第1章 总论

1.1 机电一体化的基本概念

机电一体化又称机械电子学，英文名称为Mechatronics，它是由英文机械学Mechan-ics的前半部分与电子学Electronics的后半部分组合而成。机电一体化一词最早出现在1971年日本《机械设计》杂志的副刊上，随着机电一体化技术的快速发展，机电一体化的概念被人们广泛地接受和使用。1996年出版的WEBSTER大词典收录了“Mecha-tronics”这个日本造的英文单词，这不仅意味着这个单词得到了世界各国学术界和企业界的认可，而且还意味着“机电一体化”的优势和思想为世人所接受。

1.1.1 机电一体化的定义

图1-1 机电一体化的技术领域

那么，什么是机电一体化呢？

到目前为止，就机电一体化这一概念的内涵国内外学术界还没有一个完全统一的表述。一般认为，机电一体化是一门利用微电子技术来控制机械装置的学科，属交叉学科，它的技术基础来自机械制造、微电子控制以及相关计算机软件知识。因此，机电一体化是整合了机械学、电子学、信息科学和计算机技术等相关领域的一种多学科融合的技术，现今已经从机械工程的附属学科，独立成为了前沿科学，并在一定程度上代表了一个国家科学技术的发展水平。

这里面包含了三重含义：首先，机电一体化是机械学、电子学、信息科学和计算机技术等学科相互融合而形成的学科。图1-1所示形象地表述了机电一体化与机械学、电子学、信息科学和计算机等技术之间的相互关系；其次，机电一体化是一个发展中的概念，早期的机电一体化就像其字面所表述的那样，主要强调机械与电子的结合，即将电子技术融入到机械技术中而形成新的技术与产品。随着机电一体化技术的发展，以计算机技术、通信技术和控制技术为特征的信息技术，即所谓的“3C”技术（Computer、Communication ＆ Control Technology）渗透到机械技术中，丰富了机电一体化的含义。现代的机电一体化不仅仅指机械、电子与信息技术的结合，还包括光（光学）机电一体化、机电气（气压）一体化、机电液（液压）一体化、机电仪（仪器仪表）一体化等；最后，机电一体化表达了技术之间相互结合的学术思想，强调各种技术在机电产品中的相互协调，以达到系统总体最优。换句话说，机电一体化是多种技术学科有机结合的产物，而不是它们的简单叠加。

从概念的外延来看，机电一体化包括机电一体化技术和机电一体化产品（或系统）两个方面。机电一体化技术是从系统工程的观点出发，将机械、电子和信息等有关技术有机结合起来，以实现系统或产品整体最优的综合性技术。机电一体化技术主要包括技术原理和使机电一体化产品得以实现、使用和发展的技术两个方面。机电一体化技术是一个技术群组的总称，包括机械技术、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、系统总体技术等。机电一体化产品与机电一体化系统是两个相近的概念，通常机电一体化产品指独立存在的机电结合产品，而机电一体化系统主要指依附于主产品的部件系统，这样的系统实际上也是机电一体化产品。机电一体化产品是由机械系统与电子系统及信息处理单元有机结合从而被赋予新功能和新性能的高科技产品。由于在机械本体中融入了电子技术和信息技术，与纯粹的机械产品相比，机电一体化产品的性能得到了根本性的提高，具有满足人们使用要求的最佳功能。

基于以上论述，我们可以这样定义机电一体化：在机械的主功能上以引入电子组件作为传感、信息及控制单元为特征，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而形成的技术或所构成的系统。该概念也可简单理解为机械工程与电子工程相结合的技术，以及应用这些技术的机械电子装置。

