什么是機(jī)電一體化

什么是機(jī)電一體化

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

機(jī)電一體化的技術(shù)基礎(chǔ)是來自機(jī)械制造和電子，并配合電腦軟件，因此是整合了機(jī)械、電子、電機(jī)和電腦等相關(guān)領(lǐng)域的一種多門的技術(shù)。

機(jī)電一體化主要研究目的是把機(jī)械技術(shù)與微電子技術(shù)和信息技術(shù)有機(jī)地結(jié)合為一體，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的最優(yōu)化。機(jī)電一體化可以充分發(fā)揮機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)和信息技術(shù)的各自的長處和特點(diǎn)，促進(jìn)機(jī)械產(chǎn)品的更新?lián)Q代。機(jī)械電子學(xué)系統(tǒng)主要由機(jī)械主體、傳感器、信息處理和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分組成。較高級的系統(tǒng)不但有硬件，而且還有相應(yīng)的軟件,利用軟件技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)硬件難以實(shí)現(xiàn)的功能,使機(jī)械系統(tǒng)增加柔性。典型的機(jī)械電子系統(tǒng)有數(shù)控機(jī)床、加工中心、工業(yè)機(jī)器人等。機(jī)械電子學(xué)技術(shù)除用于單個(gè)機(jī)器、設(shè)備或一般的生產(chǎn)系統(tǒng)的技術(shù)改造之外，還用于柔性制造系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)、工廠自動化、辦公自動化、家庭自動化等方面。

機(jī)電一體化技術(shù)具體內(nèi)容

（1）機(jī)械技術(shù)

機(jī)械技術(shù)是機(jī)電一體化的基礎(chǔ)，機(jī)械技術(shù)的著眼點(diǎn)在于如何與機(jī)電一體化技術(shù)相適應(yīng)，利用其它高、新技術(shù)來更新概念，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)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(jī)電一體化系統(tǒng)制造過程中，經(jīng)典的機(jī)械理論與工藝應(yīng)借助于計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，同時(shí)采用人工智能與專家系統(tǒng)等，形成新一代的機(jī)械制造技術(shù)。

（2）計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)

其中信息交換、存取、運(yùn)算、判斷與決策、人工智能技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)均屬于計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)。

（3）系統(tǒng)技術(shù)

系統(tǒng)技術(shù)即以整體的概念組織應(yīng)用各種相關(guān)技術(shù)，從全局角度和系統(tǒng)目標(biāo)出發(fā)，將總體分解成相互關(guān)聯(lián)的若干功能單元，接口技術(shù)是系統(tǒng)技術(shù)中一個(gè)重要方面，它是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各部分有機(jī)連接的保證。

（4）自動控制技術(shù)

其范圍很廣，在控制理論指導(dǎo)下，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)仿真，現(xiàn)場調(diào)試，控制技術(shù)包括如高精度定位控制、速度控制、自適應(yīng)控制、自診斷校正、補(bǔ)償、再現(xiàn)、檢索等。

（5）傳感檢測技術(shù)

傳感檢測技術(shù)是系統(tǒng)的感受器官，是實(shí)現(xiàn)自動控制、自動調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其功能越強(qiáng)，系統(tǒng)的自動化程序就越高?，F(xiàn)代工程要求傳感器能快速、精確地獲取信息并能經(jīng)受嚴(yán)酷環(huán)境的考驗(yàn)，它是機(jī)電一體化系統(tǒng)達(dá)到高水平的保證。

（6）伺服傳動技術(shù)

包括電動、氣動、液壓等各種類型的傳動裝置，伺服系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)電信號到機(jī)械動作的轉(zhuǎn)換裝置與部件、對系統(tǒng)的動態(tài)性能、控制質(zhì)量和功能有決定性的影響。

