第一章 机电一体化技术导论本章导读：机电一体化作为一门新型的综合性学科，涉及的知识领域非常广泛本章首先介绍机电一体化的概念、发展过程及其与机械电气化的根本区别，进而阐释其内涵和本质，并通过典型实例归纳出其优越性其次通过机电一体化系统与人体各部位相对比，剖析系统的构成，从而指出分析机电一体化系统的基本途径；第三，重点介绍机电一体化的理论基础与关键技术，明确系统论、信息论、控制论是机电一体化技术的理论基础和方法论提出发展机电一体化技术所面临的共性关键技术，并分析它们在系统中所起的作用及其发展对机电一体化技术的影响等最后，通过回顾机电一体化技术的发展历程，展望机电一体化的主要发展方向和趋势学习内容与要求：1. 学习并掌握机电一体化的基本概念内涵和本质；2. 了解机电一体化产品的分类；3. 学习并理解机电一体化系统的基本组成；4. 学习并熟练掌握机电一体化的理论基础与关键技术； 5. 了解机电一体化的发展状况和发展趋势本章重点：1. 机电一体化的基本概念内涵和本质；2. 机电一体化的理论基础与关键技术本章难点：机电一体化的理论基础与关键技术媒体使用说明：学生可通过文字教材理解机电一体化学科的基本概念、基本理论与关键技术及其发展概况等知识。
文字教材中的重点、难点在录像教材和流媒体IP课件有较详尽的讲解；诸如机电一体化的系统构成及典型产品的工作过程等用文字不易表达清楚的教学内容以实物、照片、场景等视频方式作为辅助教学手段；另外在流媒体IP课件中着重讲解本章知识重、难点的典型实例以及本章的学习思路方法等内容1.1 概述机电一体化又称机械电子学，英文称为Mechatronics，它是由英文机械学Mechanics 的前半部分与电子学Electronics 的后半部分组合而成机电一体化最早出现在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接受和普遍使用1996年出版的WEBSTER大词典收录了这个日本造的英文单词，这不仅意味着 “Mechatronics”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”的哲理和思想为世人所接受机电一体化信息科学机械学电子学图1- 1机电一体化与其它学科的关系那么，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目前，较普遍的提法是“日本机械振兴协会经济研究所”于1981年的解释：“机电一体化是在机械主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称”。
机电一体化是以机械学、电子学和信息科学为主的多门技术学科在机电产品发展过程中相互交叉、相互渗透而形成的一门新兴边缘性技术学科这里面包含了三重含义：首先，机电一体化是机械学、电子学与信息科学等学科相互融合而形成的学科图1-1 形象地表达了机电一体化与机械学、电子学和信息科学之间的相互关系；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“溶入”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和 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因此，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机电一体化与机械电气化的主要区别有：①电气机械在设计过程中不考虑或少考虑电器与机械的内在联系，基本上是根据机械的要求，选用相应的驱动电机或电气传动装置；②机械和电气装置之间界限分明，它们之间的联结以机械联结为主，整个装置是刚性的；③装置所需的控制是基于电磁学原理的各种电器来实现，属强电范畴，其主要支撑技术是电工技术。
机械工程技术由纯机械发展到机械电气化，仍属传统机械，主要功能依然是代替和放大人的体力但机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸，还是人的感官与头脑的延伸，具有“智能化”的特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质差别从概念的外延来看，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（或系统）得以实现、使用和发展的技术机电一体化技术是一个技术群（族）的总称，包括检测传感技术、信息处理技术、伺服驱动技术、自动控制技术、机械技术及系统总体技术等机电一体化产品有时也称为机电一体化系统，它们是两个相近的概念，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（或部件）与电子系统（或部件）及信息处理单元（硬件和软件）有机结合、而赋予了新功能和新性能的高科技产品由于在机械本体中“溶入”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的提高，具有满足人们使用要求的最佳功能。
