机电一体化文献综述

机电一体化系统设计文献综述

摘要：机电一体化是一种复合技术,是机械技术与微电子技术、信息技术互相渗透的产物,是现代科学技术发展的必然结果。作为发展中国家，我国与发达国家相比工业技术水平存在一定差距，但有广阔的机电一体化应用空间。纵观国内外机电一体化的发展现状和高新技术的发展动向,机电一体化集机械、电子、光学、控制、计算机和信息等多学科的交叉融合于一体，其发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。机电一体化技术是多学科技术领域综合交叉，用以解决综合性工程问题的技术，能设计出更好的机电一体化系统或设备。机电一体化产品具有高的功能水平和附加值，给开发生产者和用户带来社会经济效益。

关键词：机电一体化发展技术

一、机电一体化涵义[1]

机电一体化是机械技术、微电子技术和信息技术等相关技术有机结合的一种新形式，是微电子技术向机械技术领域渗透的过程中逐渐形成的一个新概念。“机电一体化”含有“技术”与“产品”两个方面内容：首先是“机电一体化技术”，主要是指其技术原理，即使机电一体化系统（产品）得以实现、使用和发展的技术。其次是“机电一体化产品”，该“产品”主要是机械系统（或部件）与微电子系统（与部件）用相关软件有机结合而构成的新的“系统”，且赋予其新的功能和性能的新一代产品。

二、机电一体化发展阶段[2]

机电一体化技术的发展大体上可分为三个阶段：

20世纪60年代以前为第一阶段，也可称为“萌芽阶段”。在这一阶段，由于电子技术的迅速发展，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70至80年代为第二阶段，可称为“蓬勃发展阶段”。在这一阶段，人们自觉地、主动地利用新技术的巨大成果创造新的机电一体化产品。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。

20世纪90年代后期，称为“智能化阶段”，开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段。人工智能技术及网络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得到新天地。

中国是从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”中。在制定“九五”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，已经取得了一定成果，但与日本等先进国家相比仍有相当差距。

三、机电一体化发展趋势[3]

纵观国内外机电一体化的发展现状和高新技术的发展动向,机电一体化集机械、电子、光学、控制、计算机和信息等多学科的交叉融合于一体，其发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。因此，机电一体化将朝着以下几个方向发展：

1、智能化

智能化是对机器行为的描述，是在控制理论基础上，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，是21世纪机电一体化发展的一个重要发展方向，。近几年,处理器速度的提高和微机的高性能化、传感器系统的集成化与智能化为嵌入智能控制算法创造了条件,有力地推动着机电一体化产品向智能化方向发展。

2、模块化

模块化也是机电一体化产品的一个发展趋势,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、信息接口的机电一体化产品单元是一项复杂而重要的事,它需要制订一系列标准,以便各部件、单元的匹配和接口。机电一体化产品生产企业可利用标准单元迅速开发新产品,同时也可以不断扩大生产规模。

3、网络化

网络技术的飞速发展对机电一体化有重大影响,使其朝着网络化方向发展。机电一体化产品的种类很多,面向网络的方式也不同。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。

4、微型化

微型机电一体化系统高度融合了微机械技术、微电子技术和软件技术,是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。国外称微电子机械系统的几何尺寸一般不超过1cm 3的集合电一体化产品,并正向微米、纳米级方向发展。由于微机电一体化系统具有体积小、耗能小、运动灵活等特点,可进入一般机械无法进入的空间并易于进行精细操作,故在生物医学、航空航天、信息技术、工农业乃至国防等领域,都有广阔的应用前景。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。

5、绿色化

工业的发达使人们物质丰富、生活舒适的同时也使资源减少,生态环境受到严重污染,于是绿色产品应运而生。绿色化是时代的趋势,其目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期中,对生态环境无危害或危害极小,资源利用率极高。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,报废时能回收利用。绿色制造业是现代制造业的可持续发展模式。

综上所述,机电一体化是众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。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。大力发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代和开辟新领域、发展与振兴机械工业的必由之路。

6、人格化

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；另一层是模仿生物机理，研制各种机电一体化产品。

7、自适应化

机械在启动后，不需要人的干预，就能够自动地完成指定的各项任务，并且在整个过程中能够自动适应所处状态和环境的变化。机械一边适应各项变化，一边作出新的判断，以决定下一步的大动作。

四、机电一体化设计中的技术[4]

机电一体化技术是多学科技术领域综合交叉，用以解决综合性工程问题的技术，能设计出更好的机电一体化系统或设备。机电一体化系统设计中关键技术包含有以下几种:

1、传感器与检测技术

传感器技术是机电一体化的关键性技术。机电一体化系统或产品的柔性化、功能化和智能化都与传感器的品种多少，性能好坏，结构尺寸密切相关。

检测技术在机电一体化系统设计中，应用十分广泛，例如：信号的检测显示，信号的检测控制，信号的检测与控制等。实现实时检测显示与控制作用，可以提高系统的可靠性和安全性。

2、信息处理技术

信息处理技术包括信息输入、识别、变换、运算、存储及输出技术。信号的分析与处理是否准确，可靠、稳定、快速性，直接影响到机电一体化系统或产品的性能，因而也是机电一体化系统设计的关键技术。以微电子技术为基础的微机技术与信号分析处理软件技术的迅速发展极大地丰富了信息处理技术，为机电一体化系统的数字化，提供了良好基础。

