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1 论论机电一体化机电一体化技术技术 摘摘 要要： “机电一体化”又称“机械电子学（mechatronics） ”随着现代化工业生产的发展，自 动化控制技术的集成应用正起着越来越重要的作用。 由于气动技术、 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具有真正意义的 “机电一体化技 术” ，已成为当今工业科技的重要组成部分。 “机电一体化技术”是现代科学技术发展的必然 结果。 关键词关键词：机械工业；机电一体化；发展； 引言引言 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 理体系都发生了巨大变化,使工业生产 “机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展 阶段。 1 机电一体化概要机电一体化概要 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。 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、 传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息技术和信息变换技术，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。 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， 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，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延伸， 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 机电一体化的发展状况机电一体化的发展状况 机电一体化的发展大体可以分为 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。 20 世纪 7080 年代为第二阶段,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。大规模、超大规模集成电路和微型 计算机的迅猛发展,为机电一体化的发展提供了充分的物质基础。这个时期的特点是:机电一 2 体化技术和产品得到了极大发展,mechatronics 一词首先在日本被普遍接受,日本企业界在 1970 年左右最早提出/机电一体化技术 0 这一概念,当时他们取名为/mechatronics0,即结合应 用机械技术和电子技术于一体。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,成为一门综合计算机与信息技术、自动控制技术、传感检测技术、伺服 传动技术和机械技术等交叉的系统技术,目前正向光机电一体化技术(opto-mechatronics)方 向发展,应用范围愈来愈广。大约到 20 世纪 80 年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认, 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 入深入发展时期。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 化中崭露头脚,出现了光机电一体化和微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发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 了发展的广阔天地。 这些研究将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科 学体系。 我国是从 20 世纪 80 年代初才开始在这方面研究和应用。 国务院成立了机电一体化领导 小组并将该技术列为/863 计划 0 中。 在制定/九五 0 规划和 2010 年发展纲要时充分考虑了国 际上关于机电一体化技术的发展动向和由此可能带来的影响。 许多大专院校、 研究机构及一 些大中型企业对这一技术的发展及应用做了大量的工作,取得了一定成果,但与日本等先进国 家相比仍有相当差距。 3 机电一体化技术机电一体化技术 机电一体化技术具体包括以下内容。 3. 1 机械技术 机械技术是机电一体化的基础,机械技术的着眼点在于如何与机电一体化技术相适应,利 用其它高、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、提高刚度及改善性能的要求。在机电一体化系统制造过程中,经典的机械理 论与工艺应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。 3. 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. 3 系统技术 系统技术即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标出发,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。 3. 4 自动控制技术 其范围很广,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 括如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿、再现、检索等。 3. 5 传感检测技术 传感检测技术是系统的感受器官,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。 3. 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,伺服系统是实现电信号到机械动作的转 3 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的影响。 机电一体化产品分系统(整机)和基础元、部件两大类。典型的机电一体化系统有:数控机 床、机器人、汽车电子化产品、智能化仪器仪表、电子排版印刷系统、cad/cam 系统等。 典型的机电一体化元、部件有:电力电子器件及装置、可编程序控制器、模糊控制器、微型 电机、传感器、专用集成电路、伺服机构等。 