機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 1 第一章 機(jī)電一體化技術(shù)導(dǎo)論 本章導(dǎo)讀： 機(jī)電一體化作為一門(mén)新型的綜合性學(xué)科，涉及的知識(shí)領(lǐng)域非常廣泛。本章首先介紹機(jī)電一體化的概念、發(fā)展過(guò)程及其與機(jī)械電氣化的根本區(qū)別，進(jìn)而闡釋其內(nèi)涵和本質(zhì)，并通過(guò)典型實(shí)例歸納出其優(yōu)越性。其次通過(guò)機(jī)電一體化 系統(tǒng) 與人體各部位相對(duì)比，剖析 系統(tǒng)的構(gòu)成，從而指出分析機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本途徑；第三，重點(diǎn)介紹機(jī)電一體化的理論基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù)，明確 系統(tǒng)論、信息論、控制論是機(jī)電一體化技術(shù)的理論基礎(chǔ)和方法論。提出發(fā)展機(jī)電一體化技術(shù)所面臨的共性關(guān)鍵技術(shù)，并分析它們?cè)谙到y(tǒng)中所起的作用及其發(fā)展對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)的 影響等。最后，通過(guò)回顧機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展歷程，展望機(jī)電一體化的主要發(fā)展方向和趨勢(shì)。 學(xué)習(xí)內(nèi)容與要求： 1. 學(xué)習(xí)并掌握機(jī)電一體化的基本概念內(nèi)涵和本質(zhì)； 2. 了解機(jī)電一體化產(chǎn)品的分類； 3. 學(xué)習(xí)并理解機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成； 4. 學(xué)習(xí)并熟練掌握機(jī)電一體化的理論基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù)； 5. 了解機(jī)電一體化的發(fā)展?fàn)顩r 和發(fā)展趨勢(shì)。 本章重點(diǎn)： 1. 機(jī)電一體化的基本概念內(nèi)涵和本質(zhì)； 2. 機(jī)電一體化的理論基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù)。 本章難點(diǎn)： 機(jī)電一體化的理論基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù) 媒體使用說(shuō)明 ： 學(xué)生可通過(guò)文字教材理解機(jī)電一體化 學(xué) 科的基本概念、基本理論與關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展概況等知識(shí)。文字 教材中的重點(diǎn)、難點(diǎn)在 錄像教材和流媒體 IP 課件 有較詳盡的講解；諸如機(jī)電一體化的系統(tǒng)構(gòu)成及典型產(chǎn)品的工作過(guò)程等用文字不易表達(dá)清楚的教學(xué)內(nèi)容以實(shí)物、照片、場(chǎng)景等視頻方式作為輔助教學(xué)手段；另外在 流媒體 IP 課件中 著重講解 本章知識(shí)重、難點(diǎn)的 典型實(shí)例以及 本章的學(xué)習(xí)思路方法等內(nèi)容。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 2 1.1 概述 機(jī)電一體化又稱機(jī)械電子學(xué)，英文稱為 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 年日本機(jī)械設(shè)計(jì)雜志的副刊上，隨著機(jī)電一體化技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)電一體化的概念被人們廣泛接受和普遍使用。1996 年出版的 WEBSTER 大詞典收錄了這個(gè)日本造的英文單詞，這不僅意味著 “ Mechatronics”這個(gè)單詞得到了世界各國(guó)學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的認(rèn)可，而且還意味著“機(jī)電一體化”的哲理和思想為世人所接受。 那么，什么是機(jī)電一體化呢？ 到目前為止，就機(jī)電一體化這一概念的內(nèi)涵國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界還沒(méi)有一個(gè)完全統(tǒng)一的表述。目前，較普遍的提法是“日本機(jī)械振興協(xié)會(huì)經(jīng)濟(jì)研究所” 于 1981 年的解釋：“機(jī)電一體化是在機(jī)械主功能、動(dòng)力功能、信息功能和控制功能上引進(jìn)微電子技術(shù)，并將機(jī)械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱”。機(jī)電一體化是以機(jī)械學(xué)、電子學(xué)和信息科學(xué)為主的多門(mén)技術(shù)學(xué)科在機(jī)電產(chǎn)品發(fā)展過(guò)程中相互交叉、相互滲透而形成的一門(mén)新興邊緣性技術(shù)學(xué)科。這里面包含了三重含義：首先，機(jī)電一體化是機(jī)械學(xué)、電子學(xué)與信息科學(xué)等學(xué)科相互融合而形成的學(xué)科。圖 1-1 形象地表達(dá)了機(jī)電一體化與機(jī)械學(xué)、電子學(xué)和信息科學(xué)之間的相互關(guān)系；其次，機(jī)電一體化是一個(gè)發(fā)展中的概念，早期的機(jī)電一體化就像其字面所表 述的那樣，主要強(qiáng)調(diào)機(jī)械與電子的結(jié)合，即將電子技術(shù)“溶入”到機(jī)械技術(shù)中而形成新的技術(shù)與產(chǎn)品。隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，以計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)為特征的信息技術(shù)（即所謂的“ 3C”技術(shù)： Computer、 Communication和 Control Technology） “滲透”到機(jī)械技術(shù)中，豐富了機(jī)電一體化的含義，現(xiàn)代的機(jī)電一體化不僅僅指機(jī)械、電子與信息技術(shù)的結(jié)合，還包括光（光學(xué)）機(jī)電一體化、機(jī)電氣（氣壓）一體化、機(jī)電液（液壓）一體化、機(jī)電儀（儀器儀表）一體化等；最后，機(jī)電一體化表達(dá)了技術(shù)之間相互結(jié)合的 學(xué)術(shù)思想，強(qiáng)調(diào)各種技術(shù)在機(jī)電產(chǎn)品中的相互協(xié)調(diào)，以達(dá)到系統(tǒng)總體最優(yōu)。 