机电一体化技术

“机电一体化”在国外被称为Mechatronics，是日本人在20世纪70年代初提出来的，用英文Mechanics的前半部分和Electronics的后半部分构成的一个新词，意思是机械技术和电子技术的有机结合。这一名称已得到包括我国在内的世界各国的承认，我国的工程技术人员把它译为机电一体化技术。使用机电技术应用名称时，注意不要与机电公司的机电相混，因为机电公司经营的水泵、电机等不属于机电一体化技术的范围。由于科学技术在不断发展，机电一体化产品或设备也在不断更新，并不断采用更先进的技术。因此，在理解机电一体化的含义时，可以将“机电”一词模糊为“先进技术”。

一、机电一体化技术基本概要

机电一体化是指机、电融合为一体，但绝不是两者的简单相加。机电一体化技术应用于数控机床、机器人、柔性制造系统、自动化测量工具、数控机床、数控设备、自动扶梯、自动电梯、智能大厦、自动机以及自动化工厂。在日常生活中，机电一体化的产品也无处不在：全自动照相机、全自动洗衣机、音响设备、电脑打印机等。这些产品或设备有不同的使用范围、不同的结构和不同的性能，但是它们都能自动地完成一定的工作。它们在按规定程序，有顺序、有规律地完成整套动作之后才能实现它们的价值。

机电一体化技术是同时运用机械、电子、仪表、计算机和自动控制等多种技术的复合技术。这个由电脑控制的产品或设备要有被控制的机械和各种装置，用来进行控制的工业控制计算机(工控机)、各种仪表(用于检测、显示、计数、报警等)、电器(为执行某个动作，作为行程开关等)。这些仪表可以是电动的，也可以是气动的，甚至可以是液压或光电的。

人类把自己的聪明才智和科学技术宝库中的精华都融入到机电一体化的产品或设备之中，因此，机电一体化产品是集机、电、气、液、光电等技术于一体的综合体，但这决不意味着只用简单的方法(如螺钉、绳索等)将各种元器件连接在一起就可以组成机电一体化产品或设备。因为，用简单的连接方法不可能使这些元器件组成一个有机整体，即组成一个既能动作协调一致，又能适应条件变化的统一体。

二、机电一体化技术的组成要素及遵循原则

1.组成要素

机电一体化的产品或设备，不论体积是大还是小，不论结构是复杂还是简单，也不论功能是多还是少，它们都是一个由机械零件和电子元件组成的有机整体，都是一个完整的系统。一个机电一体化系统一般由结构组成要素、动力组成要素、运动组成要素、感知组成要素、智能组成要素有机结合而成。

机械本体（结构组成要素），是系统的所有功能要素的机械支持结构，一般包括有机身、框架、支撑、联接等。动力驱动部分（动力组成要素）：依据系统控制要求，提供能量和动力以使系统正常运行。测试传感部分（感知组成要素）：对系统的运行需要的内部和外部环境的各种参数和状态进行检测，并变成可识别的信号，传输给信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的控制信息。控制及信息处理部分（职能组成要素）：将测试传感部分的信息及外部直接输入的指令进行集中存储、分析、加工处理后，按照信息处理结果和规定程序与节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的地运行。执行机构（运动组成要素）：根据控制及信息处理部分发出的指令，完成规定的动作和功能。

2.遵循原则

构成机电一体化系统的五大组成要素，其自身及相互之间都必须遵循接口耦合、能量转换、信息控制、运动传递四大原则。

（1）接口耦合。两个需要进行信息交换和传递的环节之间，由于信息模式不同（数字量与模拟量、串行码与并行码、连续脉冲与序列脉冲等），无法直接传递和交换，必须通过接口耦合来实现。而两个信号强弱相差悬殊的环节之间，也必须通过接口耦合后才能匹配。变换放大后的信号要在两个环节之间可靠、快速、准确地交换、传递，必须遵循一致的时序、信号格式和逻辑规范才行。因此，接口耦合时就必须具有保证信息的逻辑控制功能，使信息按规定的模式进行交换与传递。

（2）能量转换。两个需要进行传输和交换的环节之间，由于模式不同而无法直接进行能量的转换和交流，必须进行能量的转换。能量的转换包括执行器、驱动器，以及不同类型能量的最优转换方法。

（3）信息控制。在系统中，所谓智能组成要素的系统控制单元。在软、硬件的保证下，完成信息的采集、传输、储存、分析、运算、判断、决策，达到信息控制的目的。对于智能化程度高的信息控制系统还包含知识获得、推理机制以及自学功能等知识驱动功能。

（4）运动传递。运动传递是构成机电一体化系统各组成要素之间的不同类型运动的变换与传输，以及以运动控制为目的的优化。

三、机电一体化的基础知识

1.知识结构

了解、掌握由工控机控制的系统或设备(自动机、自动生产线)相关的技术基础知识。

2.能力要求

操作、维护、安装、调试或改进机电一体化系统或设备(自动机、自动生产线或某个产品)的能力，还需有一定的管理能力。并明显强调了动手能力，即以先进技术的应用为主要目的。

