機(jī)電一體化的關(guān)鍵技術(shù)分析研究

【摘 要】機(jī)電一體化技術(shù)是從系統(tǒng)工程觀點(diǎn)出發(fā)，應(yīng)用機(jī)械、微電子等相關(guān)技術(shù)，使機(jī)械、電子有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)或產(chǎn)品整體最優(yōu)化的綜合性技術(shù)。小型的生產(chǎn)、加工系統(tǒng)，即使是一臺(tái)機(jī)器，也都是由許多要素構(gòu)成的，為了實(shí)現(xiàn)其“目的功能”，還需要從系統(tǒng)角度出發(fā)，不拘泥于機(jī)械或電子技術(shù)，希望能夠找到一種使各種功能要素構(gòu)成最佳結(jié)合的柔性技術(shù)與方法。機(jī)電一體化工程就是這種技術(shù)和方法的統(tǒng)一。

【關(guān)鍵詞】機(jī)電一體化；傳感檢測；接口技術(shù)

一、機(jī)電一體化技術(shù)特征

機(jī)電一體化系統(tǒng)主要由機(jī)械裝置、執(zhí)行裝置、檢測及傳感器、動(dòng)力源、計(jì)算機(jī)五個(gè)要素組成，是面向應(yīng)用的跨學(xué)科技術(shù)。與傳統(tǒng)的機(jī)械比較，機(jī)電一體化系統(tǒng)具有智能化，并與人體有一些相似。其中計(jì)算機(jī)技術(shù)是機(jī)電一體化技術(shù)的重要組成要素，是整個(gè)系統(tǒng)的中樞靈魂。

二、機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢

（一）智能化趨勢。智能化是21世紀(jì)機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要發(fā)展方向。人工智能在機(jī)電一體化的研究中日益得到重視，機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床的智能化就是其重要應(yīng)用。這里所說的“智能化”是對(duì)機(jī)器行為的描述，是在控制理論的基礎(chǔ)上，吸收人工智能、運(yùn)籌學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、生理學(xué)和混沌動(dòng)力學(xué)等新思想、新方法，模擬人類智能，使它具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力，以求得到更高的控制目標(biāo)。機(jī)電一體化產(chǎn)品不可能具有與人完全相同的智能。但是，高性能、高速的微處理器使機(jī)電一體化產(chǎn)品賦有低級(jí)智能或人的部分智能。

（二）網(wǎng)絡(luò)化趨勢。近些年來計(jì)算機(jī)技術(shù)等的突出成就是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的興起和飛速發(fā)展給科學(xué)技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域都帶來了巨大的變革。各種網(wǎng)絡(luò)將全球經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)連成一片，企業(yè)間的競爭也將全球化。由于網(wǎng)絡(luò)的普及，基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視技術(shù)方興未艾，而遠(yuǎn)程控制的終端設(shè)備本身就是機(jī)電一體化產(chǎn)品。

（三）微型化趨勢。微型化指的是機(jī)電一體化向微型機(jī)器和微觀領(lǐng)域發(fā)展的趨勢，國外稱其為微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS），泛指幾何尺寸不超過1cm的機(jī)電一體化產(chǎn)品，并向微米、納米級(jí)發(fā)展。微機(jī)電一體化產(chǎn)品體積小、耗能少、運(yùn)動(dòng)靈活，具有不可比擬的優(yōu)勢。微機(jī)電一體化發(fā)展的瓶頸在于微機(jī)械技術(shù)，微機(jī)電一體化產(chǎn)品的加工采用精細(xì)加工技術(shù)，即超精密技術(shù)，它包括光刻技術(shù)和蝕刻技術(shù)。

三、發(fā)展機(jī)電一體化技術(shù)所面臨的共性關(guān)鍵技術(shù)

主要包括精密機(jī)械技術(shù)、傳感檢測技術(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、接口技術(shù)、信息處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、系統(tǒng)總體技術(shù)等，下面以傳感檢測技術(shù)較詳細(xì)闡述。

（一）精密機(jī)械技術(shù)。精密機(jī)械技術(shù)是機(jī)電一體化的基礎(chǔ)，因?yàn)闄C(jī)電一體化產(chǎn)品的主功能和構(gòu)造功能大都是以機(jī)械技術(shù)為主體來得以實(shí)現(xiàn)的。在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，它不再是單一地完成系統(tǒng)間的連接，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、重量、體積、剛性與耐用性方面對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)都有著重要的影響。

（二）傳感檢測技術(shù)。在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，工作過程的各種參數(shù)、工作狀態(tài)以及與工作過程有關(guān)的相應(yīng)信息都要通過傳感器進(jìn)行接收，并通過相應(yīng)的信號(hào)檢測裝置進(jìn)行測量，然后送人信息處理裝置以及反饋給控制裝置，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品工作過程的自動(dòng)控制。機(jī)電一體化產(chǎn)品要求傳感器能快速和準(zhǔn)確地獲取信息并且不受外部工作條件和環(huán)境的影響，同時(shí)檢測裝置能不失真地對(duì)信息信號(hào)進(jìn)行放大、輸送和轉(zhuǎn)換。

