机电一体化——第一章 概述

1 .概论随着科学技术的发展，世界正面临着以信息技术为中心的技术革命，其目标是极大地提高劳动生产率和产品质量。

信息技术有三大支柱，即测量与控制技术、计算机技术和通信技术。

机械技术和微电子技术、计算机技术和信息技术的结合，是机械技术与电子技术发展的共同趋势之一。

特别是新兴的微电子技术、信息技术引入传统的机械技术之中，已使传统的机械类产品在功能上、性能上以及制造技术上提高到了一个新的水平，创造出许多不曾有过的新产品与新设备，带来了巨大的经济效益和社会效益。

因此，运用机电一体化技术设计机电一体化的设备或产品，改变机械产品与机械工业的面貌，满足社会和生活的物质需要，已成为工程设计人员的历史使命。

本章将介绍机电一体化系统的基本概念、系统组成要素和机电一体化系统的设计任务。

1．1机电一体化系统的概念1．1．1系统的基本概念“系统”这个名词，使用非常广泛。

在不同的词典、手册和专著中系统的定义都是：系统是由相互作用的依赖的若干组成部分按一定规律结合成的、具有特定功能的有机整体。

系统具有如下特征：“集合性”，系统是许多元素的集合。

“关联性”，系统的各个组成部分之间是互相联系的互相制约的。

“目的性”，系统总是具有特定的功能，特别是人所创造或改选的系统，总是有一定的目的性。

“环境适应性”，系统总是存在并活动于一个特定的环境中，与环境不断进行物质、能量、信息的交换。

系统必须适应环境。

对于系统工程还很难给出一个人们所公认的定义，这里列举一个较典型的解释。

“系统是为了更好地达到系统目标，而对系统的构成要素、组织结构、信息流动和控制机理等进行分析和设计的技术”（1967年日本工业标准JIS）。

由于系统是研究系统共性的跨学科的方法性技术，那么它研究和处理任何问题时都应遵循以下基本原则。

整体性原则：也就是说要把系统当作一个整体，不要只见树木不见森林。

希腊哲学家亚里士多德曾提出过“整体大于它的各部分的总和”的思想，就准确地反映了整体性原则的本质。

“整体大于它的部分的总和”不是一种量与量之间的换算，而是一种变质，各部分组成系统后，形成了系统的整体性能，这是一种新的质。

综合性原则：任何系统都具有多方面的属性，涉及多方面的因素。

综合性原则就是要把这些属性。

综合性原则就是要把这些属性、因素综合起来加以研究，不能顾此失彼，因小失大。

科学性原则：在处理问题时应按照科学的顺序和步骤进行，环环相扣，并不断通过信息反馈加以检查改进，且尽量使用定量方法。

建立模型和进行优化是按科学性原则处理系统问题的主要工作方法。

从系统的观点出发，我们总可以把我们所设计的各种简单和复杂的设备或产品看成一个系统，因而可运用系统工程的方法去分析和设计。

机电一体化系统就是应用系统工程的方法设计出的产品和设备，其突出的特点是，构成机电一体化系统的要素一般包括机、电、液、磁和光，并且这些要素之间存在着有机的组织与结合以实现该系统功能的整体最佳化。

机电一体化系统的实体部分，主要是机械部分与电子部分，可通过信息技术把这些部分有机地结合在一起，从而构成更为先进的产品。

按照系统分析的观点，机电一体化系统在设计过程中，是将机械部分与电子部分融合在一起进行通盘考虑的，哪些应采用机械部分，哪些应采用电子部分或其他更恰当的部分，例如液、磁、光等部分，然后通过分信息与处理技术将这些部分有机地结合起来。

因而，可以说机电一体化系统设计是系统工程学在机械电子领域中的具体运用，机电一体系统正是这种应用的效果。

1．1．2 机电一体化的概念以大规模集成电路和微型电子计算机为代表的微电子技术的飞速发展，迅速地应用到机械工业中，出现了种类繁多的计算机控制的机械、食品和军械装备，随着出现了具有柔性功能的自动生产线、车间或工厂。