因此，機(jī)電一體化是多種技術(shù)學(xué)科有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物，而不是它們的簡(jiǎn)單疊加。機(jī)電一體化與機(jī)械電氣化的主要區(qū)別有：電氣機(jī)械在設(shè)計(jì)過(guò)程中不考慮或少考慮電器與機(jī)械的內(nèi)在聯(lián)系，基本上是根據(jù)機(jī)械的要求，選用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)或電氣傳動(dòng)裝置；機(jī)械和電氣裝置之間界限分明，它們之間的聯(lián)結(jié)以機(jī)械聯(lián)結(jié)為主，整個(gè)裝置是剛性的；裝置所需的控制是基于電磁學(xué)原理的各機(jī)電一體化 信息科學(xué) 機(jī)械學(xué) 電子學(xué) 圖 1- 1機(jī)電一體化與其它學(xué)科的關(guān)系 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 3 種電器來(lái)實(shí)現(xiàn)，屬?gòu)?qiáng)電范疇，其主要支撐技術(shù)是電工技術(shù)。機(jī)械工程技術(shù)由純機(jī)械發(fā)展到機(jī)械電氣化，仍屬傳統(tǒng)機(jī)械，主要功 能依然是代替和放大人的體力。但機(jī)電一體化產(chǎn)品不僅是人的手與肢體的延伸，還是人的感官與頭腦的延伸，具有“智能化”的特征是機(jī)電一體化與機(jī)械電氣化在功能上的本質(zhì)差別。 從概念的外延來(lái)看，機(jī)電一體化包括機(jī)電一體化技術(shù)和機(jī)電一體化產(chǎn)品兩個(gè)方面。機(jī)電一體化技術(shù)是從系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)出發(fā)，將機(jī)械、電子和信息等有關(guān)技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)或產(chǎn)品整體最優(yōu)的綜合性技術(shù)。機(jī)電一體化技術(shù)主要包括技術(shù)原理和使機(jī)電一體化產(chǎn)品（或系統(tǒng)）得以實(shí)現(xiàn)、使用和發(fā)展的技術(shù)。機(jī)電一體化技術(shù)是一個(gè)技術(shù)群（族）的總稱，包括檢測(cè)傳感技術(shù)、信息處理技術(shù)、伺 服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、機(jī)械技術(shù)及系統(tǒng)總體技術(shù)等。機(jī)電一體化產(chǎn)品有時(shí)也稱為機(jī)電一體化系統(tǒng)，它們是兩個(gè)相近的概念，通常機(jī)電一體化產(chǎn)品指獨(dú)立存在的機(jī)電結(jié)合產(chǎn)品，而機(jī)電一體化系統(tǒng)主要指依附于主產(chǎn)品的部件系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)實(shí)際上也是機(jī)電一體化產(chǎn)品。機(jī)電一體化產(chǎn)品是由機(jī)械系統(tǒng)（或部件）與電子系統(tǒng)（或部件）及信息處理單元（硬件和軟件）有機(jī)結(jié)合、而賦予了新功能和新性能的高科技產(chǎn)品。由于在機(jī)械本體中“溶入”了電子技術(shù)和信息技術(shù)，與純粹的機(jī)械產(chǎn)品相比，機(jī)電一體化產(chǎn)品的性能得到了根本的提高，具有滿足人們使用要求的最佳功能。 現(xiàn) 實(shí)生活中的機(jī)電一體化產(chǎn)品比比皆是。我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫娜詣?dòng)洗衣機(jī)、空調(diào)及全自動(dòng)照相機(jī)，都是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品；在機(jī)械制造領(lǐng)域中廣泛使用的各種數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x及全自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)，也是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品；而汽車更是機(jī)電一體化技術(shù)成功應(yīng)用的典范，目前汽車上成功應(yīng)用和正在開(kāi)發(fā)的機(jī)電一體化系統(tǒng)達(dá)數(shù)十種之多，特別是發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)、汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)、全主動(dòng)和半主動(dòng)懸架等機(jī)電一體化系統(tǒng)在汽車上的應(yīng)用，使得現(xiàn)代汽車的乘坐舒適性、行駛安全性及環(huán)保性能都得到了很大的改善；在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域，機(jī)電一體化技術(shù)也在 一定范圍內(nèi)得到了應(yīng)用，如拖拉機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、懸掛式農(nóng)具的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、聯(lián)合收獲機(jī)工作部件（如脫粒清選裝置）的監(jiān)控系統(tǒng)、溫室環(huán)境自動(dòng)控制系統(tǒng)等。如今，機(jī)電一體化已從原來(lái)以機(jī)械為主的領(lǐng)域拓展到目前的汽車、電站、儀表、化工、通信、冶金等領(lǐng)域。而且機(jī)電一體化產(chǎn)品的概念不再局限在某一具體產(chǎn)品的范圍，如數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等，現(xiàn)在已擴(kuò)大到控制系統(tǒng)和被控制系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)品制造和過(guò)程控制的大系統(tǒng)，例如柔性制造系統(tǒng)（ FMS）、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（ CIMS）以及各種工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)。 1.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成 1.2.1 機(jī)電一體化系統(tǒng)的功能組成 傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品主要是解決物質(zhì)流和能量流的問(wèn)題，而機(jī)電一體化產(chǎn)品除了解決物質(zhì)流和能量流外，還要解決信息流的問(wèn)題。