第1章 總論

1.1 機電一體化的基本概念

機電一體化又稱機械電子學，英文名稱為Mechatronics，它是由英文機械學Mechan-ics的前半部分與電子學Electronics的后半部分組合而成。機電一體化一詞最早出現在1971年日本《機械設計》雜志的副刊上，隨著機電一體化技術的快速發展，機電一體化的概念被人們廣泛地接受和使用。1996年出版的WEBSTER大詞典收錄了“Mecha-tronics”這個日本造的英文單詞，這不僅意味著這個單詞得到了世界各國學術界和企業界的認可，而且還意味著“機電一體化”的優勢和思想為世人所接受。

1.1.1 機電一體化的定義

圖1-1 機電一體化的技術領域

那么，什么是機電一體化呢？

到目前為止，就機電一體化這一概念的內涵國內外學術界還沒有一個完全統一的表述。一般認為，機電一體化是一門利用微電子技術來控制機械裝置的學科，屬交叉學科，它的技術基礎來自機械制造、微電子控制以及相關計算機軟件知識。因此，機電一體化是整合了機械學、電子學、信息科學和計算機技術等相關領域的一種多學科融合的技術，現今已經從機械工程的附屬學科，獨立成為了前沿科學，并在一定程度上代表了一個國家科學技術的發展水平。

這里面包含了三重含義：首先，機電一體化是機械學、電子學、信息科學和計算機技術等學科相互融合而形成的學科。圖1-1所示形象地表述了機電一體化與機械學、電子學、信息科學和計算機等技術之間的相互關系；其次，機電一體化是一個發展中的概念，早期的機電一體化就像其字面所表述的那樣，主要強調機械與電子的結合，即將電子技術融入到機械技術中而形成新的技術與產品。隨著機電一體化技術的發展，以計算機技術、通信技術和控制技術為特征的信息技術，即所謂的“3C”技術（Computer、Communication ＆ Control Technology）滲透到機械技術中，豐富了機電一體化的含義。現代的機電一體化不僅僅指機械、電子與信息技術的結合，還包括光（光學）機電一體化、機電氣（氣壓）一體化、機電液（液壓）一體化、機電儀（儀器儀表）一體化等；最后，機電一體化表達了技術之間相互結合的學術思想，強調各種技術在機電產品中的相互協調，以達到系統總體最優。換句話說，機電一體化是多種技術學科有機結合的產物，而不是它們的簡單疊加。

從概念的外延來看，機電一體化包括機電一體化技術和機電一體化產品（或系統）兩個方面。機電一體化技術是從系統工程的觀點出發，將機械、電子和信息等有關技術有機結合起來，以實現系統或產品整體最優的綜合性技術。機電一體化技術主要包括技術原理和使機電一體化產品得以實現、使用和發展的技術兩個方面。機電一體化技術是一個技術群組的總稱，包括機械技術、檢測傳感技術、信息處理技術、自動控制技術、伺服驅動技術、接口技術、系統總體技術等。機電一體化產品與機電一體化系統是兩個相近的概念，通常機電一體化產品指獨立存在的機電結合產品，而機電一體化系統主要指依附于主產品的部件系統，這樣的系統實際上也是機電一體化產品。機電一體化產品是由機械系統與電子系統及信息處理單元有機結合從而被賦予新功能和新性能的高科技產品。由于在機械本體中融入了電子技術和信息技術，與純粹的機械產品相比，機電一體化產品的性能得到了根本性的提高，具有滿足人們使用要求的最佳功能。

基于以上論述，我們可以這樣定義機電一體化：在機械的主功能上以引入電子組件作為傳感、信息及控制單元為特征，并將機械裝置與電子裝置用相關軟件有機結合而形成的技術或所構成的系統。該概念也可簡單理解為機械工程與電子工程相結合的技術，以及應用這些技術的機械電子裝置。

