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1、机电一体化简介工程学院 机械设计摘要：本文主要阐述的是关于机电一体化的基本内容。机电一体化又称机械电子学，英 语称为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。机电一体化系统由机械系统（机构）、信息处理系统（计算机）、动力系 统（动力源）、传感检测系统（传感器）、执行元件系统（如电动机）五个子系统组成,具有 以下三大“目的功能”, 其系统内部必须具备五种内部功能。机电一体化的发展经历了三个 阶段,我国起步较晚,与先进国家相比仍有相当差距。未来机电一体化将更智能化、模块化、 绿色化、网络化、微型化、系统化方向发展。关键
2、词：机电一体化 机械 电子 模块 系统 智能一、机电一体化的定义机电一体化技术是将机械技术、电工电子技术、微电子技术、信息、技术、传感 器技术、接口技术、信号变换技术等多种技术进行有机地结合，并综合应用到实际中 去的综合技术。是现代化的自动生产设备几乎可以说都是机电一体化的设备。中国机电设计迈入PLM全新阶段，正挑战着了前所未有的，不可预测的难题，一 个个久战沙场经久不衰精兵良将正褪去了昨日英雄的光环，唯有CAMEL VIEW能够胜任军统三国，光复旧业的重任，此时数系科技与德国 iXt ronics GmbH公司携手共同 开拓机电设计领域的新篇章，CAMEL VIEW作为机电一体化设计系统，从
3、产品的概念 设计到产品性能的测试、验证、通过都是一体化的，流程化的、规范化的，在满足用 户设计的前提下，数值实验的仿真与结果的验证无不精确化，支持复杂环境下，多工 况，多耦合场设计。研究将电子器件的信息处理和控制功能附加或融合在机械装置中的一种复合化技术。俗称机电一体化。机械电子学 （mechatronics）是由机械学（mechanics）和电子 学（electronics）两个词结合而成的新词。其全称为机械电子工程学，英语为 mechanical and electronical engineering 。机械电子学主要研究目的是把机械技术与微电子技术和信息技术有机地结合为 一体，实现整个
4、系统的最优化。机械电子学可以充分发挥机械技术、微电子技术和信 息技术的各自的长处和特点，促进机械产品的更新换代。机械电子学系统主要由机械 主体、传感器、信息处理和执行机构等部分组成。较高级的系统不但有硬件，而且还 有相应的软件，利用软件技术可以实现硬件难以实现的功能，使机械系统增加柔性。典 型的机械电子系统有数控机床、加工中心、工业机器人等。机械电子学技术除用于单 个机器、设备或一般的生产系统的技术改造之外，还用于柔性制造系统、计算机集成 制造系统、工厂自动化、办公自动化、家庭自动化等方面。二、机电一体化系统构成要素及其实现的功能机电一体化系统由机械系统（机构）、信息处理系统（计算机）、动力系
5、统（动力源）、传感检测系统（传感器）、执行元件系统（如电动机）五个子系统组成。通过传感器直接检 测目标运动并进行反馈控制的系统为全闭环系统。而通过传感器检测某一部位（如伺服电机 等）运动位移并进行反馈、间接控制目标运动的系统为半闭环系统。机电一体化系统的基本 特征是给机械增添了“头脑”（计算机信息处理与控制），因此是要求传感器、控制用接口元 件、机械结构、控制软件技术水平较高的系统。其运动控制不仅仅是线性控制，还有非线性 控制、最优控制、学习控制等各种各样的控制。机电一体化系统是由若干具有特定功能的机械与微电子要素组成的有机整体，具有满足 人们使用要求的功能（目的功能）。根据不同的使用目的，要
6、求系统能对输入的物质、能量 和信息（即工业三大要素）进行某种处理，输出所需要的物质、能量和信息。因此，机电一 体化系统必须具有以下三大“目的功能”变换（加工、处理）功能；传递（移动、输 送）功能；储存（保持、积蓄、记录）功能。不管哪类系统（产品），其系统内部必须具备五种内部功能，即主功能、动力功能、计 测功能、控制功能、构造功能。其中主功能是实现系统“目的功能”直接必需的功能，主要 是对物质、能量、信息及其相互结合进行变换、传递和存储。动力功能是向系统提供动力、 让系统得以运转的功能；检测传感功能和控制功能的作用是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”
7、。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入/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声对外 部环境影响，从系统设计开始就应予充分考虑。三、机电一体化的历程机电一体化的发展大体可以分为三个阶段： （1）20世纪60 年代以前为第一阶段，这一 阶段称为初级阶段。在这一时期，人们自觉不自觉地利用电子技术的初步成果来完善机械产 品的性能。特别是在第二次世界大战期间，战争刺激了机械产品与电子技术的结合，这些机 电结合的
8、军用技术，战后转为民用，对战后经济的恢复起到了积极的作用。那时，研制和开 发从总体上看还处于自发状态。由于当时电子技术的发展尚未达到一定水平，机械技术与电 子技术的结合还不可能广泛和深入发展，已经开发的产品也无法大量推广。（2）20世纪 70-80 年代为第二阶段，可称为蓬勃发展阶段。这一时期，计算机技术、控制技术、通信技术的发 展，为机电一体化的发展奠定了技术基础。大规模、超大规模集成电路和微型计算机的出现， 为机电一体化的发展提供了充分的物质基础。这个时期的特点是： Mechatronics 一词首先 在日本被普遍接受，大约到20世纪80 年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认；机电一 体