如圖 1-1 所示，機(jī)電一體化系統(tǒng)的主要功能就是對(duì)輸入的物質(zhì)、能量與信息（即所謂工業(yè)三大要素）按照要求進(jìn)行處理，輸出具有所需特性的物質(zhì)、能量與信息。 系統(tǒng)的主功能包括三個(gè)目的功能：變換（加工、處理）功能；傳遞（移動(dòng)、輸送）功能；儲(chǔ)存（保持、積蓄、記錄）功能。主功能是系統(tǒng)的主要特征部分，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)目的功能直接必需的功能，主要是對(duì)物質(zhì)、能量、信息或其相互結(jié)合進(jìn)行變換、傳遞和存 儲(chǔ)。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 4 以物料搬運(yùn)、加工為主，輸入物質(zhì)（原料、毛坯等）、能量（電能、液能、氣能等）和信息（操作及控制指令等），經(jīng)過(guò)加工處理，主要輸出改變了位置和形態(tài)的物質(zhì)的系統(tǒng)（或產(chǎn)品），稱為加工機(jī)，如各種機(jī)床、交通運(yùn)輸機(jī)械、食品加工機(jī)械、起重機(jī)械、紡織機(jī)械、印刷機(jī)械、輕工機(jī)械等。 以能量轉(zhuǎn)換為主，輸入能量（或物質(zhì)）和信息，輸出不同能量（或物質(zhì)）的系統(tǒng)（或產(chǎn)品），稱為動(dòng)力機(jī)，其中輸出機(jī)械能的為原動(dòng)機(jī)，如電動(dòng)機(jī)、水輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等。 以信息處理為主，輸入信息和能量，主要輸出某種信息（如數(shù)據(jù)、圖像、文字、聲音等）的系統(tǒng)（或產(chǎn)品） ，稱為信息機(jī)，如各種儀器、儀表、傳真機(jī)以及各種辦公機(jī)械等。 機(jī)電一體化系統(tǒng)除了具備上述必需的主功能外，還應(yīng)具備圖 1-2 所示的其它內(nèi)部功能。即動(dòng)力功能、檢測(cè)功能、控制功能、構(gòu)造功能。動(dòng)力功能是向系統(tǒng)提供動(dòng)力、讓系統(tǒng)得以運(yùn)轉(zhuǎn)的功能；檢測(cè)功能和控制功能的作用是解決各種信息的獲取、傳輸、處理和利用，從而能夠根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部信息和外部信息對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，使系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)施目的功能。而構(gòu)造功能則是使構(gòu)成系統(tǒng)的子系統(tǒng)及元、部件維持所定的時(shí)間和空間上的相互關(guān)系所必需的功能。從系統(tǒng)的輸入 /輸出來(lái)看，除有主功能的輸入 /輸出 之外，還需要有動(dòng)力輸入和控制信息的輸人 /輸出。此外，還有因外部環(huán)境引起的干擾輸入以及非目的性輸出（如廢棄物等）。例如汽車的廢氣和噪音對(duì)外部環(huán)境影響，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)始就應(yīng)予以考慮。 圖 1-3 是 CNC 機(jī)床的功能原理構(gòu)成的實(shí)例。由于未指明主功能的加工機(jī)構(gòu)，它代表了具有相物質(zhì)能量信息 系統(tǒng) （變換、傳遞、儲(chǔ)存） 工業(yè)三大要素 物質(zhì)能量信息 具有所需特性 控制 （人） 圖 1-1 機(jī)電一體化系統(tǒng)的主功能 主功能 （變換、傳遞、儲(chǔ)存） 計(jì)測(cè)功能 動(dòng)力功能 控制功能 構(gòu)造功能 輸入 輸出 （新） 物質(zhì) 能量 信息 輸入 輸出 動(dòng)力輸入 控制 （信息） 控制 （能量） （原） 物質(zhì) 能量 信息 干擾 廢棄物輸出 人或其它系統(tǒng) 圖 1-2 系統(tǒng)的五種內(nèi)部功能 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 5 同主功能及控制功能的一大類型的機(jī)電一體化系統(tǒng)，如金屬切削數(shù)控機(jī)床、電加工數(shù)控機(jī)床、激光加工數(shù)控機(jī)床以及沖壓加工數(shù)控機(jī)床等。顯然，由于主功能的具體加工機(jī)構(gòu)不同，其它功能的具體裝置也會(huì)有差別，但其本質(zhì)是數(shù)控加工機(jī)床。 1.2.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成要 素 從機(jī)電一體化系統(tǒng)的功能看，人體是機(jī)電一體化系統(tǒng)理想的參照物。 如圖 1-4（ a）所示，構(gòu)成人體的五大要素分別是頭腦、感官（眼、耳、鼻、舌、皮膚）、四肢、內(nèi)臟及軀干。相應(yīng)的功能如圖 1-4（ b）所示，內(nèi)臟提供人體所需要的能量（動(dòng)力）及各種激素，維持人體活動(dòng)；頭腦處理各種信息并對(duì)其它要素實(shí)施控制；感官獲取外界信息；四肢執(zhí)行動(dòng)作；軀干的功能是把人體各要素有機(jī)地聯(lián)系為一體。通過(guò)類比就可發(fā)現(xiàn)，機(jī)電一體化系統(tǒng)內(nèi)部的五大功能與人體的上述功能幾乎是一樣的，而實(shí)現(xiàn)各功能的相應(yīng)構(gòu)成要素如圖 1-4（ c）所示。機(jī)電一體化系統(tǒng)五大 要素實(shí)例如圖 1-5 所示。 切削加工 （加工機(jī)構(gòu)） 位置檢測(cè) 電源 控制器 CNC 裝置 機(jī)械結(jié)構(gòu) 圖紙 信息 熱 振動(dòng) 熱 振動(dòng) 切屑 操作 人 CNC 程序 外部電源 （信息） 毛坯（物質(zhì)） 工件（物質(zhì)） 圖 1-3 CNC 機(jī)床的內(nèi)部功能構(gòu)成 內(nèi)臟 感官 軀干 四肢 頭腦 行動(dòng) 排泄 外界信息 食物 動(dòng)力 檢測(cè) 支撐 操作 控制 動(dòng)力源 傳感器 執(zhí)行 部件 控制器 圖 1-4 組成人體與機(jī)電一體化系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)要素及相應(yīng)功能關(guān)系 （ a） （ b） （ c） 機(jī)械 本體 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 6 表 1-1 列出了機(jī)電一體化系統(tǒng)構(gòu)成要素與人體構(gòu)成要素的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 因此，一個(gè)較完善的機(jī)電一體化系統(tǒng)，應(yīng)包括以下幾個(gè)基本要素：機(jī)械本體、動(dòng)力系統(tǒng)、檢測(cè)傳感系統(tǒng)、執(zhí)行部件、信息處理及控制系統(tǒng)，各要素和環(huán)節(jié)之間通過(guò)接口相聯(lián)系。 