1序言及概论
序言
一、对机电一体化技术的初步了解
什么是机电一体化技术呢？机电一体化技术是在生产、制造机电一体化产品过程中使用的各种现代先进的技术。
那么哪些是机电一体化产品呢？日本学者高森 年在他的著作中说：“当今世上只要是使人感到比较灵活、灵巧便利的机械都是基于机电一体化技术制造的，这样的说法毫不过分。”因此可在自己感兴趣的领域想象。实际上，机电一体化在家用电器、各种车辆、工厂设备、航天航空等各种领域、场所都得到了广泛的应用。
如家用照相机、全自动洗衣机、无人驾驶的汽车、全自动的玩具小车、工厂化流水线作业设备、航天器、火星探测器及机器人等。
综上所述，机电一体化产品是机械装置和电子装置的有机结合而形成的。 机电一体化技术是机械技术和电子技术等互相结合的各种技术的统称。
二、机电一体化产品的优越性
列举出一系列实例后，这些机械都是机电一体化产品，由此可见机电一体化产品在各行各业都得到了非常广泛的应用。随着机电一体化技术的快速发展，机电一体化产品有逐步取代传统机电产品的趋势，这完全取决于机电一体化技术所存在的优越性和潜在的应用性能。这些机电一体化产品，它们有哪些优越性呢？它比一般机械产品及传统机电产品突出的优越性具体体现在：
（1）精度提高
机电一体化产品大都具有信息自动处理和自动控制功能，其控制和检测的灵敏度、精度以及范围都有很大程度的提高，通过自动控制系统可精确地保证机械的执行机构按照设计的要求完成预定的动作，使之不受机械操作者主观因素的影响，从而实现最佳操作，保证最佳的工作质量。数控机床的加工精度比一般手工操作的机床的加工精度大大提高。
（2）功能增强
机电一体化产品跳出了机电产品的单技术和单功能限制，具有复合技术和复合功能，使产品的功能水平和自动化程度大大提高。机电一体化产品一般具有自动化控制、自动补偿、自动校验、自动调节、自动保护和智能化等多种功能，能应用于不同的场合和不同领域，满足用户需求的应变能力较强。例如电子式空气断路器具有保护特性可调、选择性脱扣、正常通过电流与脱扣时电流的测量、显示和故障自动诊断等功能，使得其应用范围大为扩大。 全自动洗衣机比一般的洗衣机增加了根据衣物自动检测水量的电子装置，非常方便；许多自动化设备都比一般的机械产品增加了许多功能。
（3）改善操作性和使用性
机电一体化产品普遍采用程序控制和数字显示，操作按钮和手柄数量显著减少，使得操作大大简化并且方便、简单。机电一体化产品的工作过程根据预设的程序逐步由电子控制系统指挥实现，系统可重复实现全部动作。高级的机电一体化产品可通过被控对象的数学模型以及外界参数的变化随机自寻最佳工作程序，实现自动最优化操作。
（4）提高生产率和降低成本
由于机电一体化产品实现了工作的自动化，使生产能力得以大大提高。例如数控机床对工件的加工稳定性大大提高，生产效率比普通机床提高5-6倍；柔性制造系统的生产设备利用率可提高1.5-3.5倍，机床数量可减少约50%，节省操作人员数量约50%，缩短生产周期40%，使加工成本降低50%左右。
（5）减轻劳动强度和改善劳动条件
许多繁重的体力劳动通过计算机完成，大大减轻了劳动强度。在烟雾、粉尘、毒气等环境中长期工作对人体健康有害。那么用相应的机器人或其它机电一体化产品代替人完成在这种恶劣环境中的工作非常必要。
（6）提高安全性和可靠性
机电一体化产品一般都具有自动监视、报警、自动诊断、自动保护等功能。在工作过程中，遇到过载、过压、过流、短路等电力故障时，能自动采取保护措施，避免和减少人身和设备事故的发生，显著提高设备的使用安全性。机电一体化产品由于采用电子元器件，减少了机械产品数控机床中的可动构件和磨损部件，从而使其具有较高的灵敏度和可靠性，产品的故障率低，寿命得到了提高。
（7）简化结构和减轻重量
用电子装置代替了机械装置，大大地简化了结构，也减轻了重量。
（8）调整和维护方便
