机电一体化技术
现代科学技术的飞速发展，推动了不同科学的相互交叉与渗透，并引发了几乎所有工程领域的技术革命与改造。而以机械技术和电子技术为主体，多学科技术交融渗透、相互结合的新兴学科——机电一体化技术，正逐渐变成了当今学界研究的重点之一。
一、机电一体化技术的概念
对于机电一体化的定义，各国是不一致的。其中有德国的“机械、电工与电子、光学及其它技术的组合”，美国的“由计算机信息网络协调与控制的，用于完成包括机械力、运动和能量流等多动力学任务的机械和(或)机电部件相互联系的系统”，日本则认为是“将机械装置与电子设备以及软件等有机结合而成的系统”。但无论是各种技术的组合，还是部件有机的结合，里面总是体现了一个思想，就是系统的、整体的、交融的和综合性的。因此，我们可以这样认为：在机构的主要功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术，并且以系统的、整体的思想来考虑机电系统综合性的技术问题，将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统就是机电一体化系统，而其中所形成的技术就是机电一体化技术。
二、机电一体化技术的内涵
（一）、机械方面的技术
机电一体化技术如果是树，那么机械技术就是树下的土壤。机械技术发展的重点就是和机电一体化技术完美结合，用它那无与伦比的技术重新来诠释一些概念，在构筑上、原料上、本质上实施一些变化，让产品质量、体积变小，使精度变准，提高刚度和改变性质的要求。计算机辅助系统在机电一体化的实际运用过程中起着举足轻重的作用，它和人工智能、专家系统融为一体，将形成先进的机械方面的制造技术。
（二）、电脑信息技术
电脑信息技术是机电一体化技术中的一个重要内容，其中资源交换、保存数据、计算、分辨优劣和提供参考意见，用人工的方法模拟人类智能的技术、模仿人脑神经系统的网络处理系统均属于电脑信息处理技术。
（三）、系统技术
系统技术就是把相关的各种技术融合起来进行应用，然后再根据整体目标，把整体分成各个互相联系的有一定功能的部分。
（四）、非人力(自动)操纵技术
非人力(自动)操纵技术它的范围非常之广泛，这种技术有一套系统的操纵理论。非人力(自动)操纵技术的实施过程是以这套理论作为基础的。非人力操纵技术可以建立新系统的物理模型、建立能描述系统结构或行为过程的、且具有一定逻辑关系或数量关系的仿真模型，它具体包括：精确定位操纵、速度操纵、自修正操纵等。
（五）、传感检验测试技术
如果说一个系统是一个人的话，那么传感检验测试技术就是一个人的眼睛，传感检验测试技术它是系统的重要组成部分。它相当于系统的“窗户”，它能够实现自动化的操纵，自动化的调节，它的功能和系统自动化的功能是成正比的。
（六）、伺服传递动力技术
伺服传递动力技术是非常重要的一种技术，其实伺服系统就是一个变换装置。它会在很大程度上影响系统的动态功用、操纵重量。
三、机电一体化技术的构成
（一）、机械技术
机械技术是机电一体化的基础，机械技术的着眼点在于如何与机电一体化技术相适应，利用其它高新技术来更新概念，实现结构上、材料上、性能上的变更，满足减小重量、缩小体积、提高精度、提高刚度及改善性能的要求。在机电一体化系统制造过程中，经典的机械理论与工艺应借助于计算机辅助技术，同时采用人工智能与专家系统等，形成新一代的机械制造技术。机电产品的功能和作用大部分都是由机械本体来体现的。本体材料的优良、结构的新颖、精密的加工技术，能够使机械结构重量减轻、体积变小，改善其快速响应特性，提高零部件的精度、刚度和可靠性。
（二）、传感技术
传感技术是机电一体化技术的关键技术，它将所测得的各种参数量如位移、速度、加速度、力等信号转换为统一格式的电信号输入到信息处理系统中，并由此产生出相应的控制信号以决定执行机构的运动形式。传感技术也是实现自动控制、自动调节的关键环节。其功能越强，系统的自动化程序就越高。现代工程要求传感器能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境的考验，它是机电一体化系统达到高水平的保证。
（三）、信息处理技术
信息处理技术包括信息的输入、识别、变换、运算、存储及输出技术。机电一体化产品的工作是受控于信息处理装置的，因此信息处理是否正确及时，将直接影响到产品工作的质量和效率。
（四）、自动控制技术
自动控制技术就是通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定的规律运行。自动控制技术范围很广，包括自动控制理论、控制系统设计、系统仿真、现场调试、可靠运行等从理论到实践的整个过程。而机电一体化系统中自动控制技术包括位置控制、速度控制、最优控制、模糊控制和自适应控制等。
