導論

一、機電一體化概論

一般認為，“機電一體化”一詞始于1971年日本的《機械設計》雜志副刊，它是由英文Mechanics（機械學）與Electronics（電子學）兩詞復合而成的新名詞“Mechatronics”。由此可見，“Mechatronics”的確切含義應是一個新興的學科名稱“機械電子學”，這一學科又被人們稱為機電一體化學科。

一門新學科的誕生意味著一種新技術的出現，而新技術的應用必然會形成新的產品。因而，人們平時所說的“機電一體化”一詞在不同場合使用時，便有了“機電一體化學科”“機電一體化技術”“機電一體化產品”及“機電一體化控制裝置”“機電一體化控制系統”等不同層次的含義，這些概念常容易混淆，一一說明如下。

（一）機電一體化的含義

1.機電一體化學科

學科是以知識體系劃分的科學門類。按照傳統的學科分類法，機電一體化技術隸屬于“電子、通信與自動化控制技術”之“自動控制技術”。但隨著科學技術的進步，高附加值、多功能、智能化已成為眾多產品的發展方向，技術的綜合與集成已成為必然，因此，人們已經意識到機電一體化需要有機融合“機械工程”“電子、通信與自動化控制技術”“計算機科學與技術”等多學科知識，它應是有自身技術基礎、設計理論和研究方法的綜合性交叉學科。

機電一體化是一門發展中的學科，現代的機電一體化產品不僅包括了機械、電子、信息技術，在很多場合往往還涉及光學、氣動、液壓等方面的內容，因此，便有了“光機電一體化”“機電液一體化”等多種提法。總而言之，機電一體化強調的是不同學科知識的相互融合與滲透。

2.機電一體化系統

從廣義上說，系統是與實現一定目的相關的要素組合。“系統”一詞幾乎可以用來描述任何可想象的情況，其組成要素不僅可以是物理實體，而且還可以是經濟學、生物學等抽象與動態的現象。

機電一體化系統是一種實現機械運動控制的工程系統，它由機電一體化控制系統（或控制裝置）與其控制對象所構成。機電一體化系統的控制系統應以微電子器件為主體，機電一體化系統的控制對象應是具有運動特性的機械裝置。像化工、冶金、紡織等行業常用的溫度、壓力、流量等控制系統，由于其控制對象不是具有運動特性的機械裝置，故稱為“過程控制系統”，總體而言，它們不屬于機電一體化系統的范疇；但由于“系統”所包括的范圍通常較大，過程控制系統中的某些部分完全可能是具有運動特性的機電一體化系統。

3.機電一體化技術

技術是為了實現特定目的所采用的方法與手段，是產品發展與進步的基礎。機電一體化技術是從系統工程的觀點出發，將機械、電子和信息有機地結合，以實現產品整體最優的綜合性技術。機電一體化技術是一個技術群的總稱，其涵蓋范圍非常廣。從廣義上說，機電一體化技術包括了機械技術、自動控制技術、信息處理技術、運動控制技術[1]、檢測技術、網絡技術等，但對于特定的機電一體化產品，則需要根據其功能與控制要求，或采用多種技術或只采用部分技術。

4.機電一體化產品

通常而言，“產品”應是具有一定功能與用途的實體，顧名思義，機電一體化產品應是“Mechanism”（機械裝置）與“Electronic Control”（電子控制）的結合物，它應是具有一定的機械結構、直接的功能與用途，并采用了電子控制的實體。當此類產品為了工業目的而成套使用時，則稱為機電一體化設備。

機電一體化產品在日常生活中隨處可見，如全自動洗衣機、數碼相機、打印機、汽車、自動售貨機等民用產品；數控機床、工業機器人、自動生產線等工業設備；列車、飛機、輪船、衛星、導彈等交通運輸、航空航天與國防用武器裝備等。

機電一體化產品的優點是將機械的強度高、載荷大、結構變化容易等優點與電子控制的方便靈活、精度高、運算處理容易等優點進行了有機結合，使產品的操作更方便、使用更靈活、運動更快捷、控制更準確。

