機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用及其發(fā)展

張宵烽　王元森　李明鋒

摘要：機(jī)電一體化技術(shù)又稱為機(jī)械電子技術(shù)，是一門集機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)和信息技術(shù)有機(jī)結(jié)合的綜合技術(shù)。本文通過機(jī)電一體化技術(shù)概述、機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用、機(jī)電一體化的發(fā)展與優(yōu)化及其在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域和數(shù)控領(lǐng)域的介紹，展望機(jī)電一體化技術(shù)的未來發(fā)展。

1機(jī)電一體化技術(shù)概述

機(jī)電一體化技術(shù)又稱為機(jī)械電子技術(shù)，是機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)和信息技術(shù)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，機(jī)電一體化技術(shù)獲得前所未有的發(fā)展，成為一門綜合計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感檢測(cè)技術(shù)、伺服傳動(dòng)技術(shù)和機(jī)械技術(shù)等，能夠融合機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、電工、電子技術(shù)、接口技術(shù)、軟件編程技術(shù)、PLC控制技術(shù)、液壓與氣動(dòng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)等多個(gè)方面的內(nèi)容，有效應(yīng)用在實(shí)際工程中的復(fù)合性綜合技術(shù)。以機(jī)械、微電子、電工、電子、接口、傳感器、信號(hào)處理等技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)各組件及其間的信息處理，接口耦合，運(yùn)動(dòng)傳遞，機(jī)械運(yùn)動(dòng)，能量變換進(jìn)行研究，使得整個(gè)系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合與綜合集成，并在微電子電路程序的有序控制下使現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備高精度、高可靠性、智能化，全面提高機(jī)器設(shè)備的自動(dòng)化、智能化水平并在此基礎(chǔ)上不斷拓展其應(yīng)用。

2機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用

2.1機(jī)電一體化的應(yīng)用現(xiàn)狀：

機(jī)電一體化應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、汽車電子化產(chǎn)品、智能化儀器儀表、電子排版印刷系統(tǒng)、CAD/CAM系統(tǒng)、電力電子器件及裝置、可編程序控制器（plc）、微型電機(jī)、傳感器、伺服機(jī)構(gòu)等領(lǐng)域。我國在機(jī)電一體化技術(shù)方面已經(jīng)取得了一定的成就，尤其在數(shù)控技術(shù)方面、機(jī)器人方面和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)方面的成績(jī)尤為突出。

在數(shù)控方面，機(jī)電一體化技術(shù)，得到有效應(yīng)用。數(shù)控裝置內(nèi)的計(jì)算機(jī)對(duì)通過輸入裝置以來數(shù)字和字符編碼方式所記錄的信息進(jìn)行一系列處理后，再通過伺服系統(tǒng)及可編程序控制器向機(jī)床主軸及進(jìn)給等執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，機(jī)床主體則按照這些指令，并在檢測(cè)反饋裝置的配合下，對(duì)工件加工所需的各種動(dòng)作，如刀具相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡、位移量和給進(jìn)速度等多項(xiàng)要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，從而完成工件的加工。

在機(jī)器人領(lǐng)域，機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用，作為20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一，機(jī)械、微電子、接口、傳感器、信號(hào)處理等技術(shù)機(jī)器人身上有著很好的體現(xiàn)。程序給定指令后由微電子通過例如RS232等各種接口控制運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及接收傳感器數(shù)據(jù)，在檢測(cè)反饋裝置的配合下，做出所需動(dòng)作，機(jī)器人是機(jī)械、傳感器與微電子等機(jī)電一體化設(shè)備的高度集成，所以說在某種程度上，機(jī)器人的工藝和機(jī)電一體化程度反映了一個(gè)人國家的綜合技術(shù)實(shí)力的高低。

鑒于機(jī)電一體化的安全控制功能、修復(fù)功能以及自動(dòng)化功能充分利用機(jī)電一體化技術(shù)既可以有效利用工程機(jī)械的制動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等多種裝置可以對(duì)機(jī)械運(yùn)行情況進(jìn)行全面的持續(xù)監(jiān)控可以更加的有效的促進(jìn)汽車電子產(chǎn)品、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等機(jī)電一體化設(shè)備的健康運(yùn)行。

2.2機(jī)電一體化的發(fā)展與優(yōu)化

我國在數(shù)控機(jī)床方面還有諸多不足，這對(duì)機(jī)電一體化的發(fā)展提供了條件。雖然我國在數(shù)控機(jī)床方面掌握了關(guān)鍵技術(shù)，但精度仍然不夠，所以還需要進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)械與電子等技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，另外，工業(yè)2.0的需求，機(jī)電一體化技術(shù)還需進(jìn)行系統(tǒng)化、智能化、模塊化的相應(yīng)優(yōu)化。

（1）系統(tǒng)綜合管理：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。并且具有較強(qiáng)的通信功能一般除RS232外，還有RS485、DCS人格化。

（2）數(shù)字化和智能化：數(shù)字化和智能化是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)電一體化建設(shè)者的研究日益得到重視，機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床的智能化就是重要應(yīng)用。這里所說的“數(shù)字化和智能化”是對(duì)機(jī)器行為的描述，使它具有根據(jù)大數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力，以求得到更高的控制目標(biāo)。

