1、第一章第一章 概概 論論第一節第一節 機電一體化的基本含義機電一體化的基本含義 *重點介紹機電一體化概念一、日本關于機電一體化的定義 “機電一體化”這個詞是在機構的主功能、動力功能、信息與控制功能上引進了電子技術，并將機械裝置與電子設備以及軟件等有機結合而成系統的總稱，它體現了機電一體化產品及其技術的基本內容和特征,所以,這是具有指導性的定義。目的是將機械、電子、信息處理和控制以及軟件等現有技術，進行綜合集成的一種技術群體概念，體現了學科融合的思想。是研究怎樣將機械裝置、電子設備和軟件等組成一個功能完善的、柔性自動化的工程系統，從而為人類的生產和生活等各個領域的自動化服務。怎樣用統一的觀點和方

2、法來研究和設計這樣的機電一體化系統，需要深入地探討其內在規律，這是機械電子工程學的根本任務。 第一章第一章 概概 論論第一節第一節 機電一體化的基本含義機電一體化的基本含義 *重點介紹機電一體化概念二、美國關于“現代機械系統”的定義美國機械工程師協會（ASME）的一個專家組，于1984年在給美國國家科學基金會的報告中，提出了“現代機械系統”的定義：“由計算機信息網絡協調與控制的、用于完成包括機械力、運動和能量流等動力學任務的機械和（或）機電部件相互聯系的系統”。目的是指多個計算機控制和協調的、高級機電一體化產品。第一章第一章 概概 論論第一節第一節 機電一體化的基本含義機電一體化的基本含義 *

3、重點介紹機電一體化概念三、德國的精密工程技術的定義 圖圖1-1 精密工程技術的含精密工程技術的含義義精密工程技術定義為光、機、電一體化的綜合技術，并用圖1-1來說明其含義。它包括機械（含液壓、氣動及微機械）、電工與電子、光學，二者相互組合電工與電子機械、光電子技術與光學機械，其核心技術為精密工程技術。目的希望在精密工程技術的工程師培養期間強化訓練跨學科的思維能力，雖然有可能使“單一化”學科的訓練有所削弱，但要促進精密工程技術中各學科的相互滲透，這一觀點是培養機電一體化復合人才的關鍵。 第一章第一章 概概 論論第一節第一節 機電一體化的基本含義機電一體化的基本含義 *重點介紹機電一體化概念四、我

4、國對機電一體化的理解 機電一體化是機電一體化技術及其產品的統稱，還將柔性制造系統（FMS）和計算機集成制造系統（CIMS）等自動化生產線和自動化制造工程也包括在內，這是對機電一體化含義的延拓。概括、總結了機電一體化的六大共性關鍵技術：精密機械技術（機電一體化技術的基礎），伺服傳動技術（機電一體化系統的核心部分），傳感檢測技術（閉環系統的關鍵部件），信息處理技術（控制的基礎技術），自動控制技術（計算機控制的關鍵技術），系統總體技術（包括系統的總體設計和接口技術，即用跨學科的思維能力來進行綜合集成）。 區分機電一體化或非機電一體化的產品，其核心是計算機控制的伺服系統，其它都是與此匹配的重要部分。有

5、人認為機電一體化產品是“在機械產品的基礎上應用微電子技術和計算機技術產生出來的新一代的機電產品”，這是機械電子化的概念。實踐證明，現有機械產品的電子化，需要采用系統科學的觀點和綜合集成技巧，使機械裝置、電子設備和軟件之間相互適應和匹配，發揮各自的優勢，這是我們應該研究的課題。第一章第一章 概概 論論第二節第二節 機電一體化系統的基本構成機電一體化系統的基本構成*重點介紹機電一體化系統的功能構成、原理 一、機電一體化系統的構成機電一體化系統由機械系統（機構）、電子信息處理系統（計算機）、動力系統（動力源）、傳感檢測系統（傳感器）、執行元件系統（如電機）等五個子系統組成。通過傳感器直接檢測目標運動

