機械電子工程概述

王軫　張浩田　仝義鑫

摘 要：機械電子工程是20世紀70年代由日本提出的用于描述機械工程和電子工程一體化的一個技術術語。機械電子成為了一門新興的學科也僅僅始于20世紀80年代。近些年來，由于以信息處理為核心的人工智能技術的滲透，機械電子工程在傳統機械系統動力傳遞和機構連接的基礎上，更強調了信息的連接和驅動作用，并逐步向智能方向發展，已經逐漸成為機械工程的重要研究領域和技術革命的前沿方向。機械電子工程學科已經發展成為一門集機械、電子、控制、信息、計算機為一體的工程技術學科。

關鍵詞：機械電子工程；傳感器和轉換器；測量系統

1 機械電子工程的概念

機械電子工程是20世紀70年代由日本提出的用于描述機械工程和電子工程一體化的一個技術術語。這個詞的英文名字是取機械學的前半部分和電子學的后半部分組合而成的。

在工業發達國家，人們已經意識到，未來的工業系統，尤其是先進的機電系統的設計，制造和運行，將屬于那些懂得怎么樣去優化機械和電子系統之間聯系的人，在這些系統中，信息將起著至關重要的作用；人工智能、專家系統、智能機器人將構成未來機械電子系統的驅動、監測、控制、和診斷的主導技術。

機械電子工程的本質是：機械與電子技術的規劃應用和有效的結合，以構成一個最優的產品或系統。在激烈競爭的環境中，只有將電子學和機械工程有效的結合在一起生產出來的產品才更具有競爭力。

2 機械電子工程的應用

在制造業的廣大領域中，采用機械電子方法設計的優點是：制造系統的結構易于改變，且產品的質量可以順利的上升檔次。日本人認為產品革新的未來屬于那些能將電子系統和機械系統有機結合在一起的人，并已經在這些方面取得了卓有成效。日本的公司充分考慮市場需求，將機械電子方法用于高速紡織機械、計量和監測系統以及諸如集成電路自動檢測等具有特殊用途的機械的設計中，并開創了新的局面。機械電子工程在產品中的應用從目前情況來看，有以下兩類產品：1將現有產品進行機械電子改造以提高其性能；2用機械電子方法設計開發全新的產品。

3 機械電子工程的設計

在工程設計中，機械電子方法能將系統的大量材料和信息集中起來，使系統具有更高的性能、更強的靈活性。因此，要做到萬無一失，機械電子工程的設計必須包括初步設計和具體設計兩個階段。用機械電子方法進行工程設計的核心是將電子技術和計算機技術與機械系統有機的結合在一起。對現有產品或系統，也常用機械電子方法來改善其性能。工程設計的機械電子方法與系統結構的配置有關，在這種方法中，可以實現各種技術的集成，并對其進行評估。為達到這個目的，通常采用一種基于信息的自頂向下策略，就可以將系統分解成一些模塊。例如：環境模塊、裝配模塊、測量模塊、通訊模塊、處理器模塊、軟件模塊、執行模塊、界面模塊等。從初級階段的概念來說，在每一階段都定義其下一級的模塊子集，最終，整個系統中的每個部件的設計，都可以從該部件與其他部件的相關處著手。

4 測量系統

測量系統的任務是獲取機械電子系統中需要的各種狀態信息，并根據這些信息來控制系統的運行。將傳感器配合某些特定功能的電路，可以構成一個測量系統。在測量系統中，由于測量的范圍不同，并且測量系統的任一環節都可能存在內部的噪音或者外界的干擾，使測量系統的性能受到影響，因此也需要一些指標來表示測量系統的性能如：精度、穩定性、輸入輸出特性等等。對于測量系統的設計來說，機械電子系統中的測量系統大多是自動測量系統，他爸檢測、數據處理、故障診斷和報警、校驗等技術結合在一起。往往是多個敏感器件、多路信號有機的構成一個測量系統，而不是若干臺儀器儀表的簡單合并。簡單系統往往采用直接連接。通用總線系統主要用于計算機和各種常規外部設備及I/O部件，構成通用計算機系統。測量系統的設計是為了保證能夠得到所需要的信息，因此測量系統是設計中的一個重要環節。

5 傳感器和轉換器

在很多測量系統中，傳感器和轉換器都是用來提供系統狀態信息的。傳感器是在測量系統中，對所測物理參數發生響應的器件。轉換器是能吧信息和能量從系統某一部分傳送到系統另一部分的器件。在傳送過程中的同時，能量形式也可能發生變化。在使用時通常不作區分。其分類可按功能分為：位移、速度、加速度、幾何量、質量、力、等等。根據性能分：可以用精度、穩定性、線性度、靈敏度、量程等靜態性能和響應特性的動態指標來評估。根據輸出信號分：模擬量輸出、數字量輸出、頻率輸出、代碼輸出等等。在選用傳感器或轉換器時，用什么樣的輸出信號形式并不重要，因為用模/數轉換器和數模轉換器都可以獲得多需形式。重要的是測量元件的功能和系統的總體性能指標必須滿足需求。

6 微處理器

控制和信息處理是機械電子系統兩種主要功能，期通常是由微處理器系統實現的。去其他控制和處理方式相比，微處理器有許多優勢，其中最重要的是如下機電：1可存儲、可編程控制2數字處理3工作速度4設計的靈活性5集成化6費用低。對于嵌入式微機系統的設計方法有：1基于模板的設計2基于模塊的設計3基于芯片的設計。

參考文獻

[1]蔡自興，智能控制基礎與應用，國防工業出版社，1998

[2]何希才，傳感器及其應用，國防大學出版社，2001

[3]白井良明，機器人工程，王棣棠等譯，科學出版社，2001