这就大幅度地提高了劳动生产率，适应了市场对产品的多样化的要求，丰富了人类的物质文明，使传统地机械工业的生产发生了深刻的变化，出现了人类梦想的“机械文明的新时代”，即机电一体化的时代，促进了机械工业与电子工业相互促进，紧密结合，共同繁荣发展的新局面。

国际上以柔性自动化（单机生产系统）为主要特征的机电一体化事业发展迅速，其水平越来越高。

任何一个国家、地区和生产部门如不拥有这方面的人才，技术和生产手段，就不具备国际、国内竞争的基础。

因此，机电一体化已成为当今世界机械电子工业发展的必然趋势，也是振兴我国机械电子工业的惟一途径。

从1971年开始，日本人就敏感地提出“Mechatronics”这个英语合成名词，我国通常译为机械一体化或机械电子学。

其中，词首“Mechanics(机械学)”，词尾“tron-ics”表示“Electronic (电子学)。

”机电一体化虽然在各国尚无统一的严格定义，但对于单机柔性自动化或机电一体化的机械系统来说，日本机械振兴协会经济研究所提出的定义具有一定的代表性，即“机电一体化这个词是在机械的主功能、动力功能、信息与控制功能上引进了电子技术，并将机械装置与电子设备以及软件等有机结合而成系统的总称”。

这就体现了机电一体化生产及其技术的基本内容和特征。

换句话说，机电一体化是机械与电子技术重新组合后形成的智能化的工作系统。

这里所讲的“重新组合”，具有“革新”、“衍变”等意义，而不是直接地拼合。

但是，怎样用统一的观点和方法去研究和设计这样的机电一体化产品，需要深入控讨，这是机电一体化技术的根本任务。

1．1．3 机电一体化系统的组成与基本功能不论机械产品体积大小，功能多少，结构简易、复杂，都应从系统工程的角度来认识和理解机电一体化产品，这对于掌握和应用机电一体化技术是有益的。

机电一体化系统一般由以下几部分组成：机械本体部分、动力部分、传感部分、驱动部分、执行部分、控制及信息处理部分等。

很显然并非所有机电一体化产品都由这些部分组成，具有智能功能是机电一体化产品的一个显著特征，机电一体化生产及功能组成要素仿佛像一个人的组成要素那样完整。

（1）机械部分机电一体化的机械部分原则上是原来的机械结构部分，或者是做了改进的机械结构部分。

机械产品经过引进电子技术后，使得产品技术性能、水平和功能升级，因此，对机械结构提出了更高的要求，使之满足产品高效、多功能、可靠、节能、小型轻量等要求。

同时，还有些研制开发或新发明制造的机电一体化产品，其机械结构部分是崭新的、前所未有的，代表着机电一体化产品的发展方向。

为了发挥机电一体化系统的特长，机械本体的设计必须提高其适应性，即改善性能，减轻质量和提高精度。

一般传统机械产品是经钢铁为原材料制造的。

为了减轻质量，除了进行结构改进外，主要应考虑采用非金属复合材料。

只有减轻了机械主体的质量，才可能实现驱动系统小型化，改善系统的快速响应特性，降低消耗，提高效率。

但在减轻质量的情况下，一定要注意不能降低系统的刚性，并应设法提高刚性。

从模块化单元结构设计入手，进行性能分析，力争实现较高水平的组件化、标准化和系统化。

（2）传感与信息采集部分传感部分就像人的五官一样，其功能就是将系统运行中所需要的本身和外界环境各种参数及状况检测出来，变成可以测定的物理量，传递到信息处理部分，经过处理后根据需要使执行部分做出“反应”。

