“機(jī)電一體化”在國外被稱為Mechatronics，是日本人在20世紀(jì)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(gòu)成的一個(gè)新詞，意思是機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。這一名稱已得到包括我國在內(nèi)的世界各國的承認(rèn)，我國的工程技術(shù)人員把它譯為機(jī)電一體化技術(shù)。使用機(jī)電技術(shù)應(yīng)用名稱時(shí)，注意不要與機(jī)電公司的機(jī)電相混，因?yàn)闄C(jī)電公司經(jīng)營的水泵、電機(jī)等不屬于機(jī)電一體化技術(shù)的范圍。由于科學(xué)技術(shù)在不斷發(fā)展，機(jī)電一體化產(chǎn)品或設(shè)備也在不斷更新，并不斷采用更先進(jìn)的技術(shù)。因此，在理解機(jī)電一體化的含義時(shí)，可以將“機(jī)電”一詞模糊為“先進(jìn)技術(shù)”。

一、機(jī)電一體化技術(shù)基本概要

機(jī)電一體化是指機(jī)、電融合為一體，但絕不是兩者的簡單相加。機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、柔性制造系統(tǒng)、自動(dòng)化測(cè)量工具、數(shù)控機(jī)床、數(shù)控設(shè)備、自動(dòng)扶梯、自動(dòng)電梯、智能大廈、自動(dòng)機(jī)以及自動(dòng)化工廠。在日常生活中，機(jī)電一體化的產(chǎn)品也無處不在：全自動(dòng)照相機(jī)、全自動(dòng)洗衣機(jī)、音響設(shè)備、電腦打印機(jī)等。這些產(chǎn)品或設(shè)備有不同的使用范圍、不同的結(jié)構(gòu)和不同的性能，但是它們都能自動(dòng)地完成一定的工作。它們?cè)诎匆?guī)定程序，有順序、有規(guī)律地完成整套動(dòng)作之后才能實(shí)現(xiàn)它們的價(jià)值。

機(jī)電一體化技術(shù)是同時(shí)運(yùn)用機(jī)械、電子、儀表、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制等多種技術(shù)的復(fù)合技術(shù)。這個(gè)由電腦控制的產(chǎn)品或設(shè)備要有被控制的機(jī)械和各種裝置，用來進(jìn)行控制的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(工控機(jī))、各種儀表(用于檢測(cè)、顯示、計(jì)數(shù)、報(bào)警等)、電器(為執(zhí)行某個(gè)動(dòng)作，作為行程開關(guān)等)。這些儀表可以是電動(dòng)的，也可以是氣動(dòng)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(xué)技術(shù)寶庫中的精華都融入到機(jī)電一體化的產(chǎn)品或設(shè)備之中，因此，機(jī)電一體化產(chǎn)品是集機(jī)、電、氣、液、光電等技術(shù)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(jī)電一體化產(chǎn)品或設(shè)備。因?yàn)椋煤唵蔚倪B接方法不可能使這些元器件組成一個(gè)有機(jī)整體，即組成一個(gè)既能動(dòng)作協(xié)調(diào)一致，又能適應(yīng)條件變化的統(tǒng)一體。

二、機(jī)電一體化技術(shù)的組成要素及遵循原則

1.組成要素

機(jī)電一體化的產(chǎn)品或設(shè)備，不論體積是大還是小，不論結(jié)構(gòu)是復(fù)雜還是簡單，也不論功能是多還是少，它們都是一個(gè)由機(jī)械零件和電子元件組成的有機(jī)整體，都是一個(gè)完整的系統(tǒng)。一個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)一般由結(jié)構(gòu)組成要素、動(dòng)力組成要素、運(yùn)動(dòng)組成要素、感知組成要素、智能組成要素有機(jī)結(jié)合而成。

機(jī)械本體（結(jié)構(gòu)組成要素），是系統(tǒng)的所有功能要素的機(jī)械支持結(jié)構(gòu)，一般包括有機(jī)身、框架、支撐、聯(lián)接等。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部分（動(dòng)力組成要素）：依據(jù)系統(tǒng)控制要求，提供能量和動(dòng)力以使系統(tǒng)正常運(yùn)行。測(cè)試傳感部分（感知組成要素）：對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行需要的內(nèi)部和外部環(huán)境的各種參數(shù)和狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，并變成可識(shí)別的信號(hào)，傳輸給信息處理單元，經(jīng)過分析、處理后產(chǎn)生相應(yīng)的控制信息?？刂萍靶畔⑻幚聿糠郑毮芙M成要素）：將測(cè)試傳感部分的信息及外部直接輸入的指令進(jìn)行集中存儲(chǔ)、分析、加工處理后，按照信息處理結(jié)果和規(guī)定程序與節(jié)奏發(fā)出相應(yīng)的指令，控制整個(gè)系統(tǒng)有目的地運(yùn)行。執(zhí)行機(jī)構(gòu)（運(yùn)動(dòng)組成要素）：根據(jù)控制及信息處理部分發(fā)出的指令，完成規(guī)定的動(dòng)作和功能。