6、并進行反饋控制的系統為全閉環系統；而通過傳感器檢測某一部位（如伺服電機等）運動并進行反饋、間接控制目標運動的系統為半閉環系統。機電一體化系統的基本特征是給“機械”增添了頭腦（計算機信息處理與控制），因此是要求傳感器技術、控制用接口元件、機械結構、控制軟件水平較高的系統。其運動控制不僅僅是線性控制，還有非線性控制、最優控制、學習控制等各種各樣的控制。 第一章第一章 概概 論論第二節第二節 機電一體化系統的基本構成機電一體化系統的基本構成*重點介紹機電一體化系統的功能構成、原理二、機電一體化系統的功能構成系統內部必須具備圖1-2所示的五種內部功能，即主功能、動力功能、檢測功能、控制功能、構造功能。

7、1、主功能、主功能（目的功能）是實現系統目的的功能，是對輸入的物料、能量和信息進行預處理的變換（加工、處理）功能；傳遞（移動、輸送）功能；儲存（保持、積蓄、記錄）功能。其主要參數有：系統誤差、外擾、廢棄輸出、變換效率。圖圖1-2 系統內部功能系統內部功能第一章第一章 概概 論論第二節第二節 機電一體化系統的基本構成機電一體化系統的基本構成*重點介紹機電一體化系統的功能構成、原理二 機電一體化系統的功能構成1、主功能、主功能 以物料搬運、加工為主以物料搬運、加工為主，輸入物質（原料、毛坯等）、能量（電能、液能、氣能等）和信息（操作及控制指令等），經過加工處理，主要輸出改變了位置和形態的物質的系統

8、（或產品），稱為加工機。例如：各種機床（切削、鍛壓、鑄造、電加工、焊接設備、高頻淬火等）、交通運輸機械、食品加工機械、起重機械、紡織機械、印刷機械、輕工機械等。以能量轉換為主以能量轉換為主，輸入能量（或物質）和信息，輸出不同形式能量（或物質）的系統（或產品），稱為動力機。其中輸出機械能的為原動機，例如電動機、水輪機、內燃機等。 以信息處理為主以信息處理為主，輸入信息和能量，主要輸出某種信息（如數據、圖像、文字、聲音等）的系統（或產品），稱為信息機。例如各種儀器、儀表、電子計算機、電報傳真機以及各種辦公機械等。第一章第一章 概概 論論第二節第二節 機電一體化系統的基本構成機電一體化系統的基本構成

9、*重點介紹機電一體化系統的功能構成、原理二 機電一體化系統的功能構成2、動力功能、動力功能是為系統提供所需動力、讓系統得以運轉的功能。 其主要參數有：輸入能量、能源3、檢測功能、檢測功能的作用是檢測系統內部信息和外部信息。 其主要參數有：精度4、控制功能、控制功能的作用是根據系統內部信息和外部信息對整個系統進行控制，使系統正常運轉，實施“目的功能”。 其主要參數有：控制輸入輸出口個數、手動操作5、構造功能、構造功能是將組成系統各要素組合起來，進行空間匹配，形成一個統一整體。 其主要參數有：尺寸、重量、強度第一章第一章 概概 論論第二節第二節 機電一體化系統的基本構成機電一體化系統的基本構成*重

10、點介紹機電一體化系統的功能構成、原理三、機電一體化產品的五大要素綜上所述，機電一體化系統的五大要素及其相應的五大功能如圖1-3所示。（a） （b）圖1-3 機電一體化系統的五大要素與功能動力源動力源執行執行元件元件 計算機計算機傳感器傳感器機機 構構動動 力力操操 作作控控 制制計計 測測構構 造造第一章第一章 概概 論論第二節第二節 機電一體化系統的基本構成機電一體化系統的基本構成*重點介紹機電一體化系統的功能構成、原理三、機電一體化產品的五大要素表1-1 機電一體化系統要素與人體要素的對應關系機電一體化系統要素功能人體要素控制器（計算機等）控制（信息存儲 處理 傳送）頭腦檢測傳感器計測（信

