第一章 机电一体化技术概论
吉林大学 机械电子工程学科
赵丁选
一、引言
? 新技术革命：以信息技术为中心, 提高工作效
率为目标 。
? 信息技术三大支柱, 即：测量与控制技术, 计
算机技术, 通信技术 。
? 在这种新技术革命的影响和冲击下, 使机电工
业发生了极大变化 。
? 定义：机械技术与微电子技术, 信息技术相结
合, 通称 "机电一体化 "。
? 例：机床, 纯机械时, 其加工精度, 加
工能力较低, 数控机床后, 使其功能增
强, 性能提高, 而且成为可以代替人工
操作的自动化机床 。
? 微电子技术与信息技术的引入, 将使机
械工业焕发青春
? 机械向机电一体化方向发展, 不但是机
械本身的需要, 而且是现代化生产装备
向大型化, 高效化方向发展的客观需要 。
? 机电一体化技术是保证科学操作和科学
管理的有效工具。
二、发展史
? 六十年代, 日本通产省为扩大机械功能, 在机
械上采用电气和电子技术, 曾结合数控机床做
过不少实验, 但末能获得成功 。
? 七十年代, 微电子技术成熟, 微机商品化, 大
规模集成电路问世, 构成微机的基本单元 CPU、
ROM,RAM和接口电路已经模块化, 自己 "制造 "
计算机成为可能 。 机电一体化得以现实 。
? 71年, 日刊工业新闻社发行, 机电一体化入门,
和, 机电一体化, 月刊, 专门刊载机电一体化
的新产品 。
? 76年, 机电一体化正式名字 "メカトロニケス
"(英文名字是 Mechatronics,是由 Mechanism
的前半部和 Electronics后半部缩合而成 ),我
国现译为 "机电一体化 "。
? 71到 78年日本政府颁发 "机电法 "和 "机信法 "，
对机电一体化的发展起到积极推动作用, 这个
时期称之为萌芽时期 。
? 八十年代, 在 "机信法 "指导下, 机电一体化的
产品如雨后春笋不断涌现, 这个时期可称之为
成长时期 。
? 九十年代，集成度提高，价格下降，机电一体
化技术在世界范围内得到迅猛发展，机电一体
化技术遍及社会各个领域。全盛时期开始。
三、现状
? 我国, 目前 "机电一体化 "技术还相当落后, 机
械系统有５万个品种, 约有２万个品种需要实
现程度不同的机电一体化 。 但是从目前生产的
机电产品来看, 实现机电一体化的还比较少 。
? 例如：国内数控机床在机床中总拥有量较少,
国外数控机床已占机床总拥有量的 30~80％ ；
国内柔性制造系统, 工业机器人等还处于研制
阶段 。
3.1 国内情况
? 国外大型电站大都已实现计算机控制, 汽车工
业已大量应用微机点火控制, 安全报警, 制动
控制等, 在这些方面我国还有较大差距, 甚至
近于空白 。
? 其它如家用电器, 电子医疗机械, 电气传动调
速系统, 低压电器, 印刷机械, 照相机械等,
国外已普遍实现了机电一体化, 我国大多还处
于起步阶段 。
? 国此在我国机电产品中实现机电一体化, 大力
推广机电一体化技术, 是我国四化建设中的一
个重要课题, 是振兴我国机电工业的一项战略
决策 。
3.2 产品范围
? 在新技术革命的浪潮中, 自动化技术已深入到
社会的各个方面, 有人称之为 "全盘自动化 "。
? 在这些自动化的系统中, 主要是由很多种机电
一体化产品所构成 。
? 从我国将要发展的机械工业产品来分析主要由
以下产品需要实现程度不同的机电一体化 。
? 具体地说，包括,
1._大型成套设备
2._数控机床
3._仪器仪表电子化
4._自动化管理系统
5._电子化量具量仪
