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摘要：机电一体化技术是由微电子技术、计算机技术、信息技术、机械技术及其它技术相融合构成的一门独立的交叉学科。随着科学技术的发展，国内外机电一体化将朝着绿色化、智能化、网络化、微型化、模块化方向发展，各种技术相互融合的趋势也将越来越明显。以机械技术、微电子技术的有机结合为主体的机电一体化技术是机械工业发展的必然趋势，机电一体化技术的发展前景也将越来越广阔。本文叙述了机电一体化的特点及其机械系统中蕴涵的层次结构理论，论述了其机械传动设计和机械结构设计的特点，并就机电一体化机械系统的发展方向提出了自己的看法。
关键词：机电；一体化；机械系统；研究设计
机电一体化是一个新兴的边缘学科，正处于发展阶段，代表著机械工业技术革命的发展方向。一般认为，机电一体化技术是一门跨学科的综合性高技术，是由微电子技术、计算机技术、信息技术、机械技术及其它技术相融合而构成的一门独立的交叉学科。美国IEEE/ASME 于1996 年给出了一个较为全面的定义：“对机电一体化初步定义为‘在工业产品和过程的设计和制造中，机械工程和电子与智能计算机控制的协同集成’，包括11 个方面：成型和设计；系统集成；执行器和传感器；智能控制；机器人；制造；运动控制；振动和噪声控制；微器件和光电子系统；汽车系统；其它应用”。目前，国际上普遍采用日本机械振兴协会的定义：“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的系统的总称。
一、机电一体化机械系统的概念
机电一体化机械系统是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及机电部件相互联系的系统。其核心是由计算机控制的，包括机械、电力、电子、液压、光学等技术的伺服系统。它的主要功能是完成一系列机械运动，每一个机械运动可单独由控制电动机、传动机构和执行机构组成的子系统来完成，而这些子系统要由计算机协调和控制，以完成其系统功能要求。机电一体化机械系统的设计要从系统的角度进行合理化和最优化设计。
二、机电一体化机电机械系统设计的基本要求
首先，精度性高。机电产品的精度直接决定和影响产品的整体质量，机电一体化产品的工艺水平、技术性能、功能都要优于其他普通产品，因此，高进度是其首要条件和标准。也就是说如果机械系统不够精确，即使其他系统在精确，都不可能顺利完成预期机械操作。其次，快速反应性。机电系统的快速反应性指的就是系统从接受指令一直到执行指令任务中间的时间差必须要短，只有这样才能更好地控制系统精确的完成任务，同时，控制系统及时、准确的根据系统运行状况得到相应的信息指令，从而准确的进行任务执行和完成。再次，稳定性良好。为更好的保证机械系统的精确度和反应性，在进行机械设计中通常会有高刚度、低摩擦、无间隙、高谐振频率等要求。与此同时，机械系统还应该具备可靠性高、寿命长、重量轻、体积小等优点。
三、机电一体化机械系统的设计特点
1、机械传动设计的特点。
机械传动设计的任务是把动力机产生的机械能传递到执行机械上去，机电一体化系统中机械传动系统的设计就是面向机电伺服系统的伺服机械传动系统设计。根据机电有机结合的原则，机电一体化系统中采用了调速范围大、可无级调速的控制电机，从而节省了大量用于进行变速和换向的齿轮、轴承和轴类零件，减少了产生误差的环节，提高了传动效率，因此使机械传动设计也得到了很大的简化，其机械传动方式也由传统的串联或串并联方式演变为并联的传动方式，即每一个机械运动都由单独的控制电机、传动机构和执行机构组成的子系统来完成，各个运动之间的传动关系则由计算机来统一协调和控制。因此机电一体化机械传动系统具有传动链短、转动惯量小、尽可能采用线性传递、无间隙传递等设计特点
2、机械结构设计的特点
机电一体化的机械结构仍属于传统机械技术的范畴，在满足伺服系统对其稳、准、快要求的前提下，从整体上说应逐步向精密化、高速化、小型化和轻量化的方向发展。因此在进行结构设计时就应综合考虑到各个零部件的制造、安装精度，结构刚度，稳定性以及动作的灵敏性和易控性。
四、机电一体化的发展趋势
纵观国内外机电一体化的发展现状和高新技术的发展动向，未来机电一体化将朝着绿色化、智能化、网络化、微型化、模块化等多方向发展。
1、绿色化。工业的发达给人们生活带来了巨大变化：一方面物质丰富，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，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。工业的发展使得资源减少，生态环境受到严重污染。绿色化成了时代的趋势，产品的绿色化更成了适应未来发展的一大特色。
