机电一体化的基本概念和特点

各国对于机电一体化的定义并不一致，日本认为“它是将机械装置与电子设备以及软件等有机结合而组成的系统”；美国认为“它是由计算机信息网络协调与控制用于完成包括机械力、运动和能量流等多动力学任务的机械和（或）机电部件相互联系的系统”。

（1）机电一体化的组成

机电一体化系统的组成划分主要有3种不同观点，即三环论、两个子系统论、五块论。这既体现了国内外学者对机电一体化产品系统整体设计的重视，也体现了他们对机电一体化系统中各组成部分的侧重。

1）三环论

丹麦理工大学的Jacob Burr等人提出机械、电子、软件3个相关圆环，以此表示了机电一体化系统的组成和相互关联。他们认为机电一体化系统是由机械、电子、软件3大功能块组成的。其中机械模块包括执行机构、机械传动；电子模块包括驱动器的电力、电子部件和传感器；软件是指控制系统的软件。

2）两个子系统论

挪威科技大学的Bassam A Hussein提出将机电一体化系统划分为物理系统与控制系统两大子系统。物理系统包括各种驱动装置、执行机构、传感器等；控制系统包括软、硬件。

3）五块论

德国Drmstadt大学的Rolf Isermann提出机电一体化系统是由控制功能、动力功能、传感检测功能、操作功能、结构功能等五大功能模块组成的。

总之，一个较完善的机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、检测传感部分、控制及信息处理部分，如图5.1（a）所示。这些组成部分内部及其相互之间，通过接口耦合、运动传递、物质流动、信息控制、能量转换等的有机结合集成一个完整的机电一体化系统，此系统与人体相似，是由人脑、感官（眼、耳、鼻、舌、皮肤）、手足、内脏及骨骼等五大部分构成，如图5.1（b）所示。机械本体相当于人的骨骼，动力源相当于人的内脏，执行机构相当于人的手足，传感器相当于人的感官，控制及信息处理相当于人脑。由此可见，机电一体化系统内部的五大功能与人体的功能几乎是一 样的，因而，人体是机电一体化产品发展的最好蓝本。实现各功能的相应构成要素如图5.1（c）所示。(www.xing528.com)

图5.1　机电一体化系统与人体对应部分的构成及相应功能关系

（2）机电一体化应用实例

1）“玉兔号”月球探测车

“玉兔号”是我国首辆月球探测车，如图5.2所示，它是机电一体化具有代表性的实例，它由移动、导航控制、电源、热控、结构与机构、综合电子、测控数传、有效载荷8个分系统组成。

图5.2　月球探测车

2）模糊控制洗衣机

模糊控制洗衣机（见图5.3）是在神经网络智能控制下，模仿人的思维进行判断操作的一种新型智能洗衣机。应用模糊控制器代替人脑来进行“分析”和“判断”，通过各种传感器自动检测所要洗的衣料布质、质量、水温、污垢程度以及洗衣水的浑浊度等，然后通过模糊控制器对收到的信息进行判断，以决定洗衣粉的用量、水量多少、洗涤时间、洗涤方式和漂洗遍数等，从而获得最佳的洗涤效果。

图5.3　模糊控制洗衣机的结构

通过上面的讨论，机电一体化系统的组成部分从广义的功能原理出发来看，可认为它是由计算机进行信息处理和控制的现代机械系统，它的最终目的是实现机械运动和动作。机电一体化是机械、微电子、计算机等多学科的交叉融合，是将机械结构和电子计算机技术、传感技术集成和信息处理融合在一体的现代机械系统。上海交通大学的邹慧君提出，从完成工艺动作过程这一总功能要求出发，机电一体化系统可划分为广义执行机构子系统、传感检测子系统、信息处理及控制子系统。