的发展具有直接性影响。只有机电一体化理念与时俱进，才能保障我国工业生产力在国际市场占有一席之地。因此，相关政府主管部门应健全制度体系，完善生产标准建设，积极拓展资金渠道，鼓励企业创新技术，促进机电一体化在人工智能、网络以及模块化、绿色化等方面实现大跨步的飞跃，为社会发展以及GDP增长提供可靠推助力。

参考文献

1、谢明扬，杜明鉴.机电一体化技术在汽车领域中的应用及发展研究[J].南方农机，2018，49(09):144+148.

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前言:随着现代化工业生产的发展，由气动技术、液压技术、传感器技术、PLC技术、网络及通讯技术等学科的强烈相互渗透而形成的机电一体化技术，已成为当今工业科技的重要组成部分。

1、机电一体化概述

机电一体化是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和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。

机电一体化发展至今已经成为一门有着自身体系的新型学科,随着科学技术的不断发展,还将被赋予新的内容。但其基本特征可概括为: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、传感测控技术及电力电子技术,根据系统功能目标要求,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,则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。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。机械工程技术由纯技术发展到机械电气化,仍属传统机械,其主要功能依然是代替和放大的体系。但是,发展到机电一体化后,其中的微电子装置除可取代某些机械部件的原有功能外,还被赋予许多新的功能,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。也就是说,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延伸,智能化特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质区别。

2、机电一体化技术发展

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，其发展和进步有赖于相关技术的进步与发展，其主要发展方向有数字化、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。

2.1.光机电一体化。一般的机电一体化系统是由传感系统、能源系统、信息处理系统、机械结构等部件组成的。因此，引进光学技术，实现光学技术的先天优点是能有效地改进机电一体化系统的传感系统、能源（动力）系统和信息处理系统。光机电一体化是机电产品发展的重要趋势。

2.2.自律分配系统化――柔性化。未来的机电一体化产品，控制和执行系统有足够的“冗余度”，有较强的“柔性”，能较好地应付突发事件，被设计成 “自律分配系统”。在自律分配系统中，各个子系统是相互独立工作的，子系统为总系统服务，同时具有本身的“自律性”，可根据不同的环境条件作出不同反应。其特点是子系统可产生本身的信息并附加所给信息，在总的前提下，具体“行动”是可以改变的。这样，既明显地增加了系统的适应能力（柔性），又不因某一子系统的故障而影响整个系统。如日本福岛核电站在遭受地震和海啸冲击后，电站的核反应堆冷却系统陷入瘫痪，堆内气压过高而被迫打开阀门减压；因放出的气体含有氢气而造成若干机组爆炸的事故。究其原因就是其反应堆系统的柔性不足，未能完整地考虑其外部环境可能发生的状况。

2.3.全息系统化――智能化。今后的机电一体化产品“全息”特征越来越明显，智能化水平越来越高。这主要收益于模糊技术、信息技术（尤其是软件及芯片技术）的发展。除此之外，其系统的层次结构，也变简单的“从上到下”的形势而为复杂的、有较多冗余度的双向联系。

2.4.“生物一软件”化―仿生物系统化。今后的机电一体化装置对信息的依赖性很大，并且往往在结构上是处于“静态”时不稳定，但在动态（工作）时却是稳定的。这有点类似于活的生物：当控制系统（大脑）停止工作时，生物便“死亡”，而当控制系统（大脑）工作时，生物就很有活力。仿生学研究领域中已发现的一些生物体优良的机构可为机电一体化产品提供新型机体，但如何使这些新型机体具有活的“生命”还有待于深入研究。这一研究领域称为“生物――软件”或“生物系统”，而生物的特点是硬件（肌体）――软件（大脑）一体，不可分割。看来，机电一体化产品虽然有向生物系统化发展趋，但有一段漫长的道路要走。

2.5.微型机电化――微型化。目前，利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术，在实验室中已制造出亚微米级的机械元件。当将这一成果用于实际产品时，就没有必要区分机械部分和控制器了。届时机械和电子完全可以“融合”，机体、执行机构、传感器、CPU等可集成在一起，体积很小，并组成一种自律元件，这样的元件对发展军事工业、极端环境下的民用机械、医疗应用有非常重要的意义。这种微型机械学是机电一体化的重要发展方向。

3、我国发展“机电一体化”面临的形势和任务

机电一体化工作主要包括两个层次：一是用微电子技术改造传统产业，其目的是节能、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；二是开发自动化、数字化、智能化机电产品，促进产品的更新换代。