表 1-1 機(jī)電一體化系統(tǒng)構(gòu)成要素與人體構(gòu)成要素的對(duì)應(yīng)關(guān)系 機(jī)電一體化系統(tǒng)要素 功能 人體要素 控制器（計(jì)算機(jī)等） 控制（信息存儲(chǔ)、處理、傳送） 頭腦 傳感器 檢測(cè)（信息收集與變換） 感官 執(zhí)行部件 驅(qū)動(dòng)（操作） 四肢 動(dòng)力 源 提供動(dòng)力（能量） 內(nèi)臟 機(jī)械本體 支撐與聯(lián)接 軀干 機(jī)電一體化系統(tǒng)中機(jī)械部分是主體，這不僅是由于機(jī)械本體是系統(tǒng)重要的組成部分，而且系統(tǒng)的主要功能必須由機(jī)械裝置來(lái)完成，否則就不能稱其為機(jī)電一體化產(chǎn)品。如電子計(jì)算機(jī)、非指針式電子表等，其主要功能已由電子器件和電路等完成，機(jī)械已退居次要地位，這類產(chǎn)品應(yīng)歸屬于電子產(chǎn)品，而不是機(jī)電一體化產(chǎn)品。因此，機(jī)械系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化產(chǎn)品功能的基礎(chǔ)，從而對(duì)其提出了更高的要求，需在結(jié)構(gòu)、材料、工藝加工及幾何尺寸等方面滿足機(jī)電一體化產(chǎn)品高效、可靠、節(jié)能、多功能、小型輕量和美觀 等要求。除一般性的機(jī)械強(qiáng)度、剛度、精度、體積和重量等指標(biāo)外，機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)是模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，以便于機(jī)械系統(tǒng)的快速組合和更換。 其次，機(jī)電一體化的核心是電子技術(shù)，電子技術(shù)包括微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)，但重點(diǎn)是微電子技術(shù)，特別是微型計(jì)算機(jī)或微處理器。機(jī)電一體化需要多種新技術(shù)的結(jié)合，但首要的是微電子技術(shù)，不和微電子結(jié)合的機(jī)電產(chǎn)品不能稱為機(jī)電一體化產(chǎn)品。如非數(shù)控機(jī)床，一般均有電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，但它不是機(jī)電一體化產(chǎn)品。除了微電子技術(shù)以外，在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，可根據(jù)需要進(jìn)行一種或多種技術(shù)相結(jié)合。 因此，機(jī)電一 體化是以機(jī)械為主體、以微電子技術(shù)為核心，強(qiáng)調(diào)各種技術(shù)的協(xié)同和集成的綜CNC 裝置 接口 位置檢測(cè) 控制器 動(dòng)力源 （油缸） （油缸） 執(zhí)行 元件 傳感器 （電動(dòng)機(jī)） 機(jī)械本體 接口 驅(qū)動(dòng)源 圖 1-5 機(jī)電一體化系統(tǒng)五大要素實(shí)例 機(jī)械學(xué) 數(shù)控機(jī)床 轉(zhuǎn)塔刀架 CNC 裝置 電子學(xué) 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 7 合性技術(shù)。 1.3 機(jī)電一體化系統(tǒng)的分類 機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品的應(yīng)用范圍非常廣泛，涉及到工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的所有領(lǐng)域，因此，機(jī)電一體化產(chǎn)品的種類很多，而且還在不斷地增加。按照機(jī)電一體化產(chǎn)品的功能，可以將其分成下述幾類。 1數(shù)控機(jī)械類 數(shù)控機(jī)械類主要產(chǎn)品為數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)和自動(dòng)洗衣機(jī)等。其特點(diǎn)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)械裝置。 2電子設(shè)備類 電子設(shè)備類主要產(chǎn)品為電火花加工機(jī)床、線切割加工機(jī)床、超聲波縫紉機(jī)和激光測(cè)量?jī)x等。其特點(diǎn)為執(zhí)行機(jī)構(gòu) 是電子裝置。 3機(jī)電結(jié)合類 機(jī)電結(jié)合類主要產(chǎn)品為自動(dòng)探傷機(jī)、形狀識(shí)別裝置和 CT 掃描儀、自動(dòng)售貨機(jī)等。其特點(diǎn)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)械和電子裝置的有機(jī)結(jié)合。 4電液伺服類 電液伺服類主要產(chǎn)品為機(jī)電一體化的伺服裝置。其特點(diǎn)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)是液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械裝置，控制機(jī)構(gòu)是接受電信號(hào)的液壓伺服閥。 5信息控制類 信息控制類主要產(chǎn)品為電報(bào)機(jī)、磁盤(pán)存儲(chǔ)器、磁帶錄像機(jī)、錄音機(jī)以及復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)等辦公自動(dòng)化設(shè)備。其主要特點(diǎn)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作完全由所接收的信息類控制。 此外，機(jī)電一體化產(chǎn)品還可根據(jù)機(jī)電技術(shù)的結(jié)合程度分為功能附加型、功能替 代型和機(jī)電融合型三類。按產(chǎn)品的服務(wù)對(duì)象領(lǐng)域和對(duì)象，可將機(jī)電一體化產(chǎn)品分成工業(yè)生產(chǎn)類、運(yùn)輸包裝類、儲(chǔ)存銷售類、社會(huì)服務(wù)類、家庭日常類、科研儀器類、國(guó)防武器類以及其它用途類等不同的種類。 1.4 機(jī)電一體化的優(yōu)點(diǎn)和效益 隨著機(jī)電一體化技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)電一體化產(chǎn)品有逐步取代傳統(tǒng)機(jī)電產(chǎn)品的趨勢(shì)，這完全取決于機(jī)電一體化技術(shù)所存在的優(yōu)越性和潛在的應(yīng)用性能。與傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品相比，機(jī)電一體化產(chǎn)品具有高的功能水平和附加價(jià)值，它將給開(kāi)發(fā)生產(chǎn)者和用戶帶來(lái)社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。 