什么是機(jī)械電子學(xué)
  機(jī)械電子學(xué)(或稱(chēng)機(jī)電一體化，mechatronics)一詞最早由日本
工程師于1969年提出。機(jī)械電子學(xué)是將機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)和電子學(xué)結(jié)合而
成的一門(mén)新學(xué)科。到了今天這個(gè)詞有了更為廣泛的含義，一般可以
認(rèn)為是一種新的解決工程技術(shù)問(wèn)題的思想。這種思想具體表現(xiàn)為在
產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造和加工過(guò)程中，將機(jī)械工程、電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)智
能控制有效并行集成。通過(guò)應(yīng)用這種思想，很多原本由機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)
現(xiàn)具體功能的產(chǎn)品都可以由包含微控制器的產(chǎn)品替代。而這種可替
代性將使得生產(chǎn)過(guò)程具有更好的靈活性，重復(fù)設(shè)計(jì)和重復(fù)編程更為
簡(jiǎn)單，進(jìn)而可以讓系統(tǒng)具有自動(dòng)數(shù)據(jù)收集和報(bào)告的能力。

  機(jī)電一體化系統(tǒng)并不是簡(jiǎn)單地將電子系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)結(jié)合而得
到的。而且機(jī)電一體化系統(tǒng)比簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)復(fù)雜很多。機(jī)電一體
化系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中遵循統(tǒng)一的設(shè)計(jì)方法。這種方法將機(jī)械、電子
和控制系統(tǒng)完整地集成在一起。這種集成化的、多學(xué)科交叉的方法
被廣泛應(yīng)用于各種工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域，諸如汽車(chē)設(shè)計(jì)、機(jī)器人制造、機(jī)
械工具加工、清洗設(shè)備設(shè)計(jì)、攝像設(shè)備設(shè)計(jì)等。如果需要設(shè)計(jì)更加
廉價(jià)、更加可靠、靈活性更高的系統(tǒng)，那么設(shè)計(jì)在初始階段就需要
對(duì)機(jī)械工程、電氣工程、電子學(xué)、控制方面的內(nèi)容進(jìn)行集成。在處
理多學(xué)科交叉集成問(wèn)題時(shí)，機(jī)械電子學(xué)使用統(tǒng)籌方法，而不是將各
個(gè)部分分開(kāi)按照序列的方式來(lái)設(shè)計(jì)，例如，先設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)再設(shè)計(jì)
電氣部分及微處理器部分。因此，機(jī)械電子學(xué)是一種集成化的工程
設(shè)計(jì)方法，具有獨(dú)特的設(shè)計(jì)理念。

工程設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需要交叉使用多種技巧及多學(xué)科的知
識(shí)。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，機(jī)械部分由機(jī)械工程師設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)
由控制系統(tǒng)工程師設(shè)計(jì)。這稱(chēng)為順序設(shè)計(jì)方式。然而，機(jī)械電子學(xué)
的基本方法是在設(shè)計(jì)過(guò)程中將機(jī)械工程、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及控
制工程這些學(xué)科以統(tǒng)籌的方法整合在一起考慮。機(jī)械電子學(xué)方法的
內(nèi)在統(tǒng)籌性主要依靠系統(tǒng)建模、模型系統(tǒng)對(duì)輸入響應(yīng)的仿真和真實(shí)
系統(tǒng)對(duì)真實(shí)輸入的響應(yīng)結(jié)果分析。
  為了說(shuō)明如何將多學(xué)科的方法應(yīng)用于問(wèn)題的解決方案設(shè)計(jì)，我
們以磅秤的設(shè)計(jì)作為一個(gè)分析實(shí)例。設(shè)計(jì)磅秤一般只需要考慮如下
幾個(gè)過(guò)程：彈簧的壓縮形變，一種可以將這種形變轉(zhuǎn)化為軸的轉(zhuǎn)動(dòng)
的機(jī)械結(jié)構(gòu)，軸帶動(dòng)指針在刻度盤(pán)上的移動(dòng)。還有一個(gè)需要考慮的
問(wèn)題是，磅秤的測(cè)量結(jié)果不能因被測(cè)試者站在磅秤的不同位置而發(fā)
生改變。但是，如果我們以超出純粹的機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的角度來(lái)看這
個(gè)問(wèn)題，那么我們還可以考慮其他的一些可能性。比如，我們可以
用應(yīng)力測(cè)試儀替換原有的彈簧，還可以通過(guò)使用微處理器將測(cè)試儀
輸出的重量讀數(shù)顯示在LED電子屏幕上。這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的磅秤在結(jié)
構(gòu)上更為簡(jiǎn)單，減少了運(yùn)動(dòng)部件的使用。原有由機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的復(fù)
雜功能都轉(zhuǎn)為由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。
  下面再舉一個(gè)更復(fù)雜的實(shí)例。傳統(tǒng)的家用中央加熱系統(tǒng)的溫控
設(shè)計(jì)使用的是一種閉環(huán)雙金屬溫度控制系統(tǒng)。由于雙金屬條的彎曲
度會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生改變，所以可以用于控制加熱系統(tǒng)的開(kāi)
關(guān)。而一個(gè)多學(xué)科融合的解決方案可以通過(guò)使用帶熱傳感器的微控
制器控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)溫控功能。這樣的系統(tǒng)比傳統(tǒng)的雙金屬溫度控
制系統(tǒng)具有更多優(yōu)點(diǎn)。雙金屬溫度調(diào)節(jié)器控制精度比較差，無(wú)法準(zhǔn)
確地控制溫度。同時(shí)我們很難設(shè)計(jì)一種控制方法能夠在一天的不同
時(shí)間保證將溫度控制在不同的值。但是微處理器控制系統(tǒng)就可以很
容易地實(shí)現(xiàn)精確的程序化的溫度控制。而且這樣的系統(tǒng)也更加靈活
。相比于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，機(jī)電一體化系統(tǒng)普遍具有更好的靈活性
。

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