机电一体化系统的功能构成和组成要素

一、机电一体化系统的功能构成：
工程系统是人为了改造自然、进行物质生产而创造出来的一种人工系统，其目的是对输入的物质、能量和信息进行预订的变换、传递和保存。因此，工程系统的目的功能均可用三种主功能及其复合表示。
产品的目的功能是通过其内部功能来实现的。机电一体化系统要实现其目的功能，一般需具备物种内部功能，即主功能、动力功能、计测功能、控制功能和结构功能。其中，主功能是实现系统目的功能直接必需的功能。

下图表示了CNC机床的内部功能构成。切削加工是数控机床的主功能，是实现其目的功能所必需的，“利用电源输入的电能，在控制装置及控制程序的作用下，通过刀架主轴将输入的毛坯加工成所要求的工件”。电源通过电机驱动机床，向机床提供动力，来实现动力功能。

二、机电一体化系统的组成要素：
一个典型的机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。我们将这些部分归纳为：结构组成要素、动力组成要素、运动组成要素、感知组成要素、智能组成要素；这些组成要素内部及其之间，形成通过接口耦合来实现运动传递、信息控制、能量转换等有机融合的一个完整系统。
1、机械本体
机电一体化系统的机械本体包括：机身、框架、联接等。由于机电一体化产品技术性能、水平和功能的提高，机械本体要在机械结构、材料、加工工艺性以及几何尺寸等方面适应产品高效率、多功能、高可靠性和节能、小型、轻量、美观等要求。
2、动力与驱动
动力部分是按照系统控制要求，为系统提供能量和动力使系统正常运行。用尽可能小的动力输入获得尽可能大的功能输出，是机电一体化产品的显著特征之一。
驱动部分是在控制信息作用下提供动力，驱动各执行机构完成各种动作和功能。机电一体化系统一方面要求驱动的高效率和快速响应特性，同时要求对水、油、温度、尘埃等外部环境的适应性和可靠性。由于电力电子技术的高度发展，高性能的步进驱动、直流伺服和交流伺服驱动方式大量应用于机电一体系统。
3、传感测试部分
对系统运行中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，变成可识别信号，传输到信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的控制信息。其功能一般由专门的传感器及转换电路完成。
4、执行机构
根据控制信息和指令，完成要求的动作。执行机构是运动部件，一般采用机械、电磁、电液等机构。根据机电一体化系统的匹配性要求，需要考虑改善系统的动、静态性能，如提高刚性、减小重量和适当的阻尼，应尽量考虑组件化、标准化和系列化，提高系统整体可靠性等。
5、控制及信息单元
将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、储存、分析、加工，根据信息处理结果，按照一定的程序和节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的地运行。一般由计算机、可编程控制器（plc）、数控装置以及逻辑电路、A/D与D/A转换、I/O（输入输出）接口和计算机外部设备等组成。机电一体化系统对控制和信息处理单元的基本要求是：提高信息处理速度，提高可靠性，增强抗干扰能力以及完善系统自诊断功能，实现信息处理智能化。
以上这五部分我们通常称为机电一体化的五大组成要素。在机电一体化系统中的这些单元和它们各自内部各环节之间都遵循接口耦合、运动传递、信息控制、能量转换的原则；我们称它们为四大原则。
6、接口耦合、能量转换
（1）变换 两个需要进行信息交换和传输的环节之间，由于信息的模式不同（数字量与模拟量、串行码与并行码、连续脉冲与序列脉冲等等），无法直接实现信息或能量的交流，需要通过接口完成信息或能量的统一。
（2）放大 在两个信号强度相差悬殊的环节间，经接口放大，达到能量的匹配。
（3）耦合 变换和放大后的信号在环节间能可靠、快速、准确地交换，必须遵循一致的时序、信号格式和逻辑规范。接口具有保证信息的逻辑控制功能，使信息按规定模式进行传递。
（4）能量转换 包含了执行器、驱动器。涉及到不同类型能量间的最优转换方法与原理。
7、信息控制
在系统中，所谓智能组成要素的系统控制单元，在软、硬件的保证下，完成数据采集、分析 、判断、决策，以达到信息控制的目的。对于智能化程度高的系统，还包含了知识获取、推理及知识自学习等以知识驱动为主的信息控制。
8、运动传递
运动传递是指运动各组成环节之间的不同类型运动的变换与传输，如：位移变换、速度变换 、加速度变换及直线运动和旋转运动变换等。运动传递还包括以运动控制为目的的运动优化设计， 目的是提高系统的伺服性能。
例如，我们日常使用的全自动照相机就是典型的机电一体化产品，其内部装有测光测距传感器，测得的信号由微处理器进行处理，根据信息处理结果控制微型电动机，由微型电动机驱动快门、变焦及卷片倒片机构，从测光、测距、调光、调焦、曝光到卷片、倒片、闪光及其它附件的控制都实现了自动化。
又如，汽车上广泛应用的发动机燃油喷射控制系统也是典型的机电一体化系统。分布在发动机上的空气流量计、水温传感器、节气门位置传感器、曲轴位置传感器、进气歧管绝对压力传感器、爆燃传感器、氧传感器等连续不断地检测发动机的工作状况和燃油在燃烧室的燃烧情况，并将信号传给电子控制装置ECU，ECU首先根据进气歧管绝对压力传感器或空气流量计的进气量信号及发动机转速信号，计算基本喷油时间，然后再根据发动机的水温、节气门开度等工作参数信号对其进行修正，确定当前工况下的最佳喷油持续时间，从而控制发动机的空燃比。此外，根据发动机的要求，ECU还具有控制发动机的点火时间、怠速转速、废气再循环率、故障自诊断等功能。