2.遵循原則

構(gòu)成機(jī)電一體化系統(tǒng)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(zhuǎn)換、信息控制、運(yùn)動(dòng)傳遞四大原則。

（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(hào)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(hào)要在兩個(gè)環(huán)節(jié)之間可靠、快速、準(zhǔn)確地交換、傳遞，必須遵循一致的時(shí)序、信號(hào)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(dòng)器，以及不同類型能量的最優(yōu)轉(zhuǎn)換方法。

（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(chǔ)存、分析、運(yùn)算、判斷、決策，達(dá)到信息控制的目的。對(duì)于智能化程度高的信息控制系統(tǒng)還包含知識(shí)獲得、推理機(jī)制以及自學(xué)功能等知識(shí)驅(qū)動(dòng)功能。

（4）運(yùn)動(dòng)傳遞。運(yùn)動(dòng)傳遞是構(gòu)成機(jī)電一體化系統(tǒng)各組成要素之間的不同類型運(yùn)動(dòng)的變換與傳輸，以及以運(yùn)動(dòng)控制為目的的優(yōu)化。

三、機(jī)電一體化的基礎(chǔ)知識(shí)

1.知識(shí)結(jié)構(gòu)

了解、掌握由工控機(jī)控制的系統(tǒng)或設(shè)備(自動(dòng)機(jī)、自動(dòng)生產(chǎn)線)相關(guān)的技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)。

2.能力要求

操作、維護(hù)、安裝、調(diào)試或改進(jìn)機(jī)電一體化系統(tǒng)或設(shè)備(自動(dòng)機(jī)、自動(dòng)生產(chǎn)線或某個(gè)產(chǎn)品)的能力，還需有一定的管理能力。并明顯強(qiáng)調(diào)了動(dòng)手能力，即以先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用為主要目的。

3.有關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)

(1)電子技術(shù)基礎(chǔ)。電子技術(shù)基礎(chǔ)包括模擬電路和數(shù)字電路，是在電工技術(shù)的基礎(chǔ)之上，對(duì)晶體管構(gòu)成的電路進(jìn)行的系統(tǒng)、定性和定量的分析研究，是機(jī)電一體化技術(shù)中最基礎(chǔ)的部分。

(2)機(jī)械技術(shù)基礎(chǔ)。機(jī)械技術(shù)基礎(chǔ)包括制圖、力學(xué)、機(jī)械原理、機(jī)械零件、機(jī)械制造和維修等技術(shù)，是機(jī)械本體的知識(shí)基礎(chǔ)，是機(jī)電一體化技術(shù)中不可缺少的部分。

(3)檢測(cè)技術(shù)。掌握工業(yè)中常用的檢測(cè)元器件的選用、安裝、調(diào)試和使用。各種控制系統(tǒng)離不開檢測(cè)元器件，檢測(cè)元器件是機(jī)電一體化技術(shù)的主要內(nèi)容。

(4)執(zhí)行機(jī)構(gòu)技術(shù)。掌握各種機(jī)械、電器、氣動(dòng)、液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的原理和使用方法，各種機(jī)電一體化系統(tǒng)和設(shè)備都是為了達(dá)到某種目的而制造的，而功能的實(shí)現(xiàn)又離不開執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

(5)機(jī)械本體。機(jī)械本體的種類繁多，應(yīng)根據(jù)行業(yè)特點(diǎn)，掌握各行業(yè)機(jī)械本體的結(jié)構(gòu)原理、安裝、調(diào)試及維修方法，這是機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用目的，是機(jī)電一體化技術(shù)的載體。

(6)工控機(jī)技術(shù)。要求會(huì)使用工控機(jī)(工業(yè)控制計(jì)算機(jī))，能夠按自動(dòng)機(jī)的要求設(shè)計(jì)編制控制程序。在機(jī)電一體化控制系統(tǒng)和設(shè)備中，工控機(jī)作為控制的中心，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起著指揮和協(xié)調(diào)的作用。工控機(jī)性能的好壞以及技術(shù)人員使用的熟練程度，直接影響到機(jī)電一體化控制系統(tǒng)和設(shè)備性能的好壞。

(7)自動(dòng)控制技術(shù)。自動(dòng)控制技術(shù)指控制系統(tǒng)組成，PID參數(shù)的工業(yè)整定方法，處理控制系統(tǒng)中的干擾、接口等技術(shù)問題。機(jī)電一體化系統(tǒng)是一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，無論從系統(tǒng)的構(gòu)成、涉及技術(shù)以及系統(tǒng)的性能來看，這個(gè)系統(tǒng)都表現(xiàn)了極強(qiáng)的綜合性、復(fù)雜性和先進(jìn)性。