1.1.2 机电一体化产品的分类

现代社会中的机电一体化产品比比皆是。我们日常生活中使用的智能洗衣机、空调及全自动照相机，都是典型的机电一体化产品；在机械制造领域中广泛使用的各种数控机床、工业机器人、三坐标测量仪及全自动仓储，也是典型的机电一体化产品；而汽车领域更是机电一体化技术成功应用的典范，目前汽车上已成功应用和正在开发的机电一体化系统达数十种之多，其中发动机电子控制系统、汽车防抱死制动系统、全主动和半主动悬架系统等在汽车上的应用，使得现代汽车的乘坐舒适性、行驶安全性及环保性都得到了很大的改善；在农业工程领域，机电一体化技术也获得了越来越广泛的应用，如拖拉机自动驾驶系统、悬挂式农具的自动调节系统、联合收获机脱粒清选装置的监控系统、温室环境自动控制系统等。

机电一体化产品的种类非常多，应用范围也十分广泛，我们可以按照以下标准进行分类。

按机电结合程度和形式分类：

（1）功能附加型——数控机床、全自动洗衣机、电子秤、防抱死制动系统（ABS）等。

（2）功能替代性——电子缝纫机、电子照相机、石英钟等。

（3）机电融合型——传真机、磁盘驱动器、机器人、数控机床（CNC）等。

按照产品的主功能实现形式分类：

（1）数控机械类——以机械装置为执行装置，例如数控机床、机器人、全自动洗衣机等。

（2）电子设备类——以电子装置为执行机构，如电火花加工机床、线切割机床、超声波加工机床以及激光测量仪等。

（3）机电组合类——电子与机械有机结合，如CT扫描仪、自动售货机等。

（4）电液伺服类——以液压为执行装置，如万能材料试验机等。

（5）信息控制类——用于镜像信息，如传真机，磁盘内存、录音机、复印机等。

按所属技术与应用领域分类：

工业生产类、运输包装类、储存销售类、社会服务类、家庭日常类、科研仪器类、国防武器类。

1.1.3 机电一体化的技术特点

机电一体化的灵魂是突出强调技术间的相互渗透和有机结合，从而形成某一单项技术所无法达到的优势，并将这种优势通过性能优异的机电一体化产品体现出来，转化成强大的生产力。

机电一体化产品的典型特征可以概括为“两小四高”，具体为：体积小、质量轻、高速度、高精度、高可靠性、高柔性。

（1）体积小、质量轻

机电一体化产品常用于精密产品的加工与制造，在机械与电子相互结合的实践中，对结构的不断优化设计，采用新型的复合材料使得机电一体化产品既能缩小体积、减轻质量、减小惯性，又不降低机械的静、动刚度。

（2）高速度、高精度

研究高精度导轨、精密滚珠丝杠、高性能主轴轴承和高精度齿轮，以保证关键部件的精度，提高机构运行速度。机电一体化产品在工作过程中，会通过预先输入的相关算法对生产过程中出现的误差进行不同程度的补偿，使机构在高速运转的同时也保证了精度。

（3）高可靠性

高可靠性体现在机电一体化技术使用简单、故障率低、寿命长和高安全性等方面。

1）使用简单

机电一体化系统操作简单，可以通过触摸屏技术，使人员经过简单的培训就可以进行熟练操作，并且机电一体化系统中，可以通过程序的互锁避免人员的误操作，提高设备的可靠性。

2）故障率低、寿命长

机电一体化系统中，基本上不会出现机械磨损的情况，经过定期的保养，可以大大减小产品故障率，提高系统的寿命。

3）高安全性

机电一体化设备一般都可以进行自我保护，在出现过压、过载、过流、气压不足等情况时，会出现报警并采取保护措施，减少和避免人员与设备的损失。对于一些特殊的机电一体化系统，也可以在恶劣和危险的环境中进行无人操作的自动工作。

（4）高柔性

高柔性体现在在实际生产中，同一套机电一体化设备可能需要满足多品种的生产需求，这时就可以利用机电一体化技术，对机电一体化系统中的程序进行切换，在不改装或局部改装机构的前提下满足不同品种产品的生产需求。因此，机电一体化技术是解决多品种、小批量生产的重要途径。