9、化技术和产品得到了极大发展；各国均开始对机电一体化技术和产品给予很大的关注和支 持。 （3）20 世纪 90 年代后期，开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段，机电一 体化进入深入发展时期。一方面，光学、通信技术等进入机电一体化，微细加工技术也在机 电一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支；另一方面，对机电一 体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋势都进入了深入研 究。同时，人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，为机电一体化 技术开辟了发展的广阔天地。这些研究，使机电一体化进一步建立了坚实的基础，并且逐渐形成完整的学科体系
10、。我国是从 20 世纪80 年代初才开始进行这方面的研究和应用。国务院成立了机电一体化 领导小组，并将该技术列入“863 计划”中。在制定“九五”规划和 2010 年发展纲要时充 分考虑了国际上关于机电一体化技术的发展动向和由此可能带来的影响。许多大专院校、研 究机构及一些大中型企业对这一技术的发展及应用做了大量的工作，取得了一定成果。但与 日本等先进国家相比，仍有相当差距。四、机电一体化的未来发展趋势一、智能化智能化是21世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向。人工智能在机电一体化建 设者的研究日益得到重视，机器人与数控机床的智能化就是重要应用。这里所说的“智能 化”是对机器行为的描述，是
11、在控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、计算机科学、 模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法，模拟人类智能，使它具有判断 推理、逻辑思维、自主决策等能力，以求得到更高的控制目标。诚然，使机电一体化产品具 有与人完全相同的智能，是不可能的，也是不必要的。但是，高性能、高速的微处理器使机 电一体化产品赋有低级智能或人的部分智能，则是完全可能而又必要的。二、模块化模块化是一项重要而艰巨的工程。由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开 发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元是一项十分复 杂但又是非常重要的事。如研制集减速、智能调速、电机于一体的动力单
12、元，具有视觉、图 像处理、识别和测距等功能的控制单元，以及各种能完成典型操作的机械装置。这样，可利 用标准单元迅速开发出新产品，同时也可以扩大生产规模。这需要制定各项标准，以便各部 件、单元的匹配和接口。由于利益冲突，近期很难制定国际或国内这方面的标准，但可以通 过组建一些大企业逐渐形成。显然，从电气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定，无 论是对生产标准机电一体化单元的企业还是对生产机电一体化产品的企业，规模化将给机电 一体化企业带来美好的前程。三、绿色化工业的发达给人们生活带来了巨大变化。一方面，物质丰富，生活舒适；另一方面，资 源减少，生态环境受到严重污染。于是，人们呼吁保护环境资源，
13、回归自然。绿色产品概念 在这种呼声下应运而生，绿色化是时代的趋势。绿色产品在其设计、制造、使用和销毁的生 命过程中，符合特定的环境保护和人类健康的要求，对生态环境无害或危害极少，资源利用 率极高。设计绿色的机电一体化产品，具有远大的发展前途。机电一体化产品的绿色化主要 是指，使用时不污染生态环境，报废后能回收利用。四、网络化20世纪90年代，计算机技术等的突出成就是网络技术。网络技术的兴起和飞速发展给 科学技术、工业生产、政治、军事、教育以及人们的日常生活都带来了巨大的变革。各种网 络将全球经济、生产连成一片，企业间的竞争也将全球化。机电一体化新产品一旦研制出来， 只要其功能独到，质量可靠，很
14、快就会畅销全球。由于网络的普及，基于网络的各种远程控 制和监视技术方兴未艾，而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。现场总线和局域 网技术是家用电器网络化已成大势，利用家庭网络(homenet)将各种家用电器连接成以计算 机为中心的计算机集成家电系统(compu terin tegra ted appliance sys tem, CIAS)，使人们 在家里分享各种高技术带来的便利与快乐。因此，机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。五、微型化微型化兴起于20世纪80年代末，指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。 国外称其为微电子机械系统(MEMS),泛指几何尺寸不超过1cm3的机
15、电一体化产品，并向微 米、纳米级发展。微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活，在生物医疗、军事、信 息等方面具有不可比拟的优势。微机电一体化发展的瓶颈在于微机械技术，微机电一体化产 品的加工采用精细加工技术，即超精密技术，它包括光刻技术和蚀刻技术两类。六、系统化系统可以灵活组态，进行任意剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控制和综合 管理。表现之二是通信功能的大大加强，一般除RS232外，还有RS485、DCS人格化。未来 的机电一体化更加注重产品与人的关系，机电一体化的人格化有两层含义。一层是，机电一 体化产品的最终使用对象是人，如何赋予机电一体化产品人的智能、情感、人性显得越来越 重要，特别是对家用机器人，其高层境界就是人机一体化。另一层是模仿生物机理，研制各 种机电一体化产品。事实上，许多机电一体化产品都是受动物的启发研制出来的。
