淺析機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展

淺析機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展

摘要機(jī)電一體化技術(shù)指的是機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合，這項(xiàng)技術(shù)

目前被廣泛應(yīng)用于各大行業(yè)，機(jī)電一體化技術(shù)具有提高產(chǎn)品性能、提高產(chǎn)品的制造水平等優(yōu)

點(diǎn)。筆者對(duì)機(jī)電一體化從技術(shù)的概論、基本結(jié)構(gòu)要素、技術(shù)優(yōu)點(diǎn)、發(fā)展階段、具體應(yīng)用到發(fā)

展趨勢(shì)及對(duì)社會(huì)的影響幾個(gè)方面全面、細(xì)致的對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)做了簡述。

關(guān)鍵字機(jī)電一體化應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)

一、機(jī)電一體化概論

機(jī)電一體化技術(shù)是建立在機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)、傳感器與檢測(cè)技術(shù)、

自動(dòng)控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)以及系統(tǒng)總體技術(shù)等高新技術(shù)群體基礎(chǔ)之上的一種

高新技術(shù)，是包括技術(shù)基礎(chǔ)，技術(shù)原理在內(nèi)的、使機(jī)電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)、使用和

發(fā)展的技術(shù)。

隨著生產(chǎn)和技術(shù)的發(fā)展，在以機(jī)械、電子技術(shù)為主的多門技術(shù)學(xué)科相互滲透、相互結(jié)合過程

中逐漸形成和發(fā)展起來的一門新興邊緣技術(shù)學(xué)科。它包含機(jī)電一體化技術(shù)和機(jī)電一體化產(chǎn)品

兩方面的內(nèi)容。機(jī)電一體化技術(shù)順應(yīng)了當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的規(guī)律，顯示了強(qiáng)大的生命力。機(jī)

電一體化將機(jī)械與電子技術(shù)融為一體，使物流、能流、信息流融為一體。計(jì)算機(jī)技術(shù)與液壓

控制有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了液壓支架定壓雙向鄰架或成組自動(dòng)移架，避免對(duì)頂板和支架產(chǎn)生沖擊

載荷。此外，引進(jìn)的工作面供電設(shè)備采用了微機(jī)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)故障查詢、閉鎖、先導(dǎo)保護(hù)

和控制功能，也是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。煤礦運(yùn)輸設(shè)備的機(jī)電一體化進(jìn)程也十分迅速，

近幾年來，引進(jìn)的電液控制軟啟動(dòng)在帶式輸送機(jī)上的應(yīng)用達(dá)到很高水平，它利用計(jì)算機(jī)與液

壓技術(shù)相結(jié)合，不僅具有良好的啟動(dòng)、停車、調(diào)速和功率平衡等功能，而且能監(jiān)測(cè)設(shè)備各部

分的工況，對(duì)不正常狀態(tài)進(jìn)行保護(hù)，顯示故障類型。礦井提升機(jī)是煤礦實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化水平

最高的大型設(shè)備，全數(shù)字化交、直流提升機(jī)，尤其是內(nèi)裝式提升機(jī)從結(jié)構(gòu)上將滾筒和驅(qū)動(dòng)合

為一個(gè)整體，機(jī)械結(jié)構(gòu)大大簡化。

二、機(jī)電一體化基本結(jié)構(gòu)要素

（一）機(jī)械本體部分

機(jī)械本體就像人體的身軀骨架，它是系統(tǒng)所有功能元素的機(jī)械支持結(jié)構(gòu)包括機(jī)身框架機(jī)械連

接等。

（二）動(dòng)力部分

動(dòng)力部分與人體內(nèi)臟產(chǎn)生能量去維持生命運(yùn)動(dòng)一樣為系統(tǒng)提供能量和動(dòng)力功能，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)

構(gòu)使系統(tǒng)按照控制要求正常運(yùn)行。

（三）傳感部分

傳感部分就像人的眼鼻耳口等感覺器官，將系統(tǒng)運(yùn)行中所需要的本身和外界環(huán)境的各種參數(shù)

及狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)變成可識(shí)別的信號(hào)傳輸?shù)叫畔⑻幚韱卧?，?jīng)過分析處理后產(chǎn)生相應(yīng)的控制信

