浅谈发展机电一体化的关键技术

　　摘要：机电一体化技术是从系统工程观点出发，应用机械、微电子等相关技术，使机械、电子有机结合，实现系统或产品整体最优化的综合性技术。小型的生产、加工系统，即使是一台机器，也都是由许多要素构成的，为了实现其“目的功能”，还需要从系统角度出发，不拘泥于机械或电子技术，希望能够找到一种使各种功能要素构成最佳结合的柔性技术与方法。机电一体化工程就是这种技术和方法的统一。
　　关键词：机电一体化，传感检测，接口，技术
　　
　　1．机电一体化技术特征
　　机电一体化系统主要由机械装置、执行装置、检测及传感器、动力源、计算机五个要素组成，是面向应用的跨学科技术。与传统的机械比较，机电一体化系统具有智能化，并与人体有一些相似。其中计算机技术是机电一体化技术的重要组成要素，是整个系统的中枢灵魂。
　　
　　2．机电一体化的发展趋势
　　2.1.智能化趋势
　　智能化是21世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向。人工智能在机电一体化的研究中日益得到重视,机器人与数控机床的智能化就是其重要应用。这里所说的“智能化”是对机器行为的描述,是在控制理论的基础上,吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法,模拟人类智能,使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力,以求得到更高的控制目标。机电一体化产品不可能具有与人完全相同的智能。但是,高性能、高速的微处理器使机电一体化产品赋有低级智能或人的部分智能。
　　2.2.网络化趋势
　　近些年来计算机技术等的突出成就是网络技术。网络技术的兴起和飞速发展给科学技术、工业生产等领域都带来了巨大的变革。各种网络将全球经济、生产连成一片,企业间的竞争也将全球化。机电一体化新产品一旦研制出来,只要其功能独到,质量可靠,很快就会畅销全球。由于网络的普及,基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾,而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。
　　2.3.微型化趋势
　　微型化指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势,国外称其为微电子机械系统(MEMS),泛指几何尺寸不超过1cm的机电一体化产品,并向微米、纳米级发展。微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活,具有不可比拟的优势。微机电一体化发展的瓶颈在于微机械技术,微机电一体化产品的加工采用精细加工技术,即超精密技术,它包括光刻技术和蚀刻技术。
　　2.4.绿色化趋势
　　工业的发达给人们生活带来了巨大变化。物质丰富,生活舒适;另一方面,资源减少,生态环境受到严重污染。于是人们呼吁保护环境资源,回归自然。绿色产品概念在这种呼声下应运而生,绿色化是时代的趋势。绿色产品在其设计、制造、使用和销毁的生命过程中,符合特定的环境保护和人类健康的要求,对生态环境无害或危害极少,资源利用率极高。设计绿色的机电一体化产品,具有远大的发展前途。机电一体化产品的绿色化主要是指使用时不污染生态环境,报废后能回收利用。
　　
　　3．发展机电一体化技术所面临的共性关键技术
　　主要包括精密机械技术、传感检测技术、伺服驱动技术、接口技术、信息处理技术、自动控制技术、系统总体技术等，下面以传感检测技术较详细阐述。
　　3.1.精密机械技术
　　精密机械技术是机电一体化的基础，因为机电一体化产品的主功能和构造功能大都是以机械技术为主体来得以实现的。随着高新技术引入机械行业，机械技术面临着挑战和变革。在机电一体化产品中，它不再是单一地完成系统间的连接，系统结构、重量、体积、刚性与耐用性方面对机电一体化系统都有着重要的影响。
　　3.2.传感检测技术
　　在机电一体化产品中，工作过程的各种参数、工作状态以及与工作过程有关的相应信息都要通过传感器进行接收，并通过相应的信号检测装置进行测量，然后送人信息处理装置以及反馈给控制装置，以实现产品工作过程的自动控制。机电一体化产品要求传感器能快速和准确地获取信息并且不受外部工作条件和环境的影响，同时检测装置能不失真地对信息信号进行放大、输送和转换。
　　检测传感部分包括各种传感器及其信号检测电路，其作用就是检测机电一体化系统工作过程中本身和外界环境有关参量的变化，并将信息传递给电子控制单元，电子控制单元根据检查到的信息向执行器发出相应的控制。
　　按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。
　　电阻式传感器是将被测量，如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这些物理量转换式成电阻值这样的一种器件。主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏、气敏、湿敏等电阻式传感器件。
　　电阻应变式传感器。传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，电阻应变片主要有金属和半导体两类，金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。半导体应变片具有灵敏度高（通常是丝式、箔式的几十倍）、横向效应小等优点。
　　压阻式传感器。压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。用作压阻式传感器的基片（或称膜片）材料主要为硅片和锗片，硅片为敏感材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视，尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用最为普遍。
　　热电阻传感器。热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。目前较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。用于测量-200℃～+500℃范围内的温度。
　　传感器技术自身就是一门多学科、知识密集的应用技术。传感原理、传感材料及加工制造装配技术是传感器开发的3个重要方面。作为一个独立器件，传感器的发展正进入集成化、智能化研究阶段。把传感器件与信号处理电路集成在一个芯片上，就形成了信息型传感器;若再把微处理器集成到信息型传感器的芯片上，就是所谓的智能型传感器。
　　与计算机发展相比，传感器的发展显得缓慢滞后，难以满足技术发展的要求。许多机电一体化装置(如类人机器人)不能达到满意的效果或无法实现设计的关键原因，在于没有合适的传感器，因此大力开展传感器研究，对于机电一体化技术的发展具有十分重要的意义。
　　3.3.伺服驱动技术
　　伺服驱动技术主要是指以机械位置、速度和加速度为控制对象，在控制命令的指挥下，控制执行元件的工作，是机械运动部件按照控制命令的要求进行运动。它涉及设备执行操作的技术，对所加工产品的质量具有直接的影响。机电一体化产品中的执行元件有电动、气动和液压等类型，其中多采用电动式执行元件，驱动装置主要是各种电动机的驱动电源电路，目前多由电力电子器件及集成化的功能电路构成。
　　3.4.接口技术
　　机电一体化系统是机械、电子和信息等性能各异的技术融为一体的综合系统，其构成要素和子系统之间的接口极其重要。接口采用同一标准规格，不仅有利于信息传递和维修，而且可以简化设计。
　　3.5.信息处理技术
　　信息处理技术是指在机电一体化产品工作过程中，与工作过程各种参数和状态以及自动控制有关的信息输人、识别、变换、运算、存储、输出和决策分析等技术。
　　
　　4．结语
　　机电一体化不是一门孤立的技术，与机电一体化相关的技术还有很多。技术上的改革和与之相配套的技术支持是创新技术的基础。随着科学的发展，与机电一体化相关的各项技术也将迅速发展，各种技术相互融合不断进步，将为机电一体化技术带来更为广阔的应用空间。
　　
　　参考文献
　　【1】许勇;机电一体化系统方案生成及优选研究[D];上海交通大学;2007年
　　【2】冯志刚;自确认压力传感器的研究[D];哈尔滨工业大学;2009年

《浅谈发展机电一体化的关键技术》

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