3.1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，这就是发展机电一体化，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、成本低，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，每年进口量都比较大，因此需花大力气搞好研究、做反求工程等以掌握核心科技。

3.2 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贡献。

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关键词:机电一体化;传感器;发展趋势

Key words: mechatronics;sensor;development trend

中图分类号:TH122 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)11-0084-03

0 引言

现代科学技术的不断发展,极大地推动了不同学科的交叉与渗透,导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域,由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化,使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化,使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。

1机电一体化认识

日本在1971年提出一个新的英文集成名词“Mechatronics”词首Mecha取自Mechanics(机械学),词尾tronics取自Electronics(电子学)。我国经常译为机电一体化或机械电子学。在1981年德国工程师协会,德国电气工程技术人员协会共同组成的精密工程技术专家组提出的“关于大学精密工程技术专业的建议书”中,把精密工程技术定义为光-机-电一体化的综合技术。它包括机械(含液压,气动及微机械),电工与电子,光学等技术及其组合,其核心为精密工程技术。在当前“信息爆炸”的形式下,相对于专门型人才来说,市场对复合型人才的需求更加迫切。在中国,我们认为机械发展新阶段是机电一体化阶段。机电一体化是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和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。机电一体化发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发展,还将被赋予新的内容,基本特征可概括为: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,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。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发展到机械电气化,仍属传统机械,其主要功能依然是代替和放大的体力。但是发展到机电一体化后,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。

2机电一体化的设计过程

机电一体化的机械动力部分由一般电动机演变为控制电动机,里程碑式地引入了电子和计算机等先进技术,代替人完成机器的检测与控制等工作。在知识经济中体现了制造业高科技化,促进了高科技产业和知识经济的发展。它是一种用于机电产品最优设计的方法学。它包括4个基本学科:电气、机械、计算机科学和信息技术。如图1所示。

机电一体化系统和多学科系统之间的区别不在于它们的组成要素,而在于这些组成要素设计的次序。一直以来,多学科系统设计使用一种按学科顺序设计的方法。比如,机电系统的设计一般通过以机械设计开始的三个步骤完成。当机械设计完成后,设计电源和微电子系统,接着是控制算法的设计及其实施。按学科顺序设计的方法的最大缺点是对整个过程中各个点的固定设计导致新的限制,这种限制源于对这些点的设计,而且会传递到下一个学科点的设计。使用并行方法进行预先设计可以使产品更具协同性。它补充了信息系统以指导设计,这种指导贯穿于设计的各个阶段,而不只是预先设计阶段,从而使之更加综合。在将机械,电气及计算机系统和信息系统进行集成以设计制造产品和过程时,需要进行协同。最终产品的功能应大于其各部分功能之和。如果没有协同组合的话,机电一体化产品具有的性能特征是很难实现的,机电一体化的关键要素如图2。

机电一体化系统是在物理系统中使用信息系统的结果。物理系统包括机械系统,计算机系统,执行器,传感器和实时接口。机电一体化系统不只是机电系统,而且还是一个控制系统。传感器和执行器用来把能量从动力大的一边(通常是机械的一边),转换到动力小的一边(通常是电气和计算机的一边)。上图中的机械系统不仅包括机械零部件,还可能包括流体,气动,热,声,化学及其它学科。传感技术已经出现了新的发展以适应对特殊监测应用解决方案不断增长的需要。

2.1 机电一体化中的集成设计问题由于机电一体化方法内在的并行性,或同时性工程,所以样机试制阶段的建模与仿真很重要。因为模型来自于各学科的综合应用。所以应用一种可视化的编程软件是很重要的。这样就涉及到了框图,流程图,状态转换图和波特图。机电一体化是一种设计哲学,其产品或设备有一个重要的特点就是它们内部的智能,这是将执行器,传感器,控制系统和计算机组合设计实现的。系统的集成是通过硬件(部件)和软件(信息处理)的联合实现的。硬件集成是将机电一体化系统看成一个整体系统来设计的,将传感器,执行器和微处理器融入到机械系统中,软件集成主要基于高级控制功能在设计时应首先分析客户要求以及系统集成的技术环境。在制作时应考虑了解客户,市场分析,优化性能,生命周期性能,质量,可靠性和销售。

