機電一體化專業(yè)

1、試論機電一體化及專業(yè)課程設置鮑加農(nóng)（海鹽縣職業(yè)教育成人教育中心，浙江 海鹽 314300）提要機電一體化是一門新興的綜合性跨學科邊緣科學，它由微電子技術、計算機科學、電力電子技術、機械工程等學科相互滲透而成。本文闡述了機電一體化的基本概念，分析了機電一體化的結構要素和技術基礎，介紹了機電一體化所涉及的諸多學科領域，并在此基礎上提出了中高職“3+2”五年一貫制機電一體化專業(yè)在中等職業(yè)學校的課程設置方案。關鍵詞機電一體化 結構要素 技術基礎 課程設置隨著科學技術的不斷發(fā)展，特別是微電子技術、計算機技術的迅速發(fā)展，促進了各學科多種技術間的有機結合，從而產(chǎn)生了許多綜合性的邊緣學科。機電一體化正是微電子

2、技術、計算機技術等向機電技術不斷滲透的產(chǎn)物，是機電工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。從機電技術發(fā)展的情況看，不論是生產(chǎn)制造系統(tǒng)還是試驗和研究裝置及各類終端產(chǎn)品，電子技術取代了許多機械本身的主要功能，電子元件代替了許多機械式的信息處理機構和控制機構，同時采用微電子技術增加了許多控制功能，如采用可編程序控制器代替原來的繼電器接觸器控制電路，在空調機、洗衣機等家電產(chǎn)品中逐步采用交流變頻調速系統(tǒng)、模糊技術等，及利用CPU控制伺服系統(tǒng)等等。所以我們學習、研究、傳授電子電工技術，如果還停留在原有的單一的學科領域內，必然會導致知識結構的狹窄，從而不能滿足技術進步帶來的對人才的需求。筆者認為，電子電工專業(yè)的發(fā)展方向是機電一

3、體化。何為機電一體化？機電一體化所包含的學科范疇，它的技術基礎和結構要素是什么？我們中等職業(yè)學校機電一體化專業(yè)應涵蓋那些學科領域，開設那些課程？這正是本文所要研究和闡述的內容。1、機電一體化的基本概念“機電一體化”這個名詞出現(xiàn)于20世紀70年代，日本從1971年開始提出了“mechatronics”這個英語合成名詞，其中詞首mecha表示mechanics（機械學），詞尾tronics表示electronics（電子學）。我國通常譯為機電一體化或機械電子學。關于這個名詞，如果從現(xiàn)代機械產(chǎn)品或技術角度上看，日本機械振興協(xié)會經(jīng)濟研究所于1981年3月在“日本機械工業(yè)的存在條件（）機械工業(yè)和電子化”

4、報告中提出的定義體現(xiàn)了機電一體化產(chǎn)品及其技術的基本內容和特征，即“機電一體化這個詞乃是在機械主功能、動力動能、信息處理與控制功能上引進了電子技術，并將機械裝置與電子設備以及軟件等有機結合起來而構成系統(tǒng)的總稱”。“機電一體化”包含有兩個含義：“機電一體化技術”和“機電一體化產(chǎn)品”。毫無疑問，機電一體化技術是微電技術、計算機技術、信息技術與機械技術相結合而產(chǎn)生的新的思想方法和技術手段，它不是簡單的疊加，而是在信息論、控制論和系統(tǒng)論基礎上建立起來的應用技術。例如機器中的精密定位，在機械技術中只能通過提高齒輪和絲桿螺母等傳動機構的加工和安裝精度來實現(xiàn)，其實際定位精度則利用傳感器進行檢測。定位精度的提高

5、，受到機械傳動機構精度的限制。采用機電一體化技術，就可利用傳感器對定位過程和定位誤差進行動態(tài)檢測，把這個信息反饋到具有信息處理功能的控制器，再利用控制手段對定位誤差進行“修正”或“外償”，從而達到提高定位精度的目的。機電一體化技術用于傳統(tǒng)的機械產(chǎn)品上就變成了機電一體化的產(chǎn)品。機電一體化產(chǎn)品既不同于傳統(tǒng)的機械產(chǎn)品，也不同于普通的電子產(chǎn)品，它是機械與微電子器件，特別是與微處理器或微機相結合而開發(fā)出來的新一代機電一體化產(chǎn)品。隨著科學技術的發(fā)展，機電一體化的“機”目前正擴大到電機、電器、儀表、樂器，如交流變頻調速。“電”也擴大到了光，如紅外、激光。而且機電一體化的概念并非局限于某一產(chǎn)品的狹窄范圍，如數(shù)

