机为代表的微电子技术高度发展，向传统机械工 业领域迅速渗透、机械电子技术深度结合的现代 工业基础上，综合运用机械技术、微电子技术、

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1 机为代表的微电子技术高度发展，向传统机械工 业领域迅速渗透、机械电子技术深度结合的现代 工业基础上，综合运用机械技术、微电子技术、
1.概 论 1.1机电一体化基本概念 1.1.1 机电一体化定义 机电一体化是在大规模集成电路和微型计算 机为代表的微电子技术高度发展，向传统机械工 业领域迅速渗透、机械电子技术深度结合的现代 工业基础上，综合运用机械技术、微电子技术、 信息技术、传感测试技术、电力电子技术，接口 技术、信号变换技术以及软件编程技术等群体技

2 术，根据系统功能目标和优化组织结构目标，合
理布置布局机械本体、执行结构、动力驱动单 元、传感测试元件、微电子信息接收、分析、加 工、处理、生产、传输单元和线路，以及衔接接 口元件等硬件元素，并使之在软件程序和微电子 电路逻辑的有目的的信息流向导引下，互相协 调，有机融合和集成，形成物质和能量的有序规 则运动，在高功能，高质量，高可靠性，低能耗

3 的意义上实现特定功能的系统工程技术。 由此而产生的功能系统，则成为一个以微电 子技术为主导的、以现代高新技术支持下的机电 一体化系统或机电一体化产品。 1984年美国机械工业协会 (ASME) 专家组 在给美国国家科学基金会的报告中，明确地提出 现代机械系统的定义：“ 由计算机信息网络协调 与控制的，用于完成包括机械力，运动和能量流

4 等动力学任务的机械和（或）机电部件相互联系
的系统”。

5 个基本要素：机械本体、动力部分、测试传感部 分、执行部分、驱动部分、控制及信息处理单 元、各要素和环节之间通过接口相联系。 （1）机械本体
1.1.2 机电一体化系统的基本结构要素 一个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、动力部分、测试传感部 分、执行部分、驱动部分、控制及信息处理单 元、各要素和环节之间通过接口相联系。 （1）机械本体 系统所有功能元素的机械支持结构，包括机 身、框架、机械联接等。由于机电一体化产品的

6 技术性能，水平和功能的提高，机械本体要在机
械结构、材料、加工工艺性以及几何尺寸等方面 适应产品高效、多功能、可靠和节能、小型、轻 量、美观等要求。 （2）动力部分 按系统控制要求，为系统提供能量和动力， 使系统能正常运行。用尽可能小的动力输入，获 得尽可能大的功能输出，是机电一体化产品的显

7 著特征之一。 （3）测试传感部分 对系统运行中所需要的本身和外界环境的各 种参数及状态进行检测，变成可识别信号，传输 到信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的 控制信息，其功能一般由专门的传感器和仪表完 成。

8 行机构是运动部件，一般采用机械，电磁，电液 等机构。根据机电一体化系统的匹配性要求，需 要考虑改善性能，如提高刚性、减轻重量、实现
（4）执行机构 根据控制信息和指令，完成要求的动作。执 行机构是运动部件，一般采用机械，电磁，电液 等机构。根据机电一体化系统的匹配性要求，需 要考虑改善性能，如提高刚性、减轻重量、实现 组件化、标准化和系列化，提高系统整体可靠性 等。

9 （5）驱动部分 在控制信息作用下提供动力，驱动各种可执 行机构完成各种动作和功能。机电一体化系统一 方面要求驱动的高效率和快速响应特性，同时要 求对水、油、温度、尘埃等外部环境的适应性和 可靠性。由于几何尺寸上的限制，动作范围狭 窄，还需考虑维修和标准化。随着电力电子技术 的高度发展，高性能步进驱动，直流和交流伺服

10 驱动大量应用于机电一体化系统。 （6）控制及信息处理单元 将来自传感器的检测信息和外部输入命令 进行集中、储存、分析、加工，根据信息处理结 果，按照一定的程序和节奏发出相应的指令，控 制整个系统有目的地运行。一般由计算机，可编 程控制器(PLC)，数控装置以及逻辑电路，A / D 与 D / A 转换，I / O (输入/输出)接口和计算机的

11 外部设备等组成。机电一体化系统对控制和信息
处理单元的基本要求是： 提高信息处理速度、可靠性。增强抗干扰能 力，以及完善系统自诊断功能，实现信息处理智 能化和小型、轻量、标准化等。