機(jī)電一體化系統(tǒng)組成

1、機(jī)械本體

機(jī)械本體包括機(jī)架、機(jī)械連接、機(jī)械傳動等，它是機(jī)電一體化的基礎(chǔ)，起著支撐系統(tǒng)中其他功能單元、傳遞運(yùn)動和動力的作用。與純粹的機(jī)械產(chǎn)品相比，機(jī)電一體化系統(tǒng)的技術(shù)性能得到提高、功能得到增強(qiáng)，這就要求機(jī)械本體在機(jī)械結(jié)構(gòu)、材料、加工工藝性以及幾何尺寸等方面能夠與之相適應(yīng)，具有高效、多功能、可靠和節(jié)能、小型、輕量、美觀的特點(diǎn)。

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(jī)電一體化系統(tǒng)工作過程中本身和外界環(huán)境有關(guān)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(jù)檢查到的信息向執(zhí)行器發(fā)出相應(yīng)的控制。

3、電子控制單元

電子控制單元又稱ECU（Electrical? Control? Unit ），是機(jī)電一體化系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)將來自各傳感器的檢測信號和外部輸入命令進(jìn)行集中、存儲、計(jì)算、分析，根據(jù)信息處理結(jié)果，按照一定的程度和節(jié)奏發(fā)出相應(yīng)的指令，控制整個(gè)系統(tǒng)有目的地進(jìn)行。

4、執(zhí)行器

執(zhí)行器的作用是根據(jù)電子控制單元的指令驅(qū)動機(jī)械部件的運(yùn)動。執(zhí)行器是運(yùn)動部件，通常采用電力驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和液壓驅(qū)動等幾種方式。

5、動力源

動力源是機(jī)電一體化產(chǎn)品能量供應(yīng)部分，其作用是按照系統(tǒng)控制要求向機(jī)械系統(tǒng)提供能量和動力使系統(tǒng)正常運(yùn)行。提供能量的方式包括電能、氣能和液壓能，以電能為主。

機(jī)電一體化技術(shù)四大原則

構(gòu)成機(jī)電一體化系統(tǒng)的五大組成要素其內(nèi)部及相互之間都必須遵循結(jié)構(gòu)耦合、運(yùn)動傳遞、信息控制與能量轉(zhuǎn)換四大原則。

1、接口耦合

兩個(gè)需要進(jìn)行信息交換和傳遞的環(huán)節(jié)之間，由于信息模式不同（數(shù)字量與模擬量，串行碼與并行碼，連續(xù)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(shí)現(xiàn)。而兩個(gè)信號強(qiáng)弱相差懸殊的環(huán)節(jié)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(gè)環(huán)節(jié)之間可靠、快速、準(zhǔn)確的交換、傳遞，必須遵循一致的時(shí)序、信號格式和邏輯規(guī)范才行，因此接口耦合時(shí)就必須具有保證信息的邏輯控制功能，使信息按規(guī)定的模式進(jìn)行交換與傳遞。

2、能量轉(zhuǎn)換

兩個(gè)需要進(jìn)行傳輸和交換的環(huán)節(jié)之間，由于模式不同而無法直接進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換和交流，必須進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換，能量的轉(zhuǎn)換包括執(zhí)行器，驅(qū)動器和他們的不同類型能量的最優(yōu)轉(zhuǎn)換方法及原理。

3、信息控制

在系統(tǒng)中，所謂智能組成要素的系統(tǒng)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(yùn)算、判斷、決策，以達(dá)到信息控制的目的。對于智能化程度高的信息控制系統(tǒng)還包含了知識獲得、推理機(jī)制以及自學(xué)習(xí)功能等知識驅(qū)動功能。

4、運(yùn)動傳遞

運(yùn)動傳遞使構(gòu)成機(jī)電一體化系統(tǒng)各組成要素之間，不同類型運(yùn)動的變換與傳輸以及以運(yùn)動控制為目的的優(yōu)化。

