机电一体化概述

一、机电一体化的基本概念

1.机电一体化的由来

在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的飞速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工程的技术结构、产品结构、功能、生产方式及管理体系均发生了巨大变化，使工业和工程领域生产由“机械电气化”进入了“机电一体化”的发展阶段。

机电一体化又称机械电子学，英语称为Mechatronics，它是由英文机械学Mechanics的前半部分与电子学Electronics的后半部分组合而成。机电一体化技术是将机械技术、电工电子技术、微电子技术、信息技术、传感器技术、接口技术、信号变换技术等多种技术进行有机地结合，并综合应用到实际中去的综合技术，并非是机械技术与电子技术的简单相加。现代化的自动生产设备几乎可以说都是机电一体化的设备。机电一体化最早出现在1971年日本杂志《机械设计》的副刊上，随着机电一体化技术的快速发展，机电一体化的概念被我们广泛接受和普遍应用。现在的机电一体化技术是机械和微电子技术紧密结合的一门技术，它的发展使冷冰冰的机器更加人性化、智能化。

2.机电一体化的含义

目前，关于“机电一体化”含义尚未有统一的定义，随着生产和科学技术的发展，“机电一体化”还将不断被赋予新的内容。但其基本含义可概括为：将机械技术、微电子技术、信息技术、控制技术、计算机技术、传感器技术、接口技术等在系统工程的基础上有机地加以综合，实现整个系统最优化而建立起来的一种新的科学技术。机电一体化是指机和电之间的有机融合，它既不是传统的机械技术，也不是传统的电气技术。

“机电一体化”涵盖“技术”和“产品”两个方面。随着科学技术的发展，机电一体化已从原来以机械为主的领域拓展到目前的汽车、电站、仪表、化工、通信、冶金等领域，而且机电一体化产品的概念也不再局限在某一具体产品的范围，已扩大到控制系统和被控制系统相结合的产品制造和过程控制的大系统，例如柔性制造系统、计算机辅助设计／制造系统、计算机辅助设计工艺和计算机集成制造系统以及各种工业过程控制系统。此外，对传统的机电设备作智能化改造等工作也属于机电一体化的范围。因此，在理解机电一体化的含义时，可以将“机电”一词模糊为“先进技术”。

二、机电一体化产品分类

机电一体化产品是指机械系统和微电子系统有机结合，从而赋予新的功能和性能的新产品，是集机、电、气、液、光电等技术为一体的综合体。机电一体化产品种类繁多，目前还在不断扩展，在日常生活中，机电一体化的产品也比比皆是，如全自动照相机、全自动洗衣机、音响设备、电脑打印机等。机电一体化产品按产品的功能可划分为以下几类，参见表1-3-1-1。

表1-3-1-1 机电一体化产品的分类

三、机电一体化系统的组成

一个机电一体化系统一般由结构组成要素、动力组成要素、运动组成要素、感知组成要素、职能组成要素等五大组成要素有机结合而成，如图1-3-1-1（a）所示。机械本体（结构组成要素）是系统所有功能要素的机械支持结构，一般包括有机身、框架、支承、连接等；动力驱动部分（动力组成要素）依据系统控制要求，为系统提供能量和动力以使系统正常运行；测试传感部分（感知组成要素）对系统的运行所需要的本身和外部环境的各种参数和状态进行检测，并变成可识别的信号，传输给信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的控制信息；控制及信息处理部分（职能组成要素）将来源于测试传感部分的信息及外部直接输入的指令进行集中、存储、分析、加工处理后，按照信息处理结果和规定的程序与节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的的运行；执行机构（运动组成要素）根据控制及信息处理部分发出的指令，完成规定的动作和功能。

机电一体化系统一般由机械、传感检测、执行、控制及信息处理、动力等五部分组成，与构成人体的头脑、感官（眼、耳、鼻、舌、皮肤）、手足、内脏及骨骼等五大部分组成相类似，如图1-3-1-1（b）所示。内脏提供人体所需要的能量（动力）及各种激素，维持人体活动；头脑处理各种信息并对其他要素实施控制（计算机）；感官获取外界信息（传感器）；手足执行动作（执行元件）；骨骼的功能是把人体各要素有机联系为一体（机构）。由上可见，机电一体化系统内部的五大功能与人体的功能几乎是一样的，而实现各功能的相应构成要素如图1-3-1-1（c）所示。

图1-3-1-1 机电一体化系统组成与人体对应部分及相应功能的关系

机电一体化系统组成实例：数控机床功能的组成如图1-3-1-2所示。

四、机电一体化的共性关键技术及发展方向

1.机电一体化的共性关键技术

机电一体化是各种技术相互渗透的结果，其发展所面临的共性关键技术可以归纳为精密机械技术、检测传感技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服驱动技术、接口技术和系统总体技术等七方面。

2.机电一体化的发展方向

1）智能化

图1-3-1-2 数控机床功能的组成

智能化是21世纪机电一体化技术发展的主要方向，人工智能在机电一体化建设者的研究中日益得到重视。近几年，处理器速度的提高和微机的高性能化、传感器系统的集成化与智能化为嵌入智能控制算法创造了条件，有力推动着机电一体化产品向智能化方向发展。智能机电一体化产品可以模拟人类智能，具有某种程度的判断推理、逻辑思维和自主决策能力，从而可以取代制造工程中人的部分脑力劳动。

2）模块化

机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元是一项十分复杂但又是非常重要的事。如研制集减速、智能调速、电动机于一体的动力单元，具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的控制单元，以及各种能完成典型操作的机械装置。这样，可利用标准单元迅速开发出新产品，同时也可以扩大生产规模。显然，从电气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定，无论是对生产标准机电一体化单元的企业还是对生产机电一体化产品的企业，规模化都将给其带来美好的前程。

3）网络化

网络技术的兴起和发展给科学技术、工业生产、政治、军事、教育及人们日常生活都带来了巨大变革。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，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就是机电一体化产品。现场总线和局域网技术使家用电器网络化已成大势，利用家庭网络（Home net）将各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电系统（Computer Integrated Appliance System，CIAS），使人们在家里分享各种高新技术带来的便利与快乐。因此，机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。

4）微型化

微型化指的是机电一体化向微型化和微观领域发展的趋势。国外称其为微电子机械系统（Micro Electro Mechanic System，MEMS），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。

随着微传感器和执行器技术的发展，和半导体以光刻技术为基础的方法以及和传统机电一体化微型化方法的结合，人们开创了以精密工程和系统集成为特点的机电一体化新分支“微机电一体化”。微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活，在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。

5）绿色化

21世纪的主题词是“环境保护”，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，要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，资源利用率最高。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。

6）人格化

未来的机电一体化更加注重产品与人的关系，机电一体化的人格化有两层含义：一层是，机电一体化产品的最终使用对象是人，如何赋予机电一体化产品人的智能、情感、人性显得越来越重要，特别是对家用机器人，其高层境界就是人机一体化；另一层是，模仿生物机理，研制各种机电一体化产品。事实上，许多机电一体化产品都是受动物的启发研制出来的。