2、模块化。模块化设计是1930年由德国人提出的一种设计思想，它是将已经标准化和系列化的通用部件，经过适当组合，制造出各种产品。模块化设计能有效地促进产品的开发，缩短产品开发周期，增加产品的种类。如以驱动为核心的驱动模块，以伺服为中心的运动控制模块，以传动、导向为核心的传动模块等均已形成了标准化产品。
3、智能化。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。人工智能系统是一个知识处理系统，它包括知识表示、知识利用和知识获取三个基本问题，其最终目标是模拟人的问题求解、推理、学习。人工智能在机电一体化建设中的研究日益得到重视，机器人与数控机床的智能化就是重要应用。
4、融合性。融合性设计也可称作“和多为一”的设计方法，主要是指产品的各个部分的相互融台，例如，机械传动部分的轴与电动机的轴的联接，传统方法是用联轴节，在机电一体化设计中，就可以把电机设计成机械传动的一部分，又如，机电一体化中采用的精密直线运动单元就是将传动件和导向件设计成一体，并在端部预留驱动装置的接121，这样的设计使得整个机械结构更加紧凑，传动更加平稳，运动精度也更高。
5、微型化。微型化兴起于20 世纪80 年代末，是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。近十余年来，微机电系统（Micro Electro Mechanic System，MEMS）[5]，作为机电一体化技术的新尖端分支而倍受重视，它泛指几何尺寸不超过1 cm3 的机电一体化产品，并向微米、纳米级发展。微机电系统高度融合了微机械技术、微电子技术和软件技术，发展难点在于微机械并不是简单地将大尺寸的机械按比例缩小，由于结构的微型化，在材料、机构设计、摩擦特性、加工方法、测试与定位及驱动方式等方面都产生了一些特殊问题。
结语
由于机电一体化的产生和普及，机电一体化技术已逐步渗透到机械工业的每一个领域，几乎不受行业的限制。传统的机械设计方法和设计概念正在发生着变化，机电一体化是机械设计理论的发展，而不是取代，伴随着机电一体化技术的不断发展和机电一体化产品的不断产生，其机械部分的设计将会朝着结构更简单，控制更容易，可靠性更好，性能价格比更高的方向不断发展。
参考文献：
[1]李建勇.机电一体化技术[M].北京：科学出版社，2004.
[2]尤惠媛，李武兴.机电一体化的应用现状与发展趋势[J].太原科技，2007（9）.
[3]董立立，赵益萍，梁林泉，朱煜，段广洪.机械优化设计理论方法研究综述[J].机床与液压.2010（15）
[4]许艺萍，张新民.现代设计理论方法在机械系统设计中的应用[J].机械研究与应用.2010（05）
[5]林仁宝.机电一体化控制系统的设计与应用[J].中国科技信息.2011，14（11）：31 ～ 33
[6]陈周峰.基于微型计算机控制系统的机电作业模式[J].机电一体化.2011，32（12）：42 ～ 44
关键词：机电；一体化；机械系统；研究设计
机电一体化是一个新兴的边缘学科，正处于发展阶段，代表著机械工业技术革命的发展方向。一般认为，机电一体化技术是一门跨学科的综合性高技术，是由微电子技术、计算机技术、信息技术、机械技术及其它技术相融合而构成的一门独立的交叉学科。美国IEEE/ASME 于1996 年给出了一个较为全面的定义：“对机电一体化初步定义为‘在工业产品和过程的设计和制造中，机械工程和电子与智能计算机控制的协同集成’，包括11 个方面：成型和设计；系统集成；执行器和传感器；智能控制；机器人；制造；运动控制；振动和噪声控制；微器件和光电子系统；汽车系统；其它应用”。目前，国际上普遍采用日本机械振兴协会的定义：“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的系统的总称。
一、机电一体化机械系统的概念
机电一体化机械系统是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及机电部件相互联系的系统。其核心是由计算机控制的，包括机械、电力、电子、液压、光学等技术的伺服系统。它的主要功能是完成一系列机械运动，每一个机械运动可单独由控制电动机、传动机构和执行机构组成的子系统来完成，而这些子系统要由计算机协调和控制，以完成其系统功能要求。机电一体化机械系统的设计要从系统的角度进行合理化和最优化设计。
二、机电一体化机电机械系统设计的基本要求
首先，精度性高。机电产品的精度直接决定和影响产品的整体质量，机电一体化产品的工艺水平、技术性能、功能都要优于其他普通产品，因此，高进度是其首要条件和标准。也就是说如果机械系统不够精确，即使其他系统在精确，都不可能顺利完成预期机械操作。其次，快速反应性。机电系统的快速反应性指的就是系统从接受指令一直到执行指令任务中间的时间差必须要短，只有这样才能更好地控制系统精确的完成任务，同时，控制系统及时、准确的根据系统运行状况得到相应的信息指令，从而准确的进行任务执行和完成。再次，稳定性良好。为更好的保证机械系统的精确度和反应性，在进行机械设计中通常会有高刚度、低摩擦、无间隙、高谐振频率等要求。与此同时，机械系统还应该具备可靠性高、寿命长、重量轻、体积小等优点。