機(jī)電一體化發(fā)展--光機(jī)電一體化（Opto-mechatronics）

在激光技術(shù)與微型計(jì)算機(jī)為代表的微電子技術(shù)迅速發(fā)展，向機(jī)電工業(yè)領(lǐng)域迅猛滲透，與機(jī)電技術(shù)深度結(jié)合的現(xiàn)代工業(yè)的基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用機(jī)械技術(shù)，微電子技術(shù)，信息技術(shù)，自動控制技術(shù)，傳感控制技術(shù)，電力電子技術(shù)，接口技術(shù)及軟件編程技術(shù)等群體技術(shù)，從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，根據(jù)系統(tǒng)功能目標(biāo)和優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)目標(biāo)，以智能，動力，結(jié)構(gòu)，運(yùn)動和感知組成要素為基礎(chǔ)，在高功能，高質(zhì)量、高精度、高可靠性、低能耗意義上實(shí)現(xiàn)多種技術(shù)功能復(fù)合的系統(tǒng)工程技術(shù)。

光機(jī)電一體化技術(shù)是由機(jī)械技術(shù)與激光－微電子等技術(shù)揉合融匯在一起的新興技術(shù)。它與傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品比較，主要有以下特征：

1、綜合性與系統(tǒng)性

光機(jī)電一體化是一門跨學(xué)科的邊緣科學(xué)，它是激光技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)與機(jī)械技術(shù)結(jié)合而成的綜合性高技術(shù)。這種多種技術(shù)的綜合及多個(gè)部分的組合，使得光機(jī)電一體化技術(shù)及產(chǎn)品更具有系統(tǒng)性、完整性和科學(xué)性。其各個(gè)組成部分如機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、信息技術(shù)、傳感技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)、模擬量與數(shù)字量交換技術(shù)以及軟件技術(shù)等在綜合成一個(gè)完整的系統(tǒng)中相互配合有嚴(yán)格的要求，這就需要取長補(bǔ)短，不斷向理想化方向發(fā)展。其結(jié)果使原來各種技術(shù)揚(yáng)長避短，更趨于合理。

2、多層次，覆蓋面廣

光機(jī)電一體化是一個(gè)總的技術(shù)指導(dǎo)思想，它不僅體現(xiàn)在一些機(jī)電一體化的單機(jī)產(chǎn)品之中，而且貫穿于工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)之中。從簡單的單臺光機(jī)電一體化產(chǎn)品，到現(xiàn)代工業(yè)中的柔性加工系統(tǒng)；從簡單的單參數(shù)顯示，到復(fù)雜的多參數(shù)、多級控制；從機(jī)械零部件連續(xù)自動熱處理生產(chǎn)線，到各種現(xiàn)代高速重型機(jī)械自動化生產(chǎn)線等，光機(jī)電一體化技術(shù)都有不同層次、覆蓋面很廣的應(yīng)用領(lǐng)域。對于工程系統(tǒng)，需成套地進(jìn)行開發(fā)和制造。對于光機(jī)電一體化單機(jī)產(chǎn)品(設(shè)備)，應(yīng)采用簡繁并舉、高低級并存的多層次發(fā)展途徑?？砂l(fā)展功能附加型的低級產(chǎn)品；也可發(fā)展功能替代型的中級產(chǎn)品；還可發(fā)展機(jī)電融合型的高級產(chǎn)品，成為前所未有的新一代產(chǎn)品。

