論機(jī)電一體化技術(shù)及其發(fā)展

論機(jī)電一體化技術(shù)及其發(fā)展

摘要：機(jī)電一體化是一種復(fù)合技術(shù)，是機(jī)械技術(shù)與微電子技術(shù)、信息技術(shù)互相滲透的產(chǎn)物，

是機(jī)電工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。簡述了機(jī)電一體化技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)組成及其發(fā)展情況。

關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化；發(fā)展；技術(shù)；模塊化

機(jī)電一體化的核心技術(shù)20世紀(jì)7080年代為第二階段，可稱為蓬勃發(fā)展階機(jī)電一體化包括軟

件和硬件兩方面技術(shù)。硬件是由機(jī)段。這一時期，計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，

為械本體、傳感器、信息處理單元和驅(qū)動單元等部分組成。因機(jī)電一體化的發(fā)展奠定了技術(shù)

基礎(chǔ)。大規(guī)模、超大規(guī)模集成此，為加速推進(jìn)機(jī)電一體化的發(fā)展，必須從以下幾方面著手。

電路和微型計算機(jī)的迅猛發(fā)展，為機(jī)電一體化的發(fā)展提供了．1機(jī)械本體技術(shù)充分的物質(zhì)基

礎(chǔ)。這個時期的特點是：

機(jī)械本體必須從改善性能、減輕質(zhì)量和提高精度等幾方(1mcarnc一詞首先在日本被普遍

接受，大約到面考慮?，F(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品一般都是以鋼鐵材料為主，為了減輕20世紀(jì)80年代末

期在世界范圍內(nèi)得到比較廣泛的承認(rèn)；質(zhì)量除了在結(jié)構(gòu)上加以改進(jìn)，還應(yīng)考慮利用非金屬復(fù)

合材(2)機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品得到了極大發(fā)展；料。只有機(jī)械本體減輕了重量，才有可能

實現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)的小(3)各國均開始對機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品給以很大的型化，進(jìn)而在控制方

面改善快速響應(yīng)特性，減少能量消耗，提關(guān)注和支持。

傳感技術(shù)方向邁進(jìn)的新階段，機(jī)電一體化進(jìn)人深入發(fā)展時期。一方傳感器的問題集中在

提高可靠性、靈敏度和精確度方面，光學(xué)、通信技術(shù)等進(jìn)入了機(jī)電一體化，微細(xì)加工技術(shù)也

在面，提高可靠性與防干擾有著直接的關(guān)系。為了避免電干機(jī)電一體化中嶄露頭腳，出現(xiàn)了

光機(jī)電一體化和微機(jī)電一體擾，目前有采用光纖電纜傳感器的趨勢。對外部信息傳感器化等

新分支；另一方面對機(jī)電一體化系統(tǒng)的建模設(shè)計、分析來說，目前主要發(fā)展非接觸型檢測技

術(shù)。和集成方法，機(jī)電一體化的學(xué)科體系和發(fā)展趨勢都進(jìn)行了深．3信息處理技術(shù)人研究。

同時，由于人工智能技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及光纖技機(jī)電一體化與微電子學(xué)的顯著進(jìn)步、信息

處理設(shè)備(特術(shù)等領(lǐng)域取得的巨大進(jìn)步，為機(jī)電一體化技術(shù)開辟了發(fā)展的別是微型計算機(jī))的

普及應(yīng)用緊密相連。為進(jìn)一步發(fā)展機(jī)廣闊天地。這些研究，將促使機(jī)電一體化進(jìn)一步建立完

整的電一體化，必須提高信息處理設(shè)備的可靠性包括模／數(shù)轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)和逐漸形成完整的科學(xué)

體系。設(shè)備的可靠性和分時處理的輸入輸出的可靠性(，)，進(jìn)而提高處現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不

斷發(fā)展，極大地推動了不同學(xué)科的交理速度，并解決抗干擾及標(biāo)準(zhǔn)化問題。叉與滲透，導(dǎo)

致了工程領(lǐng)域的技術(shù)革命與改造。在機(jī)械工程．4驅(qū)動技術(shù)領(lǐng)域，由于微電子技術(shù)和計算機(jī)

技術(shù)的迅速發(fā)展及其向機(jī)械電機(jī)作為驅(qū)動機(jī)構(gòu)已被廣泛采用，但在快速響應(yīng)和效率工業(yè)的滲

透所形成的機(jī)電一體化，使機(jī)械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、等方面還存在一些問題。目前，正在積極