（3）組合標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化：模塊化是一項(xiàng)重要而艱巨的工程。由于機(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、電氣接口、動(dòng)力接口、環(huán)境接口的機(jī)電一體化產(chǎn)品單元是一項(xiàng)十分復(fù)雜但又是非常重要的事。需要制定各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，以便各部件、單元的匹配和接口。電氣產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化帶來的好處是無限的。

3 典型領(lǐng)域機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展

3.1工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，智能機(jī)器人必須充分運(yùn)用機(jī)電一體化技術(shù)，從而更好地在工業(yè)上完成任務(wù)目標(biāo)。工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器裝置、分布式CPU計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)、機(jī)器人控制器（RC）、運(yùn)動(dòng)控制器（MC）、光電隔離I/O控制板、傳感器、機(jī)器人控制器（RC）和編程示教器通過串口/CAN總線進(jìn)行通訊。機(jī)器人控制器（RC）的主計(jì)算機(jī)完成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、插補(bǔ)板、位置伺服以及主控邏輯、數(shù)字I/O、傳感器處理等開放性模塊化的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，結(jié)合特定的機(jī)械結(jié)構(gòu)使它能自動(dòng)執(zhí)行工作，靠自身動(dòng)力和控制能力來實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。隨著計(jì)算機(jī)芯片技術(shù)的突飛猛進(jìn)，處理器性能大幅度提高，計(jì)算速度越來越高，再加上發(fā)展很快的傳感器系統(tǒng)的集成化、以及嵌入式控制技術(shù)的進(jìn)步，這些都為機(jī)電一體化產(chǎn)品的智能化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。加上人工智能技術(shù)，使機(jī)器人有了一定的邏輯處理能力，可以自動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、速度控制、位置定位等復(fù)雜運(yùn)動(dòng)及功能，能有效減輕人力勞動(dòng)。加上微型機(jī)電化的應(yīng)用。能夠把傳感器、CPU、執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行有效的融合，能夠具備體積小、運(yùn)動(dòng)靈活、耗能少的特點(diǎn)。未來工業(yè)機(jī)器人代替人的勞動(dòng)，指日可待。

3.2數(shù)控機(jī)床及相應(yīng)的數(shù)控技術(shù)

數(shù)控機(jī)床及相應(yīng)的數(shù)控技術(shù)，目前主要采用高精度定位控制、速度控制等自動(dòng)控制技術(shù)，以單板、單片機(jī)、可編程控制器（PLC）作為控制器，用戶程序經(jīng)過數(shù)控裝置的系統(tǒng)軟件、邏輯電路譯碼、運(yùn)算和處理后，發(fā)出脈沖到伺服系統(tǒng)，以驅(qū)動(dòng)機(jī)床。其中控制器部分集合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)變換技術(shù)、軟件編程技術(shù)等多項(xiàng)機(jī)電一體化技術(shù)，加以各種芯片組合及模塊結(jié)構(gòu)的數(shù)控裝置來保證數(shù)控機(jī)床的正常運(yùn)行是應(yīng)用最廣的成熟技術(shù)。總線體系設(shè)計(jì)、模塊化結(jié)構(gòu)處理提高了數(shù)控設(shè)備的緊湊性;信息處理技術(shù)開放性設(shè)計(jì)，提高了硬件結(jié)構(gòu)零配件的通用性與軟件系統(tǒng)的兼容性，最大限度地提高了用戶的體驗(yàn)與生產(chǎn)效益;多通道技術(shù)使同一臺(tái)機(jī)床能夠同時(shí)完成多個(gè)獨(dú)立加工任務(wù)，提高了機(jī)械設(shè)計(jì)的集成化水平;在線監(jiān)測(cè)技術(shù)、自診斷技術(shù)與模糊控制技術(shù)提高了數(shù)控機(jī)械的智能化水平。為來的數(shù)控機(jī)床及相應(yīng)的數(shù)控技術(shù)，是機(jī)電一體化技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的最主要應(yīng)用。

4總結(jié)

機(jī)電一體化技術(shù)是機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、接口技術(shù)、軟件編程技術(shù)、PLC控制技術(shù)、液壓與氣動(dòng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)的高度融合，隨著機(jī)電一體化技術(shù)向系統(tǒng)綜合管理、數(shù)字化和智能化、標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化發(fā)展，機(jī)電一體化設(shè)備的可管理性增強(qiáng)，系統(tǒng)可以進(jìn)行任意組合，智能化具有兼容性，并且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微型機(jī)電化的應(yīng)用使得機(jī)電一體化技術(shù)機(jī)器設(shè)備也從工業(yè)應(yīng)用中得到了拓展，越來越多的機(jī)電一體化設(shè)備走入了普通家庭，設(shè)備通過無線電控制技術(shù)，全面提高機(jī)械自動(dòng)化程度，同時(shí)極大的減輕了人力勞動(dòng)，如掃地機(jī)器人。

備注：課題來源遼寧科技大學(xué)2020年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目《離散行業(yè)運(yùn)動(dòng)控制方向基本定位實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與開發(fā)》，項(xiàng)目編號(hào)：202010146281。