3、自动控制技术

自动控制是指在没有人直接的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定的工作规律运行。自动控制技术的广泛应用，在机电一体化系统或产品中起着极为重要的作用。在机电一体化系统设计中，诸如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿、再现、实时控制等自动控制技术是重要的关键技术。

4、伺服驱动技术

伺服系统是实现电信号到机械动作的控制转换系统，对机电一体化系统的动态性能，控制质量和功能具有决定性的影响。交流伺服传动技术为机电一体化系统高精度的驱动单位。

5、接口技术

机电一体化系统是机械、电子和信息等性能不同的技术有机地结合一体的集合系统，其构成单元或子系统之间的接口极其重要。从系统整体看，机电一体化系统是通过许多接口将各组成单元的输入/输出联系为一体的系统。接口技术包括：电路单元匹配、信息传输和计算机输入及软硬件最佳组合、计算机输出信号转换等。因此，系统组成各个单元及各个系统之间的接口性能就成为系统性能好坏的决定性因素。多数机电一体化系统的设计其实就是接口技术设计。

6、机械技术

在机电一体化系统设计中，各种机电产品的结构设计，都需要利用机械设计技术。在机电一体化系统中不但要充分利用传统的机械技术，而且要开发新的机械单元，解决机电一体化系统设计与制造的关键机械技术。

7、机电系统总体技术

机电系统总体技术是以整体目标出发，用系统的观点和方法，把机械与电子的功能在结构上用机电一体化的技术结合。

五、机电一体化的优点和效益[5]

随着机电一体化技术的快速发展，机电一体化产品有逐步取代传统机电产品的趋势，这完全取决于机电一体化技术所存在的优越性和潜在的应用性能。机电一体化产品具有高的功能水平和附加值，给开发生产者和用户带来社会经济效益。

1、生产能力和工作质量提高

机电一体化产品大都具有信息自动处理和自动控制功能，其控制和检测的灵敏度、精度以及范围都有很大程度的提高，通过自动控制系统可精确地保证机械的执行机构按照设计的要求完成预定的动作，使之不受机械操作者的主观因素影响，实现最佳操作，保证最佳工作质量和较高的产品合格率。同时，由于机电一体化产品实现了工作的自动化，使得生产力大大提高。

2、使用安全性和可靠性提高

机电一体化产品一般都具有自动监视、报警、自动诊断、自动保护等功能，由于采用电子元器件，减少了机械产品中的可动构构件和磨损部件，从而使其具有较高的灵敏度和可靠性，产品的故障率低，寿命得到了延长。

3、调整和维护方便，使用性能改善

机电一体化产品在安装调试时，可通过改变控制程序来实现工作方式的改变，以适应不同用户对象的需要以及现场参数变化的需要。机电一体化产品的自动化检验和自动监视功能可对工作过程中出现的故障自动采取措施，使工作恢复正常。由于机电一体化产品普遍采用程序控制和数字显示，操作按钮和手柄数量减少，使得操作大大简化并且方便。

4、具有复合功能，适用面广

基地那一体化产品跳出了机电产品的单技术和单功能限制，具有复合技术和复合功能，使产品的功能水平和自动化程度大大提高。机电一体化产品一般具有自动化控制、自动补偿、自动校正、自动调节、自动保护和智能化等多种功能，能应用于不同的场合和不同的领域，满足用户需求的应变能力较强。

5、改善劳动条件，有利于自动化生产

机电一体化产品自动化程度高，是知识密集型和技术密集型产品，是将人们从繁重体力劳动中解放出来的重要途径，可以加速工厂自动化、办公自动化、农业自动化、交通自动化甚至是家庭自动化，从而可促进我国四个现代化的实现。

6、节约能源，减少耗材

机电一体化产品通过采用低能耗驱动机构，最佳的调节控制，以提高设备的能源利用率，可达到明显的节能效果。同时，由于多种学科的交叉融合，机电一体化系统的许多功能一方面从机械系统转移到了微电子、计算机等系统，另一方面从硬件转移到了软件系统，从而使得机电一体化系统朝着较小型方向发展，减少了材料消耗。

六、结语

回顾过去的20世纪，人类的经济和科学技术发展成果超过了过去所有世纪的总和。传统的学科正在脱胎换骨，新的学科不断问世，技术的融合程度比任何一次技术革命都高。机电一体化技术产生于这一背景之下，自然符合科技发展的规律，也是机械学科发展的必然结果。它使古老的机械工业焕发青春，也对社会的

发展产生着极为深刻的影响。

我国从20世纪80年代初开始进行机电一体化的研究和应用，国务院成立了机电一体化领导小组并将其列为“863计划”。在制定“九五”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。

21世纪仍将是信息革命的时代信息技术是一门十分重要的科学技术，在世界新技术革命中处于核心和先导地位；它不仅作为一项独立的技术而存在，还广泛渗透于其它各个高科技领域，成为它们发展的基本依据和重要手段。

经过几十年的发展，机电一体化技术已经成为当今世界最热门、最重要的技术发展方向之一，并影响到几乎全部的工业行业。在中国十三五规划中占有重要地位，中国2025中国制造将会对机电一体化技术更加更上一层楼。

参考文献

[1] 张建民.机电一体化系统设计(第四版).北京:高等教育出版社。

[2] 吕强.机电一体化原理与应用(第三版).北京：国防工业出版社。

[3] 孙卫青.机电一体化技术(第二版).北京:科学出版社。

[4] 张训文.机电一体化系统设计与应用.北京：北京理工大学出版社。

[5]李建勇.机电一体化技术.北京:科学出版社。