摘要:1机电一体化概念 1.1机电一体化的基本概念 机电一体化技术是机械技术、电子技术和信息技 术有机结合的产物，又称机械电子技术。目前，被广 泛接受的机电一体化的定义是:机电一体化是 在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上 引进微电子技术，并将机
1机电一体化概念
1.1机电一体化的基本概念
机电一体化技术是机械技术、电子技术和信息技
术有机结合的产物，又称机械电子技术。目前，被广
泛接受的“机电一体化”的定义是:“机电一体化是
在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上
引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软
件有机结合而构成系统的总称”。
随着科学技术的发展，电子技术得到了蓬勃发
展，从分立电子元件到集成电路(IC)，从集成电路
到大规模集成电路(LSI)和超大规模集成电路
(VLSI )，特别是微型计算机的出现，使电子技术与
信息技术相结合并向其他学科渗透，对推动其他学科
的发展起到了不可忽视的作用。信息技术(3C技术)
的主体包括计算机技术、控制技术和通信技术。在机
械领域中，电子技术与计算机技术同机械技术相互交
叉、相互渗透，使古老的机械技术焕发了青春。在原
有机械基础上，引入电子计算机高性能的控制机能，
并实现整体最优化，就使原来的机械产品产生了质的
飞跃，变成功能更强、性能更好的新一代的机械产品
或系统，这正是机电一体化的意义所在。
1.2机电一体化技术的发展
由于机电一体化技术涵盖了机械技术和电子技
术，因此，机电一体化技术的发展既包括了其自身的
发展情况，又包括与其关系密切的电子技术发展。
(1)微电子器件的发展
集成电路是机电一体化的基础，近年来集成电路
的集成度越来越高，目前单片集成已达1.4亿个元器
件以上，能够用0.1 - O.25um。工艺制成1000MB的动
态存储器(Dynamic RAM, DRAM)。
在机电一体化产品中大量采用专用集成电路
(Application Specific Integrated Circuit, ASIC )，特别
是可编程逻辑器件和现场可编程门阵列(Gate Array)
应用广泛。门阵列是指一种预先在芯片上整齐地生成
由“与非”门或者“或非”门等基本单元组成的基
阵列，然后随时根据用户的需要在各基本单元之间进
行布线，以实现具有逻辑处理功能的集成电路。据国
外报导，美国LSI逻辑公司采用 0.55m工艺已完成
150万门阵列的设计。VLSI技术公司声称可以用单元
设计制成200万门阵列。日本东芝公司提出用
0.35um工艺可以制成500万门阵列，VLSI公司和日
立公司则宣布已能设计出500万门阵列的实用芯片，
引出脚可达1280个。
(2)微控制器的发展
机电产品的机电一体化的核心是微控制器的设
计。近年来，以单片机应用系统为代表的微控制器发
展特别迅速，应用也越来越广泛。
自从1974年12月美国仙童公司第一个推出单片
机F8以后，单片机的发展速度十分惊人，从4位机、
8位机发展到16位机、32位机，集成度越来越高，
功能越来越强，应用范围越来越广。目前，世界上单
片机的年销售量已达数亿片以上。近年来，为了不断
提高单片机的技术性能以满足不同用户的要求，各公
司竞相推出能满足不同需要的产品:
1)采用双CPU结构以提高处理能力。如Rock-
well公司的R6500/21和R65 C29单片机采用了双CPU
结构，其中每一个CPU都是增强型的6502.
2)增加数据总线的宽度。例如，NEC公司的
5PD-7800系列单片机将作成一个16位运算部件，内
部采用16位数据总线，使其处理能力明显优于一般
8位机。
3)采用串行总线结构。如飞利浦公司开发的
IZC (Intel-ICBUS)总线和DDB (Digital Data BUS)
总线。它们都采用三条数据总线代替现行的8位数据
总线，从而大大减少了单片机引线，降低了成本。
4)采用流水线结构。指令以队列形式出现在
CPU中，从而有很高的运算速度。如Sharp公司的单
片机SM-812。有的单片机甚至采用了多流水线结构，
因而具有极高的运算速度。这类单片机的运算速度要
比标准的单片机高出10倍以上，特别适合作数字信
号处理用。
5)双单片机结构。如Intel公司的RUPI-44系列
单片机8044/8744/8344。它是一个双单片机结构，其
中一个为8051/8751，另一个用以构成SDLC/HDLC
串行接口部件(SIU )。片内程序存储器中装有加电
诊断、任务管理、数据传送和对用户透明的并行、申
行通讯服务程序。
(3)先进制造技术
先进制造技术(Advanced Manufacturing Technolo-
gy, AMT)是当代制造技术的最新发展阶段，是机电
一体化技术的重要组成部分。它是传统制造技术与信
息技术、综合自动化技术和现代企业管理技术有机结
合而产生的高技术群。
先进制造技术的核心和前沿是制造系统集成技
术，制造系统集成技术正在由企业内部信息的集成
(计算机集成制造系统，CIMS)逐步走向产品开发过
程的集成(并行工程，CE)和企业间的集成(敏捷
制造，AM).