2.2 机电一体化关键要素①信息系统:信息系统包括信息传输的所有方面,从信号处理到控制系统到分析技术。信息系统结合了以下四种学科:通讯系统,信号处理,控制系统和数值计算方法。在机电一体化应用中,我们最关心的是建模,仿真,自动控制和用于优化的数字方法。②自动控制:控制系统工程学是在19世纪晚期产生的学科,认为在低阶系统(三阶或三阶以下)系统的稳定性依赖于特征方程的根和劳思(Routh)判据,这是一个很好的判断系统稳定性的分析工具。③最优化: 就是先确认最优轨迹,最优轨迹是根据系统的要求即约束条件确定的,然后设计控制系统,在设计控制系统的时候应使系统的各参数最终满足控制要求,使误差最小化,或者说使目标函数的扰动最小化,可用最优化过程反复迭代公式(Pk+1=Pk+τ・S k)这里k是迭代次数,S k是P空间内的探索方向,τ是该方向上的探索步长空间内的探索步长,当P值不能再改进时这个过程结束,此时为最优化。④机械系统:机械系统考虑力作用下物体的特性。这样的系统按其性质可分为刚性的,可变形的和可流动的。大多数机电一体化系统应用的刚体系统,都依赖于物理学中的基本定律。⑤电气系统:电气系统由两个分支组成:电源系统和通讯系统。通讯系统以低能量的电信号形式在各点之间传输信息。诸如信息存储,处理和交换是通信系统的常见组成部分。电气工程的这个领域也称电子学。另一方面,电源系统用来在各点之间有效的传递大量的电能,而不是信息,例如:发电机是把机械能转化为电能,而电动机是把电能转化为机械能。

3传感器和变换器

仪器仪表在现代科技领域中起着关键的作用。传感器是与仪器仪表紧密相关的机电一体化系统中一个非常重要的组件,其作用是为特定工业过程提供收集不同信息的机制。传感器广泛应用于过程检测以及工况评价方面,为用计算机系统对制造作业作较高级的监控提供便利,可应用于过程前,过程中及过程后。有时,传感器可以将一种物理现象转化为决策分析的可用信号。智能系统用传感器来监测由环境变化影响的特定场合,然后通过校正动作对其控制。

实际上在所有的应用中,传感器是将各种现实世界的数据转化为电信号,因此可定义为:传感器是一种把被测物理量转换成输出信号的装置。因此传感器也可以称为变换器,应用范围广泛,甚至可以用于分辨那些人类感官无法觉察到的环境变化。它们作为一次元件,连续的将变化着的信息转变成另一种形式,也就是说,传感装置检测被测量,并将其转换成系统可接受形式的信号,通常为电信号。整个系统的最大准确度由传感器的灵敏度和其内部噪声干扰所决定。在测控系统中,任何参数的变化,不论是在被测量中还是在信号修整中,都会直接影响系统的准确度。传感器和变换器是现代控制系统(电,光,机械或流体系统)的两个重要组成部分,传感器和变换器选用的程度取决于控制系统的自动化水平和复杂程度。要构成一个复杂控制系统,测量装置必须能够满足快速,灵敏和精确的要求。随着使用要求的不断提高,传感器的体积也不断的小型化,并通常将多个传感器和数据处理系统组合固定在一起。传感器的分类:根据传感器的输出信号形式,电源,工作模式以及被测变量可将传感器分为以下两大类。模拟传感器:模拟是指连续的,不中断的一系列事件。典型的模拟传感器的输出与被测变量是成正比例的,输出信号以连续方式变化,根据其幅值取得信息,通常其输出要经过A/D转换后输到计算机。数字传感器:数字是指一系列离散的事件,各个事件前后分开,如果传感器的逻辑电平输出是数字的,则称其为数字传感器。数字传感器有着准确度和精密度高的特点,与计算机监控系统相连时不需要任何转换器。

4A/D,D/A转换

在计算机控制系统中,主机输入数据或向外部命令,都是通过接口及输入输出通道进行的,完成信息传递和交换的装置称为过程输入输出通道。这些通道是联系主机与被控对象的纽带和桥梁。生产对象的各种模拟信号,不能直接输入计算机,而要经过模/数转换,转换成数字信号,才能输入计算机进行加工处理。同样,经过计算机加工处理得到的数字信号,也不可能直接作用与被控对象。而要经过数/模转变成模拟信号,才能输出到被控对象。

数据采集系统的基本任务是将模拟量即连续量转换为数字量以便于计算机进行存储,计算和处理。由于绝大多数物理量都是模拟量。因而数据采集系统不但本身就是一种独立系统,而且是计算机控制系统的极重要的组成部分。

