機(jī)電一體化是電子技術(shù)向傳統(tǒng)機(jī)械工程滲透相互融合的產(chǎn)物，是一門融機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)等多種技術(shù)為一體的新興學(xué)科。其實質(zhì)是一種機(jī)械技術(shù)的創(chuàng)新。
機(jī)械系統(tǒng)按其運動是否具有可控制性可以分為兩大類：剛性機(jī)械系統(tǒng)和柔性機(jī)械系統(tǒng)。剛性機(jī)械系統(tǒng)是指由機(jī)械裝置與電氣裝置獨立組合，只有簡單的開、關(guān)、正反轉(zhuǎn)、停止等控制要求的機(jī)械系統(tǒng)。柔性機(jī)械系統(tǒng)通常指那些需借助傳感器或控制電路，通過計算機(jī)按位置、位移、速度、壓力、溫度等實施智能化控制的機(jī)械系統(tǒng)。典型的如數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人都屬于這類機(jī)械系統(tǒng)?！?
圖1示出了機(jī)械系統(tǒng)的演變過程：圖ａ為典型的剛性機(jī)械系統(tǒng)；圖ｂ為改進(jìn)的剛性機(jī)械系統(tǒng)，其特點是以電子控制的控速電動機(jī)取代了機(jī)械變速裝置；圖ｃ由于采用了伺服電動機(jī)和伺服控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了機(jī)械系統(tǒng)運動的可控性，使系統(tǒng)成為了柔性機(jī)械系統(tǒng)；圖ｄ為直接驅(qū)動式的柔性機(jī)械系統(tǒng)，由于該系統(tǒng)中省去了傳動機(jī)構(gòu)，大大提高了系統(tǒng)的運動精度，其應(yīng)用日益廣泛。
圖1 機(jī)械系統(tǒng)分類
ａ）剛性機(jī)械系統(tǒng) ｂ）改進(jìn)剛性機(jī)械系統(tǒng)
ｃ）伺服控制系統(tǒng) ｄ）柔性機(jī)械系統(tǒng)
1、機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展對機(jī)械設(shè)計的創(chuàng)新：
⑴增加了產(chǎn)品的新功能。由于機(jī)電有機(jī)的結(jié)合、相互補(bǔ)充，開創(chuàng)了機(jī)械產(chǎn)品一些新的應(yīng)用領(lǐng)域，研發(fā)出大批新的機(jī)電產(chǎn)品。例如：傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)、打印機(jī)、ct機(jī)、工業(yè)機(jī)器人等等，可以預(yù)言，隨著機(jī)電一體化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，會有更多、更新、更先進(jìn)的機(jī)電產(chǎn)品出現(xiàn)在市場上。
⑵結(jié)構(gòu)更簡單。例如：電腦縫紉機(jī)比傳統(tǒng)的機(jī)械機(jī)可減少機(jī)械零件約350個；一臺插齒機(jī)如果省去傳動部分可減少30的零部件。
⑶加工精度更高。由于機(jī)電一體化設(shè)備使用的少，因此運動的累積誤差小，加上系統(tǒng)中使用計算機(jī)誤差校正和補(bǔ)償系統(tǒng)，可以達(dá)到單純機(jī)械加工方法難以達(dá)到的加工精度。例如：在大型銑、鏜床中安裝感應(yīng)同步器數(shù)顯設(shè)備，可使機(jī)床的加工精度從0.06mm/1000mm提高到0.02mm/1000mm。
