1.機電一體化系統(tǒng)的功能組成傳統(tǒng)的機械產(chǎn)品主要是解決物質流和能量流的問題，而機電一體化產(chǎn)品除了解決物質流和能量流之外，還要解決信息流的問題。如圖1—1所示
機電一體化系統(tǒng)的主要功能就是對輸入的物質、能量與信息(即所謂工業(yè)三大要素)按照要求進行處理．輸出具有所需要特性的物質、能量與信息。
系統(tǒng)的主功能包括3個目的功能：①變換(加工、處理)功能；②傳遞(移動、輸送)功能；③儲存(保持、積蓄、記錄)功能。主功能是系統(tǒng)的主要特征部分，是實現(xiàn)系統(tǒng)目的功能直接必需的功能，主要是對物質、能量、信息或其相互結合進行變換、傳遞和存儲。
以物料搬運、加工為主，輸人物質(原料、毛坯等)、能量(電能、液能、氣能等)和信息(操作及控制指令等)，經(jīng)過加工處理，主要輸出改變了位置和形態(tài)的物質的系統(tǒng)(或產(chǎn)品)，稱為加工機，如各種機床設備、交通運輸機械、食品加工機械、起重機械、紡織機械、印刷機械、輕工機械等。
以能量轉換為主，輸入能量(或物質)和信息，輸出不同能量(或物質)的系統(tǒng)(或產(chǎn)品)，稱為動力機，其中輸出機械能的為原動機，如電動機、水輪機、內(nèi)燃機等。
以信息處理為主，輸入信息和能量，主要輸出某種信息(如數(shù)據(jù)、圖像、文字、聲音等)的系統(tǒng)(或產(chǎn)品)，稱為信息機，如各種儀器、儀表、計算機、傳真機以及各種辦公設備等。
機電一體化系統(tǒng)除了具備上述必需的主功能外，還應具備圖1—2所示的其他內(nèi)部功能，即動力功能、檢測功能、控制功能、構造功能。動力功能是向系統(tǒng)提供動力，讓系統(tǒng)得以運轉的功能；檢測功能和控期功能是解決各種信息的獲取、傳輸、處理和利用，從而能夠根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部信息和外部信息對整個系統(tǒng)進行操作控制，使系統(tǒng)正常運轉、實施目的的功能。構造功能則是使構成系統(tǒng)的子系統(tǒng)及元、部件維持所定的時間和空間上的相互關系所必需的功能。從系統(tǒng)的輸入／輸出來看，除有主功能的輸入／輸出之外，還需要有動力輸入和控制信息的輸入／輸出。此外，還有因外部環(huán)境引起的干擾輸入以及非目的性輸出(如廢棄物等)，這些都是系統(tǒng)設計時應當考慮的。例如汽車的廢氣和噪聲對外部環(huán)境的影響，從系統(tǒng)設計開始就應該給予考慮。
上述抽象的功能構成原理，既有利于設計或分析各種機電一體化系統(tǒng)或產(chǎn)品，又有利于開拓思路，便于創(chuàng)造發(fā)明。例如，根據(jù)3種不同的主功能及其不同的輸入，組合起來可形成9大類型的系統(tǒng)或產(chǎn)品，但不一定都是機電一體化的產(chǎn)品，見表1—1。
此外，對于不同主功能的加工機構，其運動方式不同，也可構成不同用途的機械。例如，金屬切削機床是根據(jù)工件與刀具相對運動產(chǎn)生切削作用的原理來進行的。工件與刀具的運動方式不同，可制成不同用途的機床。
對于現(xiàn)有的機電一體化系統(tǒng)，可以利用功能原理圖來進行研究分析。圖1-3是CNC數(shù)控機床的功能原理構成實例。由于未指明主功能的加工機構，它代表了具有相同主功能及控制功能的一大類型機電一體化系統(tǒng)，諸如金屬切削數(shù)控機床、電加工數(shù)控機床、激光加工數(shù)控機床以及沖壓加工數(shù)控機床等。顯然，由于主功能的具體加工機構不同，其他功能的具體裝置也會有差別，但其本質是數(shù)控加工機床。
2. 機電一體化系統(tǒng)的構成要素
從機電一體化系統(tǒng)的功能來看，人體是機電一體化系統(tǒng)最****的參照物。如圖1．4a所示，
構成人體的五大要素分別是頭腦、感官(眼、耳、鼻、舌、皮膚)、四肢、內(nèi)臟及軀干。相應的功能如圖1—4b所示，內(nèi)臟提供人體所需要的能量(動力)及各種激素，維持人體活動；頭腦處理各種信息并對其他要素實施控制；感官獲取外界信息；四肢執(zhí)行動作；軀干的功能是把人體各要素有機地聯(lián)系為一體。通過類比就可發(fā)現(xiàn)，機電一體化系統(tǒng)內(nèi)部的五大功能與人體的上述功能幾乎是一樣的，而實現(xiàn)各功能的相應構成要素如圖1．4c所示。機電一體化系統(tǒng)五大要素實例如圖1-5所示。
表1—2給出了機電一體化系統(tǒng)構成要素與人體構成要素的對應關系。因此，一個較完善的機電一體化系統(tǒng)，應包括以下幾個基本要素：機械本體、動力系統(tǒng)、檢測傳感系統(tǒng)、執(zhí)行部件、信息處理及控制系統(tǒng)，各要素和環(huán)節(jié)之間通過接口相聯(lián)系。
