淺析機電一體化技術應用與發(fā)展

摘要機電一體化技術指的是機械、電子、計算機和自動控制技術相結合，這項技術

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

點。筆者對機電一體化從技術的概論、基本結構要素、技術優(yōu)點、發(fā)展階段、具體應用到發(fā)

展趨勢及對社會的影響幾個方面全面、細致的對機電一體化技術做了簡述。

關鍵字機電一體化應用發(fā)展趨勢

一、機電一體化概論

機電一體化技術是建立在機械技術、微電子技術、計算機與信息技術、傳感器與檢測技術、

自動控制技術、電力電子技術、驅動技術以及系統(tǒng)總體技術等高新技術群體基礎之上的一種

高新技術，是包括技術基礎，技術原理在內的、使機電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)得以實現(xiàn)、使用和

發(fā)展的技術。

隨著生產(chǎn)和技術的發(fā)展，在以機械、電子技術為主的多門技術學科相互滲透、相互結合過程

中逐漸形成和發(fā)展起來的一門新興邊緣技術學科。它包含機電一體化技術和機電一體化產(chǎn)品

兩方面的內容。機電一體化技術順應了當今科學技術發(fā)展的規(guī)律，顯示了強大的生命力。機

電一體化將機械與電子技術融為一體，使物流、能流、信息流融為一體。計算機技術與液壓

控制有機結合，實現(xiàn)了液壓支架定壓雙向鄰架或成組自動移架，避免對頂板和支架產(chǎn)生沖擊

載荷。此外，引進的工作面供電設備采用了微機控制技術，實現(xiàn)故障查詢、閉鎖、先導保護

和控制功能，也是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。煤礦運輸設備的機電一體化進程也十分迅速，

近幾年來，引進的電液控制軟啟動在帶式輸送機上的應用達到很高水平，它利用計算機與液

壓技術相結合，不僅具有良好的啟動、停車、調速和功率平衡等功能，而且能監(jiān)測設備各部

分的工況，對不正常狀態(tài)進行保護，顯示故障類型。礦井提升機是煤礦實現(xiàn)機電一體化水平

最高的大型設備，全數(shù)字化交、直流提升機，尤其是內裝式提升機從結構上將滾筒和驅動合

為一個整體，機械結構大大簡化。

二、機電一體化基本結構要素

（一）機械本體部分

機械本體就像人體的身軀骨架，它是系統(tǒng)所有功能元素的機械支持結構包括機身框架機械連

接等。

（二）動力部分

動力部分與人體內臟產(chǎn)生能量去維持生命運動一樣為系統(tǒng)提供能量和動力功能，驅動執(zhí)行機

構使系統(tǒng)按照控制要求正常運行。

（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)進行檢測變成可識別的信號傳輸?shù)叫畔⑻幚韱卧?，?jīng)過分析處理后產(chǎn)生相應的控制信

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工作任務一樣，根據(jù)控制信息和指令完成各種動

作和功能；執(zhí)行機構是運動部件一般采用機械電磁電液等機構。

（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動并能記憶思考和判斷問題一樣，將來

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

出相應的指令控制整個系統(tǒng)有目的的運行；它一般由計算機可編程序控制器數(shù)控裝置以及邏

輯電路A/D與D/A轉換I/O輸入輸出接口和計算機外部設備等組成。

三、機電一體化技術優(yōu)點

（一）高安全性能

機電一體化產(chǎn)品在很多領域具有較強的功能，其中包括有監(jiān)視、報警、自動保護等方面工作

中發(fā)生一些電力故障的時候，機電一體化產(chǎn)品能夠自動啟動保護措施，使人和設備的損害降

到最低，提高了使用設備的安全性能。

（二）高生產(chǎn)能力

機電一體化產(chǎn)品自動處理信息和自動控制能力很強，在控制和檢測方面的靈敏度和精度等都

很高。機電一體化產(chǎn)品有自身的控制系統(tǒng)，通過啟動這個系統(tǒng)可以使機械執(zhí)行機構按照設計

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

也隨著自動化的成功實現(xiàn)得以提高。

（三）高使用性能

機電一體化產(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。機電一體化產(chǎn)品可以重復大量的動作，更先進的產(chǎn)品還能夠篩選工作