3、結(jié)構(gòu)簡化，方便操作

光機(jī)電一體化技術(shù)可位過去靠機(jī)械傳動鏈連接的各個(gè)相關(guān)動作部分，改用幾臺電機(jī)分別驅(qū)動，或用電力電子器件，或用電子電控裝置進(jìn)行相關(guān)動作控制來實(shí)現(xiàn)。因此，使機(jī)械結(jié)構(gòu)大大簡化，甚至使有些機(jī)械結(jié)構(gòu)"脫胎換骨"，產(chǎn)生了質(zhì)的變化。光機(jī)電一體化技術(shù)使得操作人員擺脫了以往必須按規(guī)定操作程序或節(jié)拍頻繁緊張地進(jìn)行單調(diào)重復(fù)操作的工作方式，能以靈活方便地按需控制和改變生產(chǎn)操作程序。任何一臺光機(jī)電一體化裝置或系統(tǒng)各個(gè)相關(guān)傳動機(jī)構(gòu)的動作及功能協(xié)調(diào)關(guān)系，可由預(yù)設(shè)的程序一步一步地由電子控制系統(tǒng)指揮，如數(shù)控機(jī)床、柔性加工系統(tǒng)(FMS)等。有些光機(jī)電一體化裝置，可實(shí)現(xiàn)操作全自動化，如工業(yè)機(jī)器人、印制電路板數(shù)控高速鉆床等。有些更高級的光機(jī)電一體化系統(tǒng)，還可通過被控對象的數(shù)學(xué)模型以及根據(jù)任何時(shí)刻外界各種參數(shù)的變化情況，隨機(jī)自尋最佳工作程序、動作程度和快慢以及協(xié)調(diào)關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化工作及最佳操作，例如微機(jī)控制的熱連軋機(jī)鋼板測厚自控系統(tǒng)、電梯群控系統(tǒng)、智能機(jī)器人等。

4、精度提高，功能增加

光機(jī)電一體化技術(shù)使機(jī)械傳動部件減少，因而使機(jī)械磨損及配合間隙等所引起的動作誤差大大減小，同時(shí)由于采用了電子技術(shù)，反饋控制水平的提高并能進(jìn)行高速處理，可通過電子自動控制系統(tǒng)精確地按預(yù)設(shè)量使相應(yīng)機(jī)構(gòu)動作，因各種干擾因素造成的誤差，又可通過自控系統(tǒng)自行診斷、校正、補(bǔ)償去達(dá)到靠單純機(jī)械方式所不能實(shí)現(xiàn)的工作精度。因而光機(jī)電一體化產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?，適用面廣，易于滿足各種需要。電子技術(shù)的引入，使產(chǎn)品面貌發(fā)生巨大變化，電子裝置能按照入的意圖進(jìn)行自動控制、自動檢測、信息采集及處理、調(diào)節(jié)、修正、補(bǔ)償、自診斷、自動保護(hù)直至自動記錄、顯示、打印工作結(jié)果。通過改變程序、指令等軟件內(nèi)容而無需改動硬件部分就可變換產(chǎn)品的功能，使機(jī)械控制功能內(nèi)容的確定和變化趨?軟件比"和"智能化"。

5、高可靠性，高穩(wěn)定性和高使用壽命

傳統(tǒng)的機(jī)械裝置的運(yùn)動部分，一般都伴隨著磨損及運(yùn)動部件配合間隙所引起的動作誤差，而發(fā)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(wěn)定性和可靠性。而光機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)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(guān)甚至無可動部件、無機(jī)械磨損。因此，裝置的壽命提高，故障率降低，從而提高了產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性。有些光機(jī)電一體化產(chǎn)品甚至做到不需維修或者具有自診斷功能。

6、開發(fā)上的知識密集性

研制開發(fā)光機(jī)電一體化產(chǎn)品往往要涉及許多學(xué)-科和專業(yè)知識，如數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、聲學(xué)、機(jī)械工程學(xué)、電力電子學(xué)、電工學(xué)、系統(tǒng)工程學(xué)、光學(xué)、控制論、信息論和計(jì)算機(jī)科學(xué)等多門學(xué)科以及各門類的專業(yè)知識。比如人們很熟悉的靜電復(fù)印機(jī)、彩色印像機(jī)等，就是一種由機(jī)、電、光、磁、化學(xué)等多種學(xué)科和技術(shù)復(fù)合創(chuàng)新的新型產(chǎn)品。設(shè)計(jì)這類產(chǎn)品的工程技術(shù)人員對自身的知識結(jié)構(gòu)提出更新更高的要求?，F(xiàn)代化的技術(shù)更需要現(xiàn)代化的人才來掌握和開發(fā)它。需要發(fā)揮多種功能的先進(jìn)設(shè)備、必然要賦予它多種知識和智慧。