6._工业机器人
7._电子化家用电器
8._电子化电机传动与调整系统
9._电子化电站自动装置与开关板
10._电子医疗器械
11._电子化低压电器
12._微电脑控制加热炉
13._电子控制汽车或内燃机
14._微电脑控制印刷机械
15._微电脑控制食品机械或包装机械
16._微电脑控制办公机械
17._电子式照相机
18._电子控制农业机械
19._电子控制塑料加工机械
20._电子控制电焊机
21._计算机辅助设计系统 (CAD)
22._计算机辅助制造系统 (CAM)
23._计算机集成制造系统 (CIM)
四、几个技术问题
1,机械与电子的溶合方式
2,机械电子的技术构成
3,机电一体化的效果
1,机械与电子的溶合方式
1,在机械本体上采用电子控制设备实现高性能
和多功能 。 如数控机床
2,用电子技术部分地代替原来由机械组成的控
制部分, 机械技术与电子技术最佳结合 。 如
电子照相机
3,以电子技术几乎全部代替机械式的信息处理
机构, 例如：电子表, 按扭式电话机 。
4,机械部分比较简单, 以电子部分开发为主的
电子与机械共存的产品, 使机械结构大为简
化 。 如复印机械等 。
2、机械电子的技术构成
? 机电一体化系统
的构成可以由右
图形象地表示出
来 。
? 广义构成：硬件
与软件
? 硬件：机械本体,
传感器, 信息处
理单元和驱动单
元
传感器
执行
机构
动力
人机交互设备
计算机
A、机械本体
? 为了发挥机电一体化的特长，机械本体
必须改善性能、减轻重量和提高精度。
(1)减轻重量
(2)提高刚性
(3)实现组件化, 标准化和系列化
(4)提高系统整体的可靠性
B、传感器
? 分类：检测自身内部信息传感器, 检测对象的
外部信息传感器 。 模拟系统, 数字系统 （ 包括
混合系统 ） 等 。
? 组成：由检测, 转换, 指示, 信息处理, 记录
等部分组成 。
? 传感信息方式有：光, 电, 流体, 机械等 。
? 评价指标有：功能、范围、灵敏度、分辨率、
耐环境性、抗干扰性、可靠性等。
? 传感器的问题：集中在提高可靠性, 灵敏度和
精确性方面 。 提高可靠性与抗干扰有直接关系 。
① 为了避免干扰, 目前有采用光纤电缆传感
的趋势 。
② 对外部信息传感器来说, 目前发展非接触
型检测技术 。
? 传感器向高级方向发展, 主要实现功能元件化
和智能化 。
① 所谓功能元件化, 就是用一片集成电路功
能元件, 实现传感与信息处理一体化 。
② 智能化就是发展具有自修功能的传感器。
C、信息处理技术
? 信息处理设备：包括计算机主机或可编
程控制器及其配套输入输出设备, 显示
器和外部存储器 。
? 存在问题：重量、处理速度、可靠性、
抗干扰及标准化。
D、驱动技术
? 动力源：液压, 气动, 电动三种
? 前两种驱动系统比较复杂 。 包括：泵, 阀, 油
缸 （ 气缸 ）, 过滤器, 管路等 。 目前存在着功
能, 可靠性, 标准化以及减轻重量, 减小体积
等问题 。
? 电动机作为驱动机构已被广泛采用, 但目前在
快速响应和效率等方面还存在一些问题, 不能
满足要求 。 今后有待于研制内装编码器的电动
机以及控制专用组件, 传感器, 电动机三为一
体的伺服驱动单元 。
E、接口技术
? 定义：将机电一体化产品各组成部分连
接起来的元件就是接口 。
? 接口标准化：不仅给信息传送和维修上
带来方便, 而且可以简化设计 。
? 今后方向：研制成本低、高速串行接口，
解决信号电缆非接触化，光导纤维以及
光耦合器的大容量化、小型化、标准化