机电一体化产品在安装调试时，可通过改变控制程序来实现工作方式的改变，以适应不同用户对象的需要以及现场参数变化的需要。这些控制程序可通过多种手段输入到机电一体化产品的控制系统中，而不需要改变产品中的任何部件或零件。对于具有存储功能的机电一体化产品，可以事先存入若干套不同的执行程序，然后根据不同的工作对象，只需给定一个代码信号输入，即可按指定的预定程序进行自动工作。机电一体化产品的自动化检验和自动监视功能可对工作过程中出现的故障自动采取较大的措施，使工作恢复正常。
（9）智能化程度大大提高
许多机电一体化产品都模仿人的各种感官和动作，智能化程度大大提高。
总之，机电一体化正向着轻、薄、细、小巧、自动化方向发展。
三、机电一体化产品的组成结构
性能是由结构决定的，机电一体化技术的优越性是由组成机电一体化产品的特殊的结构决定的。
机电一体化产品的功能是通过其内部各组成部分功能的协调和综合来共同实现的。从其结构来看，机电一体化产品具有自动化、智能化和多功能的特性，而实现这种多功能一般需要机电一体化产品具备五种内部功能，即主功能、动力功能、检测功能、控制功能和执行功能，而实现这些功能的各个组成部分及其技术就构成了机电一体化产品的总体或系统。以机器人为例来说明（播放机器人运动的实例）。
通过机器人运动的几个例子来分析机电一体化产品的组成结构，首先要有具体的操作执行装置及相应的机械联接如机器人的机械手及机器本体，相当于人体的“手足及骨胳”；要实现与人相近的功能，本身就必须能够对各种信息进行多种判断，如机器人上台阶，它必须先判断台阶的位置，再如一个生产工厂中的零件自动输送系统，要在给定的两个工位上做出正确的停止判断，在工件装载完成时刻，还要能够迅速做出开始运动的判断。如果没有传感器发回的各种信息，机器人和自动系统实现判断是不可能的，这样的传感器相当于人的“感官”；若完成某个动作，要对从传感器传来的信息进行正确地分析、判断，然后形成某种控制，这部分处理控制装置相当于人的“大脑”（包括软件程序）；接下来要对控制系统发出的信息进行响应，完成具体的动作，这需要类似于人的“内脏及血液系统”的动力系统提供能量。除了“手足”、“感官”、“大脑”、“内脏”外，要使这些部分能够有机协调地工作，就必须将上述的功能元素连接起来，这部分称为接口装置，它相当于人体中传递信息的神经系统。
因此，机电一体化是由机械装置（执行、传动、导向机构——“手足及骨胳”）、检测装置（“感官”）、控制装置（“大脑”）、伺服驱动装置（驱动电机等——“内脏及血液系统”）和接口装置（“神经系统”）等几部分组成。
(1) 机械系统
机电一体化产品的机械系统包括机身、框架、机械传动和联接等机械部分。这部分是实现产品功能的基础，因此对机械结构提出了更高的要求，需在结构、材料、工艺加工及几何尺寸等方面满足机电一体化产品高效、多功能、可靠、节能和小型轻量等要求。除一般性的机械强度、刚度、精度、体积和重量等指标外，机械系统技术开发的重点是模块化、标准化和系列化，以便于机械系统的快速组合和更换。
机电一体产品的机械系统由传动、导向、执行机构组成，由于执行机构的重要性，有时把执行机构单独作为一部分结构讨论。
执行机构在控制信息的作用下完成要求的动作，实现产品的主功能。机电一体化产品的执行机构一般是运动部件，常采用机械、电液、气动等机构。执行机构由于机电一体化产品的种类和作业对象不同而有较大的差异。执行机构是实现产品目的功能的直接执行者，其性能好坏决定着整个产品的性能，因而是机电一体化产品中最重要的组成部分。
(2) 动力系统（伺服系统）
动力系统为机电一体化产品提供能量和动力功能，去驱动执行机构工作以完成预定的主功能。功能系统包括电、液、气等动力源。机电一体化产品以电能利用为主，包括电源、电动机及驱动电路等。
(3) 传感与检测系统
传感器的作用是将机电一体化产品在运行过程中所需要的自身和外界环境的各种参数转换成可以测定的物理量，同时利用检测系统的功能对这些物理量进行测定，为机电一体化产品提供运行控制所需的各种信息。传感与检测系统的功能一般由测量仪器或仪表来实现，对其要求是体积小，便于安装与联接、检测精度高、抗干扰等。