⑷使工藝過程柔性化。采用由微機(jī)控制的機(jī)電一體化設(shè)備組成的工藝系統(tǒng)，只需要改變計算機(jī)程序就能迅速地改變設(shè)備的加工能力和工藝流程，從而能迅速適應(yīng)市場對產(chǎn)品的多方面的簡單要求。
⑸操作、維修更方便。由機(jī)電一體化設(shè)備組成的機(jī)械系統(tǒng)的運動規(guī)律、工藝過程、工藝參數(shù)均可以通過程序控制來實現(xiàn)和調(diào)整，從而很容易實現(xiàn)各機(jī)械設(shè)備運動的相互協(xié)調(diào)配合和實現(xiàn)機(jī)械加工的全部自動化，使機(jī)械設(shè)備的操作更加簡便，同時由于可以通過控制程序來改變工作方式和運動過程，因此，設(shè)備的調(diào)整、維修也十分方便。
2、機(jī)電一體化產(chǎn)品的方案創(chuàng)新設(shè)計方法主要有三種：
機(jī)電一體化系統(tǒng)的最基本的特征是給機(jī)械增添了“頭腦”———計算機(jī)信息處理與控制系統(tǒng)。從系統(tǒng)分析的觀點看，機(jī)電一體化系統(tǒng)是由許多聯(lián)系各子系統(tǒng)的條件接口將各子系統(tǒng)聯(lián)接在一起，實現(xiàn)物質(zhì)、能量和信息流的傳遞與交換，是機(jī)械、電子和信息等功能各異的技術(shù)融合為一體的綜合系統(tǒng)（其組成結(jié)構(gòu)示意圖見圖2），其綜合性能的好壞除了各子系統(tǒng)和接口的創(chuàng)新外，在很大程度上取決于機(jī)電一體化系統(tǒng)的方案的創(chuàng)造性。
圖2 機(jī)電一體化系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖
⑴機(jī)電互補(bǔ)法 也可以稱為替代法。其方法的特點是利用通用或?qū)Ｓ秒娮硬考〈鷤鹘y(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品中復(fù)雜的機(jī)械部件或某些功能子系統(tǒng)，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量或彌補(bǔ)其性能的不足。
⑵結(jié)合法 也稱融合法。它是將組成產(chǎn)品的機(jī)、電部分創(chuàng)造性地結(jié)合在一起，使之融合為一體，成為一個專用或通用的功能部件的方法。例如：激光打印機(jī)中的激光掃描鏡，就是將電動機(jī)的轉(zhuǎn)軸與掃描鏡的轉(zhuǎn)軸完全融合為一體形成一個專用產(chǎn)品的例子。
⑶組合法 這種方法采用組合創(chuàng)造原理將結(jié)合法制成的功能部件子系統(tǒng)、功能模塊，像積木一樣組合在一起，形成一個機(jī)電一體化產(chǎn)品。例如：將伺服電動機(jī)軸與傳動機(jī)構(gòu)、編碼器、檢測控制元件和控制電路板組成一個機(jī)電一體化的機(jī)器人關(guān)節(jié)運動功能部件，將若干功能部件再進(jìn)行組合可形成機(jī)器人的腰、肩、肘、腕的各個運動關(guān)節(jié)。變換各種關(guān)節(jié)的組合形式便可形成不同用途的工業(yè)機(jī)器人。
3、舉例
