機(jī)電一體化專業(yè)

1、試論機(jī)電一體化及專業(yè)課程設(shè)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(jī)電一體化是一門新興的綜合性跨學(xué)科邊緣科學(xué)，它由微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、電力電子技術(shù)、機(jī)械工程等學(xué)科相互滲透而成。本文闡述了機(jī)電一體化的基本概念，分析了機(jī)電一體化的結(jié)構(gòu)要素和技術(shù)基礎(chǔ)，介紹了機(jī)電一體化所涉及的諸多學(xué)科領(lǐng)域，并在此基礎(chǔ)上提出了中高職“3+2”五年一貫制機(jī)電一體化專業(yè)在中等職業(yè)學(xué)校的課程設(shè)置方案。關(guān)鍵詞機(jī)電一體化 結(jié)構(gòu)要素 技術(shù)基礎(chǔ) 課程設(shè)置隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，促進(jìn)了各學(xué)科多種技術(shù)間的有機(jī)結(jié)合，從而產(chǎn)生了許多綜合性的邊緣學(xué)科。機(jī)電一體化正是微電子

2、技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等向機(jī)電技術(shù)不斷滲透的產(chǎn)物，是機(jī)電工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。從機(jī)電技術(shù)發(fā)展的情況看，不論是生產(chǎn)制造系統(tǒng)還是試驗(yàn)和研究裝置及各類終端產(chǎn)品，電子技術(shù)取代了許多機(jī)械本身的主要功能，電子元件代替了許多機(jī)械式的信息處理機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)，同時(shí)采用微電子技術(shù)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(diào)機(jī)、洗衣機(jī)等家電產(chǎn)品中逐步采用交流變頻調(diào)速系統(tǒng)、模糊技術(shù)等，及利用CPU控制伺服系統(tǒng)等等。所以我們學(xué)習(xí)、研究、傳授電子電工技術(shù)，如果還停留在原有的單一的學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)，必然會導(dǎo)致知識結(jié)構(gòu)的狹窄，從而不能滿足技術(shù)進(jìn)步帶來的對人才的需求。筆者認(rèn)為，電子電工專業(yè)的發(fā)展方向是機(jī)電一

3、體化。何為機(jī)電一體化？機(jī)電一體化所包含的學(xué)科范疇，它的技術(shù)基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)要素是什么？我們中等職業(yè)學(xué)校機(jī)電一體化專業(yè)應(yīng)涵蓋那些學(xué)科領(lǐng)域，開設(shè)那些課程？這正是本文所要研究和闡述的內(nèi)容。1、機(jī)電一體化的基本概念“機(jī)電一體化”這個(gè)名詞出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代，日本從1971年開始提出了“mechatronics”這個(gè)英語合成名詞，其中詞首mecha表示mechanics（機(jī)械學(xué)），詞尾tronics表示electronics（電子學(xué)）。我國通常譯為機(jī)電一體化或機(jī)械電子學(xué)。關(guān)于這個(gè)名詞，如果從現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品或技術(shù)角度上看，日本機(jī)械振興協(xié)會經(jīng)濟(jì)研究所于1981年3月在“日本機(jī)械工業(yè)的存在條件（）機(jī)械工業(yè)和電子化”

4、報(bào)告中提出的定義體現(xiàn)了機(jī)電一體化產(chǎn)品及其技術(shù)的基本內(nèi)容和特征，即“機(jī)電一體化這個(gè)詞乃是在機(jī)械主功能、動力動能、信息處理與控制功能上引進(jìn)了電子技術(shù)，并將機(jī)械裝置與電子設(shè)備以及軟件等有機(jī)結(jié)合起來而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱”。“機(jī)電一體化”包含有兩個(gè)含義：“機(jī)電一體化技術(shù)”和“機(jī)電一體化產(chǎn)品”。毫無疑問，機(jī)電一體化技術(shù)是微電技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)與機(jī)械技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的新的思想方法和技術(shù)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(chǔ)上建立起來的應(yīng)用技術(shù)。例如機(jī)器中的精密定位，在機(jī)械技術(shù)中只能通過提高齒輪和絲桿螺母等傳動機(jī)構(gòu)的加工和安裝精度來實(shí)現(xiàn)，其實(shí)際定位精度則利用傳感器進(jìn)行檢測。定位精度的提高