等问题，积极引进光信号传输技术。
F、软件与综合技术
? 软件与硬件如同一辆车子的两个轮子, 必须协
调一致地发展, 如果失去平衡车子就无法前进 。
? 软件标准化：减少研制成本, 提高维修效率 。
包括：子程序标准化, 程序模块化, 软件程序
的固化等 。
? 应予以关注的的问题：数据库的建立, 作业描
述语言的开发, 语言理解, 文字理解软件等 。
? 机电一体化产品是一个系统, 存在着许
多综合技术问题 。 例如：
1,由机械传动零件间隙造成的精度问题；
2,机械零部件与电子元件相比响应速度慢
的问题；
3,连接电缆与接线柱的可靠性问题；
4,零件标准化、互换性、兼容性以及检测
自动化等问题。
3、机电一体化的效果
? 机电一体化的 效果：
1,功能增多,
2,体积减少,
3,重量减轻,
4,可靠性提高,
5,性能价格比大大改善 。
A、性能提高、功能增强
① 例如, 过去精密机床采用的是机械校正, 只能
校正机床的系统误差, 现在数控机床, 可克服
随机误差和系统误差, 从而可以达到前所未有
的高精度 。
② 调整切削阻尼, 减少颤振, 保证很高的生产率
与很高的加工表面光洁度 。
③ 粗加工与精加工工序集成, 深刻地改变了传统
机床的结构布局, 冲破了传统的机床按类别的
划分 。
B、结构简化
? 因采用微处理机, 集成电路, 新型传动技术,
代替电气控制柜和传动装置, 使产品体积小,
零部件数量减小, 结构简化 。 例如：
1,传统的电机控制靠用户, 而实现机电一体化
后出现了无换向器电机, 提高了电机寿命,
缩小了体积 。
2., 电脑, 电动机用单片机控制电机的功率因
素, 根据负荷情况调节施加的电压, 从而解
决了不少电气传动中的, 大马拉小车, 问题,
在空载提高效率 30~40％, 满载提高 10％ 。
3,矢量控制异步电动机，采用微型计算机
对交流异步电动机实现矢量控制，使异
步电机既具有直流电机一样的调节特性，
而且还具有结构简单、可靠、电机容量
不受限制、机械惯性小、体积小、效率
高等优点。
C、可靠性提高性
? 在电子元件质量可靠性高的前提下, 机
电一体化可以改善耐久性, 减少故障 。
? 机电一体化产品具有自动监视诊断, 安
全联锁控制, 过负荷及失控保护, 停电
对策等, 提高了安全可靠性
D、节约能源
? 机电一体化的产品, 可以节约材料, 节
约能源 。 例如：
? 我国目前各类电风扇的调整器为电磁机
械式, 如果用电子式调整器每年全国可
节约电 600万度；
? 汽油机电子点火；
? 液压挖掘机电子节能。
E、改善操作
? 机电一体化产品采用计算机控制, 具有
数字显示, 减少了操作按扭及手柄, 具
有程序控制等功能, 因而可以改善设备
操作性能, 减少训练操作人员时间 。
F,提高灵活性（柔性）
? 机电一体化产品具有更大的灵活性, 可
以适应用户多样化的要求, 是当代新技
术革命的一大趋向 。
? 例如, 柔性制造系统, 和工业机器人对
于多品种小批量生产特别能发挥它的优
越性 。
五、先进械电系统举例
? 观看录相片：
1,救火机器人系统（ PAL,5分钟）
2,机器人足球（ NTSC, 45分钟）
3,具有临场感提示的远距离操纵工程
机器人系统（ NTSC, 15分钟）
思考题
1,什么是 "机电一体化 "？ 以打夯机为例, 内含
机械与电气, 问这是不是机电一体化产品？
2,机电一体化产品由哪五部分构成？
3,机电一体化的技术构成是什么？
4,机电一体化技术中, 机与电有几种溶合方式？
5,产品实现机电一体化后, 可以取得哪些成效？