機電一體化產品與機電產品是不同的概念，后者的范圍更廣。雖然，機電一體化產品有大有小、功能可多可少、電子控制器有簡單有復雜，但都應具有以下共同特征。

① 電子控制。機電一體化產品的控制器應以微電子器件為主體。電子控制器可以是由二極管、三極管、集成電路組成的簡單裝置，也可以是微處理器、微型計算機與大型計算機網絡所構成的復雜裝置。但是，普通的開關、按鈕、接觸器、繼電器等只是一些“控制電器”，它們不屬于電子控制器的范疇。因此，像電風扇、老式洗衣機、普通卷揚機、普通機床等沒有采用微電子控制的產品只是普通機電產品，而不能稱為機電一體化產品。

② 機械運動。機電一體化產品的機械裝置應具有運動特性。機械裝置的運動既可以是相機的鏡頭伸縮、洗衣機的缸體旋轉等簡單動作，也可以是飛機與衛星的飛行等復雜動作。而像手機、電話、電視機等只有機械外殼而無運動特性的產品則只是IT產品或電器（家用）產品，一般不宜稱為機電一體化產品。

（二）控制裝置與控制系統

1.機電一體化控制裝置

當機電一體化產品的電子控制器只具有單一功能時，這樣的控制器稱為機電一體化控制裝置，如機床控制中所使用的伺服驅動器、變頻器、PLC等都是典型的機電一體化控制裝置。機電一體化控制裝置既可在機電一體化產品中單獨使用，有的還能與其他控制裝置組合后構成機電一體化系統。

隨著社會化分工的日益細化，大多數機電一體化控制裝置都已由專業廠家批量生產，如全自動洗衣機的控制器、交流電機控制用的變頻器與伺服驅動器、自動控制用的PLC、數控機床用的CNC等。雖然，對這些廠家來說控制裝置就是其產品，但由于控制裝置實際使用時必須依附于特定的機械裝置才能實現其功能，從這一意義上說，它們就像軸承、電機、閥等部件一樣，只是組成機電一體化產品的“零部件”，而不是真正意義上具有運動特性及直接功能與用途的機電一體化最終產品。

2.機電一體化控制系統

復雜的機電一體化產品需要控制器具有多種功能，它往往需要多個控制裝置才能實現其控制要求，這些機電一體化控制裝置與相關部件所構成的整體稱為機電一體化控制系統。

工業上所使用的機電一體化控制系統一般由控制裝置、測量裝置、執行裝置、操作顯示裝置等部分組成，微電子控制裝置是機電一體化系統的核心。單片機、工業計算機、數控裝置、PLC等都是工業控制常用的微電子控制裝置，接近開關、編碼器、光柵等傳感器是工業控制常用的檢測裝置，而直流電機、感應電機、伺服電機、步進電機等則是機電一體化系統常用的執行裝置。

圖0-1.1所示為典型的機電一體化產品——數控機床的組成圖，其機械裝置是用來實現刀具運動控制的機床主機及防護罩等產品附屬裝置；微電子控制部分采用的是計算機數控系統（簡稱CNC 系統）。數控機床的 CNC 系統是一種典型的機電一體化控制系統，它又包括了操作/顯示裝置（稱 MDI/LCD 面板）、控制裝置（CNC、PLC、伺服驅動器）、執行裝置（伺服電機、主軸電機）與測量裝置（光柵與編碼器）等組成部件。

機電一體化控制系統的組成可能相當復雜與龐大，但它們同樣需要依附于“主機”才能實現其功能，如上述的 CNC 系統必須與機床主機結合后才能使用等，因此，機電一體化控制系統本質上仍是以實現“控制”為目的的大型、復雜、多功能“控制器”。機電一體化控制系統（或控制裝置）與其控制對象共同構成了機電一體化系統，而機電一體化產品則需要在機電一體化系統的基礎上增加用于安裝運輸、安全防護、外觀裝飾的產品附屬裝置。