6、控機床，機器人等，現(xiàn)已擴大到柔性制造系統(tǒng)（FMS）、計算機輔助設計制造系統(tǒng)（CADCAM）及計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）?，F(xiàn)將機電一體化技術與機電一體化產(chǎn)品進行展開，如圖1。機 電 一 體 化 微電子技術 主體技術 信息技術 采 信 運 數(shù) 精 電 儀 系 數(shù) 診 優(yōu) 樣 息 算 模 密 氣 器 統(tǒng) 學 斷 化 記 交 處 控 機 傳 儀 識 建 分 決 憶 換 理 制 械 動 表 別 模 析 策 信 息 庫 常規(guī)控制 知 識 庫組 合 技 術（控制論、信息論、系統(tǒng)論的理論與方法）產(chǎn)品化 及 商品化 裝置型 人機工程 系統(tǒng)型 仿生工程 加工中心 工業(yè)機器人 綜合自動化 數(shù)控專用設備 大型成套

7、設備生產(chǎn)過程控制與管理（信息流優(yōu)化處理，物質流最佳控制） 圖1 機電一體化技術與產(chǎn)品展開圖所以，機電一體化是在大規(guī)模集成電路和微型計算機為代表的微電子技術高度發(fā)展，向傳統(tǒng)機械工業(yè)領域迅速滲透，機械電子技術深度結合的現(xiàn)代工業(yè)基礎上，綜合應用機械技術、微電子技術、自動控制技術、信息技術、傳感測試技術、電力電子技術、接口技術、信號變換技術以及軟件編程技術等群體技術，根據(jù)系統(tǒng)功能目標和優(yōu)化組織結構目標，合理配置布局機械本體、執(zhí)行機構、動力驅動單元、傳感測試元件、控制元件、微電子信息接收、分析、加工、處理、生產(chǎn)、傳輸單元和線路以及銜接接口元件等硬件元素，并使之在軟件程序和微電子電路邏輯的有目的的信息流向

8、導引下，相互協(xié)調、有機融合和集成，形成物質和能量的有序規(guī)則運動，在高功能、高質量、高可靠性、低能耗的意義上實現(xiàn)特定功能價值的系統(tǒng)工程技術。由此而產(chǎn)生的功能系統(tǒng)則成為一個以微電子技術為主導的現(xiàn)代高新技術支持下的機電一體化系統(tǒng)或機電一體化產(chǎn)品。2、機電一體化的結構要素機電一體化的結構要素很多，但歸納起來，有五大要素是必需的，如圖二所示，這是與人體的五大要素進行對比，而從中得到啟發(fā)的。 內臟 動力 五官 頭腦 四肢 檢測 控制 動作 肌、筋、腱、骨骼 構造圖21 人體的五大要素 圖22 人體五大要素的功能 動力 運轉 傳感器 計算機 執(zhí)行機構 檢測 控制 驅動 機械機構 結構 圖23機電一體化系統(tǒng)的

9、五大要素 圖24機電一體化的五大功能機電一體化的動力部分，就像人體內臟產(chǎn)生能量去維持生命運動一樣，為系統(tǒng)提供能量和動力功能，去驅動執(zhí)行機構，使系統(tǒng)正常運轉。傳感部分，仿佛是人的五官將檢測到的信息傳遞給大腦，再由大腦作出相應的反應一樣，其功能就是將系統(tǒng)運行中所需要的各種參數(shù)及狀況檢測出來，變成一種可以測定的物理量，傳遞到信息處理部分，經(jīng)過處理后根據(jù)需要作出“反應”。驅動部分，就像人體的肌、筋、腱、骨骼接受大腦指揮去驅動四肢運動一樣，在控制部分的指揮下，去驅動各執(zhí)行機構完成各種動作和功能。執(zhí)行部分如同人的四肢由大腦指揮去完成每項任務和工作一樣，當接到信息處理部分發(fā)出的指令后，便去執(zhí)行指令所要求的功

