机电一体化系统

第一节　机电一体化系统

一、机电一体化技术的内涵

当今世界电子技术迅速发展，微处理器、微型计算机在各工程领域得到了广泛应用，对各领域技术的发展起到了极大的推动作用，机电一体化技术正是在这个时代背景下涌现的一门新兴的交叉科学。机电一体化技术是多种技术融合的产物。它是在信息论、控制论和系统论的基础上，在计算机、传感器和软件技术三者的支撑下发展起来的。实际上，机电一体化技术已经不仅仅局限于机械与电子技术的有机结合，而是融合检测传感技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服驱动技术、精密机械技术、计算机技术和系统总体技术等多种技术于一体的交叉学科与综合技术，如图5-1所示。其中，信息处理技术是机电一体化技术中必不可少的部分，以微电子技术和计算机技术为龙头的信息处理技术是使机电一体化产品具有自动化、数字化和智能化的关键所在。

机电一体化系统代表着现代机械系统，是对传统机械系统的升级。但这种升级更多的是在维持传统机械系统原有功能的基础上，对其物理组成进行了改变。它采用非机械手段实现并强化了机械系统的控制功能，大大简化了机械系统的传动和控制机构，从根本上改变了传统机械的面貌。给机械的设计、制造和控制方面都带来了深刻的变化。

在机电一体化系统中，常常是以微机取代常规的控制系统作为机电一体化系统的大脑;机械结构作为其主体和躯干;而各种仪器、仪表、传感器是其感官，它们可以感受各种参数的变化，并反馈到大脑(微机)中;它的手足则是各种执行机构，用以完成各种必需的功能。

二、机电一体化系统的特点

1.体积小、重量轻

电子技术的发展使得控制装置和检测装置迅速向轻型化和小型化发展。同时，伴随控制技术的发展，机械系统中的传动和控制机构被简化。

图5-1　机电一体化技术的组成

2.可靠性高

电磁和激光应用技术的发展促使非接触式传感与检测装置被广泛使用，避免了原来机械接触式存在的磨损、断裂等问题，使可靠性得到提高。

3.柔性好

在不改变硬件的前提下，通过计算机软件可以调整系统执行机构的运动，能适应多样化的新用途。

三、机电一体化系统的构成

1.机械本体

机电一体化产品中一定有运动机械，包括传动机构和运动机械本体，各子系统、零部件按一定的空间和时间关系安置在一定位置上，形成有机的整体。主要包括机架、传动装置等，是机电一体化系统必要的组成部分。

2.动力系统

动力系统为机电一体化系统提供能量和动力，以驱动执行机构工作。动力系统包括电、液、气等多种动力源。

3.传感检测系统

传感检测系统检测运动机构或其他需要监测的物理量，并将信息送回信息处理与控制部分，作为发送控制信息的依据。

4.信息处理与控制系统

信息处理与控制系统是进行信息处理与控制的核心，犹如人的大脑。其中软件和硬件的功能对系统的功能具有重要影响。由于在机电一体化系统中计算机进行信息处理与控制的目标是运动机械，所以，国外也称其为运动控制计算机。

5.执行元件

执行元件完成控制系统所要求的动作，执行元件是运动部件，多采用机械、电磁、电液等方式将输入的各种形式的能量转换为机械能。

另外，还有实现各部分之间的顺畅连接和通信的接口与连线。不同的机电一体化产品其组成部分的具体形式不同，但绝大多数都包括以上几个部分。

四、机电一体化技术的发展历程及趋势

1.机电一体化技术的发展历程

回顾历史，机电一体化技术的发展主要经历了以下三个重要阶段。

第一阶段是萌芽阶段，指20世纪50年代到60年代末。在这一时期，尽管机电一体化的概念没有提出来，但人们在机械产品的设计与制造过程中，已将电子技术的初步成果用来改善机械产品的性能。特别是数控机床的问世，掀开了“机电一体化”历史的第一页。

20世纪70年代到80年代是其第二阶段，也是蓬勃发展的阶段。在这一阶段，控制技术、计算机、信息技术迅速发展，为机电一体化的快速发展奠定了技术基础。性能更加优越的微处理器开始用于高级的机电一体化产品。数控机床、汽车的电子控制系统、工业机器人等都得到充分发展。智能控制技术、数据库技术在机电一体化产品中的应用，使机电一体化技术更上一层楼。同时，光学也进入机电一体化技术，并形成了“光机电一体化”这一新型领域。

第三阶段从20世纪90年代开始，称为“智能化阶段”。在这一阶段，机电一体化技术向智能化方向迈进，其主要标志是模糊逻辑、人工神经网络和光纤通信等领域的研究成果应用到机电一体化技术中。同时，面对机电一体化系统的建模设计、分析与集成方法，机电一体化的学科体系得到了深入研究。