四、機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用——全自動(dòng)照相機(jī)

機(jī)電一體化技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用空間和發(fā)展前景，現(xiàn)以全自動(dòng)照相機(jī)來說明機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用。全自動(dòng)照相機(jī)又稱傻瓜照相機(jī)，顧名思義，是一臺(tái)不需要什么專業(yè)技術(shù)就可以使用的照相機(jī)。

一般來說，攝影技術(shù)是比較復(fù)雜的，完成一次拍攝需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)光線的強(qiáng)弱、季節(jié)、時(shí)間和地點(diǎn)等因素確定光圈的大小，再由目標(biāo)的遠(yuǎn)近確定距離等一系列操作。全自動(dòng)照相機(jī)問世以后，所有的復(fù)雜操作都被簡化了。人們只要對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，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(dòng)照相機(jī)問世后立刻受到人們的歡迎，并迅速地進(jìn)入人們的生活。

全自動(dòng)照相機(jī)是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，因?yàn)樗梢宰詣?dòng)地根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)光線的強(qiáng)弱、對(duì)象的遠(yuǎn)近選擇恰當(dāng)?shù)墓馊Α⒔咕嗪退俣冗M(jìn)行曝光。這些功能都是由其中的電腦進(jìn)行判斷，然后由自動(dòng)光圈調(diào)節(jié)器和自動(dòng)焦距調(diào)節(jié)器進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。在全自動(dòng)照相機(jī)上還有測(cè)光器、測(cè)距器等檢測(cè)部分。

全自動(dòng)照相機(jī)的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了老式照相機(jī)，結(jié)構(gòu)又遠(yuǎn)比老式照相機(jī)輕巧，這首先要?dú)w功于電腦的應(yīng)用。電腦使用了微電子技術(shù)，可以在一塊只有手指尖那么大的薄片上刻上復(fù)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(yùn)算，可以在極短的時(shí)間內(nèi)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的光線強(qiáng)弱、距離遠(yuǎn)近作出快速而又準(zhǔn)確的判斷，這個(gè)功能是傳統(tǒng)的照相機(jī)望塵莫及的。

老式照相機(jī)在測(cè)光線強(qiáng)弱時(shí)用的曝光表比懷表還要大，使用時(shí)要按嚴(yán)格的規(guī)定，在規(guī)定的位置和方向測(cè)量；然后攝影者根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)作判斷，再調(diào)整光圈，調(diào)整快門。而在全自動(dòng)照相機(jī)中，這一系列的操作都是相機(jī)自動(dòng)完成的。

如果沒有微電子技術(shù)，就很難設(shè)想用什么辦法可以把大曝光表塞到老式照相機(jī)的殼體中，而不增加照相機(jī)的體積。也很難設(shè)想，如果采用凸輪、繼電器等傳統(tǒng)的控制元器件實(shí)現(xiàn)照相機(jī)自動(dòng)化，照相機(jī)將會(huì)有多大，有多重。

全自動(dòng)照相機(jī)中的機(jī)械部分和電子部分已形成一個(gè)不可分割的整體，電子技術(shù)可以簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高機(jī)械性能。因此，可以說機(jī)械部分既是自動(dòng)照相機(jī)的主體，也是被控制的對(duì)象。可見，在機(jī)電一體化的產(chǎn)品或設(shè)備中，對(duì)其機(jī)械部分有一定的特殊要求。顯然，自動(dòng)照相機(jī)中的機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)該更合理、巧妙，其機(jī)械零件應(yīng)該有更高的加工精度。在全自動(dòng)照相機(jī)中不但有精密的機(jī)械和復(fù)雜的電子線路，而且還有光電檢測(cè)、液晶顯示等先進(jìn)技術(shù)。因此，它是一臺(tái)綜合先進(jìn)技術(shù)的產(chǎn)品。

綜上所述，機(jī)電一體化決不是機(jī)械與電子兩種技術(shù)的混合或簡單疊加，而是兩者的有機(jī)結(jié)合。機(jī)電一體化系統(tǒng)是先進(jìn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，可以處理更多被控參數(shù)的復(fù)雜情況，計(jì)算速度也更快、更準(zhǔn)確。機(jī)電一體化技術(shù)是新技術(shù)，是在傳統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，機(jī)電一體化技術(shù)具有明顯的綜合性和先進(jìn)性。機(jī)電一體化技術(shù)既不同于傳統(tǒng)的機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)和微電子技術(shù)，又不同于普通的計(jì)算機(jī)技術(shù)，而是將這些技術(shù)相互融合、相互滲透并產(chǎn)生飛躍而形成的新技術(shù)。

（作者單位：廣東省國防科技高級(jí)技工學(xué)校）