（五）、接口技术
机电一体化系统通常由许多要素和子系统构成，为了确保各个要素与系统之间能够顺利地进行信息、物质能量的传输和交换，必须在它们之间建立一定的联系条件，而这些条件统称为接口。这些接口既可能是硬件，也可能是软件，或者是两者的结合。
（六）、驱动技术
驱动技术的主要研究对象是执行元件及其驱动装置。执行元件分为电动、气动、液压等，机电一体化产品中多采用电动式执行元件，驱动装置主要指各种电动机的驱动电源电路，其主要以采用电力电子器件及集成化的功能电路构成。
（七）、系统总体技术
系统总体技术是一种从全局角度和系统目标出发，用系统的观点和方法，将系统分解成若干相互联系的功能单元，找到能完成各个功能的技术方案，并将其进行分析、评价和优化的综合应用技术。
四、机电一体化技术发展过程
“机电一体化”这个词是日本安川电机公司在上世纪60年代末作商业注册时最先创用的。国内早期将“机电一体化技术”与“机械电子学”并用，近年来“机电一体化”更流行使用。机电一体化技术的发展大体可以分为3个阶段。
（一）、机电一体化初级阶段
20世纪60年代以前为第一阶段，这一阶段称为初级阶段。在这一时期，人们自觉不自觉地利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。特别是在第二次世界大战期间，战争刺激了机械产品与电子技术的结合，这些机电结合的军用技术，战后转为民用。那时研制和开发从总体上看还处于自发状态。由于当时电子技术的发展尚未达到一定水平，机械技术与电子技术的结合还不可能广泛和深入发展，已经开发的产品也无法大量推广。
（二）、机电一体化发展阶段
20世纪70～80年代为第二阶段，可称为蓬勃发展阶段。这一时期，计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展奠定了技术基础。信息技术驱使机械系统在不同程度上利用数据库，连洗衣机和其他消费品也用上了数据库驱动系统。这样，对机电一体化的系统设计方法的探索、成型和系统集成以及并行工程设计和控制的实施日显重要。此外，光学也进入了机电一体化，产生了“光机电一体化”的新领域。大规模、超大规模集成电路和微型计算机的迅猛发展，为机电一体化的发展提供了充分的物质基础。这个时期的特点是：
1、mechatronics一词首先在日本被普遍接受，大约到20世纪80年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认。
2、机电一体化技术和产品得到了极大发展。
3、各国均开始对机电一体化技术和产品给予很大的关注和支持。
（三）、机电一体化智能化阶段
20世纪90年代后期，开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段，机电一体化进入深入发展时期。一方面，光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支。同时，由于人工智能技术、光纤技术等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。通信技术进入了机电一体化，机器可像机器人系统那样遥控和虚拟现实多媒体等技术紧密联系的计算机控制的网络化机电一体化日益普及。有些机电一体化机械可两用，有的在性能上更是多用途的，尤其是微传感器和执行器技术的发展，和半导体技术以光刻为基础的方法以及和传统机电一体化微型化方法的结合，开创了以精密工程和系统集成为特点的机电一体化新分支“微机电一体化”。虽然微加工方法尚未成熟，但将逐渐成为集成控制系统的一个组成部分。之后，机电一体化随着自动化技术的发展而日益发展，稳步进入了21世纪。
机电一体化占据主导地位是制造产业发展的必然趋势，而制造产业是整个科学技术和国家经济发展的基础工业，因而机电一体化在当前激烈的国际政治、军事、经济竞争中有举足轻重的作用，受到各工业国家的极大重视。
（四）、机电一体化技术发展现状
1、国外机电一体化技术发展现状
（1）、日本“振兴科技的政策大纲”，将智能传感器，计算机芯片制造技术，具有视频、触觉和人一机对话能力的人工智能工业机器人，发展柔性制造系统等，列为高技术领域的重大研究课题。日本政府早在1971年制定的“特定的电子工业和特定的机械工业临时措施法”中，已把数控机床作为重点扶植对象。1978年颁布的“特定的机械信息产业振兴临时措施法”又规定：促进高精度高性能机器人的工业化和实用化，开展特殊环境作业用的机器人研究。为此，1978～1984年间拨款90亿日元开发数控技术；1983年组织了机器人、计算机、机械等行业十家制造厂参加极限作业环境机器人的开发研制，总投资300亿日元，其中二分之一由政府资助。号称“数控王国”的日本，2000年金切机床产值数控化率为88.5%、产量数控化率为59.4%。
