机电一体化系统五大要素实例如图1-5
转塔刀架数控机CNC接装位置检电动执传感元控制油缸油缸动力
驱动机械本CNC接装置机械学电子学机电一体化系统五大要素实例图1-5
列出了机电一体化系统构成要素与人体构成要素的对应关系。
表1-1因此，一个较完善的机电一体化系统，应包括以下几个基本要素：
机械本体、动力系统、检测传感系统、执行部件、信息处理及控制系统，各要素和环节之间通过接口相联系。
1-1表机电一体化系统构成要素与人体构成要素的对应关系
人体要素功能机电一体化系统要素控制<信息存储、处理、传送）头脑计算机等）控制器<传感器感官检测<信息收集与变换）四肢操作）驱动<执行部件<内脏能量）提供动力动力源
支撑与联接躯干机械本体机电一体化系统中机械部分是主体，这不仅是由于机械本体是系统重要的组成部分，而且系统的主要功能必须由机械装置来完成，否则就不能称其为机电一体化产品。
如电子计算机、非指针式电子表等，其主要功能已由电子器件和电路等完成，机械已退居次要地位，这类产品应归属于电子产品，而不是机电一体化产品。
因此，机械系统是实现机电一体化产品功能的基础，从而对其提出了更高的要求，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、可靠、节能、多功能、小型轻量和美观等要求。
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。
其次，机电一体化的核心是电子技术，电子技术包括微电子技术和电力电子技术，但重点是微电子技术，特别是微型计算机或微处理器。
机电一体化需要多种新技术的结合，但首要的是6/13
微电子技术，不和微电子结合的机电产品不能称为机电一体化产品。
如非数控机床，一般均有电动机驱动，但它不是机电一体化产品。
除了微电子技术以外，在机电一体化产品中，可根据需要进行一种或多种技术相结合。
因此，机电一体化是以机械为主体、以微电子技术为核心，强调各种技术的协同和集成的综合性技术。
1.3机电一体化系统的分类
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。
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
数控机械类主要产品为数控机床、工业机器人、发动机控制系统和自动洗衣机等。
其特点为执行机构是机械装置。
2．电子设备类
电子设备类主要产品为电火花加工机床、线切割加工机床、超声波缝纫机和激光测量仪等。
其特点为执行机构是电子装置。
3．机电结合类
机电结合类主要产品为自动探伤机、形状识别装置和CT扫描仪、自动售货机等。
其特点为执行机构是机械和电子装置的有机结合。
4．电液伺服类
电液伺服类主要产品为机电一体化的伺服装置。
其特点为执行机构是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
信息控制类主要产品为电报机、磁盘存储器、磁带录像机、录音机以及复印机、传真机等办公自动化设备。
其主要特点为执行机构的动作完全由所接收的信息类控制。
此外，机电一体化产品还可根据机电技术的结合程度分为功能附加型、功能替代型和机电融合型三类。
按产品的服务对象领域和对象，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。
1.4机电一体化的优点和效益
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。
与传统的机电产品相比，机电一体化产品具有高的功能水平和附加价值，它将给开发生产者和用户带来社会经济效益。
1．生产能力和工作质量提高
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7/13
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和较高的产品合格率。
同时，由于机电一体化产品实现了工作的自动化，使得生产能力大大提高。
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。
2．使用安全性和可靠性提高
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，避免和减少人身与设备事故，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，寿命得到了延长。
3．调整和维护方便，使用性能改善
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。
4．具有复合功能，适用面广
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，使其应用范围显著扩大。
5．改善劳动条件，有利于自动化生产
机电一体化产品自动化程度高，是知识密集型和技术密集型产品，是将人们从繁重体力劳动中解放出来的重要途径，可以加速工厂自动化、办公自动化、农业自动化、交通自动化甚至是家庭自动化，从而可促进我国四个现代化的实现。
6．节约能源，减少耗材
节约一次和二次能源是国家的战略目标，也是用户十分关心的问题。
机电一体化产品，通过采用低能耗驱动机构，最佳的调节控制，以提高设备的能源利用率，可达到明显的节能效果。
同时，由于多种学科的交叉融合，机电一体化系统的许多功能一方面从机械系统转移到了微电子、计算机等系统，另一方面从硬件系统转移到了软件系统，从而使得机电一体化系统朝着轻小型方向发展，减少了材料消耗。
因此，无论是生产部门还是使用单位，机电一体化技术和产品，都会带来显著的社会和经济效益。