1.1.2 機電一體化產品的分類

現代社會中的機電一體化產品比比皆是。我們日常生活中使用的智能洗衣機、空調及全自動照相機，都是典型的機電一體化產品；在機械制造領域中廣泛使用的各種數控機床、工業機器人、三坐標測量儀及全自動倉儲，也是典型的機電一體化產品；而汽車領域更是機電一體化技術成功應用的典范，目前汽車上已成功應用和正在開發的機電一體化系統達數十種之多，其中發動機電子控制系統、汽車防抱死制動系統、全主動和半主動懸架系統等在汽車上的應用，使得現代汽車的乘坐舒適性、行駛安全性及環保性都得到了很大的改善；在農業工程領域，機電一體化技術也獲得了越來越廣泛的應用，如拖拉機自動駕駛系統、懸掛式農具的自動調節系統、聯合收獲機脫粒清選裝置的監控系統、溫室環境自動控制系統等。

機電一體化產品的種類非常多，應用范圍也十分廣泛，我們可以按照以下標準進行分類。

按機電結合程度和形式分類：

（1）功能附加型——數控機床、全自動洗衣機、電子秤、防抱死制動系統（ABS）等。

（2）功能替代性——電子縫紉機、電子照相機、石英鐘等。

（3）機電融合型——傳真機、磁盤驅動器、機器人、數控機床（CNC）等。

按照產品的主功能實現形式分類：

（1）數控機械類——以機械裝置為執行裝置，例如數控機床、機器人、全自動洗衣機等。

（2）電子設備類——以電子裝置為執行機構，如電火花加工機床、線切割機床、超聲波加工機床以及激光測量儀等。

（3）機電組合類——電子與機械有機結合，如CT掃描儀、自動售貨機等。

（4）電液伺服類——以液壓為執行裝置，如萬能材料試驗機等。

（5）信息控制類——用于鏡像信息，如傳真機，磁盤內存、錄音機、復印機等。

按所屬技術與應用領域分類：

工業生產類、運輸包裝類、儲存銷售類、社會服務類、家庭日常類、科研儀器類、國防武器類。

1.1.3 機電一體化的技術特點

機電一體化的靈魂是突出強調技術間的相互滲透和有機結合，從而形成某一單項技術所無法達到的優勢，并將這種優勢通過性能優異的機電一體化產品體現出來，轉化成強大的生產力。

機電一體化產品的典型特征可以概括為“兩小四高”，具體為：體積小、質量輕、高速度、高精度、高可靠性、高柔性。

（1）體積小、質量輕

機電一體化產品常用于精密產品的加工與制造，在機械與電子相互結合的實踐中，對結構的不斷優化設計，采用新型的復合材料使得機電一體化產品既能縮小體積、減輕質量、減小慣性，又不降低機械的靜、動剛度。

（2）高速度、高精度

研究高精度導軌、精密滾珠絲杠、高性能主軸軸承和高精度齒輪，以保證關鍵部件的精度，提高機構運行速度。機電一體化產品在工作過程中，會通過預先輸入的相關算法對生產過程中出現的誤差進行不同程度的補償，使機構在高速運轉的同時也保證了精度。

（3）高可靠性

高可靠性體現在機電一體化技術使用簡單、故障率低、壽命長和高安全性等方面。

1）使用簡單

機電一體化系統操作簡單，可以通過觸摸屏技術，使人員經過簡單的培訓就可以進行熟練操作，并且機電一體化系統中，可以通過程序的互鎖避免人員的誤操作，提高設備的可靠性。

2）故障率低、壽命長

機電一體化系統中，基本上不會出現機械磨損的情況，經過定期的保養，可以大大減小產品故障率，提高系統的壽命。

3）高安全性

機電一體化設備一般都可以進行自我保護，在出現過壓、過載、過流、氣壓不足等情況時，會出現報警并采取保護措施，減少和避免人員與設備的損失。對于一些特殊的機電一體化系統，也可以在惡劣和危險的環境中進行無人操作的自動工作。

（4）高柔性

高柔性體現在在實際生產中，同一套機電一體化設備可能需要滿足多品種的生產需求，這時就可以利用機電一體化技術，對機電一體化系統中的程序進行切換，在不改裝或局部改裝機構的前提下滿足不同品種產品的生產需求。因此，機電一體化技術是解決多品種、小批量生產的重要途徑。