机电一体化技术的应用与发展前景
摘要：机电一体化是一种复合技术，是机械技术与微电子技术、信息技术互相渗透的产物，是机电工业发展的必然趋势。文章简述了机电一体化技术的基本结构组成和主要应用领域，并指出其发展趋势。
关键词：机械工业；机电一体化；数控；模块化
现代科学技术的发展极大地推动了不同学科的交叉与渗透，引起了工程领域的技术改造与革命。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。
一、机电一体化的核心技术
机电一体化包括软件和硬件两方面技术。硬件是由机械本体、传感器、信息处理单元和驱动单元等部分组成。因此，为加速推进机电一体化的发展，必须从以下几方面着手。
（一）机械本体技术
机械本体必须从改善性能、减轻质量和提高精度等几方面考虑。现代机械产品一般都是以钢铁材料为主，为了减轻质量除了在结构上加以改进，还应考虑利用非金属复合材料。只有机械本体减轻了重量，才有可能实现驱动系统的小型化，进而在控制方面改善快速响应特性，减少能量消耗，提高效率。
（二）传感技术
传感器的问题集中在提高可靠性、灵敏度和精确度方面，提高可靠性与防干扰有着直接的关系。为了避免电干扰，目前有采用光纤电缆传感器的趋势。对外部信息传感器来说，目前主要发展非接触型检测技术。
（三）信息处理技术
机电一体化与微电子学的显著进步、信息处理设备（特别是微型计算机）的普及应用紧密相连。为进一步发展机电一体化，必须提高信息处理设备的可靠性，包括模/数转换设备的可靠性和分时处理的输入输出的可靠性，进而提高处理速度，并解决抗干扰及标准化问题。
（四）驱动技术
电机作为驱动机构已被广泛采用，但在快速响应和效率等方面还存在一些问题。目前，正在积极发展内部装有编码器的电机以及控制专用组件-传感器-电机三位一体的伺服驱动单元。
（五）接口技术
为了与计算机进行通信，必须使数据传递的格式标准化、规格化。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。目前，技术人员正致力于开发低成本、高速串行的接口，来解决信号电缆非接触化、光导纤维以及光藕器的大容量化、小型化、标准化等问题。
（六）软件技术
软件与硬件必须协调一致地发展。为了减少软件的研制成本，提高生产维修的效率，要逐步推行软件标准化，包括程序标准化、程序模块化、软件程序的固化、推行软件工程等。
二、机电一体化技术的主要应用领域
（一）数控机床
数控机床及相应的数控技术经过40年的发展，在结构、功能、操作和控制精度上都有迅速提高，具体表现在：
1、总线式、模块化、紧凑型的结构，即采用多CPU、多主总线的体系结构。
2、开放性设计，即硬件体系结构和功能模块具有层次性、兼容性、符合接口标准，能最大限度地提高用户的使用效益。
3、WOP技术和智能化。系统能提供面向车间的编程技术和实现二、三维加工过程的动态仿真，并引入在线诊断、模糊控制等智能机制。
4、大容量存储器的应用和软件的模块化设计，不仅丰富了数控功能，同时也加强了CNC系统的控制功能。
5、能实现多过程、多通道控制，即具有一台机床同时完成多个独立加工任务或控制多台和多种机床的能力，并将刀具破损检测、物料搬运、机械手等控制都集成到系统中去。
6、系统的多级网络功能，加强了系统组合及构成复杂加工系统的能力。
7、以单板、单片机作为控制机，加上专用芯片及模板组成结构紧凑的数控装置。
（二）计算机集成制造系统（CIMS）
CIMS的实现不是现有各分散系统的简单组合，而是全局动态最优综合。它打破原有部门之间的界线，以制造为基干来控制“物流”和“信息流”，实现从经营决策、产品开发、生产准备、生产实验到生产经营管理的有机结合。企业集成度的提高可以使各种生产要素之间的配置得到更好的优化，各种生产要素的潜力可以得到更大的发挥。