(1)機械本體用于支撐和連接其他要素，并把這些要素合理地結合起來，形成有機的整體，機電一體化技術應用范圍很廣，其產(chǎn)品及裝置的種類繁多，但都離不開機械本體。
例如，機器人和數(shù)控機床的本體是機身和床身；指針式電子手表的本體是表殼。因此，機械本體是機電一體化系統(tǒng)必要的組成部分。沒有它，系統(tǒng)的各部件就支離破碎，無法構成具有特定功能的機電一體化產(chǎn)品或裝置。
(2) 動力系統(tǒng)按照系統(tǒng)控制要求，為機電一體化產(chǎn)品提供能量和動力功能，去驅動執(zhí)行機構工作以完成預定的主功能。動力系統(tǒng)包括電、液、氣等多種動力源。
(3)傳感與檢測系統(tǒng)將機電一體化產(chǎn)品在運行過程中所需要的自身和外界環(huán)境的各種參數(shù)及狀態(tài)轉換成可以測定的物理量，同時利用檢測系統(tǒng)的功能對這些物理量進行測定，為機電一體化產(chǎn)品提供運行控制所需的各種信息。傳感與檢測系統(tǒng)的功能一般由傳感器或儀表來實現(xiàn)，對其要求是體積小、便于安裝與連接、檢測精度高、抗干擾及控制性能好等。
(4)信息處理及控制系統(tǒng) 根據(jù)機電一體化產(chǎn)品的功能和性能要求，信息處理及控制 系統(tǒng)接收傳感與檢測系統(tǒng)反饋的信息，并對其進行相應的處理、運算和決策，以對產(chǎn)品的運行施以按照要求的控制，實現(xiàn)控制功能。機電一體化產(chǎn)品中，信息處理及控制系統(tǒng)主要是由計算機的硬件和軟件以及相應的接口所組成。硬件一般包括輸入／輸出設備、顯示器、可編程序控制器和數(shù)控裝置。機電一體化產(chǎn)品要求信息處理速度高，A／D和D／A轉換及分時處理時的輸)v／輸出可靠、精度高，系統(tǒng)的抗干擾能力強。
(5)執(zhí)行部件在控制信息的作用下完成要求的動作，實現(xiàn)產(chǎn)品的主功能。執(zhí)行部件一般是運動部件，常采用機械、電液、氣動等機構。執(zhí)行機構因機電一體化產(chǎn)品的種類和作業(yè)對象不同而有較大的差異。執(zhí)行機構是實現(xiàn)產(chǎn)品目的功能的直接執(zhí)行者，其性能好壞決定著整個產(chǎn)品的性能，因而是機電一體化產(chǎn)品中重要的組成部分。
機電一體化產(chǎn)品的5個組成部分在工作時相互協(xié)調，共同完成所規(guī)定的目的功能。在結構上，各組成部分通過各種接口及其相應的軟件有機地結合在一起，構成一個內(nèi)部匹配合理、外部效能****的完整產(chǎn)品。
實際上，機電一體化系統(tǒng)是比較復雜的，有時某些構成要素是復合在一起的。首先應該指出的是，構成機電一體化系統(tǒng)的幾個部分并不是并列的。其中機械部分是主體，這不僅是由于機械本體是系統(tǒng)重要的組成部分，而且系統(tǒng)的主要功能必須由機械裝置來完成，否則就不能稱其為機電一體化產(chǎn)品。如電子計算機、非指針式電子表等，其主要功能已由電子器件和電路等完成，機械已退居于次要地位，這類產(chǎn)品應歸屬于電子產(chǎn)品，而不是機電一體化產(chǎn)品。因此，機械系統(tǒng)是實現(xiàn)機電一體化產(chǎn)品功能的基礎，從而對其提出了更高的要求，需在結構、材料、工藝加工及幾何尺寸等方面滿足機電一體化產(chǎn)品高效、可靠、節(jié)能、多功能、小型輕量和美觀等要求。除一般性的強度、剛度、精度、體積和重量等指標外，機械系統(tǒng)技術開發(fā)的重點是模塊化、標準化和系列化，以便于機械系統(tǒng)的快速組合和更換。其次，機電一體化的核心是電子技術，電子技術包括微電子技術和電力電子技術，但重點是微電子技術，特別是微型計算機或微處理器。機電一體化需要多種新技術的結合，但首要的是微電子技術，不和微電子結合的機電產(chǎn)品不能稱為機電一體化產(chǎn)品。如非數(shù)控機床，一般均有電動機驅動和電器控制，但它不是機電一體化產(chǎn)品。除了微電子技術以外，在機電一體化產(chǎn)品中，其他技術則根據(jù)需要進行結合，可以是一種，也可以是多種。
綜上所述，可以概括出以下幾點共識：①機電一體化是一種以產(chǎn)品和過程為基礎的技術；②機電一體化以機械為主體；③機電一體化以微電子技術，特別是計算機控制技術為核心；④機電一體化將工業(yè)產(chǎn)品和過程都作為一個完整的系統(tǒng)看待，因此強調各種技術的協(xié)同和集成，不是將各個單元或部件簡單拼湊到一起；⑤機電一體化貫穿于設計和制造的全過程中。
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