传感部分的功能一般由仪器表来完成，有些是由专门的传感器来完成。

传感器根据用途可以分为检测自身的内部信息传感器和检测工作对象的外部信息传感器，由检测、转换、指示、信息处理、记录等部分组成。

传感信息方式有光、电、流体、机械等，综合评价指标为功能范围、灵敏度和精度等方面。

更进一步的发展方向是实现功能元件化和智能化。

（3）信息处理与控制部分该部分如同人的大脑指挥和控制全身运动并能记忆、思考和判断问题那样，将来自各传感器的检测信息集中、储存并进行处理，然后按照一定的程序和节奏发出各种指令去指挥和控制整个系统的运行。

控制及信息处理部分的硬件一般包括输入/输出设备、磁盘、CRT显示器、计算机、可编程序控制器、数控装置等。

机电一体化系统要求信息处理部分提高信息处理速度，提高A/D、D/A转换及分时处理时I/O（输入/；输出）的可靠性，增强系统的抗干扰能力。

还有如何使部件小型轻量化及标准化；在信息处理部分加上自诊断功能；在人机接口设备上利用声音或图像识别等来实现信息处理部分智能化等问题。

控制单元一般包括计算机主体或可编程序控制器及与其配套的输入输出设备，存在着处理速度、可靠性、抗干扰以及标准化问题。

要进一步提高机电一体化产品的质量，必须提高控制设备的可靠性。

一方面要研制小型、大容量、高速处理的计算机，另一方面需要开发高速、小功率的运算部件。

（4）动力部分机电一体化产品的动力部分，就像人体内脏产生能量去维持生命运动一样，为系统提供能量和动力功能，去驱动执行机构，使系统正常运行。

机电一体化产品的动力部分可以沿用原来机械的动力部分或做某些（或做较大的）改进，用尽可能小的动力输入去获得尽可能大的输出，这是机电一体化产品的显著特征之一。

机电一体化系统常用的动力源有三类：电源、液压源、气压源。

目前电源是动力源中应用最多的动力源，已有许多成功的专有电源，随着电力电子器件的迅速更新换代和抗干扰技术的成熟，电源将得到更广泛的应用。

液压源、气压源同液动、气动系统一样，存在着提高可靠性、标准化和减轻质量的问题。

（5）驱动部分像人体的肌、筋、腱接受大脑指挥去驱动四肢运动一样，驱动部分在控制部的指挥下，去驱动执行机构完成各种动作和功能。

机电一体化产品可以沿用原来机械产品的驱动机构，有些需要做某些改进。

机电一体化产品对驱动机构的要求不仅仅只满足对于水、油、温度、尘埃等的适应性和可靠性上，而且还需要考虑改进其维修性和实行标准化。

当今，人们正研制一种内装编码器的电动机或由控制专用组件、传感器、电动机三位一体的伺服驱动单元。

按不同的动力源，驱动单元一般可分为三类：液压、气动、电动。

前两种驱动单元比产复杂，一般含有阀、缸体、管路等，存在着可靠性、标准化、减轻质量等问题。

电动机已被广泛应用。

但在快速响应和效率等方面还存在问题，有待于研制控制专用组件一传感器一电动机三位一体的服驱动单元。

（6）执行部分如同人的四肢由大脑指挥去完成每项任务和工作一样，当接到信息处理部分发出的指令后，执行部分便去执行指令所要求的动作或功能。

执行机构是运动部件，一般采用机械、电液等机构，因此它像机械本体那样需要改善性能，如果提高刚性，减轻重量，实现组件化、标准化和系列化，提高系统整体可靠性等。

在机电一体化系统中机械部分得了最大限度的简化，但是实现机械运动是机电一体化系统的根本目标。

对执行单元的基本要求是根据驱动系统的匹配特性需求，在提高刚度、减轻质量、实现组件化、标准化和系列化等方面开发各种新型执行单元。

（7）接口将机电一体化系统各组成部分联接起来的元件就是接口。

接口应采有向一标准规格，这不仅给信息传送和维修带来方便，而且可以简化设计。