(4)信息处理及控制系统
根据机电一体化产品的功能和性能要求，信息处理及控制系统接收传感与检测系统反馈的信息，并对其进行相应的处理、运算和决策，以对产品的运行施以按照要求的控制，实现控制功能。机电一体化产品中，信息处理及控制系统主要是由计算机的软件和硬件以及相应的接口所组成。硬件一般包括输入/输出设备、显示器、可编程控制器和数控装置。机电一体化产品要求信息处理速度高，A/D和D/A转换及分时处理时的输入/输出可靠，系统的抗干扰能力强。
机电一体化产品的几个组成部分在工作时相互协调，共同完成所规定的目的功能。在结构上，各组成部分通过各种接口及其组成相应的软件有机的结合在一起，构成一个内部匹配合理，外部效能最佳的完整产品。
四、机电一体化设计的关键技术
机电一体化产品是由多种技术以及相关的组成部分构成的综合体，而机电一体化技术是由多种技术相互交叉、相互渗透形成的一门综合性边缘技术，它所涉及的技术领域非常广泛。概括起来，机电一体化设计的关键技术包括下述六个方面。
（1）精密机械技术
机械技术是机电一体化技术的基础，因为机电一体化产品的主功能和构造功能大都以机械技术为主来实现。在机械传动和控制与电子技术相互结合的过程中，对机械技术提出了更高的要求，如传动的精密性和精确度的要求与传统机械技术相比有了很大的提高。在机械系统技术中，新材料、新工艺、新原理以及新结构等方面在不断地发展和完善，以满足机电一体化产品对缩小体积、减轻重量、提高精度和刚度及改善工作性能等方面的要求。
（2）检测与传感器技术
在机电一体化产品中，工作过程的各种参数、工作状态以及工作过程有关的相应信息都要通过传感器进行接收，并通过相应的信号检测装置进行测量，然后送入信息处理装置以及反馈给控制装置，以实现产品工作过程的自动控制。机电一体化产品要求传感器能快速和准确
地获取信息并且不受外部工作条件和环境的影响，同时检测装置能不失真地对信息信号进行放大和输送以及转换。
（3）自动控制技术及信息处理技术
机电一体化产品中的自动控制技术包括高精度定位控制、速度控制、自适应控制、校正、补偿等。由于机电一体化产品中自动控制功能的不断扩大，使产品的精度和效率都在迅速提高。通过自动控制，使机电一体化产品在工作过程中能及时发现故障，并自动实施切换，减少了停机时间，使设备的有效利用率得以提高。由于计算机的广泛应用，自动控制技术越来越多地与计算机控制技术结合在一起，它已成为机电一体化技术中十分重要的关键技术。该技术的难点在于现代控制理论的工程化和实用化，控制过程中边界条件的确定，优化控制模型的建立以及抗干扰等。
机电一体化产品中的信息处理技术是指在机电一体化产品工作过程中，与工作过程各种参数和状态以及自动控制有关的信息的交换、存取、运算、判断和决策分析等。在机电一体化产品中，实现信息处理技术的主要工具是计算机。计算机技术包括硬件和软件技术、网络与通信技术、数据处理技术和数据库技术等。在机电一体化产品中，计算机信息处理装置是产品的核心，它控制和指挥整个机电一体化产品的运行。因此，计算机应用及其信息处理技术是机电一体化技术中最关键的技术，它包括目前广泛研究并得到实际应用的人工智能技术、专家系统技术以及神经网络技术等。
（4）伺服驱动技术
伺服驱动技术主要是指机电一体化产品中的执行元件和驱动装置设计中的技术问题，它涉及设备执行操作的技术，对所加工产品的质量具有直接的影响。机电一体化产品中的执行元件有电动、气动和液压等类型，其中多采用电动式执行元件，驱动装置主要是各种电动机的驱动电源电路，目前多采用电力电子器件及集成化的功能电路构成。执行元件一方面通过接口电路与计算机相联，接受控制系统的指令，另一方面通过机械接口与机械传动和执行机构相联，以实现规定的动作。因此，伺服驱动技术直接影响着机电一体化产品的功能执行和操作，对产品的动态性能、稳定性能、操作精度和控制质量等具有决定性的影响。
（5）系统总体技术