程序。

（四）高適用范圍

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

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

輕松應對用戶的需求。

（五）高可靠運維

程度的控制可以對安裝調試機電一體化產(chǎn)品，在其控制系統(tǒng)中輸人控制程序就可以對產(chǎn)品進

行調控了，這樣就不用改變產(chǎn)品的零件或者哪一個部件了。機電一體化產(chǎn)品還能夠對工作中

的故障自動進行檢驗和監(jiān)視等，并且可以自動采取應對措施。工作對象不同時，具有存儲功

能的機電一體化產(chǎn)品可以根據(jù)存儲的執(zhí)行程序自動工作。

四、機電—體化的發(fā)展階段

機電一體化的發(fā)展20世紀60年代以前為第一階段，這一階段稱為初級階段。在這一時期，

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

戰(zhàn)期間，戰(zhàn)爭刺激了機械產(chǎn)品與電子技術的結合，這些機電結合的軍用技術，戰(zhàn)后轉為民用，

對戰(zhàn)后經(jīng)濟的恢復起了積極的作用。那時研制和開發(fā)從總體上看還處于自發(fā)狀態(tài)。由于當時

電子技術的發(fā)展尚未達到一定水平，機械拄術與電子技術的結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70至80年代為第二階段，可稱為蓬勃發(fā)展階段。這

一時期，計算機技術、控制技術、通信技術的發(fā)展，為機電一體化的發(fā)展奠定了技術基礎。

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

質基礎。20世紀90年代后期，開始了機電一體化技術向智能化方向邁進的新階段，機電

一體化深入發(fā)展時期。一方面光學、通信技術等進入了機電一體化，微細加工技術也在機電

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

系統(tǒng)的建設、分析和集成方法，機電一體化的學科體系和發(fā)展趨勢都進行了深入研究，同時，

由于人工智能技術、神經(jīng)網(wǎng)絡技術及光纖技術等領域取得的巨大進步，為機電一體化技術開

辟了發(fā)展的廣闊天地。這些研究，將促使機電一體化進一步建立完整的基礎和逐步形成完整

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

取得了重大進展，但從總體上看，離國民經(jīng)濟對先進技術的要求還有相當距離。

五、機電一體化技術的應用

（一）現(xiàn)代機械制造業(yè)的應用

傳統(tǒng)機械制造業(yè)是建立在規(guī)模經(jīng)濟的基礎上，靠企業(yè)規(guī)模、生產(chǎn)批量、產(chǎn)品結構和重復性來

獲得競爭優(yōu)勢的，它強調資源的有效利用，以低成本獲得高質量和高效率，其生產(chǎn)盈利是靠

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

導，采用先進生產(chǎn)模式、先進制造系統(tǒng)、先進制造技術和先進組織管理形式的全新的機械制

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

成了現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，充分利用電子計算機技術，使制造技術提高到新的高度。近年

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

術、敏捷制造、虛擬制造、并行工程等。

（二）在飲料行業(yè)中的應用

機電一體化技術是當今發(fā)展最快、應用前景最為廣泛的技術之一。機電一體化技術在食品、

飲料包裝機械的開發(fā)、設計和制造過程中的應用。不僅使單機的自動化程度大大提高．而且

使整條包裝生產(chǎn)線的自動化控制水平、生產(chǎn)能力得到很大提高，使其競爭能力遠遠超過傳統(tǒng)

的機械控制的同類設備。可以大大改善食品飲料包裝生產(chǎn)設備產(chǎn)品的質量，提高其國內、國

際競爭能力。

（三）計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)

CIMS的實現(xiàn)不是現(xiàn)有各分散系統(tǒng)的簡單組合，而是全局動態(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現(xiàn)。從經(jīng)營決策產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)準備、生產(chǎn)

實驗到生產(chǎn)經(jīng)營管理的有機結合，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)機器人