吉林大学 机械电子工程学科
赵丁选
一、引言
? 新技术革命：以信息技术为中心, 提高工作效
率为目标 。
? 信息技术三大支柱, 即：测量与控制技术, 计
算机技术, 通信技术 。
? 在这种新技术革命的影响和冲击下, 使机电工
业发生了极大变化 。
? 定义：机械技术与微电子技术, 信息技术相结
合, 通称 "机电一体化 "。
? 例：机床, 纯机械时, 其加工精度, 加
工能力较低, 数控机床后, 使其功能增
强, 性能提高, 而且成为可以代替人工
操作的自动化机床 。
? 微电子技术与信息技术的引入, 将使机
械工业焕发青春
? 机械向机电一体化方向发展, 不但是机
械本身的需要, 而且是现代化生产装备
向大型化, 高效化方向发展的客观需要 。
? 机电一体化技术是保证科学操作和科学
管理的有效工具。
二、发展史
? 六十年代, 日本通产省为扩大机械功能, 在机
械上采用电气和电子技术, 曾结合数控机床做
过不少实验, 但末能获得成功 。
? 七十年代, 微电子技术成熟, 微机商品化, 大
规模集成电路问世, 构成微机的基本单元 CPU、
ROM,RAM和接口电路已经模块化, 自己 "制造 "
计算机成为可能 。 机电一体化得以现实 。
? 71年, 日刊工业新闻社发行, 机电一体化入门,
和, 机电一体化, 月刊, 专门刊载机电一体化
的新产品 。
? 76年, 机电一体化正式名字 "メカトロニケス
"(英文名字是 Mechatronics,是由 Mechanism
的前半部和 Electronics后半部缩合而成 ),我
国现译为 "机电一体化 "。
? 71到 78年日本政府颁发 "机电法 "和 "机信法 "，
对机电一体化的发展起到积极推动作用, 这个
时期称之为萌芽时期 。
? 八十年代, 在 "机信法 "指导下, 机电一体化的
产品如雨后春笋不断涌现, 这个时期可称之为
成长时期 。
? 九十年代，集成度提高，价格下降，机电一体
化技术在世界范围内得到迅猛发展，机电一体
化技术遍及社会各个领域。全盛时期开始。
三、现状
? 我国, 目前 "机电一体化 "技术还相当落后, 机
械系统有５万个品种, 约有２万个品种需要实
现程度不同的机电一体化 。 但是从目前生产的
机电产品来看, 实现机电一体化的还比较少 。
? 例如：国内数控机床在机床中总拥有量较少,
国外数控机床已占机床总拥有量的 30~80％ ；
国内柔性制造系统, 工业机器人等还处于研制
阶段 。
3.1 国内情况
? 国外大型电站大都已实现计算机控制, 汽车工
业已大量应用微机点火控制, 安全报警, 制动
控制等, 在这些方面我国还有较大差距, 甚至
近于空白 。
? 其它如家用电器, 电子医疗机械, 电气传动调
速系统, 低压电器, 印刷机械, 照相机械等,
国外已普遍实现了机电一体化, 我国大多还处
于起步阶段 。
? 国此在我国机电产品中实现机电一体化, 大力
推广机电一体化技术, 是我国四化建设中的一
个重要课题, 是振兴我国机电工业的一项战略
决策 。
3.2 产品范围
? 在新技术革命的浪潮中, 自动化技术已深入到
社会的各个方面, 有人称之为 "全盘自动化 "。
? 在这些自动化的系统中, 主要是由很多种机电
一体化产品所构成 。
? 从我国将要发展的机械工业产品来分析主要由
以下产品需要实现程度不同的机电一体化 。
? 具体地说，包括,
1._大型成套设备
2._数控机床
3._仪器仪表电子化
4._自动化管理系统
5._电子化量具量仪
6._工业机器人