计算机集成制造系统(Computer Integrated Manu-
facturing System, CIMS)就是在自动化技术、信息技
术及制造技术的基础上，通过计算机网络及数据库，
将制造工厂全部生产活动所需的各种分徽的自动化系
统有机地集成起来，完成从采购原材料到告出产品的
一系列生产过程的高效益、高柔性的制造系统。在功
能上，CIMS包含了一个工厂的全部生产经营活动，
即从市场预测、产品设计、加工制造、经营管理到售
后服务的全部活动。
20世纪60年代末期，在集成化CAD/CAM的基础
上，国外有关专家提出了计算机集成制造系统的概念。
接着，在20世纪70年代，美国、日本、德国、英国、
法国等一些发达国家对CIMS的关键技术进行了比较全
面的研究，从20世纪80年代开始逐步建成了一批采用
CIMS技术的自动化工厂。近年来我国的有关专家也
对CIMS技术进行了深人的研究，建立了像成都飞机
制造公司、沈阳鼓风机厂这样一批CIMS工程的示范
企业，为我国跟踪世界科技前沿作出了贡献。
(4)微机械加工与微机械的发展
随着机电一体化产品向小型化和徽型化的发展，
微机械加工与微机械(又称微纳米技术)已成为机
电一体化的一个新的重要的发展方向。
近年来，通过容积硅微加工、金属电镀、立体电
沉积、电火花线切剖、激光加工等徽机械加工技术，
已经能够加工包括微型机器人在内的各种微型机械。
如美国加州大学研制成功￠60mm的静电电动机;日
本精工EPSON公司研制出光诱导自行走机器人，有
97个零件，外形尺寸小于lcm3，移动速度1.4 --
11.3mm/s,爬坡能力30°重1.5g。我国长春光学精
密机械与物理研究所也已研制出￠3mm的微电机，上
海交通大学曾研制出￠2mm的微电机。微机械在微细
外科手术以及工业领域具有广泛的应用前景。
(5)虚拟现实
虚拟现实(Virtual Reality, VR )是一种高级的
人机交互系统，它采用高性能的计算机和先进的电子
技术产生遇真的视、听、触、力环境，给人以身临其
境的感受。
该系统采用计算机图形仿真技术或立体摄像技术
产生虚拟景物，用三维位置传感器跟踪人体的运动，
用数据手套感知虚拟物体的几何、物理性质，并对它
们进行操作，用立体声发声器产生虚拟的声音，用立
体显示形成一种真三维的景象。
以数据手套为例，最初的数据手套只是一种手运
动跟踪器。它们把手指的运动变化和手在3D中的位
置传给计算机。为了提高手套的性能，实现触觉和力
反馈，美国Advanced Robotics Research Ltd和Airnu-
acl a Ltd设计了如图25.1-1所示的气动触/力觉反馈
装置，在适当的位置上安装有可以充放气的气囊，小
气囊用于产生触觉，大气囊用于产生力觉。它将光
纤、发光二极管、光传感器组合起来，光纤的光强就
随手指弯曲程度而变化，由此即可测出手的姿态。为
了提供力位反馈，Burdea开发了一个可移动的“主
手”，如图25.1-2所示。它由四个直接驱动的微型气
缸组成，安装在位于手套掌心一个L型小平面上，每
个气缸有一锥形工作区间，总重量为40一60g。数据
手套可用于控制远处机器人进行灵巧操作或在虚拟人
体上进行手术训练。
虚拟现实技术是机械电子技术中的又一新技术，
在医学、科研、军事、航空航天和机器人等方面都有
重要应用，被看作是综合国力的象征之一。
1.3机电一体化系统的构成
机电一体化系统通常由五大要素构成，即动力
源、传感器、机械结构、执行元件和电子计算机。因
此，机电一体化系统是由若干具有特定功能的机械与
信息系统组成的有机整体，具有满足一定使用要求的
功能。根据不同的使用目的，要求系统能对输入的物
质、能量和信息(即工业三大要素)进行某种处理，
输出所需要的物质、能量和信息。同时，机电一体化
系统的性能在很大程度上决定于控制系统的好坏。控
制系统不仅与计算机及其输人输出通道有关，更与所
采用的控制技术密切相关。
对于一个机电一体化产品或设备，应以系统的整
体的思想来考虑机电系统许多综合性的技术间题。例
如一台多关节机器人，就存在着各运动部件之间的力
藕合;各运动轴伺服系统的干扰和相互影响;系统动
力学与控制规律和运动精度之间的关系;机器人与外
围设备的连接;机器人各部分之间的协调运动和机器
人防护安全连锁的间题。这些间题即构成了机器人的
系统技术问题，必须通过系统工程和系统设计的理论
来解决。其中，系统工程是为使系统达到最佳状态而
对系统的组成部件、组织结构、信息传递、控制机构
等进行分析、设计和优化的技术。而系统设计的第一
个特点是具有综合性，这需要把系统内部和外部综合
起来考虑。要设计一个复杂的系统，首先就要把系统
分解成许多分系统，建立各个分系统的数学模型，最
后再进行最优设计。系统设计的另一个重要特征是系
统的均衡设计，均衡设计就是要恰当地选择元件，以
构成性能优异的系统。如果设计者只注重元件设计而
忽视优化组合过程，那么即使是经过精心筛选的元件
也可能组成性能低劣的系统。
需要注意的是，机电一体化系统是通过信息技术
将机械技术与电子技术融为一体构成的最佳系统，而
不是机械技术与电子技术的简单亚加，因此，必须有
机地、灵活地运用现有机械技术、电子技术和信息技
术，采用系统工程的方法，使整个系统达到最优化，
即设计最优化、加工最优化、管理最优化和运行方式
最优化，使各功能要素能够构成最佳组合。
1.4机电一体化的意义
机电一体化技术可以用来设计新型的机电一体化
产品，改造旧的机电产品，使机电产品的面貌大大改
观，从而达到功能增强、体积减小、重童减轻、可靠
性提高、性能价格比大大改善的目的。实施机电一体
化通常可以获得表25.1-1所示一些效果。
表25.1-1实施机电一体化可获得的效果
表25.1-1实施机电一体化可获得的效果
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