3.有关基础知识

(1)电子技术基础。电子技术基础包括模拟电路和数字电路，是在电工技术的基础之上，对晶体管构成的电路进行的系统、定性和定量的分析研究，是机电一体化技术中最基础的部分。

(2)机械技术基础。机械技术基础包括制图、力学、机械原理、机械零件、机械制造和维修等技术，是机械本体的知识基础，是机电一体化技术中不可缺少的部分。

(3)检测技术。掌握工业中常用的检测元器件的选用、安装、调试和使用。各种控制系统离不开检测元器件，检测元器件是机电一体化技术的主要内容。

(4)执行机构技术。掌握各种机械、电器、气动、液动执行机构的原理和使用方法，各种机电一体化系统和设备都是为了达到某种目的而制造的，而功能的实现又离不开执行机构。

(5)机械本体。机械本体的种类繁多，应根据行业特点，掌握各行业机械本体的结构原理、安装、调试及维修方法，这是机电一体化技术的应用目的，是机电一体化技术的载体。

(6)工控机技术。要求会使用工控机(工业控制计算机)，能够按自动机的要求设计编制控制程序。在机电一体化控制系统和设备中，工控机作为控制的中心，对整个系统起着指挥和协调的作用。工控机性能的好坏以及技术人员使用的熟练程度，直接影响到机电一体化控制系统和设备性能的好坏。

(7)自动控制技术。自动控制技术指控制系统组成，PID参数的工業整定方法，处理控制系统中的干扰、接口等技术问题。机电一体化系统是一个自动控制系统，无论从系统的构成、涉及技术以及系统的性能来看，这个系统都表现了极强的综合性、复杂性和先进性。

四、机电一体化技术的应用——全自动照相机

机电一体化技术具有广阔的应用空间和发展前景，现以全自动照相机来说明机电一体化技术的应用。全自动照相机又称傻瓜照相机，顾名思义，是一台不需要什么专业技术就可以使用的照相机。

一般来说，摄影技术是比较复杂的，完成一次拍摄需要根据现场光线的强弱、季节、时间和地点等因素确定光圈的大小，再由目标的远近确定距离等一系列操作。全自动照相机问世以后，所有的复杂操作都被简化了。人们只要对准目标，按一下快门即可完成拍摄，并可得到曝光正确的作品。因此，全自动照相机问世后立刻受到人们的欢迎，并迅速地进入人们的生活。

全自动照相机是典型的机电一体化产品，因为它可以自动地根据现场光线的强弱、对象的远近选择恰当的光圈、焦距和速度进行曝光。这些功能都是由其中的电脑进行判断，然后由自动光圈调节器和自动焦距调节器进行自动调节。在全自动照相机上还有测光器、测距器等检测部分。

全自动照相机的性能远远超过了老式照相机，结构又远比老式照相机轻巧，这首先要归功于电脑的应用。电脑使用了微电子技术，可以在一块只有手指尖那么大的薄片上刻上复杂的电路，并存入大量的程序。因此，在瞬间它就可完成大量运算，可以在极短的时间内对现场的光线强弱、距离远近作出快速而又准确的判断，这个功能是传统的照相机望尘莫及的。

老式照相机在测光线强弱时用的曝光表比怀表还要大，使用时要按严格的规定，在规定的位置和方向测量；然后摄影者根据自己的经验作判断，再调整光圈，调整快门。而在全自动照相机中，这一系列的操作都是相机自动完成的。

如果没有微电子技术，就很难设想用什么办法可以把大曝光表塞到老式照相机的壳体中，而不增加照相机的体积。也很难设想，如果采用凸轮、继电器等传统的控制元器件实现照相机自动化，照相机将会有多大，有多重。

全自动照相机中的机械部分和电子部分已形成一个不可分割的整体，电子技术可以简化机械结构，提高机械性能。因此，可以说机械部分既是自动照相机的主体，也是被控制的对象。可见，在机电一体化的产品或设备中，对其机械部分有一定的特殊要求。显然，自动照相机中的机械结构应该更合理、巧妙，其机械零件应该有更高的加工精度。在全自动照相机中不但有精密的机械和复杂的电子线路，而且还有光电检测、液晶显示等先进技术。因此，它是一台综合先进技术的产品。

综上所述，机电一体化决不是机械与电子两种技术的混合或简单叠加，而是两者的有机结合。机电一体化系统是先进的自动控制系统，可以处理更多被控参数的复杂情况，计算速度也更快、更准确。机电一体化技术是新技术，是在传统技术的基础上发展而来的，机电一体化技术具有明显的综合性和先进性。机电一体化技术既不同于传统的机械技术、电子技术和微电子技术，又不同于普通的计算机技术，而是将这些技术相互融合、相互渗透并产生飞跃而形成的新技术。

（作者单位：广东省国防科技高级技工学校）

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