什么是機電一體化

機電一體化又稱機械電子學，亦可稱為機電整合，英語稱為Mechatronics，它是由英文機械學Mechanics的前半部分與電子學Electronics的后半部分組合而成。機電一體化最早出現在1971年日本雜志《機械設計》的副刊上，隨著機電一體化技術的快速發展，機電一體化的概念被我們廣泛接受和普遍應用。隨著計算機技術的迅猛發展和廣泛應用,機電一體化技術獲得前所未有的發展。現在的機電一體化技術，是機械和微電子技術緊密集合的一門技術，他的發展使冷冰冰的機器有了人性化，智能化。

機電一體化的技術基礎是來自機械制造和電子，并配合電腦軟件，因此是整合了機械、電子、電機和電腦等相關領域的一種多門的技術。

機電一體化主要研究目的是把機械技術與微電子技術和信息技術有機地結合為一體，實現整個系統的最優化。機電一體化可以充分發揮機械技術、微電子技術和信息技術的各自的長處和特點，促進機械產品的更新換代。機械電子學系統主要由機械主體、傳感器、信息處理和執行機構等部分組成。較高級的系統不但有硬件，而且還有相應的軟件,利用軟件技術可以實現硬件難以實現的功能,使機械系統增加柔性。典型的機械電子系統有數控機床、加工中心、工業機器人等。機械電子學技術除用于單個機器、設備或一般的生產系統的技術改造之外，還用于柔性制造系統、計算機集成制造系統、工廠自動化、辦公自動化、家庭自動化等方面。

機電一體化技術具體內容

（1）機械技術

機械技術是機電一體化的基礎，機械技術的著眼點在于如何與機電一體化技術相適應，利用其它高、新技術來更新概念，實現結構上、材料上、性能上的變更，滿足減小重量、縮小體積、提高精度、提高剛度及改善性能的要求。在機電一體化系統制造過程中，經典的機械理論與工藝應借助于計算機輔助技術，同時采用人工智能與專家系統等，形成新一代的機械制造技術。

（2）計算機與信息技術

其中信息交換、存取、運算、判斷與決策、人工智能技術、專家系統技術、神經網絡技術均屬于計算機信息處理技術。

（3）系統技術

系統技術即以整體的概念組織應用各種相關技術，從全局角度和系統目標出發，將總體分解成相互關聯的若干功能單元，接口技術是系統技術中一個重要方面，它是實現系統各部分有機連接的保證。

（4）自動控制技術

其范圍很廣，在控制理論指導下，進行系統設計，設計后的系統仿真，現場調試，控制技術包括如高精度定位控制、速度控制、自適應控制、自診斷校正、補償、再現、檢索等。

（5）傳感檢測技術

傳感檢測技術是系統的感受器官，是實現自動控制、自動調節的關鍵環節。其功能越強，系統的自動化程序就越高。現代工程要求傳感器能快速、精確地獲取信息并能經受嚴酷環境的考驗，它是機電一體化系統達到高水平的保證。

（6）伺服傳動技術

包括電動、氣動、液壓等各種類型的傳動裝置，伺服系統是實現電信號到機械動作的轉換裝置與部件、對系統的動態性能、控制質量和功能有決定性的影響。

機電一體化系統組成

1、機械本體

機械本體包括機架、機械連接、機械傳動等，它是機電一體化的基礎，起著支撐系統中其他功能單元、傳遞運動和動力的作用。與純粹的機械產品相比，機電一體化系統的技術性能得到提高、功能得到增強，這就要求機械本體在機械結構、材料、加工工藝性以及幾何尺寸等方面能夠與之相適應，具有高效、多功能、可靠和節能、小型、輕量、美觀的特點。

2、檢測傳感部分

檢測傳感部分包括各種傳感器及其信號檢測電路，其作用就是檢測機電一體化系統工作過程中本身和外界環境有關參量的變化，并將信息傳遞給電子控制單元，電子控制單元根據檢查到的信息向執行器發出相應的控制。

3、電子控制單元

電子控制單元又稱ECU（Electrical? Control? Unit ），是機電一體化系統的核心，負責將來自各傳感器的檢測信號和外部輸入命令進行集中、存儲、計算、分析，根據信息處理結果，按照一定的程度和節奏發出相應的指令，控制整個系統有目的地進行。

4、執行器

執行器的作用是根據電子控制單元的指令驅動機械部件的運動。執行器是運動部件，通常采用電力驅動、氣壓驅動和液壓驅動等幾種方式。

5、動力源

動力源是機電一體化產品能量供應部分，其作用是按照系統控制要求向機械系統提供能量和動力使系統正常運行。提供能量的方式包括電能、氣能和液壓能，以電能為主。

機電一體化技術四大原則

構成機電一體化系統的五大組成要素其內部及相互之間都必須遵循結構耦合、運動傳遞、信息控制與能量轉換四大原則。

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、準確的交換、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，驅動器和他們的不同類型能量的最優轉換方法及原理。

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，以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了知識獲得、推理機制以及自學習功能等知識驅動功能。