4 机电一体化的控制原理机电一体化的控制原理及及产品产品的主要的主要特点特点 4.1 机电一体化的控制原理 机电一体化最典型的代表是电脑控制一个机器,控制其运动,那么电脑发出的电子信号是 怎样被机械识别然后产生运动的?要使机械运动,就现代工业而言,一般是由电动机进行拖动。 要控制电动机工作(包括:起动、停止、调速和制动),一般需要采用接触器或电子元件(如晶闸 管-也叫做可控硅、晶体管等)对电动机的电路通断进行控制。接触器要控制电动机电路的通 断,主要是控制其线圈的电源(接触器的线圈通电,其触头改变状态-原来闭合的变成断开,原来 断开的变成闭合)。计算机输出的信号一般不能用来控制接触器的工作(因为容量太小),需要 通过继电器或其它元件对控制信号进行功率放大,放大后的信号就可控制接触器线圈的通电 与断电,从而控制电动机的工作与停止。采用继电器、接触器控制的电路系统,一般称为有触 点的控制系统,是较早期采用的控制方案,目前仍具有相当广泛的应用。 现在的控制系统很多采用晶闸管(可控硅)、晶体管等作为控制元件,称为无触点控制系 统。计算机输出的信号同样需要进行功率放大,然后控制晶闸管或大功率晶体管,晶闸管或大 功率晶体管允许通过的电流较大(目前可达几千安培),能够承受的电压也很高。 通过控制信号 控制晶闸管或大功率晶体管,就可使晶闸管或大功率晶体管接通或断开电动机的主电路,从而 控制电动机工作。 4.2 机电一体化产品的主要优点 1)具有记忆、运算、控制、信息处理等功能。从而达到产品的高性能、多功能化和智能 化。 2)结构简化。使产品向着轻、薄、细、巧的方向迅速发展,易采用标准化、模块化的方 法进行设计、制造。 3)可以根据负荷及运行情况进行调整与控制。具有节能的特点。 4)具有自动监视、诊断功能及某些智能,使安全可靠性大幅度提高。 4.2.1 广义执行机构子系统 传统的传动和执行机构系统均由刚性物件组成的形形色色机构组合来完成,它的最大问 题是缺乏可控性。广义执行机构是将驱动元件与执行件(或执行机构)融为一体,实现可控运 动。因此广义执行机构是实现机械运动和动力变换及传递的功能载体,从实现功能来看它与 传统的传动、执行机构没有不同。 驱动元件种类繁多,如电机(包括步进电机、伺服电机、变频电机等等),液压、气动马达 和动作缸、弹性元件、电磁铁、光能马达、形状记忆合金等等。驱动元件的多样性可使机电 一体化系统得到更加有效工作。执行件可以是单一构件,也可以为传统机构中的输出件。 驱动元件与执行件(或执行机构)的集成应用使机电一体化系统更加有效地工作。例如步 进电机可直接控制执行件实现可控的步进运动;又如伺服电机与执行件集成可以实现可控的 复杂多变的运动;还有伺服电机与执行机构集成实现各种可控运动,使机构系统运动更具柔 性。 表 1 表示广义机构的分类情况。 4.2.2 检测传感子系统 检测传感器是实现物理量的检测和信号采集的功能载体。 它是连接广义执行子系统的中 4 间纽带。我们可以按照所测的物理量及所需精度来进行选用。 表 2 表示机电一体化系统中常用传感器的型式和用途 4.2.3 信息处理及控制子系统 信息处理及控制子系统是由检测传感器提供信息,根据工艺动作过程及控制策略而实施 对广义执行机构的控制。控制的实现应按广义执行机构的运动学模型、动力学模型来进行。 它是由电子计算机和软件具体实施的。信息处理及控制子系统是实现现代机械系统智能化、 自动化的关键。只要驱动元件与执行机构系统的模型建立好,信息处理及控制系统的构思和 设计就比较容易了。 广义机构的分类广义机构的分类 运动形式运动形式 集成类型集成类型 特特 点点 应应 用用 不可控 定速电机+机构 动和执行运动特性 取决于机构形式的 尺度 各种传统的机构 可控 可控电机+机构 传动和执行运动特 性取决于机构型式、 尺寸及可控程序 各种复杂、 可调的运 动和动作 可控电机+执行件 传动和执行运动特 性取决于可控程序 实现可调的运动和 动作 弹性元件+执行件 传动和执行运动特 性取决于弹性元件 特性 实现与时间相关的 运动 电磁铁+执行件 传动和执行运动特 性取决于电磁铁特 性 实现与时间相关的 运动 光电马达+执行件 传动和执行运动特 性取决于光电池性 能 实现定时动作 形状记忆合金+执行 件 传动和执行运动特 性取决于形状记忆 合金性能 实现定时运动 表 1 机电一体化系统中的常用传感器机电一体化系统中的常用传感器 传感器种类传感器种类 应应 用用 工工 作作 原原 理理 位置传感器 用于检测运动执行件所处的 位置 磁电式、电感式、电容式、射线式、超 声波、微波 位移传感器 用于检测运动执行件运动的 位移 电阻式、电感式、压电式、电容式、光 电式 速度传感器 用于检测运动执行件的运动 速度 磁电式 角速度传感器 用于检测运动执行件的回转磁电式、压电式、光电式、陀螺式 5 运动部分的角速度 加速度传感器 用于检测运动执行件运动的 加速度 电阻式、压电式、电容式、光电式、谐 振式、力平衡式 力矩传感器 用于检测运动执行件的力矩 电阻式、电感式、磁电式、谐振式 温度传感器 用于检测温度 光电式、热电式、压电式 表 2 5 机电一体化技术的主要应用领域机电一体化技术的主要应用领域 5.1 数控机床 数控机床及相应的数控技术经过 40 年的发展，在结构、功能、操作和控制精度上都有 迅速提高，具体表现在： 1) 总线式、模块化、紧凑型的结构，即采用多 cpu、多主总线的体系结构。 2) 开放性设计，即硬件体系结构和功能模块具有层次性、兼容性、符合接口标准，能 最大限度地提高用户的使用效益。 3) wop 技术和智能化。系统能提供面向车间的编程技术和实现二、三维加工过程的动 态仿真，并引入在线诊断、模糊控制等智能机制。 4) 大容量存储器的应用和软件的模块化设计， 不仅丰富了数控功能， 同时也加强了 cnc 系统的控制功能。 5) 能实现多过程、多通道控制，即具有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。 6) 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。 7) 以单板、单片机作为控制机，加上专用芯片及模板组成结构紧凑的数控装置。 5.2 计算机集成制造系统(cims) cims 的实现不是现有各分散系统的简单组合，而是全局动态最优综合。它打破原有部 门之间的界线，以制造为基干来控制“物流”和“信息流” ，实现从经营决策、产品开发、 生产准备、 生产实验到生产经营管理的有机结合。 企业集成度的提高可以使各种生产要素之 间的配置得到更好的优化，各种生产要素的潜力可以得到更大的发挥。 5.3 柔性制造系统(fms) 柔性制造系统是计算机化的制造系统，主要由计算机、数控机床、机器人、料盘、自动 搬运小车和自动化仓库等组成。它可以随机地、实时地、按量地按照装配部门的要求，生产 其能力范围内的任何工件，特别适于多品种、中小批量、设计更改频繁的离散零件的批量生 产。 