11、息收集與變換）感官執行元件驅動（操作）肌肉動力源提供動力（能量）內臟機構構造骨骼 第一章第一章 概概 論論 第二節第二節 機電一體化系統的基本構成機電一體化系統的基本構成四、機電一體化系統構成要素的聯接（廣義接口）接口技術：接口技術：機電一體化系統由許多要素或子系統構成，各要素和子系統之間必須能順利進行物質、能量和信息的傳遞與交換，為此，各要素和各子系統相接處必須具備一定的聯系條件，這些聯系條件就可稱為接口（interface），如圖1-4所示。接口是物質、能量和信息的輸入輸出功能和參數變換與調整功能兩部分組成。從系統外部看，機電一體化系統的輸入輸出是與人、自然及其它系統之間的接口；從系統內部

12、看，機電一體化系統是由許多接口將系統構成要素的輸入輸出聯系為一體的系統。從這一觀點出發，系統的性能在很大程度上取決于接口的性能，各要素和各子系統之間的接口性能就成為綜合系統性能好壞的決定性因素。機電一體化系統是機械、電子和信息等功能各異的技術融為一體的綜合系統，其構成要素或子系統之間的接口極為重要，在某種意義上講，機電一體化系統設計就是接口設計。廣義的接口功能有兩種，一種是輸入輸出；另一種是變換、調整。 圖圖1-4系統內部與外部接口系統內部與外部接口 第一章第一章 概概 論論 第二節第二節 機電一體化系統的基本構成機電一體化系統的基本構成四、機電一體化系統構成要素的聯接（廣義接口）根據接口的變

13、換、 調整功能，可將接口分成以下四種：（1）零接口，不進行任何變換和調整、輸出即為輸入，僅起連接作用的接口，稱為零接口。例如：輸送管、插頭、插座、接線柱、傳動軸、導線、電纜等。（2）無源接口，只用無源要素進行變換、調整的接口，稱為無源接口。例如：齒輪減速器、進給絲杠、變壓器、可變電阻器以及透鏡等。（3）有源接口，含有有源要素、主動進行匹配的接口，稱為有源接口。例如：電磁離合器、放大器、光電耦合器、DA、AD轉換器以及力矩變換器等。（4）智能接口，含有微處理器，可進行程序編制或可適應性地改變接口條件的接口， 稱為智能接口。例如：自動變速裝置，通用輸入輸出LSI（8255等通用IO LSI）、GP

14、-IB總線、STD總線等。 第一章第一章 概概 論論 第二節第二節 機電一體化系統的基本構成機電一體化系統的基本構成四、機電一體化系統構成要素的聯接（廣義接口） 根據接口的輸入輸出功能，可將接口分為以下四種：（1）機械接口，由輸入輸出部位的形狀、尺寸、精度、配合、規格等進行機械聯接的接口。例如：聯軸節、管接頭、法蘭盤、萬能插口、接線柱、插頭與插座及音頻盒等。（2）物理接口，受通過接口部位的物質、能量與信息的具體形態和物理條件約束的接口，稱為物理接口。例如：受電壓、頻率、電流、電容、傳遞扭矩的大小、氣體成分（壓力或流量）約束的接口。（3）信息接口，受規格、標準、法律、語言、符號等邏輯、軟件約束的

15、接口，稱為信息接口。例如：GB、ISO、ASC碼、RS232C、FORTRAN、C、C等。（4）環境接口，對周圍環境條件（溫度、濕度、磁場、火、振動、放射能、水、氣、 灰塵）有保護作用和隔絕作用的接口，稱為環境接口。例如：防塵過濾器、防水聯接器、防爆開關等。 第一章第一章 概概 論論 第二節第二節 機電一體化系統的基本構成機電一體化系統的基本構成五、機電一體化系統的評價系統的價值通常用表1-2所示的方法來評價，但是，機電一體化的目的是提高系統的附加價值，所以附加價值就成了機電一體化系統的綜合評價指標。機電一體化系統的主要評價內容如圖1-5所示。如果系統的目的功能未定，那么其具體的評價項目也不好