（三）柔性制造系统（FMS）
柔性制造系统是计算机化的制造系统，主要由计算机、数控机床、机器人、料盘、自动搬运小车和自动化仓库等组成。它可以随机地、实时地、按量地按照装配部门的要求，生产其能力范围内的任何工件，特别适于多品种、中小批量、设计更改频繁的离散零件的批量生产。
浅析机电专业实验实训研究
【摘要】当前我国机电专业实验实训存在着一系列的问题，实验教学对高等学校的人才培养质量起着至关重要的作用。本文分析了高职高专机电专业现状对于机电专业骨干课程职业能力训练的要求，探讨了高职机电专业实验实训体系改革的内容和方法。
【关键词】高职，机电，课程体系，改革
实验实训作为实践性教学的一个重要环节，在培养学生形成科学的思维方法和运用实验手段去发现、观察、分析和解决问题的能力方面的作用，是其他课程所难以取代的。实验实训不仅在于帮助学生进一步理解、验证和巩固所学的理论知识，更在于作为能力培养的载体，在学生综合能力的培养、素质的提高和工程意识的形成方面具有独特的作用。正确认识实验教学对人才培养的作用，充分肯定实验实训教学在整个高职高专教育教学工作中的地位，将对高等学校提高人才培养质量起到至关重要的作用。
近年来，由于客观和主观上的原因，实验实训教学改革严重滞后于理论教学改革，已明显不能适应当前形势下人才培养的需要。应该尽快把实验教学改革融入整体教学改革之中，逐步对学生进行知识、能力、素质的综合培养。
一、现状分析
目前，高职高专机电专业教学计划中绝大多数专业基础课和专业课均开设一定数量的实验，大多属于演示、验证性实验。众所周知，很多高职毕业生，实践操作能力很差，毕业工作后很长时间不能独立顶岗，给用人单位带来很大负担，学生的实践操作能力不能适应市场的需求，实践教学已成为高职教育发展的瓶颈。加强实践环节教学，加强学生实践技能的培养，是提高职业教育教学质量的关键。
除了实验仪器陈旧、设备台套数不足、教学手段比较落后、实验教师数量不足、教学观念尚未切实转变等原因之外，还存在以下问题：
1.重理论轻实践
由于实验教学从属于理论教学，实验学时分散在各门课程之中，数量较少，因而在课程的成绩考核中所占的比例极小，且不少实验缺乏完善的考核办法，导致学生对实验课很不重视。重理论轻实践的思想依然大量存在。
2.理论与实践教学脱节
机电技术发展迅猛，出现了许多新技术、新工艺，理论教学中已及时增加了这些新的内容，而实验教学却严重滞后，实验内容长期不变，造成理论与实践教学的脱节。
3.专业特色不明显
各科实验之间的关联性较差，未形成有机的联系，尤其是机、电两方面缺少综合，无法形成专业特色。实验教学缺乏相对的独立性与整体优化，专业实验的工程特征不明显。
二、改革设想
专科教育的目标是培养适应社会需求、具有良好的专业技能和工程意识的一线技术人员，学习理论知识不是目的，而是为了在实践中加以应用。因此，必须彻底转变重理论轻实践的思想，充分认识实验教学在工程教育中的重要性，把培养人才的综合素质和能力作为教学的出发点和归宿，对现行的实验教学进行改革。
1、机械基础系列实验
本实验在学生完成了公共课后的专业基础课程学习阶段进行，主要包含工程力学、工程材料、互换性与技术测量、机械设计等课程中的有关实验内容。通过掌握一些本专业基本的实验手段与实验方法，进一步加深对专业基础课的理解，为后续课程的学习打下良好的基础。
2、电工电子系列实验
本实验主要包含电工技术、电子技术等课程的有关实验内容，1学分，可安排在第三学期。通过实验，使学生获得模拟电子、数字电子、电机等方面的基本实验技能和初步的电路分析能力。
3、测试与控制系列实验