息；其功能一般由專門的傳感器和儀器儀表完成。

（四）執(zhí)行部分

執(zhí)行部分如同人的四肢由大腦支配完成各項(xiàng)工作任務(wù)一樣，根據(jù)控制信息和指令完成各種動(dòng)

作和功能；執(zhí)行機(jī)構(gòu)是運(yùn)動(dòng)部件一般采用機(jī)械電磁電液等機(jī)構(gòu)。

（五）控制及信息處理部分

控制及信息處理部分猶如人的大腦指揮和控制全身運(yùn)動(dòng)并能記憶思考和判斷問題一樣，將來

自各傳感器的檢測(cè)信息集中存儲(chǔ)分析加工并根據(jù)信息處理的結(jié)果按照一定的程序和節(jié)奏發(fā)

出相應(yīng)的指令控制整個(gè)系統(tǒng)有目的的運(yùn)行；它一般由計(jì)算機(jī)可編程序控制器數(shù)控裝置以及邏

輯電路A/D與D/A轉(zhuǎn)換I/O輸入輸出接口和計(jì)算機(jī)外部設(shè)備等組成。

三、機(jī)電一體化技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

（一）高安全性能

機(jī)電一體化產(chǎn)品在很多領(lǐng)域具有較強(qiáng)的功能，其中包括有監(jiān)視、報(bào)警、自動(dòng)保護(hù)等方面工作

中發(fā)生一些電力故障的時(shí)候，機(jī)電一體化產(chǎn)品能夠自動(dòng)啟動(dòng)保護(hù)措施，使人和設(shè)備的損害降

到最低，提高了使用設(shè)備的安全性能。

（二）高生產(chǎn)能力

機(jī)電一體化產(chǎn)品自動(dòng)處理信息和自動(dòng)控制能力很強(qiáng)，在控制和檢測(cè)方面的靈敏度和精度等都

很高。機(jī)電一體化產(chǎn)品有自身的控制系統(tǒng)，通過啟動(dòng)這個(gè)系統(tǒng)可以使機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照設(shè)計(jì)

的要求完成動(dòng)作，可以保證工作完成的質(zhì)量和產(chǎn)品的高合格率。機(jī)電一體化產(chǎn)品的生產(chǎn)能力

也隨著自動(dòng)化的成功實(shí)現(xiàn)得以提高。

（三）高使用性能

機(jī)電一體化產(chǎn)品采用了數(shù)字顯示和程序控制，這使得手柄和按鈕的數(shù)量得到很大程度的減

少，方便了操作過程。機(jī)電一體化產(chǎn)品可以重復(fù)大量的動(dòng)作，更先進(jìn)的產(chǎn)品還能夠篩選工作

程序。

（四）高適用范圍

機(jī)電一體化產(chǎn)品具有復(fù)合技術(shù)和功能不具有單技術(shù)、單功能的局限性，這使得機(jī)電體化產(chǎn)品

的功能得到很大提高，也深化了自動(dòng)化的程度。機(jī)電一體化產(chǎn)品具有的自動(dòng)和智能功能可以

輕松應(yīng)對(duì)用戶的需求。

（五）高可靠運(yùn)維

程度的控制可以對(duì)安裝調(diào)試機(jī)電一體化產(chǎn)品，在其控制系統(tǒng)中輸人控制程序就可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)

行調(diào)控了，這樣就不用改變產(chǎn)品的零件或者哪一個(gè)部件了。機(jī)電一體化產(chǎn)品還能夠?qū)ぷ髦?/p>

的故障自動(dòng)進(jìn)行檢驗(yàn)和監(jiān)視等，并且可以自動(dòng)采取應(yīng)對(duì)措施。工作對(duì)象不同時(shí)，具有存儲(chǔ)功

能的機(jī)電一體化產(chǎn)品可以根據(jù)存儲(chǔ)的執(zhí)行程序自動(dòng)工作。

四、機(jī)電—體化的發(fā)展階段

機(jī)電一體化的發(fā)展20世紀(jì)60年代以前為第一階段，這一階段稱為初級(jí)階段。在這一時(shí)期，

人們自覺不自覺地利用電于技術(shù)的初步成果來完善機(jī)械產(chǎn)品的性能。特別是在第二次世界大

戰(zhàn)期間，戰(zhàn)爭(zhēng)刺激了機(jī)械產(chǎn)品與電子技術(shù)的結(jié)合，這些機(jī)電結(jié)合的軍用技術(shù)，戰(zhàn)后轉(zhuǎn)為民用，