12 1.1.3 机电一体化相关技术 机电一体化是系统技术，计算机与信息处理 技术，自动控制技术，伺服传动技术和机械技术 等多学科领域综合交叉的技术密集性系统工程。

13 术引入机械行业，机械技术面临着挑战和变革。 在机电一体化产品中，它不再是单一地完成系统 间的连接，而是在系统结构，重量，体积，刚性
机械技术 机械技术是机电一体化的基础。随着高新技 术引入机械行业，机械技术面临着挑战和变革。 在机电一体化产品中，它不再是单一地完成系统 间的连接，而是在系统结构，重量，体积，刚性 与耐用方面对机电一体化系统有着重要的影响。 机械技术的着眼点在于如何与机电一体化的技术 相适应，利用其他高新技术来更新概念，实现

14 结构上、 材料上、 性能上的变革，满足减轻重
量、缩小体积、提高精度、提高刚度、改善性能 的要求。 在制造过程的机电一体化系统中，经典的机 械理论与工艺应借助于计算机的辅助技术，同时 采用人工智能与专家系统等，形成新一代的机械 制造技术。这里原有的机械技术以知识和技能的 形式存在，是任何其它技术代替不了的。

15 如计算机辅助工艺规程编制(CAPP)是目前
CAD/CAM 系统研究的瓶颈，其关键问题在于如 何将广泛存在于各行业、企业、技术人员中的标 准、习惯和经验进行表达和陈述，从而实现计算 机的自动工艺设计与管理。

16 1.1.3.2 计算机与信息处理技术 信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、
判断和决策，实现信息处理的工具是计算机，因 此计算机技术与信息处理技术是密切相关的。计 算机技术包括计算机的软件技术和硬件技术、网 络与通信技术、数据库技术等。 在机电一体化系统中，计算机与信息处理部 分指挥整个系统的运行。信息处理是否正确、及

17 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。

18 系统技术 系统技术就是以整体的概念组织应用各种相 关技术，从全局角度和系统目标出发。将总体分 解成相互有机联系的若干概念单元，以功能单元 为子系统进行二次分解，生成功能更为单一和具 体的子功能与单元。这些子功能和单元同样可继 续逐层分解，直到能够找出一个可实现的技术方 案。深入了解系统内部结构和相互关系，把握系

19 统外部联系，对系统设计与产品开发十分重要。 接口技术是系统技术中的一个重要方面，它
是实现系统各个部分有机连接的保证。接口包括 电气接口，机械接口，人--机接口。电气接口实 现系统间电信号连接；机械接口则完成机械与机 械部分，机械与电气装置部分的连接； 人--机接口提供了人与系统间的交互界面。

20 自动控制技术 自动控制技术范围很广，主要包括：基本控 制理论；在此理论指导下，对具体控制装置或控 制系统的设计；设计后的系统仿真，现场调试； 最后使研制的系统能可靠的投入运行。由于控制 对象种类繁多，所以控制技术的内容极其丰富， 例如高精度定位控制、速度控制、自适应控 制、自诊断校正、补偿、再现、检索等。

21 越多地与计算机控制技术联系在一起，成为机电 一体化中十分关键的技术。
由于微型机的广泛应用，自动控制技术越来 越多地与计算机控制技术联系在一起，成为机电 一体化中十分关键的技术。

22 传感与检测技术 传感与检测装置是系统的感受器官，它与信 息系统的输入端相连，并将检测到的信号输送到 信息处理部分，传感与检测是实现自动控制、自 动调节的关键环节，它的功能越强，系统的自动 化程度越高。传感与检测的关键元件是传感器。 传感器是将被测量(包括各种物理量、化学 量和生物量等)变换成系统可识别的，与被测量

23 有确定关系的有用电信号的一种装置。 现代工程技术要求传感器能快速、精确地获 取信息，并能经受各种严酷环境的考验。与计算 机技术相比，传感器的发展显得缓慢，难以满足 技术发展的要求。不少机电一体化装置不能达到 满意的效果或无法实现的关键原因，在于没有合 适的传感器，因此大力开展传感器的研究，对于 机电一体化技术的发展具有十分重要的意义。

24 的传动装置，由微型计算机通过接口与这些传动 装置相连接，控制它们的运动，带动工作机械做 回转，直线及其其它各种复杂的运动。伺服传动
伺服传动技术 伺服传动包括电动、气动、液动等各种类型 的传动装置，由微型计算机通过接口与这些传动 装置相连接，控制它们的运动，带动工作机械做 回转，直线及其其它各种复杂的运动。伺服传动 技术是直接执行操作的技术，伺服系统是实现电 信号到机械动作的转换装置与部件，对系统的动 态性能，控制质量和功能都具有决定性的影响。

