機電一體化技術

“機電一體化”在國外被稱為Mechatronics，是日本人在20世紀70年代初提出來的，用英文Mechanics的前半部分和Electronics的后半部分構成的一個新詞，意思是機械技術和電子技術的有機結合。這一名稱已得到包括我國在內的世界各國的承認，我國的工程技術人員把它譯為機電一體化技術。使用機電技術應用名稱時，注意不要與機電公司的機電相混，因為機電公司經營的水泵、電機等不屬于機電一體化技術的范圍。由于科學技術在不斷發展，機電一體化產品或設備也在不斷更新，并不斷采用更先進的技術。因此，在理解機電一體化的含義時，可以將“機電”一詞模糊為“先進技術”。

一、機電一體化技術基本概要

機電一體化是指機、電融合為一體，但絕不是兩者的簡單相加。機電一體化技術應用于數控機床、機器人、柔性制造系統、自動化測量工具、數控機床、數控設備、自動扶梯、自動電梯、智能大廈、自動機以及自動化工廠。在日常生活中，機電一體化的產品也無處不在：全自動照相機、全自動洗衣機、音響設備、電腦打印機等。這些產品或設備有不同的使用范圍、不同的結構和不同的性能，但是它們都能自動地完成一定的工作。它們在按規定程序，有順序、有規律地完成整套動作之后才能實現它們的價值。

機電一體化技術是同時運用機械、電子、儀表、計算機和自動控制等多種技術的復合技術。這個由電腦控制的產品或設備要有被控制的機械和各種裝置，用來進行控制的工業控制計算機(工控機)、各種儀表(用于檢測、顯示、計數、報警等)、電器(為執行某個動作，作為行程開關等)。這些儀表可以是電動的，也可以是氣動的，甚至可以是液壓或光電的。

人類把自己的聰明才智和科學技術寶庫中的精華都融入到機電一體化的產品或設備之中，因此，機電一體化產品是集機、電、氣、液、光電等技術于一體的綜合體，但這決不意味著只用簡單的方法(如螺釘、繩索等)將各種元器件連接在一起就可以組成機電一體化產品或設備。因為，用簡單的連接方法不可能使這些元器件組成一個有機整體，即組成一個既能動作協調一致，又能適應條件變化的統一體。

二、機電一體化技術的組成要素及遵循原則

1.組成要素

機電一體化的產品或設備，不論體積是大還是小，不論結構是復雜還是簡單，也不論功能是多還是少，它們都是一個由機械零件和電子元件組成的有機整體，都是一個完整的系統。一個機電一體化系統一般由結構組成要素、動力組成要素、運動組成要素、感知組成要素、智能組成要素有機結合而成。

機械本體（結構組成要素），是系統的所有功能要素的機械支持結構，一般包括有機身、框架、支撐、聯接等。動力驅動部分（動力組成要素）：依據系統控制要求，提供能量和動力以使系統正常運行。測試傳感部分（感知組成要素）：對系統的運行需要的內部和外部環境的各種參數和狀態進行檢測，并變成可識別的信號，傳輸給信息處理單元，經過分析、處理后產生相應的控制信息。控制及信息處理部分（職能組成要素）：將測試傳感部分的信息及外部直接輸入的指令進行集中存儲、分析、加工處理后，按照信息處理結果和規定程序與節奏發出相應的指令，控制整個系統有目的地運行。執行機構（運動組成要素）：根據控制及信息處理部分發出的指令，完成規定的動作和功能。

2.遵循原則

構成機電一體化系統的五大組成要素，其自身及相互之間都必須遵循接口耦合、能量轉換、信息控制、運動傳遞四大原則。

（1）接口耦合。兩個需要進行信息交換和傳遞的環節之間，由于信息模式不同（數字量與模擬量、串行碼與并行碼、連續脈沖與序列脈沖等），無法直接傳遞和交換，必須通過接口耦合來實現。而兩個信號強弱相差懸殊的環節之間，也必須通過接口耦合后才能匹配。變換放大后的信號要在兩個環節之間可靠、快速、準確地交換、傳遞，必須遵循一致的時序、信號格式和邏輯規范才行。因此，接口耦合時就必須具有保證信息的邏輯控制功能，使信息按規定的模式進行交換與傳遞。

（2）能量轉換。兩個需要進行傳輸和交換的環節之間，由于模式不同而無法直接進行能量的轉換和交流，必須進行能量的轉換。能量的轉換包括執行器、驅動器，以及不同類型能量的最優轉換方法。

（3）信息控制。在系統中，所謂智能組成要素的系統控制單元。在軟、硬件的保證下，完成信息的采集、傳輸、儲存、分析、運算、判斷、決策，達到信息控制的目的。對于智能化程度高的信息控制系統還包含知識獲得、推理機制以及自學功能等知識驅動功能。

（4）運動傳遞。運動傳遞是構成機電一體化系統各組成要素之間的不同類型運動的變換與傳輸，以及以運動控制為目的的優化。

三、機電一體化的基礎知識

1.知識結構

了解、掌握由工控機控制的系統或設備(自動機、自動生產線)相關的技術基礎知識。

2.能力要求

操作、維護、安裝、調試或改進機電一體化系統或設備(自動機、自動生產線或某個產品)的能力，還需有一定的管理能力。并明顯強調了動手能力，即以先進技術的應用為主要目的。

