机械电子产品的组成

机电产品是由若干具有特定功能的机械与微电子要素组成的有机整体，具有满足人们使用要求的各种功能。根据不同的使用目的，要求系统能对输入的物质、能量和信息进行处理，输出所需要的物质、能量和信息。因此，机电产品必须具有变换 （加工、处理）、传递（移动、输送）和储存 （保持、记录）三大基本功能，如图2－1所示。

图2－1 机电系统的功能组成

从机电一体化系统的功能来看，人体是机电一体化系统最完美的参照物。如图2－2（a）所示，构成人体的五大要素分别是大脑、感官 （眼、耳、鼻、舌、皮肤）、四肢、内脏及躯干，相应的功能如图2－2（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；大脑处理各种信息并对其他要素实施控制；感官获取外界信息；四肢执行动作；躯干则把人体各要素有机地联系为一体。通过类比就可发现，机电一体化系统内部的五大功能与人体的上述功能几乎是一样的，而实现各功能的相应构成要素如图2－2（c）所示。机械电子系统五大要素实例如图2－3所示。

图2－2 组成人体与机械电子系统的对应要素及相应功能关系

一个较完善的机械电子系统应包括以下几个基本要素：机械本体、动力系统、传感与检测系统、执行部件、信息处理及控制系统，各要素和环节之间通过接口相联系。

图2－3 机械电子系统五大要素实例

机械本体用于支承和连接其他要素，并把这些要素合理地结合起来，形成有机的整体。机电一体化技术应用范围很广，其产品及装置的种类繁多，但都离不开机械本体。例如，机器人和数控机床的本体是机身和床身；指针式电子手表的本体是表壳。因此，机械本体是机电一体化系统必要的组成部分。没有它，系统的各部件就支离破碎，无法构成具有特定功能的机电一体化产品或装置。

动力系统按照系统控制要求，为机电一体化产品提供能量和动力功能，去驱动执行机构工作以完成预定的主功能。动力系统包括电、液、气等多种动力源。

传感与检测系统将机电一体化产品在运行过程中所需要的自身和外界环境的各种参数及状态转换成可以测定的物理量，同时利用检测系统的功能对这些物理量进行测定，为机电一体化产品提供运行控制所需的各种信息。传感与检测系统的功能一般由传感器或仪表来实现，对其要求是体积小、便于安装与连接、检测精度高、抗干扰及控制性能好等。

根据机电一体化产品的功能和性能要求，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控制，实现控制功能。机电一体化产品中，信息处理及控制系统主要由计算机的硬件和软件以及相应的接口所组成。硬件一般包括输入／输出设备、显示器、可编程序控制器和数控装置。机电一体化产品要求信息处理速度高，A／D和D／A转换及分时处理时的输入／输出可靠、精度高，系统的抗干扰能力强。

执行部件在控制信息的作用下完成要求的动作，实现产品的主功能。执行部件一般是运动部件，常采用机械、电液、气动等机构。执行机构因机电一体化产品的种类和作业对象不同而有较大的差异。执行机构是实现产品目的功能的直接执行者，其性能好坏决定着整个产品的性能，因而是机电一体化产品中重要的组成部分。

机电一体化产品的五个组成部分在工作时相互协调，共同完成所规定的目的功能。在结构上，各组成部分通过各种接口及其相应的软件有机地结合在一起，构成一个内部匹配合理、外部效能最佳的完整产品。表2－1给出了机械电子系统构成要素与人体构成要素的对应关系。

表2－1 机械电子系统构成要素与人体构成要素的对应关系

通过传感器直接检测目标运动并进行反馈控制的系统称为全闭环系统，如图2－4所示。而通过传感器检测某一部位运动并进行反馈、间接控制目标运动的系统为半闭环系统，如图2－5所示。

图2－4 全闭环系统

图2－5 半闭环系统

机电产品的基本特征是给机械增添了大脑 （计算机信息处理与控制），因此对传感器、接口单元、机械结构、控制软件的性能要求较高。其运动控制不仅仅是线性控制，还有非线性控制、最优控制、学习控制等多种控制。

实际上，机电一体化系统是比较复杂的，有时某些构成要素是复合在一起的。首先应该指出的是，构成机电一体化系统的几个部分并不是并列的。其中机械部分是主体，这不仅是由于机械本体是系统重要的组成部分，而且系统的主要功能必须由机械装置来完成，否则就不能称其为机电一体化产品。如电子计算机、非指针式电子表等，其主要功能已由电子器件和电路等完成，机械已退居于次要地位，这类产品应归属于电子产品，而不是机电一体化产品。因此，机械系统是实现机电一体化产品功能的基础，从而对其提出了更高的要求，需在结构、材料、工艺加工及几何尺寸等方面满足机电一体化产品高效、可靠、节能、多功能、小型轻量和美观等要求。除一般性的强度、刚度、精度、体积和重量等指标外，机械系统技术开发的重点是模块化、标准化和系列化，以便于机械系统的快速组合和更换。其次，机电一体化的核心是电子技术，电子技术包括微电子技术和电力电子技术，但重点是微电子技术，特别是微型计算机或微处理器。机电一体化需要多种新技术的结合，但首要的是微电子技术，不和微电子结合的机电产品不能称为机电一体化产品。如非数控机床，一般均有电动机驱动和电器控制，但它不是机电一体化产品。除了微电子技术外，在机电一体化产品中，其他技术则根据需要进行结合，可以是一种，也可以是多种。

综上所述，可以概括出以下几点共识：

（1）机电一体化是一种以产品和过程为基础的技术。

（2）机电一体化以机械为主体。

（3）机电一体化以微电子技术，特别是计算机控制技术为核心。

（4）机电一体化将工业产品和过程都作为一个完整的系统看待，因此强调各种技术的协同和集成，不是将各个单元或部件简单拼凑到一起。

（5）机电一体化贯穿于设计和制造的全过程中。