對(duì)戰(zhàn)后經(jīng)濟(jì)的恢復(fù)起了積極的作用。那時(shí)研制和開發(fā)從總體上看還處于自發(fā)狀態(tài)。由于當(dāng)時(shí)

電子技術(shù)的發(fā)展尚未達(dá)到一定水平，機(jī)械拄術(shù)與電子技術(shù)的結(jié)合還不可廣泛和深入發(fā)展，已

經(jīng)開發(fā)的產(chǎn)品也無法大推廣。20世紀(jì)70至80年代為第二階段，可稱為蓬勃發(fā)展階段。這

一時(shí)期，計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，為機(jī)電一體化的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路和微型計(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)展，為機(jī)電一體化的發(fā)展提供了充分的物

質(zhì)基礎(chǔ)。20世紀(jì)90年代后期，開始了機(jī)電一體化技術(shù)向智能化方向邁進(jìn)的新階段，機(jī)電

一體化深入發(fā)展時(shí)期。一方面光學(xué)、通信技術(shù)等進(jìn)入了機(jī)電一體化，微細(xì)加工技術(shù)也在機(jī)電

一體化中嶄露頭腳，出現(xiàn)了光機(jī)電一體化、微機(jī)電一體化等新分支；另一方面對(duì)機(jī)電一體化

系統(tǒng)的建設(shè)、分析和集成方法，機(jī)電一體化的學(xué)科體系和發(fā)展趨勢(shì)都進(jìn)行了深入研究，同時(shí)，

由于人工智能技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及光纖技術(shù)等領(lǐng)域取得的巨大進(jìn)步，為機(jī)電一體化技術(shù)開

辟了發(fā)展的廣闊天地。這些研究，將促使機(jī)電一體化進(jìn)一步建立完整的基礎(chǔ)和逐步形成完整

的科學(xué)體系。我國是從20世紀(jì)80年代初才開始在這方面研究和應(yīng)用，經(jīng)過十多年的發(fā)展

取得了重大進(jìn)展，但從總體上看，離國民經(jīng)濟(jì)對(duì)先進(jìn)技術(shù)的要求還有相當(dāng)距離。

五、機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用

（一）現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)的應(yīng)用

傳統(tǒng)機(jī)械制造業(yè)是建立在規(guī)模經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)上，靠企業(yè)規(guī)模、生產(chǎn)批量、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和重復(fù)性來

獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的，它強(qiáng)調(diào)資源的有效利用，以低成本獲得高質(zhì)量和高效率，其生產(chǎn)盈利是靠

機(jī)器取代人力，靠復(fù)雜的專業(yè)加工取代人的技能來獲取的。先進(jìn)的機(jī)械制造業(yè)是以信息為主

導(dǎo)，采用先進(jìn)生產(chǎn)模式、先進(jìn)制造系統(tǒng)、先進(jìn)制造技術(shù)和先進(jìn)組織管理形式的全新的機(jī)械制

造業(yè)，其特征是全球化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化、智能化以及環(huán)保協(xié)調(diào)的綠色制造?，F(xiàn)代制造業(yè)集

成了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，充分利用電子計(jì)算機(jī)技術(shù)，使制造技術(shù)提高到新的高度。近年

來．制造工程領(lǐng)域的新技術(shù)相繼誕生。如計(jì)算機(jī)數(shù)字控制、現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)、柔性制造技

術(shù)、敏捷制造、虛擬制造、并行工程等。

（二）在飲料行業(yè)中的應(yīng)用

機(jī)電一體化技術(shù)是當(dāng)今發(fā)展最快、應(yīng)用前景最為廣泛的技術(shù)之一。機(jī)電一體化技術(shù)在食品、

飲料包裝機(jī)械的開發(fā)、設(shè)計(jì)和制造過程中的應(yīng)用。不僅使單機(jī)的自動(dòng)化程度大大提高．而且

使整條包裝生產(chǎn)線的自動(dòng)化控制水平、生產(chǎn)能力得到很大提高，使其競(jìng)爭(zhēng)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)