7._电子化家用电器
8._电子化电机传动与调整系统
9._电子化电站自动装置与开关板
10._电子医疗器械
11._电子化低压电器
12._微电脑控制加热炉
13._电子控制汽车或内燃机
14._微电脑控制印刷机械
15._微电脑控制食品机械或包装机械
16._微电脑控制办公机械
17._电子式照相机
18._电子控制农业机械
19._电子控制塑料加工机械
20._电子控制电焊机
21._计算机辅助设计系统 (CAD)
22._计算机辅助制造系统 (CAM)
23._计算机集成制造系统 (CIM)
四、几个技术问题
1,机械与电子的溶合方式
2,机械电子的技术构成
3,机电一体化的效果
1,机械与电子的溶合方式
1,在机械本体上采用电子控制设备实现高性能
和多功能 。 如数控机床
2,用电子技术部分地代替原来由机械组成的控
制部分, 机械技术与电子技术最佳结合 。 如
电子照相机
3,以电子技术几乎全部代替机械式的信息处理
机构, 例如：电子表, 按扭式电话机 。
4,机械部分比较简单, 以电子部分开发为主的
电子与机械共存的产品, 使机械结构大为简
化 。 如复印机械等 。
2、机械电子的技术构成
? 机电一体化系统
的构成可以由右
图形象地表示出
来 。
? 广义构成：硬件
与软件
? 硬件：机械本体,
传感器, 信息处
理单元和驱动单
元
传感器
执行
机构
动力
人机交互设备
计算机
A、机械本体
? 为了发挥机电一体化的特长，机械本体
必须改善性能、减轻重量和提高精度。
(1)减轻重量
(2)提高刚性
(3)实现组件化, 标准化和系列化
(4)提高系统整体的可靠性
B、传感器
? 分类：检测自身内部信息传感器, 检测对象的
外部信息传感器 。 模拟系统, 数字系统 （ 包括
混合系统 ） 等 。
? 组成：由检测, 转换, 指示, 信息处理, 记录
等部分组成 。
? 传感信息方式有：光, 电, 流体, 机械等 。
? 评价指标有：功能、范围、灵敏度、分辨率、
耐环境性、抗干扰性、可靠性等。
? 传感器的问题：集中在提高可靠性, 灵敏度和
精确性方面 。 提高可靠性与抗干扰有直接关系 。
① 为了避免干扰, 目前有采用光纤电缆传感
的趋势 。
② 对外部信息传感器来说, 目前发展非接触
型检测技术 。
? 传感器向高级方向发展, 主要实现功能元件化
和智能化 。
① 所谓功能元件化, 就是用一片集成电路功
能元件, 实现传感与信息处理一体化 。
② 智能化就是发展具有自修功能的传感器。
C、信息处理技术
? 信息处理设备：包括计算机主机或可编
程控制器及其配套输入输出设备, 显示
器和外部存储器 。
? 存在问题：重量、处理速度、可靠性、
抗干扰及标准化。
D、驱动技术
? 动力源：液压, 气动, 电动三种
? 前两种驱动系统比较复杂 。 包括：泵, 阀, 油
缸 （ 气缸 ）, 过滤器, 管路等 。 目前存在着功
能, 可靠性, 标准化以及减轻重量, 减小体积
等问题 。
? 电动机作为驱动机构已被广泛采用, 但目前在
快速响应和效率等方面还存在一些问题, 不能
满足要求 。 今后有待于研制内装编码器的电动
机以及控制专用组件, 传感器, 电动机三为一
体的伺服驱动单元 。
E、接口技术
? 定义：将机电一体化产品各组成部分连
接起来的元件就是接口 。
? 接口标准化：不仅给信息传送和维修上
带来方便, 而且可以简化设计 。
? 今后方向：研制成本低、高速串行接口，
解决信号电缆非接触化，光导纤维以及
光耦合器的大容量化、小型化、标准化
等问题，积极引进光信号传输技术。