16、定，此時系統的高性能化就成為主要評價項目。高可靠性化和低價格化當然是對系統整體而言的。 第一章第一章 概概 論論 第二節第二節 機電一體化系統的基本構成機電一體化系統的基本構成五、機電一體化系統的評價表1-2系統的內部功能與系統的價值 第一章第一章 概概 論論 第二節第二節 機電一體化系統的基本構成機電一體化系統的基本構成五、機電一體化系統的評價圖圖1-5機電一體化系統的評價內容機電一體化系統的評價內容機電一體化系統的一大特點是由于機電一體化系統的微電子裝置取代了人對機械的絕大部分的控制功能，并加以延伸和擴大，克服了人體能力的不足和弱點。另一大特點是節省能源和材料消耗。這些特點正是實現機電一體

17、化系統高性能化、智能化、省能省資源化及輕薄短小化的重要原因，也正是對工業三大要素（物質、能量和信息）的具體貢獻，如圖1-6所示、機電一體化的三大效果是與我國工業發展方向相一致的，也是我國機電一體化技術革命發展的重要原因。 第一章第一章 概概 論論 第二節第二節 機電一體化系統的基本構成機電一體化系統的基本構成五、機電一體化系統的評價圖圖1-5機電一體化系統的評價內容機電一體化系統的評價內容 第一章第一章 概概 論論 第二節第二節 機電一體化系統的基本構成機電一體化系統的基本構成五、機電一體化系統的評價圖圖1-6工業三大要素與機電一體化三大效果工業三大要素與機電一體化三大效果第一章第一章 概概

18、論論第三節第三節 機電一體化產品的分類機電一體化產品的分類 到目前為止，機電一體化產品還在不斷地發展，很難進行正確地分類。下面按其用途和功能兩個方面進行粗略地分類，就可看到機電一體化產品的概貌。 一、按機電一體化產品的用途分類 1.產業機械 指用于生產事業的電子控制機械。如數控機床、數控鍛壓設備、微機控制的焊接設備、工業機器人、電子控制的食品包裝機械、塑料成型機械、皮革機械、紡織機械以及自動導引車系統（AGVS）等。 2.信息機械 用于信息處理、存儲等的電子機械產品。如電報傳真機、電子打字機、自動繪圖機、磁盤存儲器、辦公室自動化設備等。 3.民生機械 用于人民生活領域的電子機械產品或機械電子產

19、品。如收錄機、電冰箱、 錄像機、影碟機、全自動洗衣機、電子照相機、汽車電子化產品和醫療器械等。第一章第一章 概概 論論第三節第三節 機電一體化產品的分類機電一體化產品的分類 二、按機電一體化產品的功能分類 1.在原有機械本體上采用微電子控制裝置 這樣就可實現高性能和多功能。如產業機械的電子化產品、工業機器人、發動機控制系統、裝有微處理器的洗滌機等。 2.用電子裝置局部取代機械控制裝置 如電子縫紉機、自動售貨機、無刷電動機、電子控制的針織機和汽車電子化等。 3.用電子裝置取代原來執行信息處理功能的機構 如石英電子鐘表、電子計算機、電子計費器、電子秤、字符處理機、電子交換機和按鈕式電話機等。 4.