發(fā)展內(nèi)部裝有編碼產(chǎn)品機(jī)構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變器的電機(jī)以及

控制專用組件一傳感器一電機(jī)三位一體的伺化，使工業(yè)生產(chǎn)由機(jī)械電氣化邁入了機(jī)電一體化

為特服驅(qū)動單元。征的發(fā)展階段。

接口技術(shù)機(jī)電一體化發(fā)展至今也已成為一門有著自身體系的新為了與計算機(jī)進(jìn)行通信，

必須使數(shù)據(jù)傳遞的格式標(biāo)準(zhǔn)型學(xué)科，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展還將被賦予新的內(nèi)容。

規(guī)格化。接口采用同一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格不僅有利于信息傳遞和但其基本特征可概括為：機(jī)電一

體化是(，)從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，維修，而且可以簡化設(shè)計。目前，技術(shù)人員正致力于開發(fā)

低綜合運用機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機(jī)技成本、高速串行的接口，來解

決信號電纜非接觸化、光導(dǎo)纖維術(shù)、信息技術(shù)、傳感測控技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)、

信息以及光藕器的大容量化、小型化、標(biāo)準(zhǔn)化等問題。

變換技術(shù)以及軟件編程技術(shù)等群體技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)功能目標(biāo)．6軟件技術(shù)和優(yōu)化組織目

標(biāo)，合理配置與布局各功能單元，在多功能、高軟件與硬件必須協(xié)調(diào)一致地發(fā)展。為了減少

軟件的研質(zhì)量、高可靠性、低能耗的意義上實現(xiàn)特定功能價值，并使整制成本，提高生產(chǎn)維

修的效率，要逐步推行軟件標(biāo)準(zhǔn)化，包括個系統(tǒng)最優(yōu)化的系統(tǒng)工程技術(shù)。由此而產(chǎn)生的功能

系統(tǒng)，則程序標(biāo)準(zhǔn)化、程序模塊化、軟件程序的固化、推行軟件工程成為一個機(jī)電一體化系

統(tǒng)或機(jī)電一體化產(chǎn)品。

機(jī)電一體化的發(fā)展前景等。

機(jī)電一體化是機(jī)械、微電子、控制、計算機(jī)、信息處理等機(jī)電一體化的發(fā)展概況機(jī)電一

體化的發(fā)展大體可以分為3個階段。20世紀(jì)多學(xué)科的交叉融合，其發(fā)展和進(jìn)步有賴于相關(guān)

技術(shù)的進(jìn)步與年代以前為第一階段，這一階段稱為初級階段。在這一時發(fā)展，其主要發(fā)展方

向有數(shù)字化、智能化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、人期，人們自覺不自覺地利用電子技術(shù)的初步成果

來完善機(jī)械性化、微型化、集成化、帶源化和綠色化。

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(jī)．1數(shù)字化械產(chǎn)品與電子技

術(shù)的結(jié)合，這些機(jī)電結(jié)合的軍用技術(shù)，戰(zhàn)后微控制器及其發(fā)展奠定了機(jī)電產(chǎn)品數(shù)字化的基礎(chǔ)，

如不轉(zhuǎn)為民用，對戰(zhàn)后經(jīng)濟(jì)的恢復(fù)起了積極的作用。那時研制和斷發(fā)展的數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人；

而計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的迅速崛起，為數(shù)字化設(shè)計與制造鋪平了道路，如虛擬設(shè)計、計算機(jī)集成制開

發(fā)從總體上看還處于自發(fā)狀態(tài)。由于當(dāng)時電子技術(shù)的發(fā)造等。數(shù)字化要求機(jī)電一體化產(chǎn)品的

軟件具有高可靠性、易展尚未達(dá)到一定水平，機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)的結(jié)合還不可能操作性、

可維護(hù)性、自診斷能力以及友好人機(jī)界面。數(shù)字化廣泛和深入發(fā)展，已經(jīng)開發(fā)的產(chǎn)品也無法

大量推廣。

智能化即要求機(jī)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。例如在CNC數(shù)控機(jī)床上增加人機(jī)對話功能，設(shè)置智能I／O接口和智能工藝數(shù)

據(jù)庫，會給使用、操作和維護(hù)帶來極大的方便。隨著模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色理論、小波

理論、混沌與分岔等人工智能技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，為機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展開辟了廣闊天地。