三、机电一体化机械系统的设计特点
1、机械传动设计的特点。
机械传动设计的任务是把动力机产生的机械能传递到执行机械上去，机电一体化系统中机械传动系统的设计就是面向机电伺服系统的伺服机械传动系统设计。根据机电有机结合的原则，机电一体化系统中采用了调速范围大、可无级调速的控制电机，从而节省了大量用于进行变速和换向的齿轮、轴承和轴类零件，减少了产生误差的环节，提高了传动效率，因此使机械传动设计也得到了很大的简化，其机械传动方式也由传统的串联或串并联方式演变为并联的传动方式，即每一个机械运动都由单独的控制电机、传动机构和执行机构组成的子系统来完成，各个运动之间的传动关系则由计算机来统一协调和控制。因此机电一体化机械传动系统具有传动链短、转动惯量小、尽可能采用线性传递、无间隙传递等设计特点
2、机械结构设计的特点
机电一体化的机械结构仍属于传统机械技术的范畴，在满足伺服系统对其稳、准、快要求的前提下，从整体上说应逐步向精密化、高速化、小型化和轻量化的方向发展。因此在进行结构设计时就应综合考虑到各个零部件的制造、安装精度，结构刚度，稳定性以及动作的灵敏性和易控性。
四、机电一体化的发展趋势
纵观国内外机电一体化的发展现状和高新技术的发展动向，未来机电一体化将朝着绿色化、智能化、网络化、微型化、模块化等多方向发展。
1、绿色化。工业的发达给人们生活带来了巨大变化：一方面物质丰富，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，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。工业的发展使得资源减少，生态环境受到严重污染。绿色化成了时代的趋势，产品的绿色化更成了适应未来发展的一大特色。
2、模块化。模块化设计是1930年由德国人提出的一种设计思想，它是将已经标准化和系列化的通用部件，经过适当组合，制造出各种产品。模块化设计能有效地促进产品的开发，缩短产品开发周期，增加产品的种类。如以驱动为核心的驱动模块，以伺服为中心的运动控制模块，以传动、导向为核心的传动模块等均已形成了标准化产品。
3、智能化。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。人工智能系统是一个知识处理系统，它包括知识表示、知识利用和知识获取三个基本问题，其最终目标是模拟人的问题求解、推理、学习。人工智能在机电一体化建设中的研究日益得到重视，机器人与数控机床的智能化就是重要应用。
4、融合性。融合性设计也可称作“和多为一”的设计方法，主要是指产品的各个部分的相互融台，例如，机械传动部分的轴与电动机的轴的联接，传统方法是用联轴节，在机电一体化设计中，就可以把电机设计成机械传动的一部分，又如，机电一体化中采用的精密直线运动单元就是将传动件和导向件设计成一体，并在端部预留驱动装置的接121，这样的设计使得整个机械结构更加紧凑，传动更加平稳，运动精度也更高。
5、微型化。微型化兴起于20 世纪80 年代末，是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。近十余年来，微机电系统（Micro Electro Mechanic System，MEMS）[5]，作为机电一体化技术的新尖端分支而倍受重视，它泛指几何尺寸不超过1 cm3 的机电一体化产品，并向微米、纳米级发展。微机电系统高度融合了微机械技术、微电子技术和软件技术，发展难点在于微机械并不是简单地将大尺寸的机械按比例缩小，由于结构的微型化，在材料、机构设计、摩擦特性、加工方法、测试与定位及驱动方式等方面都产生了一些特殊问题。
结语
由于机电一体化的产生和普及，机电一体化技术已逐步渗透到机械工业的每一个领域，几乎不受行业的限制。传统的机械设计方法和设计概念正在发生着变化，机电一体化是机械设计理论的发展，而不是取代，伴随着机电一体化技术的不断发展和机电一体化产品的不断产生，其机械部分的设计将会朝着结构更简单，控制更容易，可靠性更好，性能价格比更高的方向不断发展。
参考文献：
[1]李建勇.机电一体化技术[M].北京：科学出版社，2004.
[2]尤惠媛，李武兴.机电一体化的应用现状与发展趋势[J].太原科技，2007（9）.
[3]董立立，赵益萍，梁林泉，朱煜，段广洪.机械优化设计理论方法研究综述[J].机床与液压.2010（15）
[4]许艺萍，张新民.现代设计理论方法在机械系统设计中的应用[J].机械研究与应用.2010（05）
[5]林仁宝.机电一体化控制系统的设计与应用[J].中国科技信息.2011，14（11）：31 ～ 33
[6]陈周峰.基于微型计算机控制系统的机电作业模式[J].机电一体化.2011，32（12）：42 ～ 44