机电一体化系统的发展趋势

机电一体化 

v 1.2  机电一体化系统的设计 v

 1.3  机电一体化系统的发展趋势 

美国《技术评论》认为，有十种新兴技术在不远的将来会产生巨大影响：无线传感器网络；可注入组织工程；纳米太阳能电池；机电一体化技术；分子成像；纳米印刷刻蚀；软件保证；糖原组学；量子密码术。

1.1.1 引言 

机电一体化一般包含机电一体化技术和机电一体化产品(系统) 两层含义。 

1、 机电一体化技术：从系统的观点出发，将机械技术、微电子技术、信息技术、控制技术等在系统工程基础上有机地加以综合，以实现整个系统最佳化的一门新科学技术。 

2、 机电一体化产品：新型机械与微电子器件，特别是微处理器、微型机相结合而开发出来的新一代电子代机械产品。 权威定义： 

v  起源：日本，20世纪70年代； v 

合成词：Mecha—tronics。它取英语

Mechanics(机械学)的前半部和Electronics（电子学）的后半部分拼成一个新词； 

v 

 (ASME)由计算机信息网络协调与控

制的用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和(或)机电部件相互联系的系统。 理解： 

v 

机电一体化不是机械与电子简单的叠加，而是在信息论、控制论和系统论的

基础上建立起来的应用技术 

v 

典型的机电一体化产品(系统)有：数控机床、机器人、汽车电子化产品、智

能化仪器仪表、电子排版印刷系统、CAD／CAM系统等。常用的机电一体化产品：数控铣床、焊接机器人、汽车防抱死系统(ABS)

发展概况： 

1. 20世纪60年代前为第一阶段，“萌芽阶段” 

    工程师们自觉或者不自觉地把机械产品和电子技术相结合，以提高机械产品的性能。但是由于电子技术的发展相对落后，使得机械与电子的结合还没有得到广泛的应用。 

2. 70年代到80年代为第二阶段，“蓬勃发展阶段”     

    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。这个时期的特点是： 

① mechatronics（机电一体化）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以很大的关注和支持。  3、90年代后期为第三阶段，“智能化阶段” 

① 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。 

② 对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。 

③ 由于人工智能技术、神经网络技术及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。这些研究，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。  4、总的发展趋势 

① 性能上，向高精度、高效率、智能化的方向发展，以数控机床为例，控制精度0.1um，进给速度100m/min以上，联动轴数15轴以上，界面、通讯等长足发展； 

② 功能上，向小型化、轻型化、多功能化方向发展。 ③ 层次上，向系统化、复合集成化方向发展。  v 

有资料总结为六化：（1）智能化（2）模块化（3）网络化 

（4）微型化（5）绿色化（6）人性化 

机电一体化的基本组成要素 

1、机械本体：机身、框架、机械联接等产品支持机构，实现构造功能。

要求：可靠、小型、美观 

2、动力与驱动：提供能量，转换成需要的形式，实现动力功能。 要求：效率高、可靠性好 

3、传感测试装置：检测产品内部状态和外部环境，实现计测功能。物理量/化学量à电信号 

要求：体积小、精度高、抗干扰 

4、执行机构：包括机械传动与操作机构，接收控制信息，完成要求的动作，实现主功能。 

要求：高性能、高精度、高效率   

5、控制及信息处理单元：处理、运算、决策，实现控制功能。计算机 PLC  A/D  D/A  光耦 

要求：高可靠性、柔性、智能化 

以上这五部分通常称为机电一体化的五大组成要素。在机电一体化系统中的这些单元和它们内部各环节之间都遵循接口耦合、运动传递、信息控制、能量转换的原则，称为四大原则。 

 接口耦合与能量转换：变换、放大、耦合、能量转换 2、 信息控制 3、 运动传递 

1.  机电一体化系统的技术组成 

1、机械技术 

机械技术是机电一体化的基础。机电一体化产品中的主功能和构造功能，往往是以机械技术为主实现的。特别是关键部件，如导轨、滚珠丝杠、轴承、传动部件等的材料、精度对机电一体化产品的性能、控制精度等多方向的要求。实现机电一体化产品的主功能和构造功能，影响系统的结构、重量、体积、刚性、可靠性等。 

着眼点：如何与机电一体化技术相适应。CAPP（计算机辅助工艺规程编制）、 CAD、 CAM等 

2、计算机与信息处理技术 

信息处理技术包括信息的输入、识别、变换、运算、存储及格出技术，它们大都是依靠计算机来进行的，因此计算机技术与信息处理技术是密切相关的。信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策等，实现信息处理的主要工具是计算机。计算机技术包括计算机硬件技术和软件技术、网络与通信技术、数据库技术等。其主要工具是计算机。 

3、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。由于被控对象种类繁多，所以控制技术的内容极其丰富，包括高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿、示教再现、检索等控制技术。

 4、传感与检测技术 

研究对象：传感器及其信号检测传输装置（即变送器）。检测传感技术是机电一体化的关键技术，它将所测得的各种参量如位移、位置、速度、加速度、力、温度、酸度和其他形式的信号等转换为统一规格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和动作幅度。传感器检测的精度、灵敏度和可靠性将直接影响到机电一体化的性能。 

要求：能快速、精确地获得信息并在相应的应用环境中具有高可靠性。

5、伺服驱动技术 

v 研究对象：执行元件及其驱动装置 v 执行元件种类：电动、液压、气压 

v 驱动装置指各种电动机的驱动电源电路，目前多采用电力电子器件及集成化的

功能电路构成。 

6、系统总体技术 

系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统工程的观点和方法，将系统总体分解成相互有机联系的若干功能单元，并以功能单元为子系统继续分解，直至找到可实现的技术方案，然后再将系统各个功能模块有机的结合起来，以实现整体最优。其重要内容为接口技术。接口包括电气接口、机械接口、人机接口 

小结： 

机电一体化通过综合利用现代高新技术的优势，在提高精度、增强功能、改善操作性和使用性、提高生产率和降低成本、节约能源和降低消耗、减轻劳动强度和改善劳动条件、提高安全性和可靠性、简化结构和减轻重量、增强柔性和智能化程度、降低价格等诸多方面都取得了显著的技术经济效益和社会效益，促使社会和科学技术又向前大大迈进了一步。