5、，受到機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)精度的限制。采用機(jī)電一體化技術(shù)，就可利用傳感器對定位過程和定位誤差進(jìn)行動態(tài)檢測，把這個(gè)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(jìn)行“修正”或“外償”，從而達(dá)到提高定位精度的目的。機(jī)電一體化技術(shù)用于傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品上就變成了機(jī)電一體化的產(chǎn)品。機(jī)電一體化產(chǎn)品既不同于傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品，也不同于普通的電子產(chǎn)品，它是機(jī)械與微電子器件，特別是與微處理器或微機(jī)相結(jié)合而開發(fā)出來的新一代機(jī)電一體化產(chǎn)品。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)電一體化的“機(jī)”目前正擴(kuò)大到電機(jī)、電器、儀表、樂器，如交流變頻調(diào)速?！半姟币矓U(kuò)大到了光，如紅外、激光。而且機(jī)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(jī)床，機(jī)器人等，現(xiàn)已擴(kuò)大到柔性制造系統(tǒng)（FMS）、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造系統(tǒng)（CADCAM）及計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）。現(xiàn)將機(jī)電一體化技術(shù)與機(jī)電一體化產(chǎn)品進(jìn)行展開，如圖1。機(jī) 電 一 體 化 微電子技術(shù) 主體技術(shù) 信息技術(shù) 采 信 運(yùn) 數(shù) 精 電 儀 系 數(shù) 診 優(yōu) 樣 息 算 模 密 氣 器 統(tǒng) 學(xué) 斷 化 記 交 處 控 機(jī) 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(shù)（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(jī)工程 系統(tǒng)型 仿生工程 加工中心 工業(yè)機(jī)器人 綜合自動化 數(shù)控專用設(shè)備 大型成套

7、設(shè)備生產(chǎn)過程控制與管理（信息流優(yōu)化處理，物質(zhì)流最佳控制） 圖1 機(jī)電一體化技術(shù)與產(chǎn)品展開圖所以，機(jī)電一體化是在大規(guī)模集成電路和微型計(jì)算機(jī)為代表的微電子技術(shù)高度發(fā)展，向傳統(tǒng)機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域迅速滲透，機(jī)械電子技術(shù)深度結(jié)合的現(xiàn)代工業(yè)基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、信息技術(shù)、傳感測試技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)、信號變換技術(shù)以及軟件編程技術(shù)等群體技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)功能目標(biāo)和優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)目標(biāo)，合理配置布局機(jī)械本體、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、動力驅(qū)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(dǎo)引下，相互協(xié)調(diào)、有機(jī)融合和集成，形成物質(zhì)和能量的有序規(guī)則運(yùn)動，在高功能、高質(zhì)量、高可靠性、低能耗的意義上實(shí)現(xiàn)特定功能價(jià)值的系統(tǒng)工程技術(shù)。由此而產(chǎn)生的功能系統(tǒng)則成為一個(gè)以微電子技術(shù)為主導(dǎo)的現(xiàn)代高新技術(shù)支持下的機(jī)電一體化系統(tǒng)或機(jī)電一體化產(chǎn)品。2、機(jī)電一體化的結(jié)構(gòu)要素機(jī)電一體化的結(jié)構(gòu)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(jìn)行對比，而從中得到啟發(fā)的。 內(nèi)臟 動力 五官 頭腦 四肢 檢測 控制 動作 肌、筋、腱、骨骼 構(gòu)造圖21 人體的五大要素 圖22 人體五大要素的功能 動力 運(yùn)轉(zhuǎn) 傳感器 計(jì)算機(jī) 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 檢測 控制 驅(qū)動 機(jī)械機(jī)構(gòu) 結(jié)構(gòu) 圖23機(jī)電一體化系統(tǒng)的

9、五大要素 圖24機(jī)電一體化的五大功能機(jī)電一體化的動力部分，就像人體內(nèi)臟產(chǎn)生能量去維持生命運(yùn)動一樣，為系統(tǒng)提供能量和動力功能，去驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。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(yīng)的反應(yīng)一樣，其功能就是將系統(tǒng)運(yùn)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(yīng)”。驅(qū)動部分，就像人體的肌、筋、腱、骨骼接受大腦指揮去驅(qū)動四肢運(yùn)動一樣，在控制部分的指揮下，去驅(qū)動各執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(xiàng)任務(wù)和工作一樣，當(dāng)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(yùn)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(jìn)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(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。3、機(jī)電一體化的技術(shù)基礎(chǔ)3.1機(jī)械技術(shù)機(jī)械技術(shù)是機(jī)電一體化的基礎(chǔ)，它對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、重量、體積、剛性與耐用性等有著重要的影響，機(jī)械結(jié)構(gòu)的合理性與控制的復(fù)雜程度有直接關(guān)系，從而也影響了系統(tǒng)的性能和可靠性。機(jī)械技術(shù)的著眼點(diǎn)在于如何與機(jī)電一體化技術(shù)相適應(yīng)，利用其他高新技術(shù)來更新概念，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)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(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)信息處