1生產(chǎn)能力和工作質(zhì)量提高 機(jī)電一體化產(chǎn)品大都具有信息自動(dòng) 處理和自動(dòng)控制功能，其控制和檢測(cè)的靈敏度、精度以及范圍都有很大程度的提高，通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)可精確地保證機(jī)械的執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照設(shè)計(jì)的要求完成預(yù)定的動(dòng)作，使之不受機(jī)械操作者主觀因素的影響，從而實(shí)現(xiàn)最佳操作，保證最佳的工作質(zhì)量和較高的產(chǎn)品合格率。同時(shí)，由于機(jī)電一體化產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了工作的自動(dòng)化，使得生產(chǎn)能力大大提高。例如，數(shù)控機(jī)床對(duì)工件的加工穩(wěn)定性大大提高，生產(chǎn)效率比普通機(jī)床提高 5 6 倍，柔性制造系統(tǒng)的生產(chǎn)設(shè)備利用率可提高 1.5 3.5 倍，機(jī)床數(shù)量可減少約 50，節(jié)省操作人員數(shù)量約 50，縮短生產(chǎn)周期 40，使加工成本降低 50左右。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 8 2使用安全性和可靠性提高 機(jī)電一體化產(chǎn)品一般都具有自動(dòng)監(jiān)視、報(bào)警、自動(dòng)診斷、自動(dòng)保護(hù)等功能。在工作過(guò)程中，遇到過(guò)載、過(guò)壓、過(guò)流、短路等電力故障時(shí)，能自動(dòng)采取保護(hù)措施，避免和減少人身與設(shè)備事故，顯著提高設(shè)備的使用安全性。機(jī)電一體化產(chǎn)品由于采用電子元器件，減少了機(jī)械產(chǎn)品中的可動(dòng)構(gòu)件和磨損部件，從而使其具有較高的靈敏度和可靠性，產(chǎn)品的故障率低，壽命得到了延長(zhǎng)。 3調(diào)整和維護(hù)方便，使用性能改善 機(jī)電一體化產(chǎn)品在安裝調(diào)試時(shí)，可通過(guò)改變控制程序來(lái)實(shí)現(xiàn)工作方式的改變，以適應(yīng)不同用戶對(duì)象的需要以及現(xiàn)場(chǎng)參數(shù) 變化的需要。這些控制程序可通過(guò)多種手段輸入到機(jī)電一體化產(chǎn)品的控制系統(tǒng)中，而不需要改變產(chǎn)品中的任何部件或零件。 4具有復(fù)合功能，適用面廣 機(jī)電一體化產(chǎn)品跳出了機(jī)電產(chǎn)品的單技術(shù)和單功能限制，具有復(fù)合技術(shù)和復(fù)合功能，使產(chǎn)品的功能水平和自動(dòng)化程度大大提高。機(jī)電一體化產(chǎn)品一般具有自動(dòng)化控制、自動(dòng)補(bǔ)償、自動(dòng)校驗(yàn)、自動(dòng)調(diào)節(jié)、自動(dòng)保護(hù)和智能化等多種功能，能應(yīng)用于不同的場(chǎng)合和不同領(lǐng)域，滿足用戶需求的應(yīng)變能力較強(qiáng)。例如，電子式空氣斷路器具有保護(hù)特性可調(diào)、選擇性脫扣、正常通過(guò)電流與脫扣時(shí)電流的測(cè)量、顯示和故障自動(dòng)診斷等功能，使 其應(yīng)用范圍顯著擴(kuò)大。 5改善勞動(dòng)條件，有利于自動(dòng)化生產(chǎn) 機(jī)電一體化產(chǎn)品自動(dòng)化程度高，是知識(shí)密集型和技術(shù)密集型產(chǎn)品，是將人們從繁重體力勞動(dòng)中解放出來(lái)的重要途徑，可以加速工廠自動(dòng)化、辦公自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、交通自動(dòng)化甚至是家庭自動(dòng)化，從而可促進(jìn)我國(guó)四個(gè)現(xiàn)代化的實(shí)現(xiàn)。 6節(jié)約能源，減少耗材 節(jié)約一次和二次能源是國(guó)家的戰(zhàn)略目標(biāo)，也是用戶十分關(guān)心的問(wèn)題。機(jī)電一體化產(chǎn)品，通過(guò)采用低能耗驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，最佳的調(diào)節(jié)控制，以提高設(shè)備的能源利用率，可達(dá)到明顯的節(jié)能效果。同時(shí)，由于多種學(xué)科的交叉融合，機(jī)電一體化系統(tǒng)的許多功能一方面 從機(jī)械系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到了微電子、計(jì)算機(jī)等系統(tǒng)，另一方面從硬件系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到了軟件系統(tǒng)，從而使得機(jī)電一體化系統(tǒng)朝著輕小型方向發(fā)展，減少了材料消耗。 因此，無(wú)論是生產(chǎn)部門(mén)還是使用單位，機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品，都會(huì)帶來(lái)顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。正因?yàn)槿绱?，世界各?guó)，首先是日本、美國(guó)、歐洲各國(guó)都在大力發(fā)展和推廣機(jī)電一體化技術(shù)。 下面以汽車工業(yè)為例，來(lái)分析微電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)汽車及汽車生產(chǎn)系統(tǒng)帶來(lái)的巨大影響。一方面是汽車產(chǎn)品的機(jī)電一體化革命，另一方面，汽車的生產(chǎn)制造系統(tǒng)也發(fā)生了巨大的變化。 微電子技術(shù)和微處理機(jī)技術(shù)徹底改變了 汽車產(chǎn)品的面貌，“汽車電子化”被稱為汽車技術(shù)的又一次革命性飛躍。機(jī)電一體化的現(xiàn)代新型汽車在操作性、可靠性、高速度、安全性、低油耗、減少排氣污染和維修性、舒適性等各方面性能大幅度提高，汽車電子化程度成為汽車產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)性的極重要因素，汽車電子也逐漸發(fā)展成為一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)。 在現(xiàn)代汽車生產(chǎn)中，多數(shù)應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行經(jīng)營(yíng)和生產(chǎn)管理，利用 CAD 進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，使用數(shù)控機(jī)床和柔性生產(chǎn)線進(jìn)行零部件加工，使用機(jī)器人從事噴漆、焊接、組裝、搬運(yùn)等工作。