的機(jī)械控制的同類設(shè)備?？梢源蟠蟾纳剖称凤嬃习b生產(chǎn)設(shè)備產(chǎn)品的質(zhì)量，提高其國內(nèi)、國

際競(jìng)爭(zhēng)能力。

（三）計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)

CIMS的實(shí)現(xiàn)不是現(xiàn)有各分散系統(tǒng)的簡單組合，而是全局動(dòng)態(tài)最優(yōu)綜合，它打破原有部門之

間的界線，以制造為基干來控制物流和信息流實(shí)現(xiàn)。從經(jīng)營決策產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)準(zhǔn)備、生產(chǎn)

實(shí)驗(yàn)到生產(chǎn)經(jīng)營管理的有機(jī)結(jié)合，企業(yè)集成度的提高可以使各種生產(chǎn)要素之間的配置得到更

好的優(yōu)化，各種生產(chǎn)要素的潛力可以得到更大的發(fā)揮。

（四）工業(yè)機(jī)器人

第1代機(jī)器人，它們只能根據(jù)示教進(jìn)行重復(fù)運(yùn)動(dòng)對(duì)工作環(huán)境和作業(yè)對(duì)象的變化缺乏適應(yīng)性

和靈活性。第2代機(jī)器人帶有各種先進(jìn)的傳感元件能獲取作業(yè)環(huán)境和操作對(duì)象的簡單信息，

通過計(jì)算機(jī)處理分析做出一定的判斷，對(duì)動(dòng)作進(jìn)行反饋控制表現(xiàn)出低級(jí)智能，開始走向?qū)嵱?/p>

化。第3代機(jī)器人即智能機(jī)器人具有多種感知功能，可進(jìn)行復(fù)雜的邏輯思維判斷和決策在

作業(yè)環(huán)境中獨(dú)立行動(dòng)與第4代計(jì)算機(jī)關(guān)系密切。

六、機(jī)電一體化發(fā)展趨勢(shì)

（一）智能化發(fā)展

自動(dòng)化就是設(shè)計(jì)時(shí)已按需要輸入特定功能的程序，使用時(shí)只需要人們起動(dòng)后就能定時(shí)或行程

中自動(dòng)感應(yīng)信號(hào)就能自動(dòng)完成整個(gè)加工或生產(chǎn)程序。智能化要求機(jī)電產(chǎn)品有一定的智能，使

它具有類似人的邏輯思考、判斷推理、自主決策等能力。

（二）人性化發(fā)展

機(jī)電一體化產(chǎn)品要有完善的功能，色彩、造型等方面與環(huán)境也要協(xié)調(diào)，讓人們?cè)谑褂弥懈械?/p>

更簡單、更方便、更自然、更接近人們的生活習(xí)慣。所以機(jī)電一體化產(chǎn)品人性化是必然發(fā)展

方向。

（三）數(shù)字化發(fā)展

微控制器和接口技術(shù)的發(fā)展為機(jī)電產(chǎn)品數(shù)字化奠定了基礎(chǔ)，如不斷發(fā)展的數(shù)控機(jī)床和機(jī)器

人；計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的迅速崛起也為數(shù)字化設(shè)計(jì)、控制技術(shù)和制造技術(shù)鋪平了道路，如虛擬設(shè)計(jì)、

計(jì)算機(jī)集成制造等。數(shù)字化要求機(jī)電一體化產(chǎn)品的軟件具有環(huán)保性、高可靠性、通用性、易

操作性、可維護(hù)性、自診斷能力以及友好人機(jī)對(duì)話界面。

（四）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)化發(fā)展

機(jī)電一體化產(chǎn)品必須朝網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的興起普及和飛速發(fā)展，促使網(wǎng)絡(luò)的

各種遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視技術(shù)興起實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)化的表現(xiàn)特征之一就是系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)一步采用開

放式和模式化的總線結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)可以靈活組態(tài)，進(jìn)行任意剪裁和組合，同時(shí)尋求實(shí)現(xiàn)多子系