本实验主要包含测试技术、单片机、电气控制与PLC、液压传动等方面的内容。培养学生在测试与控制方面的能力，通过实验，要求学生了解现代测试仪器的使用方法和利用计算机进行数据处理，初步掌握单片机、PLC控制、液压传动方面的基本实验技能，从而锻炼学生的分析、解决问题的能力。
4、机电技术综合实验
为了培养学生综合能力与创新能力，根据现有的实验条件，初步列出若干综合性实验项目(如表1)，今后可适当增加。让学生结合自己的毕业设计课题选做1～2个大型实验，并在教师的指导下独立完成实验的所有环节，从而得到一个全过程的完整锻炼。该实验为1学分，安排在最后学期。
三、配套措施
要保证基本设想的实现，并能稳步提高实验教学质量，必须改变实验室的现有模式，合并分散的同类实验室，尽快建立面向全院开设专业基础实验的实验中心，组建特色鲜明的机电工程中心。这样既有利于合理配置资源，又可改善实验学科单一、设备台套数欠缺的状况，也便于系列实验课程的开设。同时，必须对相关的教学环节加以改革和完善。
(一)改革教学方法与手段
改变传统实验教学方法，建立以学生为主体、以教师为主导的实验教学新模式。让学生变被动为主动，变消极为积极，使实验课程成为学生自主学习、培养创造性思维和创新能力、掌握科学技术与研究科学理论的有效途径。将现代技术引入实验室，推动实验教学手段现代化，丰富实验教学内容，扩大信息量，提高实验教学质量和效果。使学生在校期间接受较为完整的知识与操作技能的训练，为毕业后尽快适应专业工作打下坚实的基础。
(二) 加强校内实训设施的完善
学院在大规模基本建设的同时，为适应机电专业实践教学的需要共投入980万元，使校内实训设施进一步完善。现有机械制图实训室，CAD／CAM实训室，电工电子实训室，高性能模拟电子实训室，高性能数字电子实训室，电力拖动实训室，材料力学实验室，可编程控制器实训室，单片机实训室、钳工维修实训室等30多个。金工实训中心占地3000多平方米，有新式数控机床13台，普通机床37台，车、铣、刨、磨、线切割等种类齐全，另有电气焊实训室2个，交直流电弧焊机、氩弧焊机、气焊设备等50多台套，。机电专业的实验实训基本上能在校内完成，各实训室同时配有电脑和黑板，现场教学增强了教学的直观性，提高学生的理解能力和动手能力。
·风力发电电能变换装置的研究
·电流继电器设计
·基于DSP的电力谐波测量装置的研究
·电力现场图像监测系统设计
·电力现场监测系统的设计
·电力电子CAI课件的研制
·电加热炉PLC温度自适应控制系统的研究
·电加热反应釜生产过程控制
·电机自动试验系统设计
·电机起动方法及其软起动的研究
·基于虚拟仪器的电机变频实验系统
·电动汽车驱动电机及控制系统
·电动机智能软起动控制系统的研究与设计(PLC)
·低压断路器智能式脱扣器设计
·低压断路器操动机构的设计及优化
·低压动态无功补偿装置的设计
·低压变压器及其继电保护设计
·倒立摆系统控制研究
·倒立摆控制系统开发
毕 业 论 文
一、机电一体化技术发展历程及其趋势
自电子技术一问世,电子技术与机械技术的结合就开始了,只是出现了半导体集成电路,尤其是出现了以微处理器为代表的大规模集成电路以后,"机电一体化"技术之后有了明显进展,引起了人们的广泛注意.
(一)机电一体化"的发展历程
1.数控机床的问世,写下了"机电一体化"历史的第一页;
2.微电子技术为"机电一体化''带来勃勃生机;
3.可编程序控制器、"电力电子"等的发展为"机电一体化"提供了坚强基础;
4.激光技术、模糊技术、信息技术等新技术使"机电一体化"跃上新台阶.
(二)机电一体化"发展趋势
1.光机电一体化.一般的机电一体化系统是由传感系统、能源系统、信息处理系统、机械结构等部件组成的.因此,引进光学技术,实现光学技术的先天优点是能有效地改进机电一体化系统的传感系统、能源(动力)系统和信息处理系统.光机电一体化是机电产品发展的重要趋势.
