机械电子工程概述

王轸　张浩田　仝义鑫

摘 要：机械电子工程是20世纪70年代由日本提出的用于描述机械工程和电子工程一体化的一个技术术语。机械电子成为了一门新兴的学科也仅仅始于20世纪80年代。近些年来，由于以信息处理为核心的人工智能技术的渗透，机械电子工程在传统机械系统动力传递和机构连接的基础上，更强调了信息的连接和驱动作用，并逐步向智能方向发展，已经逐渐成为机械工程的重要研究领域和技术革命的前沿方向。机械电子工程学科已经发展成为一门集机械、电子、控制、信息、计算机为一体的工程技术学科。

关键词：机械电子工程；传感器和转换器；测量系统

1 机械电子工程的概念

机械电子工程是20世纪70年代由日本提出的用于描述机械工程和电子工程一体化的一个技术术语。这个词的英文名字是取機械学的前半部分和电子学的后半部分组合而成的。

在工业发达国家，人们已经意识到，未来的工业系统，尤其是先进的机电系统的设计，制造和运行，将属于那些懂得怎么样去优化机械和电子系统之间联系的人，在这些系统中，信息将起着至关重要的作用；人工智能、专家系统、智能机器人将构成未来机械电子系统的驱动、监测、控制、和诊断的主导技术。

机械电子工程的本质是：机械与电子技术的规划应用和有效的结合，以构成一个最优的产品或系统。在激烈竞争的环境中，只有将电子学和机械工程有效的结合在一起生产出来的产品才更具有竞争力。

2 机械电子工程的应用

在制造业的广大领域中，采用机械电子方法设计的优点是：制造系统的结构易于改变，且产品的质量可以顺利的上升档次。日本人认为产品革新的未来属于那些能将电子系统和机械系统有机结合在一起的人，并已经在这些方面取得了卓有成效。日本的公司充分考虑市场需求，将机械电子方法用于高速纺织机械、计量和监测系统以及诸如集成电路自动检测等具有特殊用途的机械的设计中，并开创了新的局面。机械电子工程在产品中的应用从目前情况来看，有以下两类产品：1将现有产品进行机械电子改造以提高其性能；2用机械电子方法设计开发全新的产品。

3 机械电子工程的设计

在工程设计中，机械电子方法能将系统的大量材料和信息集中起来，使系统具有更高的性能、更强的灵活性。因此，要做到万无一失，机械电子工程的设计必须包括初步设计和具体设计两个阶段。用机械电子方法进行工程设计的核心是将电子技术和计算机技术与机械系统有机的结合在一起。对现有产品或系统，也常用机械电子方法来改善其性能。工程设计的机械电子方法与系统结构的配置有关，在这种方法中，可以实现各种技术的集成，并对其进行评估。为达到这个目的，通常采用一种基于信息的自顶向下策略，就可以将系统分解成一些模块。例如：环境模块、装配模块、测量模块、通讯模块、处理器模块、软件模块、执行模块、界面模块等。从初级阶段的概念来说，在每一阶段都定义其下一级的模块子集，最终，整个系统中的每个部件的设计，都可以从该部件与其他部件的相关处着手。

4 测量系统

测量系统的任务是获取机械电子系统中需要的各种状态信息，并根据这些信息来控制系统的运行。将传感器配合某些特定功能的电路，可以构成一个测量系统。在测量系统中，由于测量的范围不同，并且测量系统的任一环节都可能存在内部的噪音或者外界的干扰，使测量系统的性能受到影响，因此也需要一些指标来表示测量系统的性能如：精度、稳定性、输入输出特性等等。对于测量系统的设计来说，机械电子系统中的测量系统大多是自动测量系统，他爸检测、数据处理、故障诊断和报警、校验等技术结合在一起。往往是多个敏感器件、多路信号有机的构成一个测量系统，而不是若干台仪器仪表的简单合并。简单系统往往采用直接连接。通用总线系统主要用于计算机和各种常规外部设备及I/O部件，构成通用计算机系统。测量系统的设计是为了保证能够得到所需要的信息，因此测量系统是设计中的一个重要环节。

5 传感器和转换器

在很多测量系统中，传感器和转换器都是用来提供系统状态信息的。传感器是在测量系统中，对所测物理参数发生响应的器件。转换器是能吧信息和能量从系统某一部分传送到系统另一部分的器件。在传送过程中的同时，能量形式也可能发生变化。在使用时通常不作区分。其分类可按功能分为：位移、速度、加速度、几何量、质量、力、等等。根据性能分：可以用精度、稳定性、线性度、灵敏度、量程等静态性能和响应特性的动态指标来评估。根据输出信号分：模拟量输出、数字量输出、频率输出、代码输出等等。在选用传感器或转换器时，用什么样的输出信号形式并不重要，因为用模/数转换器和数模转换器都可以获得多需形式。重要的是测量元件的功能和系统的总体性能指标必须满足需求。

6 微处理器

控制和信息处理是机械电子系统两种主要功能，期通常是由微处理器系统实现的。去其他控制和处理方式相比，微处理器有许多优势，其中最重要的是如下机电：1可存储、可编程控制2数字处理3工作速度4设计的灵活性5集成化6费用低。对于嵌入式微机系统的设计方法有：1基于模板的设计2基于模块的设计3基于芯片的设计。

参考文献

[1]蔡自兴，智能控制基础与应用，国防工业出版社，1998

[2]何希才，传感器及其应用，国防大学出版社，2001

[3]白井良明，机器人工程，王棣棠等译，科学出版社，2001