統(tǒng)協(xié)調(diào)控制和綜合管理。

（五）綠色自源化發(fā)展

在物質(zhì)極大豐富的同時(shí)也出現(xiàn)亂開亂伐資源和資源浪費(fèi)的現(xiàn)象，帶來了資源減少、生態(tài)環(huán)境

惡化的嚴(yán)重后果。自源化是指機(jī)電一體化產(chǎn)品自身帶有能源，運(yùn)動(dòng)的機(jī)電一體化產(chǎn)品在許多

場(chǎng)合沒有電源就無法使用電能，自帶動(dòng)力源具有獨(dú)特的優(yōu)越性。

（六）微型模塊化發(fā)展

微機(jī)電系統(tǒng)是指可批量制作的，集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理器和控

制電路，直至接口、通信和電源等于一體的微型器件和系統(tǒng)。它們具有耗能少、體積小、運(yùn)

動(dòng)靈活，在生物醫(yī)療、信息等方面有很大的優(yōu)勢(shì)。機(jī)電一體化產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠家繁多，研

制和開發(fā)具有標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口、動(dòng)力接口、環(huán)境接口的機(jī)電一體化產(chǎn)品單元模塊是一項(xiàng)復(fù)雜而

具有遠(yuǎn)大前途的工作。研制有集減速單元、變頻調(diào)速電機(jī)一體的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)單元；有視覺、有

圖像處理、有識(shí)別能一體化、控制單元、有測(cè)距功能的機(jī)電一體控制單元等。

七、對(duì)社會(huì)的影響

（一）加快機(jī)電工業(yè)趕超國際水平的步伐

我國機(jī)械制造工此和裝備工業(yè)的總體水平與國外相比差距明顯，主要機(jī)械產(chǎn)品中達(dá)到當(dāng)代世

界先進(jìn)水平的所占比例很小，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不能滿足市場(chǎng)需求變化。一些低檔次普通機(jī)電產(chǎn)品嚴(yán)

重積壓，生產(chǎn)能力過剩，而市場(chǎng)急需的機(jī)電一體化技術(shù)裝備和產(chǎn)品嚴(yán)重短缺，不得不長期依

賴進(jìn)口。機(jī)電一體化技術(shù)產(chǎn)業(yè)以其特有的技術(shù)帶動(dòng)性、融合性和廣泛適用性成為高新技術(shù)產(chǎn)

業(yè)中的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，將成為新世紀(jì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱。當(dāng)今世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技

術(shù)，以提高制造能力和水平，提高對(duì)動(dòng)態(tài)多變市場(chǎng)約適應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力。大力發(fā)展以數(shù)控

技術(shù)為核心的先進(jìn)制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達(dá)國家加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高綜合國力和國家地位

的重要途徑。

（二）加速改善我國的出口產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

加入WTO后，國內(nèi)市場(chǎng)的“保護(hù)圍墻”被拆掉，發(fā)達(dá)國家首先輸人的就是這些深加工、精

加工，高附加值的高新技術(shù)機(jī)電產(chǎn)品，如計(jì)算機(jī)、錄像機(jī)、復(fù)印機(jī)、汽車，摩托車、數(shù)控機(jī)

床、廣播電視設(shè)備，通信設(shè)備、自動(dòng)化精密印刷機(jī)械、精密加工機(jī)械，工業(yè)用各種控制儀表、

自動(dòng)化儀表、照相機(jī)等。從我國機(jī)電行業(yè)的現(xiàn)狀看，正在興起的確新技術(shù)產(chǎn)品具備與國外同

類先進(jìn)產(chǎn)品抗衡的能力。用機(jī)電一體化技術(shù)提高機(jī)械制造、電器設(shè)備，輕工、紡織等行業(yè)的

素質(zhì)，可以生產(chǎn)出質(zhì)置優(yōu)良，品種多樣的產(chǎn)品投放國際市場(chǎng)，機(jī)電一體化產(chǎn)品知識(shí)密集、技

術(shù)密集，在國際市場(chǎng)上具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，創(chuàng)匯效益高。

（三）增強(qiáng)企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營能力

機(jī)電一體化以其本身特有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)迅速改變現(xiàn)代制造生產(chǎn)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)裝備結(jié)構(gòu)，促

進(jìn)經(jīng)營管理體制發(fā)生根本性的變化，使生產(chǎn)方式具有柔性。機(jī)電一體化產(chǎn)品的技