汽車車身通常需要進(jìn)行 3 000 4 000 次點(diǎn)焊，其中 90以上的焊點(diǎn)可由工業(yè)機(jī)器 人完成。意大利菲亞特汽車公司的兩條汽車裝配線，每條線上都分布有 50 多個(gè)機(jī)器人，可在平均 l min 內(nèi)完成一部汽車的焊接工作。數(shù)控自動(dòng)化生產(chǎn)能夠節(jié)約原材料、動(dòng)力及其他工廠輔助設(shè)備，降低廢品率，減輕工機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 9 人的勞動(dòng)強(qiáng)度，并使勞動(dòng)生產(chǎn)率提高 300 倍?，F(xiàn)代機(jī)電一體化生產(chǎn)系統(tǒng)使得汽車生產(chǎn)的質(zhì)量和產(chǎn)量迅速大幅度提高，同時(shí)整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)可以通過(guò)改變程序適應(yīng)不同型號(hào)汽車的制造，縮短新產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期，盡快適應(yīng)市場(chǎng)需求的變化。 傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)機(jī)電一體化革命所帶來(lái)的優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、柔性增強(qiáng)了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)能力，引起各個(gè)國(guó)家和企業(yè)的極大重視。 機(jī)電一體化新型產(chǎn)品將逐步取代大部分傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品，傳統(tǒng)的機(jī)械裝備和生產(chǎn)管理系統(tǒng)將被大規(guī)模地改造和更新為機(jī)電一體化生產(chǎn)系統(tǒng)，機(jī)電一體化產(chǎn)業(yè)將占據(jù)主導(dǎo)地位，機(jī)械工業(yè)將以機(jī)械電子工業(yè)的新面貌得到迅速發(fā)展。 1.5 機(jī)電一體化的理論基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù) 1.5.1 理論基礎(chǔ) 系統(tǒng)論、信息論、控制論的建立，微電子技術(shù)尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，引起了科學(xué)技術(shù)的又一次革命，誘發(fā)了機(jī)械工程的機(jī)電一體化。系統(tǒng)論、信息論、控制論無(wú)疑是機(jī)電一體化技術(shù)的理論基礎(chǔ)，是機(jī)電一體化技術(shù)的方法論。 開(kāi)展機(jī)電一體化技術(shù)研究時(shí)，無(wú)論在工程的構(gòu)思、規(guī) 劃、設(shè)計(jì)方面，還是在它的實(shí)施或?qū)崿F(xiàn)方面，都不能只著眼于機(jī)械或電子，不能只看到傳感器或計(jì)算機(jī)，而是要用系統(tǒng)的觀點(diǎn)，合理解決信息流與控制機(jī)制問(wèn)題，有效地綜合各有關(guān)技術(shù)，才能形成所需要的系統(tǒng)或產(chǎn)品。 機(jī)電一體化技術(shù)是從系統(tǒng)工程觀點(diǎn)出發(fā)，應(yīng)用機(jī)械、微電子等有關(guān)技術(shù)，使機(jī)械、電子有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)或產(chǎn)品整體最優(yōu)的綜合性技術(shù)。小型的生產(chǎn)、加工系統(tǒng)，即使是一臺(tái)機(jī)器，也都是由許多要素構(gòu)成的，為了實(shí)現(xiàn)其“目的功能”，還需要從系統(tǒng)角度出發(fā)，不拘泥于機(jī)械技術(shù)或電子技術(shù)，并寄希望于能夠使各種功能要素構(gòu)成最佳結(jié)合的柔性技術(shù)與方法。機(jī) 電一體化工程就是這種技術(shù)和方法的統(tǒng)一。 機(jī)電一體化系統(tǒng)是一個(gè)包括物質(zhì)流、能量流和信息流的系統(tǒng)，有效地利用各種信號(hào)所攜帶的豐富信息資源，則有賴于信號(hào)處理和信息識(shí)別技術(shù)?？疾焖袡C(jī)電一體化產(chǎn)品，就會(huì)看到準(zhǔn)確的信息獲取、處理、利用在系統(tǒng)中所起的實(shí)質(zhì)性作用。 1.5.2 關(guān)鍵技術(shù) 微電子技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)是機(jī)電一體化的技術(shù)基礎(chǔ)。微電子技術(shù)的進(jìn)步，尤其是微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，為機(jī)電一體化技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展創(chuàng)造了前提。 機(jī)電一體化產(chǎn)品中的許多重要零部件都是利用超精密加工技術(shù)制造的。就連微電子技術(shù)本身的發(fā)展也離不開(kāi)精 密機(jī)械技術(shù)。例如，大規(guī)模集成電路（ LSI）制造中的微細(xì)加工就是精密機(jī)械技術(shù)的進(jìn)步成果。因此，精密機(jī)械加工技術(shù)促進(jìn)了微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，微電子技術(shù)的不斷發(fā)展又推動(dòng)了精密機(jī)械技術(shù)中加工設(shè)備的不斷更新。 由于機(jī)電一體化是一個(gè)工程和大系統(tǒng)，發(fā)展該技術(shù)面臨以下共性的關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展：傳感檢測(cè)技術(shù)、信息處理技術(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、接口技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)及系統(tǒng)總體技術(shù)等，同時(shí)也要受到社會(huì)條件、經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)的重大影響。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 10 一、傳感檢測(cè)技術(shù) 在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，工作過(guò)程的各種參數(shù)、工作狀態(tài)以及與工作過(guò)程有關(guān)的相應(yīng)信息都 要通過(guò)傳感器進(jìn)行接收，并通過(guò)相應(yīng)的信號(hào)檢測(cè)裝置進(jìn)行測(cè)量，然后送入信息處理裝置以及反饋給控制裝置，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品工作過(guò)程的自動(dòng)控制。