25 常见的伺服驱动有电液马达、脉冲油缸、步 进电机、直流伺服和交流伺服电机。由于变频技 术的进步，交流伺服驱动技术取得突破性进展， 为机电一体化系统提供高质量的伺服驱动单元， 极大地促进了机电一体化技术的发展。

26 长避短，取得系统优化效果，有显著的社会效益 和技术，经济效益。
机电一体化的技术，经济和社会效益 机电一体化综合利用各种相关技术优势，扬 长避短，取得系统优化效果，有显著的社会效益 和技术，经济效益。

27 使机械磨损，配合间隙及受力变形等所引起的误 差大大减小，同时由于采用电子技术实现自动检 测和控制，补偿，校正因各种干扰因素造成的动
提高精度 机电一体化技术使机械传动部件减少，因而 使机械磨损，配合间隙及受力变形等所引起的误 差大大减小，同时由于采用电子技术实现自动检 测和控制，补偿，校正因各种干扰因素造成的动 态误差，从而达到单纯机械装备所不能实现的工 作精度。

28 现代高新技术的引入，极大地改变了机械工 业产品的面貌。 具备各种复合功能，成为机电一体化产品和 应用技术的一个显著特征。
增强功能 现代高新技术的引入，极大地改变了机械工 业产品的面貌。 具备各种复合功能，成为机电一体化产品和 应用技术的一个显著特征。

29 道工序在一次装夹中完成，并且还有自动检测工 件和刀具精度、自动显示刀具动态轨迹图形、自 动保护和自动故障诊断等极强的功能；配有机器
例如，加工中心机床可以将多台机床上的多 道工序在一次装夹中完成，并且还有自动检测工 件和刀具精度、自动显示刀具动态轨迹图形、自 动保护和自动故障诊断等极强的功能；配有机器 人的大型激光加工中心，能完成自动焊接、划 线、切割、钻孔、热处理等操作，可加工金属、 塑料陶瓷、木材、橡胶等各种材料。这种极强的 复合功能，是传统机械加工系统所不能比拟的。

30 助时间，缩短新产品的开发周期，提高产品合格 率，减少操作人员，提高生产效率，降低生产成 本。 例如数控机床生产效率比普通机床高5~6
提高生产效率，降低成本 机电一体化生产系统能够减少生产准备和辅 助时间，缩短新产品的开发周期，提高产品合格 率，减少操作人员，提高生产效率，降低生产成 本。 例如数控机床生产效率比普通机床高5~6 倍，柔性制造系统可使生产周期缩短40%，生产 成本减低50%。

31 1.1.4.4 节约能源，降低消耗 机电一体化产品通过采用低能耗的驱动机
构，最佳的调节控制和提高设备的能源利用 率，来达到显著的节能效果。

32 间和状态，可大大节约汽车耗油量； 若将节流工况下运行的风机、水泵随工况变 速运行，平均可节电30%； 工业锅炉若采用微机精确控制燃料与空气的
例如汽车电子点火器，由于控制最佳点火时 间和状态，可大大节约汽车耗油量； 若将节流工况下运行的风机、水泵随工况变 速运行，平均可节电30%； 工业锅炉若采用微机精确控制燃料与空气的 混合比，可节煤5%~20%； 电弧炉是最大的耗电设备之一，改用微型计 算机实现最佳功率控制，可节电20%。

33 对各种故障和危险情况自动采取措施，及时修正 运行参数，提高系统的安全可靠性。
提高安全性，可靠性 具有自动检测监控的机电一体化系统，能够 对各种故障和危险情况自动采取措施，及时修正 运行参数，提高系统的安全可靠性。

34 协调控制、汽轮机的电液调节系统、自动启停系 统、安全保护系统等，不仅提高了机组运行的灵 活性和积极性，而且提高了机组运行的安全性和
例如大型火力发电设备中，锅炉和汽轮机的 协调控制、汽轮机的电液调节系统、自动启停系 统、安全保护系统等，不仅提高了机组运行的灵 活性和积极性，而且提高了机组运行的安全性和 可靠性，使火力发电设备逐步走向全自动控制。 又如大型轧机多级计算机分散控制系统，可 解决对大型、高速、冷热轧机的多参数测量、控 制问题，保证系统可靠运行。