目前在我國的機(jī)械加工制造業(yè)當(dāng)中，老式機(jī)床較多，實現(xiàn)這一類機(jī)械機(jī)電一體創(chuàng)新改造設(shè)計的方法主要有兩種：一是以微機(jī)為中心，設(shè)計相應(yīng)的控制部件，這種方法需要重新設(shè)計控制系統(tǒng)，設(shè)計比較復(fù)雜；另一種方法是選用國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化的微機(jī)控制系統(tǒng)，如單板機(jī)、單片機(jī)、驅(qū)動電源、步進(jìn)電機(jī)及相應(yīng)的控制程序組成開環(huán)控制。這種方法簡單，價格也低廉。其控制過程一般是由單板機(jī)或單片機(jī)按加工程序進(jìn)行補(bǔ)插運算，每完成一次補(bǔ)插，就執(zhí)行一次延時程序，完成一次進(jìn)給，并由延時程序控制進(jìn)給速度。
例如：車床上的手動轉(zhuǎn)位刀架改成自動轉(zhuǎn)位刀架。圖3a中，1－電動機(jī)、2－安全離合器、3－蝸輪蝸桿、4－內(nèi)裝信號盒、5－刀架、6－螺母、7－端齒盤。圖3b中，1－電動機(jī)、2－銷釘盤、3－十字槽輪、4－刀架。
將圖３ａ中的轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)進(jìn)行變異創(chuàng)新，還可以設(shè)計出圖３ｂ、ｃ、ｄ所示的槽輪式自動轉(zhuǎn)位刀架、凸輪棘爪式自動轉(zhuǎn)位刀架和電磁式自動轉(zhuǎn)位刀架。圖３ｃ所示凸輪棘爪式自動轉(zhuǎn)位刀架的工作原理是：電動機(jī)收到轉(zhuǎn)位指令后，經(jīng)蝸輪副帶動凸輪８、相對構(gòu)件７轉(zhuǎn)動，將刀架抬起使上下定位齒分離，這時棘齒推動裝在刀架上的棘爪９使刀架作轉(zhuǎn)位運動，當(dāng)?shù)都苻D(zhuǎn)位到要求角度時，利用接觸開關(guān)或其他傳感器發(fā)出信號使電機(jī)反轉(zhuǎn)帶動刀架復(fù)位、鎖定。圖３ｄ所示的自動轉(zhuǎn)位刀架是利用具有１０００ｎ左右拉力的電磁線圈來取代機(jī)械式鎖緊機(jī)構(gòu)（其定位仍然用上下齒盤定位），結(jié)構(gòu)相對較為簡單，但電器控制部分要復(fù)雜一些。
a)螺旋轉(zhuǎn)位刀架；b)槽輪轉(zhuǎn)位刀架
１—電動機(jī) ２—安全離合器 ３—蝸輪蝸桿 １—電動機(jī) ２—銷釘盤
４—內(nèi)裝信號盤 ５—刀架 ６—螺母 ７—端齒盤 ３—十字槽輪 ４—刀架
ｃ）端面棘輪轉(zhuǎn)位刀架ｄ）電磁轉(zhuǎn)位刀架
１—電動機(jī) ２—蝸輪蝸桿 ３—棘輪 １—電動機(jī) ２—蝸輪蝸桿 ３—刀架
４—下端齒盤 ５—上端齒盤 ６—刀架 ４—下線圈 ５—上線圈
７—上凸輪 ８—下凸輪 ９—棘輪
圖3 機(jī)電一體化自動轉(zhuǎn)位刀架工作原理
例如，如果將車床上的手動轉(zhuǎn)位刀架改成自動轉(zhuǎn)位刀架，可采用圖1ａ所示結(jié)構(gòu)。電動機(jī)在接到轉(zhuǎn)位指令后，經(jīng)彈簧安全離合器２、蝸輪副３帶動螺母６轉(zhuǎn)動，從而將刀架５托起，帶動定位上齒盤７向上運動。當(dāng)定位齒盤上、下齒分離后，刀架隨螺母一齊轉(zhuǎn)動。當(dāng)?shù)都苌习惭b的信號盤（圖中未畫出）發(fā)出到位信號后，刀架旋轉(zhuǎn)停止，電動機(jī)同時反轉(zhuǎn)使上、下齒盤合攏、鎖定，完成刀架的自動轉(zhuǎn)位運動。
例 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，人們創(chuàng)造性地使照相機(jī)中的調(diào)光圈、測焦距、控制曝光時間、取景、卷片、識別膠圈型號、迅速沖印等功能實現(xiàn)了自動化，采用傳感器及集成電路的自動照相機(jī)成為照相機(jī)的主流產(chǎn)品。以自動對焦為例，其工作原理框圖如圖4所示。
圖4 動對焦工作原理
ｖ１—相關(guān)信號 ｖ２—峰值信號 ｖａｆ—自動聚焦信號 ｖ３—螺線管信號