2.自律分配系统化——柔性化.未来的机电一体化产品,控制和执行系统有足够的“冗余度”，有较强的“柔性”，能较好地应付突发事件，被设计成“自律分配系统”。在自律分配系统中，各个子系统是相互独立工作的，子系统为总系统服务，同时具有本身的“自律性”，可根据不同的环境条件作出不同反应。其特点是子系统可产生本身的信息并附加所给信息，在总的前提下，具体“行动”是可以改变的。这样，既明显地增加了系统的适应能力(柔性)，又不因某一子系统的故障而影响整个系统。
3.全息系统化——智能化。今后的机电一体化产品“全息”特征越来越明显，智能化水平越来越高。这主要收益于模糊技术、信息技术(尤其是软件及芯片技术)的发展。除此之外，其系统的层次结构，也变简单的“从上到下”的形势而为复杂的、有较多冗余度的双向联系。
4.“生物一软件”化—仿生物系统化。今后的机电一体化装置对信息的依赖性很大，并且往往在结构上是处于“静态”时不稳定，但在动态(工作)时却是稳定的。这有点类似于活的生物：当控制系统(大脑)停止工作时，生物便“死亡”，而当控制系统(大脑)工作时，生物就很有活力。仿生学研究领域中已发现的一些生物体优良的机构可为机电一体化产品提供新型机体，但如何使这些新型机体具有活的“生命”还有待于深入研究。这一研究领域称为“生物——软件”或“生物——系统”，而生物的特点是硬件(肌体)——软件(大脑)一体，不可分割。看来，机电一体化产品虽然有向生物系统化发展趋，但有一段漫长的道路要走。
5.微型机电化——微型化。目前，利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术，在实验室中已制造出亚微米级的机械元件。当将这一成果用于实际产品时，就没有必要区分机械部分和控制器了。届时机械和电子完全可以“融合”，机体、执行机构、传感器、CPU等可集成在一起，体积很小，并组成一种自律元件。这种微型机械学是机电一体化的重要发展方向。
二、典型的机电一体化产品
机电一体化产品分系统(整机)和基础元、部件两大类。典型的机电一体化系统有：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。典型的机电一体化元、部件有：电力电子器件及装置、可编程序控制器、模糊控制器、微型电机、传感器、专用集成电路、伺服机构等。这些典型的机电一体化产品的技术现状、发展趋势、市场前景分析从略。
三、我国发展“机电一体化”面临的形势和任务
机电一体化工作主要包括两个层次：一是用微电子技术改造传统产业，其目的是节能、节材，提高工效，提高产品质量，把传统工业的技术进步提高一步；二是开发自动化、数字化、智能化机电产品，促进产品的更新换代。
(一)我国“机电一体化”工作面临的形势
1. 我国用微电子技术改造传统工业的工作量大而广，有难度
2. 我国用机电一体化技术加速产品更新换代，提高市场占有率的呼声高，有压力。
3. 我国用机电一体化产品取代技术含量和附加值低，耗能、耗水、耗材高，污染、扰民产品的责任重，有意义。在我国工业系统中，能耗、耗水大户，对环境污染严重的企业还占相当大的比重。近年来我国的工业结构、产品结构虽然几经调整，但由于多种原因，成效一直不够明显。这里面固然有上级领导部门的政出多门问题，有企业的“故土难离”“死守故业”问题，但不可否认也有优化不出理想的产业，优选不出中意的产品问题。上佳的答案早就摆在了这些企业的面前，这就是发展机电一体化，开发和生产有关的机电一体化产品。机电一体化产品功能强、性能好、质量高、成本低，且具有柔性，可根据市场需要和用户反映时产品结构和生产过程做必要的调整、改革，而无须改换设备。这是解决机电产品多品种、少批量生产的重要出路。同时，可为传统的机械工业注入新鲜血液，带来新的活力，把机械生产从繁重的体力劳动中解脱出来，实现文明生产。