3.有關基礎知識

(1)電子技術基礎。電子技術基礎包括模擬電路和數字電路，是在電工技術的基礎之上，對晶體管構成的電路進行的系統、定性和定量的分析研究，是機電一體化技術中最基礎的部分。

(2)機械技術基礎。機械技術基礎包括制圖、力學、機械原理、機械零件、機械制造和維修等技術，是機械本體的知識基礎，是機電一體化技術中不可缺少的部分。

(3)檢測技術。掌握工業中常用的檢測元器件的選用、安裝、調試和使用。各種控制系統離不開檢測元器件，檢測元器件是機電一體化技術的主要內容。

(4)執行機構技術。掌握各種機械、電器、氣動、液動執行機構的原理和使用方法，各種機電一體化系統和設備都是為了達到某種目的而制造的，而功能的實現又離不開執行機構。

(5)機械本體。機械本體的種類繁多，應根據行業特點，掌握各行業機械本體的結構原理、安裝、調試及維修方法，這是機電一體化技術的應用目的，是機電一體化技術的載體。

(6)工控機技術。要求會使用工控機(工業控制計算機)，能夠按自動機的要求設計編制控制程序。在機電一體化控制系統和設備中，工控機作為控制的中心，對整個系統起著指揮和協調的作用。工控機性能的好壞以及技術人員使用的熟練程度，直接影響到機電一體化控制系統和設備性能的好壞。

(7)自動控制技術。自動控制技術指控制系統組成，PID參數的工業整定方法，處理控制系統中的干擾、接口等技術問題。機電一體化系統是一個自動控制系統，無論從系統的構成、涉及技術以及系統的性能來看，這個系統都表現了極強的綜合性、復雜性和先進性。

四、機電一體化技術的應用——全自動照相機

機電一體化技術具有廣闊的應用空間和發展前景，現以全自動照相機來說明機電一體化技術的應用。全自動照相機又稱傻瓜照相機，顧名思義，是一臺不需要什么專業技術就可以使用的照相機。

一般來說，攝影技術是比較復雜的，完成一次拍攝需要根據現場光線的強弱、季節、時間和地點等因素確定光圈的大小，再由目標的遠近確定距離等一系列操作。全自動照相機問世以后，所有的復雜操作都被簡化了。人們只要對準目標，按一下快門即可完成拍攝，并可得到曝光正確的作品。因此，全自動照相機問世后立刻受到人們的歡迎，并迅速地進入人們的生活。

全自動照相機是典型的機電一體化產品，因為它可以自動地根據現場光線的強弱、對象的遠近選擇恰當的光圈、焦距和速度進行曝光。這些功能都是由其中的電腦進行判斷，然后由自動光圈調節器和自動焦距調節器進行自動調節。在全自動照相機上還有測光器、測距器等檢測部分。

全自動照相機的性能遠遠超過了老式照相機，結構又遠比老式照相機輕巧，這首先要歸功于電腦的應用。電腦使用了微電子技術，可以在一塊只有手指尖那么大的薄片上刻上復雜的電路，并存入大量的程序。因此，在瞬間它就可完成大量運算，可以在極短的時間內對現場的光線強弱、距離遠近作出快速而又準確的判斷，這個功能是傳統的照相機望塵莫及的。

老式照相機在測光線強弱時用的曝光表比懷表還要大，使用時要按嚴格的規定，在規定的位置和方向測量；然后攝影者根據自己的經驗作判斷，再調整光圈，調整快門。而在全自動照相機中，這一系列的操作都是相機自動完成的。

如果沒有微電子技術，就很難設想用什么辦法可以把大曝光表塞到老式照相機的殼體中，而不增加照相機的體積。也很難設想，如果采用凸輪、繼電器等傳統的控制元器件實現照相機自動化，照相機將會有多大，有多重。

全自動照相機中的機械部分和電子部分已形成一個不可分割的整體，電子技術可以簡化機械結構，提高機械性能。因此，可以說機械部分既是自動照相機的主體，也是被控制的對象。可見，在機電一體化的產品或設備中，對其機械部分有一定的特殊要求。顯然，自動照相機中的機械結構應該更合理、巧妙，其機械零件應該有更高的加工精度。在全自動照相機中不但有精密的機械和復雜的電子線路，而且還有光電檢測、液晶顯示等先進技術。因此，它是一臺綜合先進技術的產品。

綜上所述，機電一體化決不是機械與電子兩種技術的混合或簡單疊加，而是兩者的有機結合。機電一體化系統是先進的自動控制系統，可以處理更多被控參數的復雜情況，計算速度也更快、更準確。機電一體化技術是新技術，是在傳統技術的基礎上發展而來的，機電一體化技術具有明顯的綜合性和先進性。機電一體化技術既不同于傳統的機械技術、電子技術和微電子技術，又不同于普通的計算機技術，而是將這些技術相互融合、相互滲透并產生飛躍而形成的新技術。

（作者單位：廣東省國防科技高級技工學校）