第1代機器人，它們只能根據(jù)示教進行重復運動對工作環(huán)境和作業(yè)對象的變化缺乏適應性

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

通過計算機處理分析做出一定的判斷，對動作進行反饋控制表現(xiàn)出低級智能，開始走向實用

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

作業(yè)環(huán)境中獨立行動與第4代計算機關系密切。

六、機電一體化發(fā)展趨勢

（一）智能化發(fā)展

自動化就是設計時已按需要輸入特定功能的程序，使用時只需要人們起動后就能定時或行程

中自動感應信號就能自動完成整個加工或生產(chǎn)程序。智能化要求機電產(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，讓人們在使用中感到

更簡單、更方便、更自然、更接近人們的生活習慣。所以機電一體化產(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的發(fā)展為機電產(chǎn)品數(shù)字化奠定了基礎，如不斷發(fā)展的數(shù)控機床和機器

人；計算機網(wǎng)絡的迅速崛起也為數(shù)字化設計、控制技術和制造技術鋪平了道路，如虛擬設計、

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

操作性、可維護性、自診斷能力以及友好人機對話界面。

（四）網(wǎng)絡系統(tǒng)化發(fā)展

機電一體化產(chǎn)品必須朝網(wǎng)絡化方向發(fā)展。網(wǎng)絡技術的興起普及和飛速發(fā)展，促使網(wǎng)絡的

各種遠程控制和監(jiān)視技術興起實現(xiàn)。系統(tǒng)化的表現(xiàn)特征之一就是系統(tǒng)體系結構進一步采用開

放式和模式化的總線結構。系統(tǒng)可以靈活組態(tài)，進行任意剪裁和組合，同時尋求實現(xiàn)多子系

統(tǒng)協(xié)調控制和綜合管理。

（五）綠色自源化發(fā)展

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

惡化的嚴重后果。自源化是指機電一體化產(chǎn)品自身帶有能源，運動的機電一體化產(chǎn)品在許多

場合沒有電源就無法使用電能，自帶動力源具有獨特的優(yōu)越性。

（六）微型模塊化發(fā)展

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

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

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

制和開發(fā)具有標準機械接口、動力接口、環(huán)境接口的機電一體化產(chǎn)品單元模塊是一項復雜而

具有遠大前途的工作。研制有集減速單元、變頻調速電機一體的動力驅動單元；有視覺、有

圖像處理、有識別能一體化、控制單元、有測距功能的機電一體控制單元等。

七、對社會的影響

（一）加快機電工業(yè)趕超國際水平的步伐

我國機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，主要機械產(chǎn)品中達到當代世

界先進水平的所占比例很小，產(chǎn)品結構不能滿足市場需求變化。一些低檔次普通機電產(chǎn)品嚴

重積壓，生產(chǎn)能力過剩，而市場急需的機電一體化技術裝備和產(chǎn)品嚴重短缺，不得不長期依

賴進口。機電一體化技術產(chǎn)業(yè)以其特有的技術帶動性、融合性和廣泛適用性成為高新技術產(chǎn)

業(yè)中的主導產(chǎn)業(yè)，將成為新世紀經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱。當今世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技

術，以提高制造能力和水平，提高對動態(tài)多變市場約適應能力和競爭能力。大力發(fā)展以數(shù)控

技術為核心的先進制造技術已成為世界各發(fā)達國家加速經(jīng)濟發(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)品結構

加入WTO后，國內市場的“保護圍墻”被拆掉，發(fā)達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機電產(chǎn)品，如計算機、錄像機、復印機、汽車，摩托車、數(shù)控機

床、廣播電視設備，通信設備、自動化精密印刷機械、精密加工機械，工業(yè)用各種控制儀表、

自動化儀表、照相機等。從我國機電行業(yè)的現(xiàn)狀看，正在興起的確新技術產(chǎn)品具備與國外同

類先進產(chǎn)品抗衡的能力。用機電一體化技術提高機械制造、電器設備，輕工、紡織等行業(yè)的

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

術密集，在國際市場上具有較強的競爭力，創(chuàng)匯效益高。

（三）增強企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營能力

機電一體化以其本身特有的技術優(yōu)勢迅速改變現(xiàn)代制造生產(chǎn)的產(chǎn)品結構和生產(chǎn)裝備結構，促

進經(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。機電一體化產(chǎn)品的技