11、理技術(shù)包括信息的輸入、交換、運(yùn)算、存儲和輸出技術(shù)。信息處理的硬件應(yīng)包括有輸入輸出設(shè)備、顯示器、硬盤、計(jì)算機(jī)、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(shí)性），直接影響機(jī)電一體化的質(zhì)量和效率，因而成為機(jī)電一體化的關(guān)鍵技術(shù)。在信息交換、存取、運(yùn)算、判斷和決策中，處理工具是計(jì)算機(jī)，因此信息處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)是密切相關(guān)的。計(jì)算機(jī)技術(shù)包括硬件技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通訊技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等。3.3系統(tǒng)技術(shù)系統(tǒng)技術(shù)就是以整體的概念組織應(yīng)用各種相關(guān)技術(shù)，從全局角度和系統(tǒng)目標(biāo)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(jìn)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(gè)可以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案。在系統(tǒng)技術(shù)中，接口技術(shù)是一個(gè)重要方面，它是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各部分有機(jī)連接的保證。接口包括電氣接口，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間電氣信號連接；機(jī)械接口，完成機(jī)械間的連接；人機(jī)接口，提供人與機(jī)電一體化系統(tǒng)間的交互界面等等。3.4自動控制技術(shù)在機(jī)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(yīng)、自診斷、校正、補(bǔ)償、再現(xiàn)、檢索等。由于微機(jī)的廣泛應(yīng)用，自動控制技術(shù)越來越多地與計(jì)算機(jī)技術(shù)聯(lián)系在一起，成為機(jī)電一體化中十分重要的關(guān)鍵技術(shù)。3.5傳感與檢測技術(shù)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(shí)現(xiàn)自動控制的關(guān)鍵環(huán)

13、節(jié)，它的功能越強(qiáng)，系統(tǒng)的自動化程度就越高。在傳感與檢測技術(shù)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(yán)酷環(huán)境的考驗(yàn)。傳感與檢測技術(shù)不僅是發(fā)展機(jī)電一體化技術(shù)的關(guān)鍵，而且對現(xiàn)有技術(shù)的改造也具有重要意義。3.6伺服傳動技術(shù)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(jì)算機(jī)通過接口與這些傳動裝置相連接，控制它的運(yùn)動，并帶動工作機(jī)械做回轉(zhuǎn)、直線或其他各種復(fù)雜的運(yùn)動。因此，伺服傳動是實(shí)現(xiàn)電信號到機(jī)械動作轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換裝置與部件，對系統(tǒng)的動態(tài)性能、控制質(zhì)量和功能具有決定性的影響。伺服傳動技術(shù)的發(fā)展，為機(jī)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(jìn)了機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展。4、機(jī)電一體化的學(xué)科領(lǐng)域機(jī)電一體化技術(shù)是一門跨學(xué)科的綜合性邊緣科學(xué)，是由近年來蓬勃發(fā)展的微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、機(jī)械工程和電力電子技術(shù)互相滲透而成的一門新興學(xué)科，是在信息論、控制論和系統(tǒng)論基礎(chǔ)上建立起來的應(yīng)用技術(shù)，它所聯(lián)系的主要學(xué)科領(lǐng)域如圖3所示。 機(jī) 械 學(xué) 電 子 學(xué) 機(jī) 械 動態(tài)系 機(jī) 微處理機(jī)及 電機(jī)、電器及 設(shè) 計(jì) 統(tǒng)分析 電 常規(guī)儀器儀表 電力、電子學(xué) 一 體 控 制 論 化 計(jì)算機(jī)科學(xué) 經(jīng)典 數(shù)字 現(xiàn)代 軟 件 微處理機(jī) 控制 控制 控制 工 程 系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖3 機(jī)電一體化所聯(lián)系的主要學(xué)科從圖3可知，支撐“機(jī)電一體化”這門學(xué)科的有：1）機(jī)械學(xué)。2）控制

