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机电一体化的应用与发展
黄金程
摘要：现代机电一体化是一门综合技术，是机械与微电子技术、信息技术互相渗透融合的产物，是机电工业发展的必然趋势，是现代科学技术的发展极大地推动了不同学科的交叉与渗透，引起了工程领域的技术改造与革命。本文简述了机电一体化技术的基本结构组成和主要应用领域，并提出其发展趋势。
关键词：机电一体化，应用，数控
机电一体化是机械、电子、信息科学三者有机结合形成的机械和微电子复合技术，是在工业产品和过程设计与制造中，机械工程和电子与智能计算机的协同集成。采用这种技术开发机电一体化产品，已成为当今机电领域的新潮流和振兴机电工业的必由之路。推广电子技术对传统产业进行改造，是提高生产和管理技术、促进机电一体化产品的开发、加快产品结构调整的重要措施。因此，世界各国都在大力推广机电一体化技术。
一．机电一体化的核心技术
机电一体化包括软件和硬件两方面技术。硬件是由机械本体、传感器、信息处理单元和驱动单元等部分组成。因此，为加速推进机电一体化的发展，必须从以下几方面着手。
1）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，利用其高、新技术来更新概念，实现结构上、材料上、性能上变更，满足减小重量、缩小体积、提高精度、提高刚度及改善性能要求。现代机械产品一般都是以钢铁材料为主，为了减轻质量除了在结构上加以改进，还应考虑利用非金属复合材料。只有机械本体减轻了重量，才有可能实现驱动系统的小型化，进而在控制方面改善快速响应特性，减少能量消耗，提高效率。
2）计算机与信息技术：机电一体化与微电子学的显著进步、信息处理设备（特别是微型计算机）的普及应用紧密相连。为进一步发展机电一体化，必须提高信息处理设备的可靠性，包括模/ 数转换设备的可靠性和分时处理的输入输出的可靠性，进而提高处理速度，并解决抗干扰及标准化问题。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：即以整体概念组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目标出
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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，是实现系统各部分有机连接的保证。
4）自动控制技术：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。
5）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。
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。电机作为驱动机构已被广采用，但在快速响应和效率等方面还存在一些问题。目前，正在积极发展内部装有编码器的电机以及控制专用组件-传感器-电机三位一体的伺服驱动单元。
二．机电一体化技术的主要应用领域——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．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。
三、机电一体化的主要发展方向世纪90 年代后期，各主要发达国家开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段。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角；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
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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广阔天地。未来机电一体化的主要发展方向有：
1.智能化：所谓智能化系统是指一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，智能化也是是机电一体化与传统机械自动化的主要区别之一，它能进行诸如分析、推理、判断、构思和决策等智能活动，人工智能在机电一体化建设者的研究日益得到重视，机器人与数控机床的智能化就是重要应用。21 世纪机电一体化技术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，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，可以模拟人类智能，具有某种程度的判断推理、逻辑思维和自主决策能力，从而取代制造工程中人的部分脑力劳动，以求得到更高的控制目标。
2.网络化：20 世纪90 年代，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。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。因此，机电一体化产品无疑将朝着网络化方向发展。
3.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，是机电一体化的一个新的发展方向。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。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
4.绿色化：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。而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，报废后能回收利用。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。这是现在机械制造工业中可持续发展的形式。
5.系统化：其特征之一就是系统体系结构进一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。特征之二是通信功能的大大加强，特别是“人格化”发展引人注目，即未来的机电一体化更加注重产品与人的关系当然，机电一体化的发展不是孤立的，与机电一体化相关的技术还有很多，并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，机电一体化技术的发展与应用也将更加广阔。
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机电一体化技术在工程机械中的应用将越来越广泛，地位也越来越重要，设备使用和管理“以人为本”的原则也说明，作为工程施工中工程机械的使用、维修的管理人员，应尽快了解和掌握这门技术，更好地融入科技含量越来越浓厚的现代工程施工中。
参考文献：
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