一个典型的计算机控制系统如图3所示。其工作原理是作为系统输入的物理量(压力,温度,湿度,位置等),首先由传感器变成点信号,然后送到放大器和滤波器。传感器的输出信号一般比较微弱,放大器的作用是将传感器输出的电信号放大到适当的大小。以利于进一步处理。滤波器的作用是消除干扰信号。然后,信号送到模拟多路开关,它在计算机的控制作用下对各个模拟通道进行分时处理,将各通道信号接到后面的采样保持电路和A/D转换器。采样保持电路在规定的时刻对送来的模拟信号进行采样并在A/D转换期间保持被采样的电压不发生变化。A/D转换器在保持时间内完成模/数转换后将数字量送到计算机。采样保持电路及A/D转换的定时和控制信号均由计算机产生。计算机对A/D转换器送来的各路数字量进行各种处理计算,然后用分时方法将处理结果送到各路D/A转换器变成模拟信号去完成各种模拟控制。有时为了提高速度和精度,数据采集系统不用模拟多路转换开关,而是每条通道用一个A/D转换器。

4.1 传感器的作用传感器是工业控制计算机系统的重要环节。如没有传感器对生产过程的原始参数进行精确可靠的测量,那么无论是信号转换,信息处理,或数据的显示与控制,都将成为一句空话。可以说,没有精确可靠的传感器就没有精确可靠的测量系统。

4.2 A/D转换器的原理经过多路转换开关和采样/保持的模拟量必须被变成数字量才能送入计算机。完成这一转换任务的器件叫做模拟/数字转换器,简称A/D转换器。如图4是逐次逼近型A/D转换器原理图。由图4可以看出,由N位寄存器,N位D/A转换器、比较器以及控制逻辑四部分组成。其工作原理:当启动信号作用后,时钟信号在控制逻辑作用下,首先使寄存器的DN-1=1,N位寄存器的数字量一方面作为输出用,另一方面,经D/A转换器转换成模拟量Vx后,送到比较器,在比较器中与被转换的模拟量Vx进行比较,控制逻辑根据比较器的输出进行判断。若Vx≥Vc,则保留这一位;若Vx

4.3 D/A转换器的原理D/A转换器的作用是将数字量转换为模拟量。它实际上是一种由二进制译码控制的电流叠加电路。通常包括四个组成部分:精密的电压基准;模拟二进制数字电压(或电流)开关;产生二进制权电流或权电压的精密电阻网络;提供电压或电流输出相加的运算放大器。其原理如图5为倒T型电阻D/A转换器。其输出电压表达式很容易用基准电流和响应的倍数表示出来。与权电流型的D/A转换器相比,倒T型电阻D/A转换器具有电路简单、转换速度快的优点,但其转换误差较大。在实际的D/A转换器中,开关S是电子式的模拟开关。为了减小转换误差,开关必须具有导通电阻小,截止电阻大的特点。

5机电一体化综述

机电一体化系统开发过程的第一步就是分析客房需求以及系统集成的技术环境。解决问题的复杂技术系统往往是一个具有数字或模拟形式并由复杂软件支持其硬件的机械、电子、液压和热动力部件的结合体。典型机电一体化系统使用传感器从技术环境中收集数据和信息。接下来的一步就是使用建模和描述方法的完善形式,以一种集成的方式来涵盖这个系统的所有子任务。这包括在初始阶段对子系统间必要接口的有效描述。数据经过处理和解释转化为执行器的动作。机电一体化系统能够缩短开发周期,降低成本,提高质量。在机电一体化产品的设计中,有必要在不同的专家组之间协调知识和需要的信息。并行工程是产品的设计和制造以特殊方式融合的一种设计方法。传统设计和制造间的障碍得以排除。

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随着科学技术的进步和现代煤矿对于采矿效率、生产的安全性要求不断提高，我国许多煤矿企业都进行了旧设备更新换代和技术革新，将机电一体化技术运用到煤矿生产过程中去，煤矿生产已经呈现出自动化、智能化趋势。

1什么是机电一体化

从结构层面分析，多功能性、智能化、自动化起机电一体化的显著特征，它是机械设备、信息设备和软件的有机融合，主要依靠科学技术和计算机软件来实现机械设备的信息化、数字化，从而提高机械设备的生产性能和效率。机电一体化在煤矿机械中的广泛应用能够提高我国煤矿企业的科技化水平和生产效率，进而增强企业综合实力。

