1.机电一体化系统的功能组成传统的机械产品主要是解决物质流和能量流的问题，而机电一体化产品除了解决物质流和能量流之外，还要解决信息流的问题。如图1—1所示

　　机电一体化系统的主要功能就是对输入的物质、能量与信息(即所谓工业三大要素)按照要求进行处理．输出具有所需要特性的物质、能量与信息。

　　系统的主功能包括3个目的功能：①变换(加工、处理)功能；②传递(移动、输送)功能；③储存(保持、积蓄、记录)功能。主功能是系统的主要特征部分，是实现系统目的功能直接必需的功能，主要是对物质、能量、信息或其相互结合进行变换、传递和存储。

　　以物料搬运、加工为主，输人物质(原料、毛坯等)、步进电机能量(电能、液能、气能等)和信息(操作及控制指令等)，经过加工处理，主要输出改变了位置和形态的物质的系统(或产品)，称为加工机，如各种机床设、交通运输机械、食品加工机械、起重机械、纺织机械、印刷机械、轻工机械等。

　　以能量转换为主，输入能量(或物质)和信息，输出不同能量(或物质)的系统(或产品)，称为动力机，其中输出机械能的为原动机，如电动机、水轮机、内燃机等。

　　以信息处理为主，输入信息和能量，主要输出某种信息(如数据、图像、文字、声音等)的系统(或产品)，称为信息机，如各种仪器、仪表、计算机、传真机以及各种办公设等。

　　机电一体化系统除了具上述必需的主功能外，还应具图1—2所示的其他内部功能，即动力功能、检测功能、控制功能、构造功能。动力功能是向系统提供动力，让系统得以运转的功能；检测功能和控期功能是解决各种信息的获取、传输、处理和利用，从而能够根据系统内部信息和外部信息对整个系统进行操作控制，使系统正常运转、实施目的的功能。构造功能则是使构成系统的子系统及元、部件维持所定的时间和空间上的相互关系所必需的功能。从系统的输入／输出来看，除有主功能的输入／输出之外，还需要有动力输入和控制信息的输入／输出。此外，还有因外部环境引起的干扰输入以及非目的性输出(如废弃物等)，这些都是系统设计时应当考虑的。例如汽车的废气和噪声对外部环境的影响，从系统设计开始就应该给予考虑。

　　上述抽象的功能构成原理，既有利于设计或分析各种机电一体化系统或产品，又有利于开拓思路，便于创造发明。例如，根据3种不同的主功能及其不同的输入，组合起来可形成9大类型的系统或产品，但不一定都是机电一体化的产品，见表1—1。

　　此外，对于不同主功能的加工机构，其运动方式不同，也可构成不同用途的机械。例如，金属切削机床是根据工件与刀具相对运动产生切削作用的原理来进行的。工件与刀具的运动方式不同，可制成不同用途的机床。

　　对于现有的机电一体化系统，可以利用功能原理图来进行研究分析。图1-3是cnc数控机床的功能原理构成实例。步进电机由于未指明主功能的加工机构，它代表了具有相同主功能及控制功能的一大类型机电一体化系统，诸如金属切削数控机床、电加工数控机床、激光加工数控机床以及冲压加工数控机床等。显然，由于主功能的具体加工机构不同，其他功能的具体装置也会有差别，但其本质是数控加工机床。

　　从机电一体化系统的功能来看，人体是机电一体化系统完美的参照物。如图1．4a所示，

　　构成人体的五大要素分别是头脑、感官(眼、耳、鼻、舌、皮肤)、四肢、内脏及躯干。相应的功能如图1—4b所示，内脏提供人体所需要的能量(动力)及各种激素，维持人体活动；头脑处理各种信息并对其他要素实施控制；感官获取外界信息；四肢执行动作；躯干的功能是把人体各要素有机地联系为一体。通过类比就可发现，机电一体化系统内部的五大功能与人体的上述功能几乎是一样的，而实现各功能的相应构成要素如图1．4c所示。机电一体化系统五大要素实例如图1-5所示。

　　表1—2给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。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)机械本体用于支撑和连接其他要素，并把这些要素合理地结合起来，形成有机的整体，机电一体化技术应用范围很广，其产品及装置的种类繁多，但都离不开机械本体。

　　例如，机器人和数控机床的本体是机身和床身；指针式电子手表的本体是表壳。因此，机械本体是机电一体化系统必要的组成部分。没有它，系统的各部件就支离破碎，无法构成具有特定功能的机电一体化产品或装置。

　　(2) 动力系统按照系统控制要求，为机电一体化产品提供能量和动力功能，去驱动执行机构工作以完成预定的主功能。动力系统包括电、液、气等多种动力源。

　　(3)传感与检测系统将机电一体化产品在运行过程中所需要的自身和外界环境的各种参数及状态转换成可以测定的物理量，同时利用检测系统的功能对这些物理量进行测定，为机电一体化产品提供运行控制所需的各种信息。传感与检测系统的功能一般由传感器或仪表来实现，对其要求是体积小、便于安装与连接、检测精度高、抗干扰及控制性能好等。

　　(4)信息处理及控制系统 根据机电一体化产品的功能和性能要求，步进电机信息处理及控制系统接收传感与检测系统反馈的信息，并对其进行相应的处理、运算和决策，以对产品的运行施以按照要求的控制，实现控制功能。机电一体化产品中，信息处理及控制系统主要是由计算机的硬件和软件以及相应的接口所组成。硬件一般包括输入／输出设、显示器、可编程序控制器和数控装置。机电一体化产品要求信息处理速度高，a／d和d／a转换及分时处理时的输)v／输出可靠、精度高，系统的抗干扰能力强。

　　(5)执行部件在控制信息的作用下完成要求的动作，实现产品的主功能。执行部件一般是运动部件，常采用机械、电液、气动等机构。执行机构因机电一体化产品的种类和作业对象不同而有较大的差异。执行机构是实现产品目的功能的直接执行者，其性能好坏决定着整个产品的性能，因而是机电一体化产品中重要的组成部分。

　　机电一体化产品的5个组成部分在工作时相互协调，共同完成所规定的目的功能。在结构上，各组成部分通过各种接口及其相应的软件有机地结合在一起，构成一个内部匹配合理、外部效能的完整产品。

　　实际上，机电一体化系统是比较复杂的，有时某些构成要素是复合在一起的。首先应该指出的是，构成机电一体化系统的几个部分并不是并列的。其中机械部分是主体，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，机械已退居于次要地位，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和电器控制，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，其他技术则根据需要进行结合，可以是一种，也可以是多种。

　　综上所述，可以概括出以下几点共识：①机电一体化是一种以产品和过程为基础的技术；②机电一体化以机械为主体；③机电一体化以微电子技术，特别是计算机控制技术为核心；④机电一体化将工业产品和过程都作为一个完整的系统看待，因此强调各种技术的协同和集成，不是将各个单元或部件简单拼凑到一起；⑤机电一体化贯穿于设计和制造的全过程中。
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