现实生活中的机电一体化产品比比皆是我们日常生活中使用的全自动洗衣机、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；而汽车更是机电一体化技术成功应用的典范，目前汽车上成功应用和正在开发的机电一体化系统达数十种之多，特别是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等机电一体化系统在汽车上的应用，使得现代汽车的乘坐舒适性、行驶安全性及环保性能都得到了很大的改善；在农业工程领域，机电一体化技术也在一定范围内得到了应用，如拖拉机自动驾驶系统、悬挂式农具的自动调节系统、联合收获机工作部件（如脱粒清选装置）的监控系统、温室环境自动控制系统等如今，机电一体化已从原来以机械为主的领域拓展到目前的汽车、电站、仪表、化工、通信、冶金等领域而且机电一体化产品的概念不再局限在某一具体产品的范围，如数控机床、机器人等，现在已扩大到控制系统和被控制系统相结合的产品制造和过程控制的大系统，例如柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS）以及各种工业过程控制系统1.2 机电一体化系统的基本组成1.2.1 机电一体化系统的功能组成传统的机械产品主要是解决物质流和能量流的问题，而机电一体化产品除了解决物质流和能量流外，还要解决信息流的问题。
如图1-1所示，机电一体化系统的主要功能就是对输入的物质、能量与信息（即所谓工业三大要素）按照要求进行处理，输出具有所需特性的物质、能量与信息系统的主功能包括三个目的功能：①变换（加工、处理）功能；②传递（移动、输送）功能；③储存（保持、积蓄、记录）功能主功能是系统的主要特征部分，是实现系统目的功能直接必需的功能，主要是对物质、能量、信息或其相互结合进行变换、传递和存储物质能量信息系统（变换、传递、储存）工业三大要素物质能量信息具有所需特性控制（人）图1-1 机电一体化系统的主功能以物料搬运、加工为主，输入物质（原料、毛坯等）、能量（电能、液能、气能等）和信息（操作及控制指令等），经过加工处理，主要输出改变了位置和形态的物质的系统（或产品），称为加工机，如各种机床、交通运输机械、食品加工机械、起重机械、纺织机械、印刷机械、轻工机械等以能量转换为主，输入能量（或物质）和信息，输出不同能量（或物质）的系统（或产品），称为动力机，其中输出机械能的为原动机，如电动机、水轮机、内燃机等以信息处理为主，输入信息和能量，主要输出某种信息（如数据、图像、文字、声音等）的系统（或产品），称为信息机，如各种仪器、仪表、机以及各种办公机械等。
主功能（变换、传递、储存）计测功能动力功能控制功能构造功能输入输出（新）物质能量信息 输入 输出动力输入 控制 （信息） 控制（能量）（原）物质能量信息干扰 废弃物输出人或其它系统图1-2 系统的五种内部功能机电一体化系统除了具备上述必需的主功能外，还应具备图1-2所示的其它内部功能即动力功能、检测功能、控制功能、构造功能动力功能是向系统提供动力、让系统得以运转的功能；检测功能和控制功能的作用是解决各种信息的获取、传输、处理和利用，从而能够根据系统内部信息和外部信息对整个系统进行控制，使系统正常运转，实施目的功能而构造功能则是使构成系统的子系统及元、部件维持所定的时间和空间上的相互关系所必需的功能从系统的输入/输出来看，除有主功能的输入/输出之外，还需要有动力输入和控制信息的输人/输出此外，还有因外部环境引起的干扰输入以及非目的性输出（如废弃物等）例如汽车的废气和噪音对外部环境影响，从系统设计开始就应予以考虑图1-3是CNC机床的功能原理构成的实例由于未指明主功能的加工机构，它代表了具有相同主功能及控制功能的一大类型的机电一体化系统，如金属切削数控机床、电加工数控机床、激光加工数控机床以及冲压加工数控机床等。
显然，由于主功能的具体加工机构不同，其它功能的切削加工（加工机构）位置检测电源控制器CNC装置机械结构图纸信息热 振动 热\振动\切屑操作人CNC程序外部电源（信息）毛坯（物质）工件（物质）图1-3 CNC机床的内部功能构成具体装置也会有差别，但其本质是数控加工机床1.2.2 机电一体化系统的构成要素从机电一体化系统的功能看，人体是机电一体化系统理想的参照物内脏感官躯干四肢头脑行动排泄外界信息食物动力检测支撑操作控制动力源传感器执行部件控制器图1-4 组成人体与机电一体化系统的对应要素及相应功能关系（a）（b）（c）机械本体如图1-4（a）所示，构成人体的五大要素分别是头脑、感官（眼、耳、鼻、舌、皮肤）、四肢、内脏及躯干相应的功能如图1-4（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；头脑处理各种信息并对其它要素实施控制；感官获取外界信息；四肢执行动作；躯干的功能是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1-4（c）所示机电一体化系统五大要素实例如图1-5所示。
CNC装置接口位置检测控制器 动力源（油缸）（油缸）执行元件 传感器（电动机）机械本体接口驱动源图1-5 机电一体化系统五大要素实例机械学数控机床转塔刀架CNC装置电子学表1-1列出了机电一体化系统构成要素与人体构成要素的对应关系因此，一个较完善的机电一体化系统，应包括以下几个基本要素：机械本体、动力系统、检测传感系统、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。