2机电一体化在煤矿机械中的应用意义

2.1促进煤矿企业生产效率、效益的提高

机电一体化在煤矿机械中的应用顺应了我国经济飞速发展、煤炭企业深化改革的时代要求。就我国煤矿企业的生产现状而言，虽然大部分企业都基本实现了机械生产，但是整体机械化水平不高，这严重制约着企业生产效率的提高。然而，由于机电一体化技术的深入推广，煤矿企业的劳动效率有了显著提高。特别是自动化技术和微处理设备的运用，工人的个人劳动效率得到提高，进而提高企业的总体生产效率。不断提高的产量使得企业的经济利润得到提高，同时，工人收入也随之增加。机电一体化的运用，大大提高了我国经济发展水平。

2.2提高煤矿生产安全性

近年来，煤矿生产安全性已经成为社会热点话题。众所周知，我国传统的煤矿工人大多在多粉尘、阴冷、潮湿的环境下工作，工人的身体健康和生命安全受到严重威胁，而机电一体化的运用大大降低了工人的劳动强度，改善了工作环境，将生产安全事故发生的可能性降到最低，加大了劳动保障，有效的保证了煤矿工人们的生命安全。

3机电一体化在煤矿机械中的应用实例分析

3.1机电一体化技术在采煤机中的运用

作为生产过程中最重要的机械设备之一，采煤机的工作效率直接关系着煤矿的产量、企业的效益。电牵引采煤机作为机电一体化技术在采煤机中运用的一大典型，有效的解决了采煤机移动过程中的阻力问题，当采煤机出现滑动现象时，电牵采煤机可以利用发电制动，在其轴端配备了性能良好的停电功能，这样就能避免生产过程中的滑动现象。

3.2机电一体化技术在安全生产监控监测系统中的运用

从20世纪90年代起，我国就开始了对于安全生产监控监测系统的研究，经过科学家们的不懈努力，我国终于有了自己的一套技术水平较高的监控监测系统，其中包括：我国常州自动化研究所研制的kj95系统、煤科院重庆分院研制的kj90系统等等。在这些监控监测系统的研发过程中都有效的利用了机电一体化技术。

3.3机电一体化技术在带式输送机中的运用

由于自身半自动化水平高、机械效率高、连续输送距离长、输送量大等优点，带式输送机在中国煤矿企业中广泛使用，是原煤输送的主要设备。随着机电一体化的深入运用与不断发展，现在我们已经可以使用设计简单、操作方便、不需要复杂的接口装置与输入输出设备的可编程型PLC控制器，这种控制器具有很强的抗外界干扰能力，即使在比较恶劣的环境中，也能进行长时间的作业。

4机电一体化在煤炭机械中应用的发展趋势

4.1应用更加智能化

人工智能技术不不断发展，神经网络、模糊数学、心理学、混沌力学等领域的研究都取得了丰硕的成果，这为机电一体化水平的提高奠定了基础。并且，我国煤炭生产需求不断在扩大，对于机电产品的智能化要求也不断增加，要求这些产品具有超强的逻辑判断能力、推理能力，甚至可以自主决策，机电产品智能化已经成为时代的需求。

4.2应用更加人性化

机电产品在煤炭设备中的应用也是为了更好的服务于人类的生产活动。更好的服务于人们的生产和生活是机电产品发展永远不变的宗旨。当然，这对机电产品也提出了更高的要求。中国的研发机构需要进一步完善机电产品的性能和结构，同时还要照顾到人们的审美需求，在设备外形、色彩等方面着手，使设备更贴近煤炭生产工人的需求，符合工人的工作习惯，更好的为我们的生产生活服务。

4.3应用更加环保化

改革开放以来，我国经济取得了突飞猛进的发展，与此同时，我们赖以生存的生态环境遭到了极大破坏，环境问题也已经成为社会的一个热点问题。我们社会的发展需要更加环保的技术和产品，这已经成为社会发展的一大趋势。在煤炭行业应用机电一体化技术，使得煤炭生产过程更加符合可持续发展的需求，节约能源，保护环境。产品绿色化、环保化，产品使用寿命结束后，重新进行分解，进而再利用。机电产品环保化，并且将其应用到煤炭机械设备中，是社会发展的大趋势。总之，为了适应经济迅猛发展以及社会的不断进步，对于机电产品的要求也不断提高，当然，这也能促进机电一体化在煤炭机械中的应用不断完善和发展。这样，我国煤炭产业才能不断发展，生产效率、综合实力得到提高，进而实现这一产业的可持续发展。

参考文献

[1]张明明.浅析机电一体化在煤炭机械中的应用[J].黑龙江科技信息，2015（10）：55.