35 作顺序以及功能协调关系，可由程序控制自动实 现，并建立良好的人--机界面。对操作参量加以 揭示，因而可以通过简便的操作得到复杂的功能
改善操作性和使用性 机电一体化装置或系统各相关传动机构的动 作顺序以及功能协调关系，可由程序控制自动实 现，并建立良好的人--机界面。对操作参量加以 揭示，因而可以通过简便的操作得到复杂的功能 和良好的使用效果。

36 如一座高度复杂的现代大型熔炉作业控制系 统，其控制内容包括最优配料、多台电炉的功率 控制、球化和孕育处理、记忆球铁浇铸情况、 铁水成分、计划熔化和造型之间的协调平衡等， 从整个系统的启动到熔炉全部作业完毕，只需要 操作几个按钮就能完成。有些机电一体化装置， 可实现操作全部自动化，如示教再现工业机器 人，在由人工进行一次示教操作后，即可按示教

37 内容重复实现全部动作。有些更高级的机电一体
化系统，还可通过被控对象的数学模型和目标函 数，以及各种运行参数的变化情况，随机自动寻 最佳工作过程，协调对内对外关系，以实现自动 最优控制，如微型计算机控制的钢板测厚主动控 制系统、电梯全自动控制系统、智能机器人等。 机电一体化系统的先进性，是和技术密集性与操 作使用的简易性和方便性互相联系在一起。

38 极为复杂的人的智力活动和资料数据记忆查找工 作改由计算机来完成，一方面又能由程序控制自 动运行，代替人的紧张和单调重复的操作，以及
    减轻劳动强度，改善劳动条件 机电一体化一方面能够将制造和生产过程中 极为复杂的人的智力活动和资料数据记忆查找工 作改由计算机来完成，一方面又能由程序控制自 动运行，代替人的紧张和单调重复的操作，以及 在危险或有害的环境下的工作，因而大大减轻人 的脑力和体力劳动，改善了人的工作环境条件。

39 例如 CAD和CAPP极大地减轻了设计人员的
劳动复杂性，提高了设计效率； 搬运、焊接和喷漆机器人取代了人的单调重 复劳动； 武器弹药装配机器人、深海太空工作机器 人、在核反应堆和有毒环境下的自动工作系统， 则成为人类谋求解决危险环境中的劳动问题的唯 一途径。

40 和传动技术，代替笨重的老式电气控制的复杂机 械变速传动，由微处理器和集成电路等微电子元 件和程序逻辑软件，完成过去靠机械传动链来实
    简化结构，减轻重量 由于机电一体化系统采用新型电力电子器件 和传动技术，代替笨重的老式电气控制的复杂机 械变速传动，由微处理器和集成电路等微电子元 件和程序逻辑软件，完成过去靠机械传动链来实 现的关联运动，从而使机电一体化产品体积减 小，结构简化，重量减轻。

41 例如，无换向器电机，将电子控制与相应的 电机电磁结构相结合，取消了传统的换向电刷， 简化了电机结构，提高了电机寿命和运行特性， 并缩小了体积；数控精密插齿机可节省齿轮等传 协部件30% ；一台现金出纳机用微处理机控制可 取代几百个机械传动部件。采用机电一体化技术 简化结构，减轻重量，对于航天航空技术而言更 具有特殊的意义。

42 低，同时由于微电子技术的高速发展，微电子器 件价格迅速下降，因此机电一体化产品价格低
    减低价格 由于结构简化，材料消耗减少，制造成本降 低，同时由于微电子技术的高速发展，微电子器 件价格迅速下降，因此机电一体化产品价格低 廉，而且维修性能改善，使用寿命延长。 例如石英电子表以其高功能，使用方便及价 格优势，迅速占领了计时商品市场。

43 对产品的应用功能和工作过程进行调整修改，满 足用户多样化的使用要求。 通过编制用户运行程序，实现工作方式的改
增强柔性应用功能 机电一体化系统可以根据使用要求的变化， 对产品的应用功能和工作过程进行调整修改，满 足用户多样化的使用要求。 通过编制用户运行程序，实现工作方式的改 变，适应各用户对象及现场参数变化的需要，机 电一体化的这种柔性应用功能，构成了机械控制 “软件化”和“智能化”。

44 例如工业机器人具有较多的运动自由度，手 爪部分可以换用不同的工具，通过修改程序改变 运动轨迹和运动姿势适应不同的作业过程和工作 内容；利用数控加工中心或柔性制造系统，可以 通过调整系统运行程序，适应不同零件的加工工 艺。机械工业约有75%的产品属中小批量，利用 柔性生产系统，能够经济，迅速的解决这种中小 批量，多品种的自动化生产，对机械工业的发展 具有划时代的意义。