另外，从市场需求的角度看，由于我国研制、开发机电一体化产品的历史不长，差距较大，许多产品的品种、数量、档次、质量都不能满足需求，每年进口量都比较大，因此亟需发展。
(二) 我国“机电一体化”工作的任务
我国在机电一体化方面的任务可以概括为两句话：一句话是广泛深入地用机电一体化技术改造传统产业；另一句话是大张旗鼓地开发机电一体化产品，促进机电产品的更新换代。总的目的是促进机电一体产业的形成、为我国产业结构和产品结构调整作贡献。
总之，机电一体化技术既是振兴传统机电工业的新鲜血液和源动力，又是开启我国机电行业产品结构、产业结构调整大门的钥匙。
四、我国发展“机电一体化”的对策
(一)加强统筹安排，协调发展计划
目前，我国从事“机电一体化”研究开发及生产的单位很多。各自都有一套自己的发展策略。各单位的计划由于受各自立足点、着眼点的限制，难免只考虑局部利益，各主管部门的有关计划和规划，也有统一考虑不足，统筹安排不够的问题，同时缺少综观全局的有权威性的发展计划和战略规划。因此，建议各主管部门责成有关单位在进行深入调查研究、科学分析的基础上，制定出统管全局的“机电一体化”研究、开发、生产计划和规划，避免开发上重复，生产上撞车!
(二)强化行业管理，发挥“协会”作用
目前，我国“机电一体化”较热，而按目前的行业划分方法和管理体制，“政出多门”是难哆的。因此，我国有必要明确一个“机电一体化”行业的统管机构，根据目前国家政治体制改革和经济体制改革的精神，以及机电一体化行业特点，我们建议，尽快加强北京机电一体化协会的建设，赋予其行业管理职能。“协会”要进一步扩大领导机构——理事会的代表层面和复盖面，要加强办公室、秘书处的建设；要通过其精明干练的办事机构、经济实体，组织“行业”发展计划、战略规划的拟制；指导行业布点布局的调整，进行发展突破口的选择，抓好重点工程的试点和有关项目的发标、招标工作……
(三)优化发展环境、增大支持力度
优化发展环境指通过宣传群众，造成一种社会上下、企业内外都重视、支持“机电一体化”发展的氛围，如尽快为外商到我国投资发展“机电一体化”产业提供方便；尽可能为兴办开发、生产机电一体化产品的高新技术企业开绿灯；尽力为开发、生产机电一体化产品调配好资源要素等。
增大支持力度，在技术政策上，要严格限制耗电、耗水、耗材高的传统产品的发展，对未采用机电一体化技术落后产品限制强制淘汰；大力提倡用机电一体化技术对传统产业进行改造，对有关机电一体化技术对传统产业乾地改造，对有关技术开发、应用项目优先立项、优先支持，对在技术开发、应用中做出贡献的单位领导、科技人员进行表彰奖励等。
(四)突出发展重点，兼顾“两个层次”
机电一体化产业复盖面非常广，而我们的财力、人力和物力是有限的，因此我们在抓机电一体化产业发展时不能面面俱到、平铺直叙，而应分清主次，大胆取舍，有所为，有所不为。要注意抓两个层次上的工作。第一个层次是“面上”的工作，即用电子信息技术对传统产业进行改造，在传统的机电设备上植入或嫁接上微电子(计算机)装置，使“机械”和“电子”技术在浅层次上结合。第二个层次是“提高”工作，即在新产品设计之初，就把“机械”与“电子”统一起来进行考虑，使“机械”与“电子”密不可分，深度结合，生产出来的新产品起码正做到机电一体化。
结束语：本论文在各位老师的悉心指导和严格要求下已完成。在学习和生活期间，也始终感受着导师的精心指导和无私的关怀，我受益匪浅。在此向各位老师表示深深的感谢和崇高的敬意。不积跬步何以至千里，本设计能够顺利的完成，也归功于各位任课老师的认真负责，使我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现。同时我在网上也搜集了不少资料，才使我的毕业论文工作顺利完成。在此向学院工程系的全体老师表示由衷的谢意。
希望我的答案可以帮得上楼主！