F、软件与综合技术
? 软件与硬件如同一辆车子的两个轮子, 必须协
调一致地发展, 如果失去平衡车子就无法前进 。
? 软件标准化：减少研制成本, 提高维修效率 。
包括：子程序标准化, 程序模块化, 软件程序
的固化等 。
? 应予以关注的的问题：数据库的建立, 作业描
述语言的开发, 语言理解, 文字理解软件等 。
? 机电一体化产品是一个系统, 存在着许
多综合技术问题 。 例如：
1,由机械传动零件间隙造成的精度问题；
2,机械零部件与电子元件相比响应速度慢
的问题；
3,连接电缆与接线柱的可靠性问题；
4,零件标准化、互换性、兼容性以及检测
自动化等问题。
3、机电一体化的效果
? 机电一体化的 效果：
1,功能增多,
2,体积减少,
3,重量减轻,
4,可靠性提高,
5,性能价格比大大改善 。
A、性能提高、功能增强
① 例如, 过去精密机床采用的是机械校正, 只能
校正机床的系统误差, 现在数控机床, 可克服
随机误差和系统误差, 从而可以达到前所未有
的高精度 。
② 调整切削阻尼, 减少颤振, 保证很高的生产率
与很高的加工表面光洁度 。
③ 粗加工与精加工工序集成, 深刻地改变了传统
机床的结构布局, 冲破了传统的机床按类别的
划分 。
B、结构简化
? 因采用微处理机, 集成电路, 新型传动技术,
代替电气控制柜和传动装置, 使产品体积小,
零部件数量减小, 结构简化 。 例如：
1,传统的电机控制靠用户, 而实现机电一体化
后出现了无换向器电机, 提高了电机寿命,
缩小了体积 。
2., 电脑, 电动机用单片机控制电机的功率因
素, 根据负荷情况调节施加的电压, 从而解
决了不少电气传动中的, 大马拉小车, 问题,
在空载提高效率 30~40％, 满载提高 10％ 。
3,矢量控制异步电动机，采用微型计算机
对交流异步电动机实现矢量控制，使异
步电机既具有直流电机一样的调节特性，
而且还具有结构简单、可靠、电机容量
不受限制、机械惯性小、体积小、效率
高等优点。
C、可靠性提高性
? 在电子元件质量可靠性高的前提下, 机
电一体化可以改善耐久性, 减少故障 。
? 机电一体化产品具有自动监视诊断, 安
全联锁控制, 过负荷及失控保护, 停电
对策等, 提高了安全可靠性
D、节约能源
? 机电一体化的产品, 可以节约材料, 节
约能源 。 例如：
? 我国目前各类电风扇的调整器为电磁机
械式, 如果用电子式调整器每年全国可
节约电 600万度；
? 汽油机电子点火；
? 液压挖掘机电子节能。
E、改善操作
? 机电一体化产品采用计算机控制, 具有
数字显示, 减少了操作按扭及手柄, 具
有程序控制等功能, 因而可以改善设备
操作性能, 减少训练操作人员时间 。
F,提高灵活性（柔性）
? 机电一体化产品具有更大的灵活性, 可
以适应用户多样化的要求, 是当代新技
术革命的一大趋向 。
? 例如, 柔性制造系统, 和工业机器人对
于多品种小批量生产特别能发挥它的优
越性 。
五、先进械电系统举例
? 观看录相片：
1,救火机器人系统（ PAL,5分钟）
2,机器人足球（ NTSC, 45分钟）
3,具有临场感提示的远距离操纵工程
机器人系统（ NTSC, 15分钟）
思考题
1,什么是 "机电一体化 "？ 以打夯机为例, 内含
机械与电气, 问这是不是机电一体化产品？
2,机电一体化产品由哪五部分构成？
3,机电一体化的技术构成是什么？
4,机电一体化技术中, 机与电有几种溶合方式？
5,产品实现机电一体化后, 可以取得哪些成效？