（2）、西欧高技术发展规划“尤里卡”计划，提出五大关键技术领域24个重点攻关项目作为欧洲高技术发展战略目标，其中包括：研制可自由行动、决策并易于人一机对话的欧洲第三代安全民用机器人，广泛合作研究计算机辅助设计、制造、生产、管理的柔性系统，实现工厂全面自动化等机电一体化研究方向。
（3）、1991年3月，美国国家关键技术委员会在向总统提交的首份双年度报告“国家关键技术”中，列举了22项对于美国国家经济繁荣和国防安全至为关键的技术，并对各项入选技术的内容范围，选择依据和国际发展趋势进行了评述，着重强调了技术的有效利用。其中包括机器人、传感器、控制技术和CIMS及与CIMS相关的其他工具和技术：如仿真系统、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）、成组技术（GT）、计算机辅助工艺规程编制（CAPP）、工厂调度工具等。报告指出：在制造业方面，目前的发展趋势是加速产品推广，缩短产品生产周期，增加柔性和实现设计一生产一质量控制一体化技术，那些未朝这一方向努力的公司将变得愈加缺乏竞争力，要实现合理的生产经营活动，制造厂家必须在整个生产经营中实施先进的制造技术及管理策略。美国1983年制定的“星球大战计划（SDI）”投资1000亿美元以发展高技术，其中也包括空间机器人、核能机器人、军事机器人及机器人相关技术。国家科学基金会（NST）每年投资100万美元，国家标准局（NBS）每年投资150万美元，1985～1995年间用于研制军用机器人和智能机器人的经费从1.86亿美元增至9.75亿美元。国家规划和支持对美国机器人发展起了很大的推动作用。
鉴于资金、技术密集型的高技术发展初期投资大、回收少的特点，多数国家政府给予资金支持和必要的政策优惠。如联邦德国1984—1988年的五年计划确定，提供5.3亿马克用于资助计算机辅助设计和制造的应用，扩大工业机器人、软件操作系统和外围设备的工业基础等先进生产技术工作。
2、国内机电一体化技术发展现状
（1）、我国是发展中国家，与发达国家相比工业技术水平存在一定差距，但有广阔的机电一体化应用开拓领域和技术产品潜在市场。改革开放以来，面临国际市场经济激烈竞争形势的挑战，国家和企业充分认识到机电一体化技术对我国经济发展具有战略意义，十分重视机电一体化技术的研究、应用和产业化，在利用机电一体化技术开发新产品和改造传统产业结构及装备方面都有明显进展，取得了较大的社会经济效益。
1986年开始实施的《高技术研究发展计划纲要》即“八六三”计划，将自动化技术，重点是CIMS和智能机器人技术等机电一体化前沿技术确定为国家高技术重点研究发展领域。1985年12月，国家科委组织完成了《我国机电一体化发展途径与对策》的软科学研究，探讨我国机电一体化发展战略，提出了数控机床、工业自动化控制仪表等15个机电一体化优先发展领域和6项共性关键技术的研究方向和课题，提出机电一体化产品产值比率（即机电一体化产品总产值占当年机械工业总产值的比值）在2000年达到15％～20％的发展目标。
（2）、我国的数控技术经过“六五”、“七五”、“八五”和“九五”的20年的发展，基本上掌握了关键技术，建立了数控开发、生产基地，培养了一批数控人才，初步形成了自己的数控产业。“八五”攻关开发的成果：华中1号、中华1号、航天1号和蓝天1号4种基本系统建立了具有中国自主版权的数控技术平台。1990年时我国数控金切机床产量仅2634台，而到2001年产量和消费量已分别上升至17521台和28535台，在1990～2001年的11年中，数控金切机床产量和消费量的年均增幅分别达到18.8%和25.3%。2000年我国机床的数控化率已达到6%，据预测分析，到2005年我国机床的数控化率为9.5%-10.36%，到2010年将达到16.5%-19.27%。
（3）、我国汽车电子化的水平与先进工业国家相比有较大差距。据统计1988年每辆汽车电子产品费用300元人民币，平均占整车成本的1。5％，而且能改善汽车性能的电子产品极少。我国在90年代已形成很大的汽车电子化产品市场，如1995年高能触点点火装置需求量50万部，电压调节器150万部、微机控制点火装置10万部，汽车专用集成电路3000万块，汽车用各种传感器200万只，所以在这方面需要进行大量的工作。