系统总体技术是从整体目标出发，用系统的观点和方法，将机电一体化产品的总体功能分解成若干功能单元，找出能够完成各个功能的可能技术方案，再把功能与技术方案组合成方案组进行分析、评价、综合优选出适宜的功能技术方案。系统总体技术的主要目的是在机电一体化产品各组成部分的技术成熟，组件的性能和可靠性良好的基础上，通过协调各组件的相互关系和所用技术的一致性来保证产品实现经济、可靠、高效率和操作方便等。系统总体技术是最能体现机电一体化设计特点的技术，也是保证其产品工作性能和技术指标得以实现的关键技术。
五、本门课程的主要内容
1概论
2机械系统
3检测系统
4伺服系统
5接口技术及元件
6控制系统
7机电一体化系统总体设计
8机电一体化典型实例
六、本门课程的性质及学时分配
机电一体化技术属于必修课，共50学时，其中理论教学44学时，实验6学时。
1概论
1.1 机电一体化的含义
Mechatronics是机械电子学或机械电子技术的意思，也称机电一体化，是Mechanics（机械学）和Electronics （电子学）两词的合成词，20世纪70年代由日本人首先开始使用。机电一体化的定义是：“机械工程和电子工程相结合的技术，以及应用这些技术的机械电子装置。”
机电一体化是在以机械、电子技术和计算机科学为主的多门学科相互渗透、相互结合的过程中逐渐形成和发展起来的一门新兴边缘技术学科。
“机电一体化”包含两个含义：“机电一体化技术”和“机电一体化产品”。机电一体化技术是以电子技术特别是微电子技术为主导的多种新兴技术与机械技术交叉、融合而成的综合性高技术，是工程领域不同种类技术的综合及集合，它是包括机械技术、微电子技术、计算机和信息处理技术、自动控制技术、电力电子技术、伺服驱动技术以及系统总体技术在内的一种高新技术。近年来，随着微电子技术和计算机应用技术的快速发展，机电一体化技术领域在不断地扩大和完善。
机电一体化产品是把机电一体化技术应用在机械产品的上，即在传统的机械产品中采用微电子技术和计算机技术生产出来的新一代产品。初级的机电一体化产品是指采用微电子技术代替和完善机械产品中的一部分，以提高产品的性能；而高级的机电一体化产品是利用机电一体化技术使机械产品实现自动化、数字化和智能化，使产品性能实现质的飞跃。
从现代机械产品和技术角度看，日本机械振兴协会经济研究所于1981年提出的定义体现了机电一体化产品及其技术的基本内容及特征，即“机电一体化这个词乃是在机械主功能、动力功能、信息与控制功能上引进了电子技术，并将机械装置与电子设备以及软件等有机结合而成系统的总和。”因此，机电一体化是在机械产品中的机构主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术和计算机技术，并将机械装置和电子设备以及计算机软件等有机结合起来构成的系统总称。90年代国际机器和机械理论研究会给它下了一个定义：机电一体化是精密机械工程、电子控制和系统思想在产品设计和制造过程中协同结合。”
目前机电一体化的研究和开发主要包括计算机数控系统、机器人、计算机辅助设计/辅助制造系统、柔性制造系统和计算机集成制造系统等。机电一体化产品和系统的特点是产品和系统功能的实现是机构中所有部分功能共同作用的结果，这与传统机电设备中机械与电子系统相对独立、可以分别工作具有本质的区别。
1.2 机电一体化产品的分类
机电一体化技术和产品的应用范围非常广泛，涉及到工业生产过程的所有领域，因此，机电一体化产品的种类很多，而且还在不断地增加。
（1）按照机电一体化产品的功能，可以将其分成下述几类。
①数控机械类。主要产品包括数控机床、机器人、发动机控制系统以及全自动洗衣机等。这类产品的特点是执行机构为机械装置。
②电子设备类。主要产品包括电火花加工机床、线切割机、超声波加工机以及激光测量仪等。这类产品的特点是执行机构为电子装置。
③机电结合类。主要产品包括自动探伤机、形状自动识别装置、CT扫描诊断机以及自动售货机等。这类产品的特点是执行机构为电子装置和机械装置的有机结合。