10、能和動作?？刂坪托畔⑻幚聿糠知q如人的大腦指揮和控制全身運動并能記憶、思考和判斷問題那樣，將來自各傳感器的檢測信息集中、儲存并進行處理，然后按照一定的程序和節(jié)奏發(fā)出各種指令去指揮和控制整個系統(tǒng)的運行。3、機電一體化的技術基礎3.1機械技術機械技術是機電一體化的基礎，它對系統(tǒng)的結構、重量、體積、剛性與耐用性等有著重要的影響，機械結構的合理性與控制的復雜程度有直接關系，從而也影響了系統(tǒng)的性能和可靠性。機械技術的著眼點在于如何與機電一體化技術相適應，利用其他高新技術來更新概念，實現(xiàn)結構上、材料上、性能上的變更，滿足減少重量、減少體積、提高精度、提高剛性、改善性能的要求。3.2計算機與信息處理技術信息處

11、理技術包括信息的輸入、交換、運算、存儲和輸出技術。信息處理的硬件應包括有輸入輸出設備、顯示器、硬盤、計算機、可編程序控制器和數(shù)控裝置等。信息處理的能力和水平（正確性、及時性），直接影響機電一體化的質量和效率，因而成為機電一體化的關鍵技術。在信息交換、存取、運算、判斷和決策中，處理工具是計算機，因此信息處理技術和計算機技術是密切相關的。計算機技術包括硬件技術、軟件技術、網(wǎng)絡與通訊技術、數(shù)據(jù)庫技術等。3.3系統(tǒng)技術系統(tǒng)技術就是以整體的概念組織應用各種相關技術，從全局角度和系統(tǒng)目標出發(fā)，將總體分解成相互有聯(lián)系的若干功能單元，以功能單元為子系統(tǒng)進行再次分解，或成為功能更單一、更具體的子功能單元。這些子

12、功能單元同樣可以繼續(xù)逐層分解，直到能夠找出一個可以實現(xiàn)的技術方案。在系統(tǒng)技術中，接口技術是一個重要方面，它是實現(xiàn)系統(tǒng)各部分有機連接的保證。接口包括電氣接口，實現(xiàn)系統(tǒng)間電氣信號連接；機械接口，完成機械間的連接；人機接口，提供人與機電一體化系統(tǒng)間的交互界面等等。3.4自動控制技術在機電一體化系統(tǒng)中，自動控制包括高精度定位控制、速度控制、自適應、自診斷、校正、補償、再現(xiàn)、檢索等。由于微機的廣泛應用，自動控制技術越來越多地與計算機技術聯(lián)系在一起，成為機電一體化中十分重要的關鍵技術。3.5傳感與檢測技術傳感與檢測裝置與信息系統(tǒng)輸入端相聯(lián)并將檢測到的信號輸送到信息處理部分。傳感與檢測是實現(xiàn)自動控制的關鍵環(huán)

13、節(jié)，它的功能越強，系統(tǒng)的自動化程度就越高。在傳感與檢測技術中，要求傳感器及其放大處理電路能快速、精確地獲取信息，并能經(jīng)受各種工種中的嚴酷環(huán)境的考驗。傳感與檢測技術不僅是發(fā)展機電一體化技術的關鍵，而且對現(xiàn)有技術的改造也具有重要意義。3.6伺服傳動技術伺服傳動包括電動、氣動、液壓等各種類型的傳動裝置，由微型計算機通過接口與這些傳動裝置相連接，控制它的運動，并帶動工作機械做回轉、直線或其他各種復雜的運動。因此，伺服傳動是實現(xiàn)電信號到機械動作轉換的轉換裝置與部件，對系統(tǒng)的動態(tài)性能、控制質量和功能具有決定性的影響。伺服傳動技術的發(fā)展，為機電一體化提供了小型號、大功率、高精度、使用簡便的操作執(zhí)行部件，極大

14、地推進了機電一體化技術的發(fā)展。4、機電一體化的學科領域機電一體化技術是一門跨學科的綜合性邊緣科學，是由近年來蓬勃發(fā)展的微電子技術、計算機科學、機械工程和電力電子技術互相滲透而成的一門新興學科，是在信息論、控制論和系統(tǒng)論基礎上建立起來的應用技術，它所聯(lián)系的主要學科領域如圖3所示。 機 械 學 電 子 學 機 械 動態(tài)系 機 微處理機及 電機、電器及 設 計 統(tǒng)分析 電 常規(guī)儀器儀表 電力、電子學 一 體 控 制 論 化 計算機科學 經(jīng)典 數(shù)字 現(xiàn)代 軟 件 微處理機 控制 控制 控制 工 程 系統(tǒng)設計圖3 機電一體化所聯(lián)系的主要學科從圖3可知，支撐“機電一體化”這門學科的有：1）機械學。2）控制