45 市场环境，面向经济建设，受到世界经济竞争形 势和技术发展速度及产品更新换代速度的冲击。 国际上工业高速和贸易竞争加剧，迫切要求大幅
1．2    现代系统设计的特征 现代机电一体化系统产品面对用户，社会和 市场环境，面向经济建设，受到世界经济竞争形 势和技术发展速度及产品更新换代速度的冲击。 国际上工业高速和贸易竞争加剧，迫切要求大幅 度提高机电一体化系统设计工作的质量和速度， 因此，开展现代设计理论和方法的研究，在机电 一体化系统设计中推广和运用现代设计的方法，

46 提高设计水平，是机电一体化设计方法发展的必
然趋势。由于设计概念的更新，现代设计具有区 别于传统设计的显著特征。 (1)现代设计的实践活动是由一定的实践原理 和实践理论作指导，有意识地按照事(设计活动) 物(设计对象)自身的内在规律进行设计，不同于 单纯依靠经验的传统设计工作，因此，必然能够 获得很高的设计成功率。

47 (2)现代设计致力于澄清设计任务与目标，全
面、系统地确定设计过程的起始条件和最终结 果。可以使设计过程始终不渝地从实际出发，达 到预定的目标，取得优于传统设计的结果。 (3) 现代设计十分重视设计策略和战略过程的 研究，建立一种合理的设计程序，并且严格按照 规范化的设计过程进行工作，求得较高的工作质 量和效率。

48 (4) 现代设计极其强调抽象的设计构思，防止过
早的进入某一已经定型的实体结构的分析，以便 对系统的工作原理和结构关系做本质和创新的设 计构思。 (5) 现代设计经常采用扩展性的设计思维，自始 自终地在寻求多种可行的方案构思，以便从中选 择确定能够令人满意的解决方案，改变传统设计 中惯用的封闭式的设计思维和忽视方案搜索的现

49 现象，能够达到较高的满意程度。 (6) 现代设计十分强调评价决策，尽量避免直接 决策，排除决策中的主观因素，使得在决策中所 选定的设计方案能够达到最佳的价值水平。 (7) 现代设计采用结构优化设计，多结构形式， 技术参数和技术性能进行各种不同性质的优化设 计方法，以求综合优化的效果。

50 (8) 现代设计重视运用电子计算机辅助人工设
计，使设计人员从繁重的设计作业中解脱出来， 致力于创造性设计研究工作并提高作业质量。 (9)现代设计注重系统地进行概念设计，采用特 殊形式表达设计结果。

51 平的高低和系统的好坏，可从以下几个方面来分 析评价。 (1)工效实用性 一般用系统总体的技术指标的形式提出， 如产量、容量、质量、精度等。
2       系统设计方法及工程路线 2．1 系统设计的评价分析方法 机电一体化系统设计方案的可行性、设计水 平的高低和系统的好坏，可从以下几个方面来分 析评价。 (1)工效实用性 一般用系统总体的技术指标的形式提出， 如产量、容量、质量、精度等。

52 (2)系统可靠性 指系统在预定时间内在给定工作条件下，能 够满意工作的概率。对机械系统来说，目前缺乏 可靠性数据时，仍沿用以疲劳强度为基础的安全 系数来指明无限寿命或有限寿命下的安全程序。 (3)运行稳定性 当系统的输入量变化或受干扰作用时，输入 量被迫离开原先的稳定值，过渡到另一个新的

53 稳定状态的时间过程中，输入量是否发生超过规
定限度的现象，或发生非收敛性的状态，是系统 稳定或不稳定的标志。 系统稳定性的设计指标有： 过渡过程时间、超调量及振荡次数、滞后时 间及静态误差等。 (4)操作宜人性。 (5)人机安全性。

54 (6)环境完善性。 (7)技术经济性 具有两个作用：一个是评价比较一次投资变 为系统或设备时，不同实现方案的经济性；另一 个是评价比较保持系统或设备正常运行时，资源 利用的合理性和运行费用的经济性。

55 (8) 结构工艺性 系统的结构设计应当满足便于制造、施工、 加工、装配、安装、运输、维修等工艺要求。 (9)造型艺术性。 (10)成果规范化 设计结果遵从国家政治经济法规，符合国家 规定的技术规范和法令，贯彻标准制度等。 其中一些重要的评价指标应建立和运用量化 的分析方法。