2.机电一体化技术的发展趋势

(1)光机电一体化一般的机电一体化系统是由传感系统、动力系统、信息处理系统、机械结构等部件组成的。而光机电一体化技术，是当今装备制造业不可缺少的综合性先进技术，它将光电子技术、先进的生产工程技术、微电子技术、自动化、计算机和信息管理技术融为一体，渗透到机械工业中去，使原有的机械产品结构更加紧凑和简化，功能更完善，性能更稳定，控制也更灵活自如，运行速度可以大大加快，而制造周期却可以缩短。因此，引进光学技术，利用其优点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等，这已成为机电一体化产品发展的重要趋势。

(2)柔性化未来的机电一体化产品的控制和执行系统一定要有足够的“冗余度”，有较强的“柔性”，能较好地应付突发事件，它被设计成“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做出不同反应。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)智能化今后的机电一体化产品智能化水平越来越高。这主要受益于模糊技术、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)仿生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的趋势，但有一段漫长的道路要走。

(5)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。

(6)网络化20世纪90年代，计算机技术的突出成就就是网络技术。各种网络将全球经济、生产连成一片，企业间的竞争也全球化。由于网络的普及，各种基于网络的远程控制和监视技术方兴未艾，而远程控制的终端设备就是机电一体化产品。因此，机电一体化产品无疑应朝网络化方向发展。

五、机电一体化产品的分类

机电一体化技术一般包括五大类产品:①先进制造技术设备;②机电一体化机械设备;③机电基础件;④仪器仪表;⑤监控设备及控制系统。机电一体化产品可大致分为两大类，一类是系统也就是所谓的整机，另一类就是构成机电一体化技术的基础元、部件。

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、部分家电产品等。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。

机电一体化产品和机电一体化生产系统是制造业进步的必然趋势，也是现代高新技术支持下综合技术发展的结果。

六、机电一体化的相关技术

机电一体化是在传统技术的基础上由多种技术学科相互交叉、渗透而形成的一门综合性的交叉学科。所涉及的技术领域也非常广泛。概括来说，机电一体化相关的关键技术主要有:机械技术、传感与检测技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、伺服驱动技术和系统总体技术。

1.机械技术

机械技术是机电一体化的基础。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，而在系统的结构、重量、体积、刚性与耐用性等方面对机电一体化系统有着重要的影响。机械技术的着眼点在于如何与机电一体化的技术相适应，利用其他高新技术来更新概念。实现结构上、材料上、性能上的变更，满足减少重量、缩小体积、提高精度和刚度、改善性能的要求。

2.计算机与信息处理技术

信息处理技术是机电一体化的关键技术，其发展状况对机电一体化技术的发展具有深刻的影响。信息处理技术主要包括信息的输入、输出、变换、存储、运算和决策分析等技术。在机电一体化系统中，信息处理及控制系统接收传感与检测系统反馈的信息，并对其进行相应的处理、运算和决策，以对产品的运行施以相应的控制。在信息处理的过程中，信号的分析与处理是否准确、可靠，直接影响到机电一体化系统的性能。实现信息处理的硬件主要是计算机，因而信息处理技术与计算机技术是密切相关的。

3.自动控制技术

自动控制是在没有人直接参与的情况下，利用控制器对被控对象进行合理的控制，使其按照预定的规律运行。自动控制所依据的理论是自动控制原理(包括经典控制理论和现代控制理论)，自动控制技术就是在此理论的指导下对具体控制装置或控制系统进行设计，之后进行系统仿真、现场调试，最后使研制的系统可靠地投入运行。由于控制对象种类繁多，所以自动控制技术的内容也极其丰富。机电一体化系统中的自动控制技术主要包括位置控制、速度控制、最优控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制等。随着计算机技术的高速发展和广泛应用，自动控制技术越来越多地与计算机技术联系在一起，成为机电一体化中十分重要的关键技术。

4.系统总体技术

机电一体化技术不是几种技术的简单叠加，而是通过系统总体的设计使它们成为一个有机整体。如果整个系统不能很好地协调，则它仍然不可能正常、可靠地运行。系统总体技术就是用来解决多种技术的融合问题，它是一种从全局的角度出发，用系统的观点和方法，将总体分解成若干个功能单元，并找出能完成各个功能的技术方案，然后再将各个功能与技术方案组合成系统的方案组进行分析、评价、优选的综合应用技术。

总体技术的内容涉及许多方面，如接口技术、接口转换、软件开发、微机应用技术、控制系统的成套性和成套设备自动技术等。很显然，即使各个部分的性能、可靠性都很好，由此可看出系统总体技术的重要性。系统总体技术也是最能体现机电一体化技术特点的技术，其原理和方法还在不断发展和完善。

5.传感与检测技术

传感与检测装置是系统的感受器官，是实现自动控制，自动调节的关键环节，它的功能越强，系统的自动化程度就越高。

6.伺服驱动技术

伺服传动包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，由微型计算机通过接口与这些传动装置相连接，控制它们的运动，带动工作机械作回转、直线以及其他各种复杂的运动。