（4）、近年来，我国已研制成功了喷漆、焊接、搬运、能前后行走的、能爬墙、能上下台阶、能在水下作业的多种类型机器人。CIMS研究方面，我国已在清华大学建成国家CIMS工程研究中心（ERC），在一些著名大学和研究单位建立了7个CIMS单元技术实验室和8个CIMS培训中心，在国家立项实施CIMS的企业已达70余家。1994年清华大学荣获美国制造工程师协会（SME）颁发的CIMS研究“大学领先奖”。1995年北京第一机床厂荣获SME颁发的“工业领先奖”。上述成果的取得使我国在制造业机电一体化的研究和应用方面积累了一定的经验，它必将推动机电一体化技术向更高层次纵深发展。
五、机电一体化技术的意义
（一）、功能增强
机电一体化产品具有多种复合功能，如加工中心可以将多台普通机床的多道工序在一次装夹中完成，并自动检测工件和刀具精度，显示刀具运动轨迹。
（二）、精度提高
机电一体化技术简化了机构链，使机械磨损、配合间隙及受力变形等引起的误差大大减少。由于采用计算机检测与控制技术补偿和校正因各种干扰造成的动态误差，从而达到纯机械技术手段所无法实现的工作精度。
（三）、结构简化
由于机电一体化技术采用微处理器、大规模集成电路、电力电子器件代替了原来的电器控制柜和传动装置，使机电一体化产品零部件数量减少、体积变小，结构得到简化。
（四）、可靠性提高
随着集成电路的集成度越来越高，材料性能越趋稳定，机电一体化产品可靠性不断增强，同时由于具备了安全连锁控制、过载及失控保护、断电保护的功能，进一步提高了机电一体化产品的安全可靠性。
（五）、改善操作
由于机电一体化产品采用了计算机技术，从而提升了产品的自动化程度，减少了操作按钮及手柄，改善了设备的操作性能，构建了良好的人机界面。
（六）、提高柔性
由于软件技术的引入，从而实现了机器工作程序的可修改性，能够通过软件的修改来满足工作情况改变的需要。
六、机电一体化技术的应用
在人们的日常生活当中，自动机械、信息处理设备、办公室设备、车辆电子设备、医疗器械、光学装置、智能家电、楼宇安全系统等机电一体化系统都离不开执行元件为其提供动力。而执行元件和电子控制装置之间是无法直接连接的，因此需要一个驱动部件。该驱动部件在电子控制装置的控制下，接收指令，进行能量转换，从而得到目标输出。电子控制驱动系统框架见图1。
对于精密传动来说，需要在执行元件输出终端进行传动测量，如测量其位置、速度、加速度，同时将所测得的数据反馈给电子控制装置，让其进行比较，进行误差修正控制，最终实现精密传动。电子闭环控制驱动系统框架见图2。
图1 电子控制驱动系统框架
图2 电子闭环控制驱动系统框架
当有多个执行元件，其输出动作规律各不相同时，一方面要根据各执行元件工作情况来考虑其控制的形式，另一方面需要确定它们之间是否存在输出的联系。如果它们之间没有联系，可以让它们单独来工作，也可以通过构建PC机上位控制来统一管理。图3为PC机二级管理的多驱动电子闭环控制系统结构框图。若工作联动内容经常变化，就应该构建一个可以直接识别联动输出的软件，将联动输出写入软件当中，让其直接转化为控制程序，这样就能灵活地应对动作输出的需求。图4为装载了位置控制模块的PC机二级管理多驱动电子闭环控制系统结构框图。
图3 PC机二级管理的多驱动电子闭环控制系统结构框图
图4 装载了位置控制模块的PC机二级管理多驱动电子闭环控制系统结构框图
上述机电一体化技术的应用，仅论述了如何将传感技术、信息处理技术和驱动技术等技术简单的融合，各部件都是以模块形式搭建的，而模块间的信号传输及所涉及到的接口技术和信息处理技术是其中的重点。所以，在机电一体化技术应用中，以全局最优的观念去设计机电一体化产品，并且解决好每个功能模块信息处理和传输的问题，是能够迅速地利用好机电一体化技术的方法。
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致谢
首先感谢山西大同大学继续教育学院为我们提供的这次学习机会，感谢08级采矿工程班所有的任课老师，感谢班主任老师，是你们让我能够静静地坐下来，在知识的海洋里吸取更多的营养，从而能够为自己进一步地加油充电。其次诚挚的感谢我的论文指导老师，他在忙碌的教学工作中挤出时间来审查、修改我的论文。
通过论文的撰写，使我能够更系统、全面地学习有关机电一体化技术发展史，这对于我今后的工作和我为之服务的企业，无疑是不可多得的宝贵财富。由于理论水平比较有限，论文中有些疏漏和不足的地方，欢迎指导老师和专家们指正。
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