模塊化由于機(jī)電體化產(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、動力接

口、環(huán)境接口的機(jī)電體化產(chǎn)品單元模塊是一項復(fù)雜而有前途的工作。如研制具有集減速、變

頻調(diào)速電機(jī)體的動力驅(qū)動單元；具有視覺、圖像處理、識別和測距等功能的電機(jī)體控制單元

等。這樣，在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計時，可以利用這些標(biāo)準(zhǔn)模塊化單元迅速開發(fā)出新的產(chǎn)品。

網(wǎng)絡(luò)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，現(xiàn)場總線和局域網(wǎng)技術(shù)使家用電器網(wǎng)絡(luò)化成為可能，利

用家庭網(wǎng)絡(luò)把各種家用電器連接成以計算機(jī)為中心的計算機(jī)集成家用電器系統(tǒng)，使人們在家

里可充分享受各種高技術(shù)帶來的好處，因此，機(jī)電一體化產(chǎn)品無疑應(yīng)朝網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。

人性化機(jī)電一體化產(chǎn)品的最終使用對象是人如何給機(jī)電一體化產(chǎn)品賦予人的智能、情感和人

性顯得愈來愈(，)重要，機(jī)電一體化產(chǎn)品除了完善的性能外，還要求在色彩、造型等方面

與環(huán)境相協(xié)調(diào)，使用這些產(chǎn)品，對人來說還是一種藝術(shù)享受，如家用機(jī)器人的最高境界就是

人機(jī)一體化。

微型化微型化是精細(xì)加工技術(shù)發(fā)展的必然，也是提高效率的需要。微機(jī)電系統(tǒng)

(MirlcrncMehnclSse，簡稱是指可批量制作的，集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及

信號處理和控制電路，直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。自1986年美國

斯坦福大學(xué)研制間隙，引起動作失靈，影響工作性能或造成事故，還可能引起濾網(wǎng)堵塞，并

可能使濾網(wǎng)完全喪失過濾作用，造成液壓系統(tǒng)的惡性循環(huán)。

②加速元件磨損。污染顆粒在液壓缸內(nèi)會刮傷缸筒內(nèi)表面，加速密封件的損壞，使泄漏

增大，引起推力不足或者動作不穩(wěn)定、爬行、速度下降、異常噪聲等故障現(xiàn)象，嚴(yán)重影響系

統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

③加速油液性能的劣化。液壓油中的污染顆粒長期存在，會與油液發(fā)生一些反應(yīng)，反應(yīng)

的生成物會腐蝕元件。

液壓油被污染的主要原因及解決措施。

①作業(yè)環(huán)境粉塵多，系統(tǒng)外部不清潔。液壓系統(tǒng)長期在粉塵污染嚴(yán)重的場地作業(yè)時，最

好2個月過濾一次油液，大概半年更換一次進(jìn)油濾油器。

②在加油、檢查油面和檢修作業(yè)時，雜質(zhì)被帶人系統(tǒng)，通過被損壞的油封、密封環(huán)進(jìn)入

系統(tǒng)。

泄漏泄漏的危害。

液壓系統(tǒng)一旦發(fā)生泄漏，將會使系統(tǒng)壓力建立不起來。

液壓油泄漏還會造成環(huán)境污染，影響生產(chǎn)，甚至產(chǎn)生無法估計的嚴(yán)重后果。

泄漏產(chǎn)生的主要原因及解決措施。

①設(shè)計因素。由于設(shè)計中密封結(jié)構(gòu)選用不合理，密封件的選用不合乎規(guī)范；另外，由于

工程機(jī)械的使用環(huán)境中具有塵埃和雜質(zhì)和沒有選用合適的防塵密封，致使塵埃等污物進(jìn)人系

統(tǒng)破壞密封而產(chǎn)生泄漏。應(yīng)在選用和設(shè)計密封件的時候，考慮液壓油與密封材料的相容型式、

負(fù)載情況、極限壓力、工作速度高低、環(huán)境溫度的變化等，選擇合理的密封件，當(dāng)在惡劣的

環(huán)境下工作時，要選用合適的防塵密封。

②制造和裝配因素。所有的液壓元件及密封部件都有嚴(yán)格的尺寸公差、表面處理、表面

光潔度及形位公差等要求。

出第一個醫(yī)用微探針，年美國加州大學(xué)Berkeley分校研制出第一個微電機(jī)以來，國內(nèi)