15、論。3）電子學(xué)。4）計(jì)算機(jī)科學(xué)。這四大基礎(chǔ)學(xué)科中又可細(xì)分為九大組成部分。圖3中的機(jī)械設(shè)計(jì)、動態(tài)系統(tǒng)分析、電機(jī)、電器及電力、電子學(xué)是傳統(tǒng)機(jī)械學(xué)和電子學(xué)的學(xué)科范圍，其它則是適應(yīng)機(jī)電一體化需要而開拓的部分。在控制論學(xué)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(chǔ)的多變量自適應(yīng)控制、模式認(rèn)別、系統(tǒng)仿真、人工智能等新技術(shù)所形成的現(xiàn)代控制。在電子學(xué)學(xué)科中，包括了傳統(tǒng)的強(qiáng)電與弱電兩個(gè)領(lǐng)域，也包括了電子學(xué)學(xué)科的新發(fā)展如微處理機(jī)等。在計(jì)算機(jī)學(xué)科中，軟件工程包括系統(tǒng)軟件與應(yīng)用軟件兩個(gè)方面；系統(tǒng)軟件是計(jì)算機(jī)本身的操作系統(tǒng)、編譯系統(tǒng)等的總稱；應(yīng)用軟件則是CNC、DNC、CAD、CAM、CAT、FMS以及

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

17、整性和科學(xué)性。像組成機(jī)電一體化技術(shù)的機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、信息技術(shù)、傳感技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)、D/A與A/D交換技術(shù)以及軟件技術(shù)等，它們在綜合成一個(gè)完整的系統(tǒng)中，相互苛刻要求、取長補(bǔ)短，不斷向理想化技術(shù)發(fā)展。所以我們在設(shè)置中高職“3+2”五年一貫制機(jī)電一體化專業(yè)在中等職業(yè)學(xué)校的課程方案時(shí)，既要考慮該專業(yè)綜合性、多學(xué)科的特點(diǎn)，又要充分照顧中職學(xué)生低學(xué)歷、低起點(diǎn)的實(shí)際，同時(shí)合理安排中職和高職之間的銜接。筆者認(rèn)為機(jī)電一體化專業(yè)在中職階段除學(xué)習(xí)必要的文化知識外以安排專業(yè)基礎(chǔ)學(xué)科為主，主要包括物理學(xué)、機(jī)械學(xué)、電子電工學(xué)、計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)等，主要目的是使學(xué)生在初中學(xué)歷的基礎(chǔ)上掌握好本專業(yè)所

18、必需的機(jī)械、電子電工、計(jì)算機(jī)等方面的基礎(chǔ)知識和基本技能，為日后升入高職學(xué)習(xí)作好準(zhǔn)備，具體安排如圖4。學(xué)年學(xué)期物理學(xué)機(jī)械學(xué)電子電工學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)一1物理學(xué)機(jī)械制圖電工基礎(chǔ)電子裝配工藝2物理學(xué)機(jī)械制圖金屬工藝學(xué)電工基礎(chǔ)二3物理學(xué)金屬工藝學(xué)電子線路計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)4物理學(xué)工程力學(xué)鉗工工藝電子線路計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)三5機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)公差與配合電力拖動電子技能訓(xùn)練微機(jī)原理6機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)液壓傳動電力拖動電工技能訓(xùn)練儀器儀表 圖4 機(jī)電一體化專業(yè)中職課程安排表而機(jī)電一體化專業(yè)在高職階段可讓學(xué)生向多個(gè)方向發(fā)展，從而開設(shè)不同的課程。一種以機(jī)械制造過程機(jī)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(jī)電產(chǎn)品機(jī)電一體化為方向，如光電機(jī)械專業(yè)等等，在此不作詳細(xì)展開。現(xiàn)代社會高新技術(shù)的飛速發(fā)展，每時(shí)每刻都在對機(jī)電一體化技術(shù)機(jī)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(rèn)識到，有的現(xiàn)在還無法預(yù)見，但是未來技術(shù)的發(fā)展必然會導(dǎo)致機(jī)電一體化進(jìn)一步向信息化、智能化方向邁進(jìn)。我們職業(yè)技術(shù)教育一定要緊跟現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的步伐，不斷