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机电一体化的外文名词是Mechantronics，起源于日本，是取英语Mechanics的前半部和Electronics的后半部拼合而成的，表示机械学与电子学两种学科的综合。目前，国内外对机电一体化的涵义有各种各样的认识，其各自的出发点和着眼点不尽相同，再加上机电一体化本身的涵义还在随着生产和科学技术的发展不断被赋予新的内容。机电一体化技术即结合应用机械技术和电子技术于一体，是现代科学技术发展的必然结果。随着现代科学技术日新月异的发展，不断地推动不同学科的交叉和渗透，从而导致整个工程领域的技术革命。

1.机电一体化概要

机电一体化是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和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。机电一体化发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发展，还将被赋予新的内容。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、微电子技术以及其他新技术的简单组合、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。机械工程技术由纯技术发展到机械电气化，仍属传统机械。机电一体化系统由若干具有特定功能的机械和电子要素组成的有机整体，具有满足人的使用要求的最佳功能。

2.我国机电一体化的现状

世界范围内机电一体化的发展大体可以分为3个阶段。第一阶段也称为初级阶段。20世纪60年代以前由于当时电子技术的发展尚未达到一定水平，机械技术与电子技术的结合还不可能广泛和深入发展，已经开发的产品也无法大量推广。第二阶段可称为蓬勃发展阶段。这一时期，计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展奠定了技术基础。第三阶段，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发展时期。

计算机数控机床（CNC）是一种由计算机或专用电子计算装置控制的高效自动化机床。它综合应用了计算机技术、自动控制、精密测量和机械设计等方面的最新成就，是典型的机电一体化产品，是机床发展的必然趋势。

汽车的机电一体化中心内容是以微机为中心通过自动控制来改善汽车的性能，增加汽车的功能，实现汽车降低油耗，减少排气污染，提高汽车行驶的安全性、可靠性、操作方便和舒适性。近几十年，国际各大汽车公司都加大了对汽车机电一体化的研究，使其发展有了质的飞跃。

工业机器人（IR）一般应由机械系统、驱动系统、控制系统、检测传感系统和人工智能系统等组成，是一种能模拟人的手、臂的部分动作，按照预定程序、轨迹及其要求，实现抓取、搬运工件或操作工具的自动化装置，是具有发展前途的机电一体化典型产品。

3.机电一体化的发展趋势

3.1自律分配系统化

未来的机电一体化产品，控制和执行系统有足够的“冗余度”，有较强的“柔性”，能较好地应付突发事件，被设计成“自律分配系统”。在自律分配系统中，各个子系统是相互独立工作的，其特点是子系统可产生本身的信息并附加所给信息，在总的前提下，具体“行动”是可以改变的。这样，既明显地增加了系统的适应能力(柔性)，又不因某一子系统的故障而影响整个系统。

3.2系统化

系统化的表现特征之一是系统体系结构进一步采用开放和模块化的结构。系统可以灵活组套，进行任意裁减和组合，同时要求实现多坐标系列控制功能的NC系统。表现特征之二是通话功能的大大加强，即网络化趋势。

3.3人工智能化

这里所说的“智能化”是对机器行为的描述，是在控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法，模拟人类智能，使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力，以求得到更高的控制目标。高性能、高速的微处理器使机电一体化产品赋有低级智能或人的部分智能，则是完全可能而又必要的。

3.4全息系统化

机电一体化产品“全息”特征越来越明显，智能化水平越来越高。其系统的层次结构，也由简单的“从上到下”的形势而变为复杂的、有较多冗余度的双向联系。

3.5绿色化

环境、资源、人口是当今人类社会面临的三大主题。

3.6微型机电化

微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活，在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。微机电一体化发展的瓶颈在于微机械技术，微机电一体化产品的加工采用精细加工技术，即超精密技术，它包括光刻技术和蚀刻技术两类。

3.7面向21世纪的制造模式

一次制造成功，采用成组技术和分组作业方式，按质、按量、按时完成，做到零废品、零库存、零设备故障、零环境污染，从以“技术”为中心向以“人”为中心转变，从“金字塔式多层次管理”向“网络式管理”、由顺序工作方式向并行工作方式、由固定组织

加工向敏捷制造加工转变。

4.结语