正因为如此，世界各国，首先是日本、美国、欧洲各国都在大力发展和推广机电一体化技术。
下面以汽车工业为例，来分析微电子技术和微型计算机技术对汽车及汽车生产系统带来的巨大影响。
一方面是汽车产品的机电一体化革命，另一方面，汽车的生产制造系统也发生了巨大的变化。
微电子技术和微处理机技术彻底改变了汽车产品的面貌，“汽车电子化”被称为汽车技术的又一次革命性飞跃。
机电一体化的现代新型汽车在操作性、可靠性、高速度、安全性、低油耗、减少排气污染和维修性、舒适性等各方面性能大幅度提高，汽车电子化程度成为汽车产品市场8/13
竞争性的极重要因素，汽车电子也逐渐发展成为一个新兴产业。
在现代汽车生产中，多数应用计算机进行经营和生产管理，利用CAD进行产品设计，使用数控机床和柔性生产线进行零部件加工，使用机器人从事喷漆、焊接、组装、搬运等工作。
汽车车身通常需要进行3
000～4
000次点焊，其中90％以上的焊点可由工业机器人完成。
意大利菲亚特汽车公司的两条汽车装配l
线，每条线上都分布有50多个机器人，可在平均内完成一部汽车的焊接工作。
数控自动化生产能够节约原材料、动力及其他工厂辅助设备，min倍。
现代机电一体化生产系统使得降低废品率，减轻工人的劳动强度，并使劳动生产率提高300汽车生产的质量和产量迅速大幅度提高，同时整个生产系统可以通过改变程序适应不同型号汽车的制造，缩短新产品设计生产周期，尽快适应市场需求的变化。
传统产业机电一体化革命所带来的优质、高效、低耗、柔性增强了企业的经济竞争能力，引起各个国家和企业的极大重视。
机电一体化新型产品将逐步取代大部分传统机械产品，传统的机械装备和生产管理系统将被大规模地改造和更新为机电一体化生产系统，机电一体化产业将占据主导地位，机械工业将以机械电子工业的新面貌得到迅速发展。
1.5机电一体化的理论基础与关键技术
1.5.1理论基础
系统论、信息论、控制论的建立，微电子技术尤其是计算机技术的迅猛发展，引起了科学技术的又一次革命，诱发了机械工程的机电一体化。
系统论、信息论、控制论无疑是机电一体化技术的理论基础，是机电一体化技术的方法论。
开展机电一体化技术研究时，无论在工程的构思、规划、设计方面，还是在它的实施或实现方面，都不能只着眼于机械或电子，不能只看到传感器或计算机，而是要用系统的观点，合理解决信息流与控制机制问题，有效地综合各有关技术，才能形成所需要的系统或产品。
机电一体化技术是从系统工程观点出发，应用机械、微电子等有关技术，使机械、电子有机结合，实现系统或产品整体最优的综合性技术。
小型的生产、加工系统，即使是一台机器，也都是由许多要素构成的，为了实现其“目的功能”，还需要从系统角度出发，不拘泥于机械技术或电子技术，并寄希望于能够使各种功能要素构成最佳结合的柔性技术与方法。
机电一体化工程就是这种技术和方法的统一。
机电一体化系统是一个包括物质流、能量流和信息流的系统，有效地利用各种信号所携带的丰富信息资源，则有赖于信号处理和信息识别技术。
考察所有机电一体化产品，就会看到准确的信息获取、处理、利用在系统中所起的实质性作用。
1.5.2关键技术
微电子技术、精密机械技术是机电一体化的技术基础。
微电子技术的进步，尤其是微型计算机技术的迅速发展，为机电一体化技术的进步与发展创造了前提。
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机电一体化产品中的许多重要零部件都是利用超精密加工技术制造的。
就连微电子技术本身的发展也离不开精密机械技术。
例如，大规模集成电路因此，精密机械加工技术促进了微电子技术的不断发展，微电子技术的不断发展又推动了精密机械技术中加工设备的不断更新。
由于机电一体化是一个工程和大系统，发展该技术面临以下共性的关键技术及其发展：
传感检测技术、信息处理技术、伺服驱动技术、自动控制技术、接口技术、精密机械技术及系统总体技术等，同时也要受到社会条件、经济基础的重大影响。
一、传感检测技术
在机电一体化产品中，工作过程的各种参数、工作状态以及与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、输送和转换。
传感器技术的发展正进入集成化、智能化研究阶段。
把传感器件与信号处理电路集成在一个芯片上，就形成了信息型传感器；若再把微处理器集成到信息型传感器的芯片上，就是所谓的智能型传感器。
大力开展传感器研究，对于机电一体化技术的发展具有十分重要的意义。
二、信息处理技术
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输入、识别、变换、运算、存储、输出和决策分析等技术。
信息处理得是否及时、准确，直接影响机电一体化系统或产品的质量和效率，因而也是机电一体化的关键技术。
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。
信息处理是否正确、及时，直接影响到系统工作的质量和效率，因此计算机应用及信息处理技术已成为促进机电一体化技术发展和变革的最活跃的因素。
人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术等都属于计算机信息处理技术。
三、自动控制技术
自动控制是在没有人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定的规律运行。
自动控制技术的广泛应用，不仅大大提高了劳动生产率和产品质量，改善了劳动条件，而且在人类征服大自然、探索新能源、发展空间技术与改善人类物质生活等方面起着极为重要的作用。
机电一体化将自动控制作为重要的支撑技术，自动控制装置是它的重要组成部分。
四、伺服驱动技术
伺服驱
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