4、運動傳遞

運動傳遞使構成機電一體化系統各組成要素之間，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。

機電一體化發展--光機電一體化（Opto-mechatronics）

在激光技術與微型計算機為代表的微電子技術迅速發展，向機電工業領域迅猛滲透，與機電技術深度結合的現代工業的基礎上，綜合應用機械技術，微電子技術，信息技術，自動控制技術，傳感控制技術，電力電子技術，接口技術及軟件編程技術等群體技術，從系統的觀點出發，根據系統功能目標和優化組織結構目標，以智能，動力，結構，運動和感知組成要素為基礎，在高功能，高質量、高精度、高可靠性、低能耗意義上實現多種技術功能復合的系統工程技術。

光機電一體化技術是由機械技術與激光－微電子等技術揉合融匯在一起的新興技術。它與傳統的機械產品比較，主要有以下特征：

1、綜合性與系統性

光機電一體化是一門跨學科的邊緣科學，它是激光技術、微電子技術、計算機技術、信息技術與機械技術結合而成的綜合性高技術。這種多種技術的綜合及多個部分的組合，使得光機電一體化技術及產品更具有系統性、完整性和科學性。其各個組成部分如機械技術、微電子技術、自動控制技術、信息技術、傳感技術、電力電子技術、接口技術、模擬量與數字量交換技術以及軟件技術等在綜合成一個完整的系統中相互配合有嚴格的要求，這就需要取長補短，不斷向理想化方向發展。其結果使原來各種技術揚長避短，更趨于合理。

2、多層次，覆蓋面廣

光機電一體化是一個總的技術指導思想，它不僅體現在一些機電一體化的單機產品之中，而且貫穿于工程系統設計之中。從簡單的單臺光機電一體化產品，到現代工業中的柔性加工系統；從簡單的單參數顯示，到復雜的多參數、多級控制；從機械零部件連續自動熱處理生產線，到各種現代高速重型機械自動化生產線等，光機電一體化技術都有不同層次、覆蓋面很廣的應用領域。對于工程系統，需成套地進行開發和制造。對于光機電一體化單機產品(設備)，應采用簡繁并舉、高低級并存的多層次發展途徑?？砂l展功能附加型的低級產品；也可發展功能替代型的中級產品；還可發展機電融合型的高級產品，成為前所未有的新一代產品。

3、結構簡化，方便操作

光機電一體化技術可位過去靠機械傳動鏈連接的各個相關動作部分，改用幾臺電機分別驅動，或用電力電子器件，或用電子電控裝置進行相關動作控制來實現。因此，使機械結構大大簡化，甚至使有些機械結構"脫胎換骨"，產生了質的變化。光機電一體化技術使得操作人員擺脫了以往必須按規定操作程序或節拍頻繁緊張地進行單調重復操作的工作方式，能以靈活方便地按需控制和改變生產操作程序。任何一臺光機電一體化裝置或系統各個相關傳動機構的動作及功能協調關系，可由預設的程序一步一步地由電子控制系統指揮，如數控機床、柔性加工系統(FMS)等。有些光機電一體化裝置，可實現操作全自動化，如工業機器人、印制電路板數控高速鉆床等。有些更高級的光機電一體化系統，還可通過被控對象的數學模型以及根據任何時刻外界各種參數的變化情況，隨機自尋最佳工作程序、動作程度和快慢以及協調關系，以實現最優化工作及最佳操作，例如微機控制的熱連軋機鋼板測厚自控系統、電梯群控系統、智能機器人等。

4、精度提高，功能增加

光機電一體化技術使機械傳動部件減少，因而使機械磨損及配合間隙等所引起的動作誤差大大減小，同時由于采用了電子技術，反饋控制水平的提高并能進行高速處理，可通過電子自動控制系統精確地按預設量使相應機構動作，因各種干擾因素造成的誤差，又可通過自控系統自行診斷、校正、補償去達到靠單純機械方式所不能實現的工作精度。因而光機電一體化產品應用領域寬，適用面廣，易于滿足各種需要。電子技術的引入，使產品面貌發生巨大變化，電子裝置能按照入的意圖進行自動控制、自動檢測、信息采集及處理、調節、修正、補償、自診斷、自動保護直至自動記錄、顯示、打印工作結果。通過改變程序、指令等軟件內容而無需改動硬件部分就可變換產品的功能，使機械控制功能內容的確定和變化趨?軟件比"和"智能化"。

5、高可靠性，高穩定性和高使用壽命

傳統的機械裝置的運動部分，一般都伴隨著磨損及運動部件配合間隙所引起的動作誤差，而發出由于可動摩擦、撞擊、振動等引起的聲響(噪聲)，這顯然影響裝置的壽命、穩定性和可靠性。而光機電一體化技術的應用，使裝置的可動部件減少，磨損也大為減少，像集成化接近開關甚至無可動部件、無機械磨損。因此，裝置的壽命提高，故障率降低，從而提高了產品的可靠性和穩定性。有些光機電一體化產品甚至做到不需維修或者具有自診斷功能。

6、開發上的知識密集性

研制開發光機電一體化產品往往要涉及許多學-科和專業知識，如數學、物理學、化學、聲學、機械工程學、電力電子學、電工學、系統工程學、光學、控制論、信息論和計算機科學等多門學科以及各門類的專業知識。比如人們很熟悉的靜電復印機、彩色印像機等，就是一種由機、電、光、磁、化學等多種學科和技術復合創新的新型產品。設計這類產品的工程技術人員對自身的知識結構提出更新更高的要求。現代化的技術更需要現代化的人才來掌握和開發它。需要發揮多種功能的先進設備、必然要賦予它多種知識和智慧。