5.4 工业机器人 第 1 代机器人亦称示教再现机器人，它们只能根据示教进行重复运动，对工作环境和 作业对象的变化缺乏适应性和灵活性；第 2 代机器人带有各种先进的传感元件，能获取作 业环境和操作对象的简单信息，通过计算机处理、分析，做出一定的判断，对动作进行反馈 控制，表现出低级智能，以开始走向实用化；第 3 代机器人即智能机器人，具有多种感知 功能，可进行复杂的逻辑思维、判断和决策，在作业环境中独立行动，与第 5 代计算机关系 密切。 6 机电一体化的发展趋势机电一体化的发展趋势 机电一体化是机械、电子、光学、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、绿色化和系统化。 6 6. 1 数字化 微控制器及其发展奠定了机电产品数字化的基础,如不断发展的数控机床和机器,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。 6. 2 智能化 智能化是 21 世纪机电一体化技术发展的一个重要方向。人工智能在机电一体化中的研 究日益得到重视,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。机器人与数控机床的智能化就是重要应用。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发展, 为机电一体化技术发展开辟了广阔天地。这里所说的/智能化 0 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。然而,使机电一体化产品具有与人完全相同的智能是不可能的,也 是不必要的。但是,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。 6. 3 模块化 模块化是一项重要而艰巨的工程。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是一项十分复 杂但又是非常重要的事。如研制集减速、智能调速、电机于一体的动力单元,具有视觉、图 像处理、识别和测距等功能的控制单元,以及各种能完成典型操作的机械装置。这样,可利用 标准单元迅速开发出新产品,同时也可以扩大生产规模。这需要制定各项标准,以便各部件、 单元的匹配和接口。由于利益冲突,近期很难制定国际或国内这方面的标准,但可以通过组建 一些大企业逐渐形成。 显然,从电气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定,无论是对生产标准机电一体化 单元的企业还是对生产机电一体化产品的企业,模块化将给机电一体化企业带来美好的前 程。 6. 4 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。 网络技术的兴起和飞速发展给科 学技术、工业生产、政治、军事、教育及日常生活都带来了巨大的变革。各种网络将全球经 济、生产连成一片,企业间的竞争也将全球化。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。现场总线和局域网技术使家用电器网络化已成大势,利用家庭网 络(homenet)将各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电系统(computer integrated appliance system, cias),使人们在家里分享各种高技术带来的便利与快乐。因此,机 电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。 6. 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. 6 微型化 微型化兴起于 20 世纪 80 年代末,指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。 7 国外称其为微电子机械系统(micro electronic mechanicalsystems,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。 泛指几何尺寸不超过 1cm3 的机电一体化产品,并向微米、 纳米 级发展。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。 自 1986 年美国斯坦福大研 制出第一个医用微探针和 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)和各种微构件(微膜、微粱、 微探针、微连杆、微齿轮、微轴承、微泵、微弹簧以及微机器人等)。 6. 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若干层次,使系统功 能分散,并使各部分协调而又安全地运转,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。 6. 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必要补充。 6. 9 绿色化 工业的发达给人们生活带来了巨大变化。 一方面,物质丰富,生活舒适;另一方面,资源减少, 生态环境受到严重污染。于是,人们呼吁保护环境资源,回归自然。绿色产品概念在这种呼声 下应运而生,绿色化是时代的趋势。绿色产品在其设计、制造、使用和销毁的生命过程中,符 合特定的环境保护和人类健康的要求,对生态环境无害或危害极少,资源利用率极高。设计绿 色的机电一体化产品,具有远大的发展前途。机电一体化产品的绿色化主要是指使用时不污 染生态环境,产品寿命结束时产品可分解和再生利用。 6. 10 系统化 系统化的表现特征之一就是系统体系结构进步采用开放式和模式化的总线结构。 系统可 以灵活组态,进行任意剪裁和组合,同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。表现之二是 通信功能的大大加强,一般除 rs232 外,还有 rs485、dcs 人格化。未来的机电一体化更加注 重产品与人的关系,机电一体化的人格化有两层含义。一层是机电一体化产品的最终使用对 象是人,如何赋予机电一体化产品人的智能、情感、人性显得越来越重要,特别是对家用机器 人,其高层境界就是人机一体化。另一层是模仿生物机理,研制各种机电一体化产品。事实上, 许多机电一体化产品都是受动物的启发研制出来的。 7 我国机电一体化的水平我国机电一体化的水平的的提高提高 7.1 加强基础研究 机电一体化涉及的学科领域很广,是一门独立的综合性、交叉学科,与各种基础理论和专 业技术息息相关，它的发展依赖于很多科学技术的进