④电液伺服类。主要产品为机电液一体化的伺服装置，如电子伺服万能材料试验机。这类产品的特点是执行机构为液压驱动的机械装置，控制机构是接受电信号的液压伺服阀。 ⑤信息控制类。主要产品包括传真机、磁盘存储器、磁带录像机、录音机、复印机等。这类产品的主要特点是执行机构的动作由所接收的信息类信号来控制。
（2）按照机电一体化产品的机电结合程度，可将其分成下述三类。
①功能附加型：在原机械产品上、采用微电子技术、增加产品的功能、提高产品的性能。如：电子称、数显量具、全自动洗衣机、经济型数控机床等。
②功能替代型：采用微电子技术及装置取代原产品中的机械控制功能、信息处理功能或主功能、使产品结构简化、提高性能。如：自动照相机、电子缝韧机、电子石英钟等。
③机电融合型：根据产品的功能、性能要求及技术规范、专门设计的或具有特定用途的集成电路来实现产品中的控制和信息处理等功能使机与电在更深层次上有机结合的产品。如：传真机、复印机、摄像机、磁盘驱动器、数控机床等。
根据产品的服务领域和对象，可将机电一体化产品分成工业生产类、运输包装类、储存销售类、社会服务类、家庭日常类、科研仪器类、国防武器类以及其它用途类等不同的种类。
1.3 机电一体化产品设计的方法和步骤
与常规机械产品的设计方法相比较，机电一体化产品的设计有着本质上的区别。常规机械产品一般是先用单纯机械设计的方法构思和设计，再为这个纯粹的机械设计选配适宜的电气设备。这种方法实际上是面向设计者的传统设计方法。相比之下，机电一体化的设计要求设计者必须同时具备各门工程技术和电子技术以及自动控制等多种技术，必须综合运用这些技术来解决设计中的问题。机电一体化产品的设计是面向产品的设计，它要求设计者具有综合能力、视野开阔，具有综合利用机械设计和电气控制设计方面的知识和能力。机电一体化产品的设计通常由多个环节相互配合而构成。
机电一体化产品常用的设计方法有两种，一种方法为开发性设计即跟据功能和性能要求、在没有任何样板可供参照情况下、设计出创新产品。这种设计方法要求设计者有丰富想象力、扎实基础理论知识、敏锐市场洞察力。另一种方法为适应性设计即在原有产品总的方案原理不变情况下，对产品的某些局部加以变动或改进，以增加功能、提高性能和质量或降低成本。这种方法要求设计者对原有产品及相关的市场需求变化和技术进步有充分的了解和掌握。
机电一体化设计的步骤一般分为：
(1) 产品可行性研究
通过实际调查和研究，掌握对所设计产品的市场需求，进行可行性论证，确定产品设计的基本方案，其中包括预测投资总额、组成部件价格、产品的性能价格比以及经济评价等。
(2) 基本设计阶段
在基本设计阶段要提出必需的主要技术，其中包括硬件技术和软件技术两个方面。硬件包括产品的结构元件和控制元件，软件包括操作系统和控制系统。在进行整个系统设计时，必须提出几个方案进行比较，从中选出较优的方案。
(3) 详细设计阶段
详细设计包括业务分工、程序设计、操作系统设计、工艺设计、外围设备设计、总体设计、控制系统设计、安全保护设计等。在开发性产品设计时，要拟定产品的各项性能指标参数，通过计算选定所用的设备，从而进一步完成机构设计、运动和性能设计以及控制设计等。
(4) 实际运行试验
这一阶段的工作主要包括产品工作性能检验和改进以及产品性能评价。产品工作性能检验的目的是进行生产周期和生产率测定，进行故障分析的考察故障时间等。改进是指对产品存在的问题提出改进措施以提高产品的性能。产品的性能评价包括技术评价、经济评价两个方面。这一阶段是产品设计过程的总结阶段，目的是通过对已决定的操作系统的具体使用，检验其实际的使用价值。
在机电一体化产品设计过程中，要正确处理好质量与成本、市场需求与技术可能性、长期发展和短期利益之间的关系，在满足市场需要的前提下，使产品具有足够的竞争力，同时又要符合当前实际情况和技术可实现性，以保证产品获得最大的技术经济效益和社会效益。