20、用電子裝置取代機械的主功能 如電加工機床、 激光加工機和超聲波縫紉機等。 5.信息設備和電子裝置有機結合的信息電子機械設備 如電報傳真機、復印機、錄像機、錄音機和辦公室自動化設備等。 6.檢測裝置、電子裝置和機構有機結合的檢測用電子機械設備 如自動探傷機、形狀識別裝置、CT掃描診斷儀以及生物化學自動分析儀等。在以上各種產品中，應根據前述日本機電一體化定義來判斷是否屬于機電一體化產品。否則，可稱為以機械裝置為主體的機械電子產品，或以電子裝置為主體的電子機械產品。這樣一來，機電一體化產品的含義就進一步延拓，其產品就會包羅萬象了。 第一章第一章 概概 論論第四節第四節 機電一體化的特點及發展趨勢機電

21、一體化的特點及發展趨勢 一、機電一體化技術體現在產品、設計、制造以及生產經營管理諸方面的特點 （一）簡化機械結構，提高精度 在機電一體化產品中，通常采用調速電機來驅動機械系統，從而縮短甚至取消了機械傳動鏈，這不但簡化了機械結構，而且減少了由于機械摩擦、磨損、間隙等引起的傳動誤差。并且，可以用閉環控制來補償機械系統的誤差，從而提高了系統精度。 （二）易于實現多功能和柔性自動化 在機電一體化產品中，計算機控制系統，不但取代其它的信息處理和控制裝置，且易于實現自動檢測、數據處理、自動調節和控制、自動診斷和保護，還可自動顯示、記錄和打印等。此外，計算機硬件和軟件結合就能實現柔性自動化，并具有很大的靈活

22、性。（三）產品開發周期縮短、競爭能力增強 機電一體化產品可以采用專業化生產的、 高質量的機電部件，通過綜合集成技巧來設計和制造，因而不但產品的可靠性高，甚至在使用期限內無需維修，從而縮短了產品開發周期，增強了產品在市場上的競爭能力。 第一章第一章 概概 論論第四節第四節 機電一體化的特點及發展趨勢機電一體化的特點及發展趨勢 一、機電一體化技術體現在產品、設計、制造以及生產經營管理諸方面的特點 （四）生產方式向高柔性、綜合自動化發展 各種機電一體化設備構成的FMS和CIMS，使加工、檢測、物流和信息流過程融為一體，就可形成人少或無人化生產線、車間和工廠。近10年來，日本有些大公司已采用所謂“靈活

23、的生產體系”，即根據市場需要，在同一條生產線上可分時生產批量小、型號或品種多的“系列產品家族”，如計算機、汽車、摩托車、肥皂和化妝品等系列產品。 （五）促進經營管理體制發生根本性的變化 由于市場的導向作用，產品的商業壽命日益縮短。為了占領國內、外市場和增強競爭能力，企業必須重視用戶信息的收集和分析，迅捷作出決策，迫使企業從傳統的生產型向以經營為中心的決策管理體制轉變，實現生產、 經營和管理體系的全面計算機化。 第一章第一章 概概 論論第四節第四節 機電一體化的特點及發展趨勢機電一體化的特點及發展趨勢 二、機電一體化的發展趨勢機電一體化的應用范圍廣、覆蓋面寬。主要應用領域有：工廠自動化（FA），

24、其中典型的研究課題為計算機集成系統（CIS）、機器人、靈巧（SMART）精密機器、機器視覺和自動導引車系統（AGVS）等。辦公室自動化（OA），其中的課題為信息處理、字符與圖形處理、通信以及數據與信息產品等。家庭或住宅自動化（HA），其中的課題為安全、能量控制、娛樂及家庭辦公等。 第一章第一章 概概 論論第四節第四節 機電一體化的特點及發展趨勢機電一體化的特點及發展趨勢 近幾年來，由于科學技術的迅猛發展和市場競爭的加劇，機電一體化不但向商業、 銀行、 醫療和農業自動化等領域拓展，而且，在機械產品、工廠自動化領域中涌現出不少新概念和高新技術。如微機械或毫機械（Micromachine，Millimachine）、智能機械或靈巧機械、快速原型或零件制造（RPMRapid Prototype or Part Manufaturing）、并行工程或同步工程（Comcurrent Engineering or