15、論。3）電子學。4）計算機科學。這四大基礎學科中又可細分為九大組成部分。圖3中的機械設計、動態(tài)系統(tǒng)分析、電機、電器及電力、電子學是傳統(tǒng)機械學和電子學的學科范圍，其它則是適應機電一體化需要而開拓的部分。在控制論學科中，從經(jīng)典的反饋控制，經(jīng)過數(shù)字控制，發(fā)展為以狀態(tài)參量為基礎的多變量自適應控制、模式認別、系統(tǒng)仿真、人工智能等新技術所形成的現(xiàn)代控制。在電子學學科中，包括了傳統(tǒng)的強電與弱電兩個領域，也包括了電子學學科的新發(fā)展如微處理機等。在計算機學科中，軟件工程包括系統(tǒng)軟件與應用軟件兩個方面；系統(tǒng)軟件是計算機本身的操作系統(tǒng)、編譯系統(tǒng)等的總稱；應用軟件則是CNC、DNC、CAD、CAM、CAT、FMS以及

16、計算機輔助管理等方面的技術基礎；微處理機系統(tǒng)設計應包括兩個方面，一方面是定型機種的系統(tǒng)開發(fā)，另一方面是專用微處理機與集成電路的設計與組裝，它對于設計和制造機電一體化產(chǎn)品至關重要。從上述學科基礎來看，機電一體化作為一門綜合性的技術，其服務的工程對象為：（1） 機械制造過程的機電一體化。（2） 機械（包括電工）產(chǎn)品設計的機電一體化。（3） 機械成套裝置的機電一體化。隨著科學技術的發(fā)展，以及電子技術、測量技術、激光技術等相互滲透，機械學科及電子學科正慢慢向多學科綜合方向發(fā)展。5、機電一體化專業(yè)課程設置機電一體化是一門跨學科的綜合性邊緣學科，這種多技術的綜合及多個部分的組合，使機電一體化更具系統(tǒng)性、完

17、整性和科學性。像組成機電一體化技術的機械技術、微電子技術、自動控制技術、信息技術、傳感技術、電力電子技術、接口技術、D/A與A/D交換技術以及軟件技術等，它們在綜合成一個完整的系統(tǒng)中，相互苛刻要求、取長補短，不斷向理想化技術發(fā)展。所以我們在設置中高職“3+2”五年一貫制機電一體化專業(yè)在中等職業(yè)學校的課程方案時，既要考慮該專業(yè)綜合性、多學科的特點，又要充分照顧中職學生低學歷、低起點的實際，同時合理安排中職和高職之間的銜接。筆者認為機電一體化專業(yè)在中職階段除學習必要的文化知識外以安排專業(yè)基礎學科為主，主要包括物理學、機械學、電子電工學、計算機基礎等，主要目的是使學生在初中學歷的基礎上掌握好本專業(yè)所

18、必需的機械、電子電工、計算機等方面的基礎知識和基本技能，為日后升入高職學習作好準備，具體安排如圖4。學年學期物理學機械學電子電工學計算機基礎一1物理學機械制圖電工基礎電子裝配工藝2物理學機械制圖金屬工藝學電工基礎二3物理學金屬工藝學電子線路計算機基礎4物理學工程力學鉗工工藝電子線路計算機基礎三5機械設計基礎公差與配合電力拖動電子技能訓練微機原理6機械設計基礎液壓傳動電力拖動電工技能訓練儀器儀表 圖4 機電一體化專業(yè)中職課程安排表而機電一體化專業(yè)在高職階段可讓學生向多個方向發(fā)展，從而開設不同的課程。一種以機械制造過程機電一體化為方向，如生產(chǎn)系統(tǒng)工程專業(yè)、制造系統(tǒng)工程專業(yè)；一種以機電產(chǎn)品機電一體化為方向，如光電機械專業(yè)等等，在此不作詳細展開?，F(xiàn)代社會高新技術的飛速發(fā)展，每時每刻都在對機電一體化技術機電一體化產(chǎn)品產(chǎn)生著影響，這些影響有的現(xiàn)在已經(jīng)認識到，有的現(xiàn)在還無法預見，但是未來技術的發(fā)展必然會導致機電一體化進一步向信息化、智能化方向邁進。我們職業(yè)技術教育一定要緊跟現(xiàn)代技術發(fā)展的步伐，不斷