機電一體化構(gòu)成要素及相關(guān)技術(shù)分析

夏昌玉

(魯南技師學院，山東 臨沂 276017)

1 引言

20世紀70年代，日本提出了“mechatronics”這個英語合成名詞，其中詞首 mecha表示 mechanics(機械學)，詞尾tronics表示electronics(電子學)，“機電一體化”由此而來。在我國此英文單詞被翻譯為機電一體化或機械電子學。隨后，在機械主功能、動力動能、信息處理與控制功能上引進了電子技術(shù)，并將機械裝置與電子設備以及軟件等有機結(jié)合起來而構(gòu)成系統(tǒng)使機電一體化更加充分、豐富。

2 機電一體化構(gòu)成要素

從機電一體化的含義中，可以看出構(gòu)成機電一體化的核心要素由：機械本體、動力部分、檢測部分、執(zhí)行機構(gòu)、控制器、接口等組成。其中，機械本體主要是由機架、機械連接、機械傳動等組成。是機電一體化的支撐體系和基礎，為動力功能、動力傳遞以及動力來源提供支撐作用。動力部分是機電一體化產(chǎn)品能量供應部分，其作用是按照系統(tǒng)控制要求向機械系統(tǒng)提供能量和動力使系統(tǒng)正常運行。提供能量的方式包括電能、氣能和液壓能，以電能為主。檢測傳感部分則主要包括負責檢測機電一體化系統(tǒng)工作過程中本身和外界環(huán)境有關(guān)參量的變化，并將信息傳遞給電子控制單元的傳感器及其信號檢測電路。執(zhí)行機構(gòu)主要是由執(zhí)行器組成。負責完成根據(jù)電子控制單元的指令驅(qū)動機械部件的運動。而執(zhí)行器是運動部件，通常采用電力驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和液壓驅(qū)動等幾種方式。接口則主要包括：一是用于實現(xiàn)系統(tǒng)間電氣信號連接的電氣接口;二是用于完成完成機械間的連接的機械接口;三是提供人與機電一體化系統(tǒng)間的交互界面等等的人機接口。今后，隨著技術(shù)的發(fā)展，還將會增加新的接口：如外圍即插即用、接口等。接口技術(shù)是一個機電一體化的重要方面，是實現(xiàn)系統(tǒng)各部分有機連接的保證。

3 主要技術(shù)及分析

通過對機電一體化的構(gòu)成要素，可以知道，在機電一體化發(fā)展及組成中，需要應用不同領(lǐng)域的技術(shù)。如：機械技術(shù)、計算機及信息處理技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感技術(shù)、電子技術(shù)、機械設計等。

在機電一體化所涉及的技術(shù)中，機械技術(shù)則是機電一體化的基石。機械技術(shù)對整個機械系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、整體重量、存放體積、機械剛性及韌性等方面都有著不同程度的影響。特別是隨著機械工業(yè)和精工產(chǎn)品的發(fā)展，對生產(chǎn)機械的要求越來越高。由此，在機電一體化系統(tǒng)制造過程中，機械結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)設計、材料構(gòu)成、重量體積、性能提高、精準高效、低碳環(huán)保等方面隨著要求的提高會不斷借助于計算機技術(shù)、信息技術(shù)進行改進，以此形成新一代機械制造技術(shù)[1，2]。

計算機與信息處理技術(shù)是機電一體化中信息處理的核心?，F(xiàn)代的機械設備，大部分都是高智能化和自動化。那么，這種自動化和智能化是建立在對電氣信號和機械信號等相關(guān)信息進行獲取、存儲、傳輸、運算、研判、決策后而自動完成的過程。其中，對信息處理的工具則是由硬件技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡與通訊技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、人工智能技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)等組成的計算機信息處理技術(shù)或智能芯片技術(shù)或微處理器技術(shù)。對這些信息處理的效率和能力，則對機電一體化的質(zhì)量和效率將產(chǎn)生直接影響。由此可見，計算機與信息處理技術(shù)是機電一體化的關(guān)鍵技術(shù)[3]。

受微型計算機廣泛應用的影響，自動控制技術(shù)借助于計算機技術(shù)，在控制理論指導下，負責完成高精度定位控制、速度控制、自適應、自診斷、校正、補償、再現(xiàn)、檢索等相關(guān)功能，實現(xiàn)機械設備的自動化運作，提高了生產(chǎn)效率。

通過伺服技術(shù)，將小型號、大功率、高精度、使用簡便的操作執(zhí)行部件集成起來，以電動、氣動、液壓等各種類型的傳動裝置，由微型計算機通過接口完成傳動裝置相連接，再由執(zhí)行機構(gòu)在自動控制技術(shù)的控制下，管理其運動，并帶動工作機械做回轉(zhuǎn)、直線或其他各種復雜的運動。傳感與檢測裝置則完成系統(tǒng)輸入端相聯(lián)并將檢測到的信號輸送到信息處理部分。機械技術(shù)、計算機及信息處理技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感技術(shù)、電子技術(shù)、機械設計等相關(guān)技術(shù)的高度集成與協(xié)調(diào)運作，使得機電一體化技術(shù)得到了快速發(fā)展和廣泛應用。

4 結(jié)語

以大規(guī)模集成電路和微型計算機為代表的微電子技術(shù)的高度發(fā)展，促進了機電一體化興起和發(fā)展，并向傳統(tǒng)機械工業(yè)領(lǐng)域迅速滲透。在現(xiàn)代工業(yè)基礎上，集機械技術(shù)、電力電子技術(shù)、傳感測試技術(shù)、機械設計、接口技術(shù)、自動控制技術(shù)、信息與信號處理技術(shù)、計算機與軟件技術(shù)等群體技術(shù)，以機械本體為載體，形成以微電子技術(shù)為主導的現(xiàn)代高新技術(shù)支持下的機電一體化。隨著信息技術(shù)和機械科技技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，機電一體化將形成以精密工程和系統(tǒng)集成為特點的“微機電一體化”大發(fā)展。

[1]鄧星鐘等編.機電傳動控制(第四版)[M].華中科技大學出版，2007，7：31-160.

[2]機電一體化技術(shù)手冊編委會編.機電一體化技術(shù)手冊(第二版).機械工業(yè)出版社，1999，7：45-300.

[3]G..Chsieh.A Study on PositionServo Control System.IEEE Vol IE39，1989，No.3

[4]楊正新，樂光明編著.機電一體化實用技術(shù)(第一版)[M].科學技術(shù)文獻出版社，1994，1：100-289.

[5]Nakazawa H，Tomishi Y.Study on Height Speed Feed Drive System for Machine Tool.Japan Society of Precision Engineering，1991，3(57)