外在MEMS工藝、材料以及微觀機(jī)理研究方面取得了很大進(jìn)展，開發(fā)出各種MEMS器件

和系統(tǒng)如各種微型傳感器(壓力傳感器、微加速度計、微觸覺傳感器)(，)，各種微構(gòu)件(微

膜、微粱、微探針、微連桿、微齒輪、微軸承、微泵、微彈簧以及微機(jī)器人等)。

集成化集成化既包含各種技術(shù)的相互滲透、相互融合和各種產(chǎn)品不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與復(fù)

合，又包含在生產(chǎn)過程中同時處理加工、裝配、檢測、管理等多種工序。為了實現(xiàn)多品種、

小批量生產(chǎn)的自動化與高效率，應(yīng)使系統(tǒng)具有更廣泛的柔性。首先可將系統(tǒng)分解為若干層次，

使系統(tǒng)功能分散，并使各部分協(xié)調(diào)而又安全地運轉(zhuǎn)，然后再通過軟、硬件將各個層次有機(jī)地

聯(lián)系起來，使其性能最優(yōu)、功能最強。

帶源化是指機(jī)電一體化產(chǎn)品自身帶有能源，如太陽能電池、燃料電池和大容量電池。由

于在許多場合無法使用電能，因而對于運動的機(jī)電一體化產(chǎn)品，自帶動力源具有獨特的好處。

帶源化是機(jī)電一體化產(chǎn)品的發(fā)展方向之一。

綠色化科學(xué)技術(shù)的發(fā)展給人們的生活帶來巨大變化，在物質(zhì)豐富的同時也帶來資源減

少、生態(tài)環(huán)境惡化的后果。所以，人們呼喚保護(hù)環(huán)境，回歸自然，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，綠色產(chǎn)

品概念在這種呼聲中應(yīng)運而生。綠色產(chǎn)品是指低能耗、低材耗、低污染、舒適、協(xié)調(diào)而可再

生利用的產(chǎn)品。在其設(shè)計、制造、使用和銷毀時應(yīng)符合環(huán)保和人類健康的要求，機(jī)電一體化

產(chǎn)品的綠色化主要是指在其使用時不污染生態(tài)環(huán)境，產(chǎn)品壽命結(jié)束時，產(chǎn)品可分解和再生利

用。

綜上所述，機(jī)電一體化技術(shù)是眾多科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶，是社會生產(chǎn)力發(fā)展到一定階段

的必然要求。它促使機(jī)械工業(yè)發(fā)生戰(zhàn)略性的變革，使傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計方法和設(shè)計概念發(fā)生著

革命性的變化。大力發(fā)展新一代機(jī)電一體化產(chǎn)品，不僅是改造傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備的要求，而且是

推動機(jī)械產(chǎn)品更新?lián)Q代和開辟新領(lǐng)域、發(fā)展與振興機(jī)械工業(yè)的必由之路。

由于在制造過程中超差，使得密封件就會有變形、劃傷、壓死或壓不實等現(xiàn)象發(fā)生，使

其失去密封功能：液壓元件在裝配中的野蠻操作，過度用力將使零件產(chǎn)生變形，特別是用銅

棒等敲打缸體、密封法蘭等。這些原因都可以破壞密封而產(chǎn)生泄漏。應(yīng)在設(shè)計和加工環(huán)節(jié)中

要充分注意密封部件的設(shè)計和加工，另外要選擇正確的裝配方法。

③零部件損傷。密封件是由耐油橡膠等材料制成的，由于長時間使用發(fā)生的老化、龜裂、

損傷等都會引起系統(tǒng)泄漏。

如果零件在工作過程中受碰撞而損傷，會劃傷密封元件造成泄漏。要選擇合適的密封件，

延長其老化時間，并注意對密封件的保護(hù)，避免其被別的部件劃傷。

故障診斷時應(yīng)遵循的一般原則當(dāng)發(fā)生故障時要根據(jù)不同機(jī)型的特點，充分利用設(shè)備自身

的監(jiān)控系統(tǒng)，具體問題具體分析，掌握有效的故障分析方法。在診斷時應(yīng)遵循由外到內(nèi)、由

易到難、由簡單到復(fù)雜的原則進(jìn)行，挖掘機(jī)液壓傳動系統(tǒng)故障診斷的順序是：查問資料(挖

掘機(jī)使用說明書及運行、維修記錄等)了解故障發(fā)生前后的設(shè)備工作情況外部檢查試車觀察

(故障現(xiàn)象、車上儀表)內(nèi)部系統(tǒng)檢查(參照系統(tǒng)原理圖)儀器檢查系統(tǒng)參數(shù)(流量、溫度等)