機(jī)電一體化產(chǎn)品要求傳感器能快速和準(zhǔn)確地獲取信息并且不受外部工作條件和環(huán)境的影響，同時(shí)檢測(cè)裝置能不失真地對(duì)信息信號(hào)進(jìn)行放大、輸送和轉(zhuǎn)換。 傳感器技術(shù)的發(fā)展正進(jìn)入集成化、智能化研究階段。把傳感器件與信號(hào)處理電路集成在一個(gè)芯片上，就形成了信息型傳感器；若再把微處理器集成到信息型傳感器的芯片上，就是所謂的智能型傳感器。大力開(kāi)展傳感器研究，對(duì)于機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展具有十分重要的意義。 二、信息 處理技術(shù) 信息處理技術(shù)是指在機(jī)電一體化產(chǎn)品工作過(guò)程中，與工作過(guò)程各種參數(shù)和狀態(tài)以及自動(dòng)控制有關(guān)的信息輸入、識(shí)別、變換、運(yùn)算、存儲(chǔ)、輸出和決策分析等技術(shù)。信息處理得是否及時(shí)、準(zhǔn)確，直接影響機(jī)電一體化系統(tǒng)或產(chǎn)品的質(zhì)量和效率，因而也是機(jī)電一體化的關(guān)鍵技術(shù)。 在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，實(shí)現(xiàn)信息處理技術(shù)的主要工具是計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)信息處理裝置是產(chǎn)品的核心，它控制和指揮整個(gè)機(jī)電一體化產(chǎn)品的運(yùn)行。信息處理是否正確、及時(shí)，直接影響到系統(tǒng)工作的質(zhì)量和效率，因此計(jì)算機(jī)應(yīng)用及信息處理技術(shù)已成為促進(jìn)機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展和變革的最活躍的因素。 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)等都屬于計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)。 三、自動(dòng)控制技術(shù) 自動(dòng)控制是在沒(méi)有人直接參與的情況下，通過(guò)控制器使被控對(duì)象或過(guò)程自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。自動(dòng)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，不僅大大提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，改善了勞動(dòng)條件，而且在人類征服大自然、探索新能源、發(fā)展空間技術(shù)與改善人類物質(zhì)生活等方面起著極為重要的作用。機(jī)電一體化將自動(dòng)控制作為重要的支撐技術(shù)，自動(dòng)控制裝置是它的重要組成部分。 四、伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù) 伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)主要是指機(jī)電一體化產(chǎn)品中的執(zhí)行元件和驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)中的技術(shù)問(wèn)題，它 涉及設(shè)備執(zhí)行操作的技術(shù)，對(duì)所加工產(chǎn)品的質(zhì)量具有直接的影響。機(jī)電一體化產(chǎn)品中的執(zhí)行元件有電動(dòng)、氣動(dòng)和液壓等類型，其中多采用電動(dòng)式執(zhí)行元件，驅(qū)動(dòng)裝置主要是各種電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源電路，目前多由電力電子器件及集成化的功能電路構(gòu)成。執(zhí)行元件一方面通過(guò)接口電路與計(jì)算機(jī)相聯(lián)，接受控制系統(tǒng)的指令，另一方面通過(guò)機(jī)械接口與機(jī)械傳動(dòng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)相聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作。因此，伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)直接影響著機(jī)電一體化產(chǎn)品的功能執(zhí)行和操作，對(duì)產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)定性能、操作精度和控制質(zhì)量等具有決定性的影響。 五、接口技術(shù) 機(jī)電一體化系統(tǒng)是機(jī)械、電 子和信息等性能各異的技術(shù)融為一體的綜合系統(tǒng)，其構(gòu)成要素和子系統(tǒng)之間的接口極其重要。從系統(tǒng)外部看，輸入 /輸出是系統(tǒng)與人、環(huán)境或其它系統(tǒng)之間的接口；從系統(tǒng)內(nèi)部看，機(jī)電一體化系統(tǒng)是通過(guò)許多接口將各組成要素的輸入 /輸出聯(lián)系成一體的系統(tǒng)。因此，各要素及各子系統(tǒng)之間的接口性能就成為綜合系統(tǒng)性能好壞的決定性因素。機(jī)電一體化系統(tǒng)最重要的設(shè)計(jì)任務(wù)之一往往就是接口設(shè)計(jì)。 六、精密機(jī)械技術(shù) 精密機(jī)械技術(shù)是機(jī)電一體化的基礎(chǔ)，因?yàn)闄C(jī)電一體化產(chǎn)品的主功能和構(gòu)造功能大都以機(jī)械技術(shù)為主來(lái)得以實(shí)現(xiàn)。隨著高新技術(shù)引入機(jī)械行業(yè)，機(jī)械技術(shù)面臨著挑 戰(zhàn)和變革。在機(jī)電一體化產(chǎn)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 11 品中，它不再是單一地完成系統(tǒng)間的連接，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、重量、體積、剛性與耐用性方面對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)有著重要的影響。機(jī)電一體化產(chǎn)品對(duì)機(jī)械部分零部件的靜、動(dòng)態(tài)剛度、熱變形等機(jī)械性能有更高的要求。特別是關(guān)鍵零部件，如導(dǎo)軌、滾珠絲杠、軸承、傳動(dòng)部件等的材料、精度對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品的性能、控制精度影響極大。 在制造過(guò)程的機(jī)電一體化系統(tǒng)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)。