按傳感器工作原理分類，可分為電阻、電容、電感、電壓、霍爾、光電、光柵、熱電偶等傳感器。電阻式傳感器是將被測量，如位移、形變、力、加速度、濕度、溫度等這些物理量轉(zhuǎn)換式成電阻值這樣的一種器件。主要有電阻應(yīng)變式、壓阻式、熱電阻、熱敏、氣敏、濕敏等電阻式傳感器件。電阻應(yīng)變式傳感器。傳感器中的電阻應(yīng)變片具有金屬的應(yīng)變效應(yīng)，電阻應(yīng)變片主要有金屬和半導(dǎo)體兩類，金屬應(yīng)變片有金屬絲式、箔式、薄膜式之分。半導(dǎo)體應(yīng)變片具有靈敏度高（通常是絲式、箔式的幾十倍）、橫向效應(yīng)小等優(yōu)點(diǎn)。

壓阻式傳感器。壓阻式傳感器是根據(jù)半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)在半導(dǎo)體材料的基片上經(jīng)擴(kuò)散電阻而制成的器件。其基片可直接作為測量傳感元件，擴(kuò)散電阻在基片內(nèi)接成電橋形式。用作壓阻式傳感器的基片（或稱膜片）材料主要為硅片和鍺片，硅片為敏感材料而制成的硅壓阻傳感器越來越受到人們的重視，尤其是以測量壓力和速度的固態(tài)壓阻式傳感器應(yīng)用最為普遍。

熱電阻傳感器。熱電阻傳感器主要是利用電阻值隨溫度變化而變化這一特性來測量溫度及與溫度有關(guān)的參數(shù)。在溫度檢測精度要求比較高的場合，這種傳感器比較適用。目前較為廣泛的熱電阻材料為鉑、銅、鎳等，它們具有電阻溫度系數(shù)大、線性好、性能穩(wěn)定、使用溫度范圍寬、加工容易等特點(diǎn)。用于測量-200℃～+500℃范圍內(nèi)的溫度。

傳感器技術(shù)自身就是一門多學(xué)科、知識(shí)密集的應(yīng)用技術(shù)。傳感原理、傳感材料及加工制造裝配技術(shù)是傳感器開發(fā)的3個(gè)重要方面。作為一個(gè)獨(dú)立器件，傳感器的發(fā)展正進(jìn)入集成化、智能化研究階段。把傳感器件與信號(hào)處理電路集成在一個(gè)芯片上，就形成了信息型傳感器；若再把微處理器集成到信息型傳感器的芯片上，就是所謂的智能型傳感器。

與計(jì)算機(jī)發(fā)展相比，傳感器的發(fā)展顯得緩慢滯后，難以滿足技術(shù)發(fā)展的要求。許多機(jī)電一體化裝置（如類人機(jī)器人）不能達(dá)到滿意的效果或無法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵原因，在于沒有合適的傳感器，因此大力開展傳感器研究，對(duì)于機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展具有十分重要的意義。

（三）伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)。伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)主要是指以機(jī)械位置、速度和加速度為控制對(duì)象，在控制命令的指揮下，控制執(zhí)行元件的工作，是機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件按照控制命令的要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。它涉及設(shè)備執(zhí)行操作的技術(shù)，對(duì)所加工產(chǎn)品的質(zhì)量具有直接的影響。機(jī)電一體化產(chǎn)品中的執(zhí)行元件有電動(dòng)、氣動(dòng)和液壓等類型，其中多采用電動(dòng)式執(zhí)行元件，驅(qū)動(dòng)裝置主要是各種電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源電路，目前多由電力電子器件及集成化的功能電路構(gòu)成。

（四）接口技術(shù)。機(jī)電一體化系統(tǒng)是機(jī)械、電子和信息等性能各異的技術(shù)融為一體的綜合系統(tǒng)，其構(gòu)成要素和子系統(tǒng)之間的接口極其重要。接口采用同一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，不僅有利于信息傳遞和維修，而且可以簡化設(shè)計(jì)。

（五）信息處理技術(shù)。信息處理技術(shù)是指在機(jī)電一體化產(chǎn)品工作過程中，與工作過程各種參數(shù)和狀態(tài)以及自動(dòng)控制有關(guān)的信息輸人、識(shí)別、變換、運(yùn)算、存儲(chǔ)、輸出和決策分析等技術(shù)。

結(jié)束語

機(jī)電一體化不是一門孤立的技術(shù)，與機(jī)電一體化相關(guān)的技術(shù)還有很多。技術(shù)上的改革和與之相配套的技術(shù)支持是創(chuàng)新技術(shù)的基礎(chǔ)。隨著科學(xué)的發(fā)展，與機(jī)電一體化相關(guān)的各項(xiàng)技術(shù)也將迅速發(fā)展，各種技術(shù)相互融合不斷進(jìn)步，將為機(jī)電一體化技術(shù)帶來更為廣闊的應(yīng)用空間。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮志剛.自確認(rèn)壓力傳感器的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

[2]許勇.機(jī)電一體化系統(tǒng)方案生成及優(yōu)選研究[D].上海交通大學(xué)，2007.