這里原有的機(jī)械技術(shù)以知識(shí)和技能的形式存在，是任何其他技術(shù)代替不了 的。如計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃（ CAPP）是目前 CAD/CAM 系統(tǒng)研究的瓶頸，其關(guān)鍵問(wèn)題在于如何將廣泛存在于各行業(yè)、企業(yè)、技術(shù)人員中的標(biāo)準(zhǔn)、習(xí)慣和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行表達(dá)和陳述，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的自動(dòng)工藝設(shè)計(jì)與管理。 七、系統(tǒng)總體技術(shù) 系統(tǒng)總體技術(shù)就是從整體目標(biāo)出發(fā)，用系統(tǒng)的觀點(diǎn)和方法，將機(jī)電一體化產(chǎn)品的總體功能分解成若干功能單元，找出能夠完成各個(gè)功能的可能技術(shù)方案，再把功能與技術(shù)方案組合成方案組進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)，綜合優(yōu)選出適宜的功能技術(shù)方案。系統(tǒng)總體技術(shù)是最能體現(xiàn)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)特點(diǎn)的技術(shù)，也是保證其產(chǎn)品工作性能和技術(shù)指標(biāo)得以實(shí) 現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。 在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，機(jī)械、電氣和電子是性能、規(guī)律截然不同的物理模型，因而存在匹配上的困難；電氣、電子又有強(qiáng)電與弱電、模擬與數(shù)字之分，必然遇到相互干擾與耦合的問(wèn)題；系統(tǒng)的復(fù)雜性帶來(lái)的可靠性問(wèn)題；產(chǎn)品的小型化增加了狀態(tài)監(jiān)測(cè)與維修的困難；多功能化造成診斷技術(shù)的多樣性等等。因此就要考慮產(chǎn)品整個(gè)壽命周期的總體綜合技術(shù)。 為了開(kāi)發(fā)出具有較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)能力的機(jī)電一體化產(chǎn)品，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)除考慮優(yōu)化設(shè)計(jì)外，還包括可靠性設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、系列化設(shè)計(jì)以及造型設(shè)計(jì)。 1.6 機(jī)電一體化的發(fā)展 1.6.1 機(jī)電一體化的發(fā)展 狀況 機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展大體上可分為三個(gè)階段。 20 世紀(jì) 60 年代以前為第一階段，這一階段稱為初期階段。在這一時(shí)期，人們自覺(jué)或不自覺(jué)地利用電子技術(shù)的初步成果來(lái)完善機(jī)械產(chǎn)品的性能。 20 世紀(jì) 70 80 年代為第二階段，可稱為蓬勃發(fā)展階段。這一時(shí)期，計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，為機(jī)電一體化的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路和微型計(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)展，為機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展提供了充分的物質(zhì)基礎(chǔ)。 20 世紀(jì) 90 年代后期，開(kāi)始了機(jī)電一體化技術(shù)向智能化方向邁進(jìn)的新階段，一方面光學(xué)、通信技術(shù)等進(jìn)入了機(jī)電一體 化，微細(xì)加工技術(shù)也在機(jī)電一體化中嶄露頭角，出現(xiàn)了光機(jī)電一體化和微機(jī)電一體化等新分支；另一方面對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的建模設(shè)計(jì)、分析和集成方法，機(jī)電一體化的學(xué)科體系和發(fā)展趨勢(shì)都進(jìn)行著深入研究。 我國(guó)是從上世紀(jì) 80 年代初才開(kāi)始這方面研究和應(yīng)用。國(guó)務(wù)院成立了機(jī)電一體化領(lǐng)導(dǎo)小組并將該技術(shù)列為“ 863 計(jì)劃”中。機(jī)械工業(yè)在制定“九五”規(guī)劃和 2010 年發(fā)展綱要時(shí)充分考慮了國(guó)際上關(guān)于機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向和由此可能帶來(lái)的影響。經(jīng)過(guò) 20 多年的努力，在航天、國(guó)防以機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 12 及經(jīng)濟(jì)建設(shè)的一些重大工程帶動(dòng)下，我國(guó)已在機(jī)電一體化許多領(lǐng)域躋身于世界 先進(jìn)行列。 1.6.2 機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢(shì) 機(jī)電一體化是集機(jī)械、電子、光學(xué)、控制、計(jì)算機(jī)、信息等多學(xué)科的交叉融合，它的發(fā)展和進(jìn)步依賴并促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。因此，機(jī)電一體化的主要發(fā)展方向如下： 1智能化 智能化是 21 世紀(jì)機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要發(fā)展方向。這里所說(shuō)的“智能化”是對(duì)機(jī)器行為的描述，是在控制理論的基礎(chǔ)上，吸收人工智能、運(yùn)籌學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)和混沌動(dòng)力學(xué)等新思想、新方法，模擬人類智能，使它具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力，以求得到更高的控制目標(biāo)。 2. 模塊化 模塊化是 一項(xiàng)重要而又艱巨的工程。由于機(jī)電一體化產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠家繁多，研制和開(kāi)發(fā)具有標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口、