機(jī)電一體化技術(shù)是以大規(guī)模集成電路和微電子技術(shù)高度發(fā)展并向傳統(tǒng)機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域迅速滲透，機(jī)械、電子技術(shù)高度結(jié)合的現(xiàn)代工業(yè)為基礎(chǔ)，將機(jī)械技術(shù)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、傳感測(cè)試技術(shù)、接口技術(shù)等有機(jī)地結(jié)合并綜合應(yīng)用的技術(shù)。

系統(tǒng)論、信息論、控制論無疑是機(jī)電一體化技術(shù)的理論基礎(chǔ)，是機(jī)電一體化技術(shù)的方法論。

開展機(jī)電一體化技術(shù)研究時(shí)，無論在工程的構(gòu)思、規(guī)劃、設(shè)計(jì)方面，還是在它的實(shí)施或?qū)崿F(xiàn)方面，都不能只著眼于機(jī)械或電子，不能只看到傳感器或計(jì)算機(jī)，而是要用系統(tǒng)的觀點(diǎn)，合理解決信息流與控制機(jī)制問題，有效地綜合各有關(guān)技術(shù)，才能形成所需要的系統(tǒng)或產(chǎn)品。

系統(tǒng)工程是系統(tǒng)科學(xué)的一個(gè)工作領(lǐng)域，而系統(tǒng)科學(xué)本身是一門關(guān)于“針對(duì)目的要求而進(jìn)行合理的方法學(xué)處理”的邊緣學(xué)科。系統(tǒng)工程的概念不僅包括“系統(tǒng)”，即具有特定功能的、相互之間具有有機(jī)聯(lián)系的眾多要素所構(gòu)成的一個(gè)整體，也包括“工程”，即產(chǎn)生一定效能的方法。機(jī)電一體化技術(shù)是系統(tǒng)工程科學(xué)在機(jī)械電子工程中的具體應(yīng)用。具體地講，就是以機(jī)械電子系統(tǒng)或產(chǎn)品為對(duì)象，以數(shù)學(xué)方法和計(jì)算機(jī)等為工具，對(duì)系統(tǒng)的構(gòu)成要素、組織結(jié)構(gòu)、信息交換和反饋控制等功能進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)、制造和服務(wù)，從而達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)、最優(yōu)控制和最優(yōu)管理的目標(biāo)，以便充分發(fā)揮人力、物力和財(cái)力，通過各種組織管理技術(shù)，使局部與整體之間協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的綜合最優(yōu)化。

機(jī)電一體化系統(tǒng)是一個(gè)包括物質(zhì)流、能量流和信息流的系統(tǒng)，而有效地利用各種信號(hào)所攜帶的豐富信息資源，則有賴于信號(hào)處理和信號(hào)識(shí)別技術(shù)?？疾焖袡C(jī)電一體化產(chǎn)品，就會(huì)看到準(zhǔn)確的信息獲取、處理、利用在系統(tǒng)中所起的實(shí)質(zhì)性作用。

將工程控制論應(yīng)用于機(jī)械工程技術(shù)而派生的機(jī)械控制工程，為機(jī)械技術(shù)引入了嶄新的理論、思想和語言，把機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)由原來靜態(tài)的、孤立的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思想引向動(dòng)態(tài)的、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)環(huán)境，使科學(xué)的辯證法在機(jī)械技術(shù)中得以體現(xiàn)，為機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)提供了豐富的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)電一體化產(chǎn)品的概念不再局限在某一具體產(chǎn)品的范圍，已擴(kuò)大到控制系統(tǒng)和被控制系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)品制造和過程控制的大系統(tǒng)。目前，世界上普遍認(rèn)為機(jī)電一體化有兩大分支，即生產(chǎn)過程的機(jī)電一體化和機(jī)電產(chǎn)品的機(jī)電一體化。

生產(chǎn)過程的機(jī)電一體化意味著整個(gè)工業(yè)體系的機(jī)電一體化，如機(jī)械制造過程的機(jī)電一體化、冶金生產(chǎn)的機(jī)電一體化、化工生產(chǎn)的機(jī)電一體化、紡織工業(yè)的機(jī)電一體化等。生產(chǎn)過程的機(jī)電一體化根據(jù)生產(chǎn)過程的特點(diǎn)(如生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)工藝是否連續(xù))又可劃分為離散制造過程的機(jī)電一體化和連續(xù)生產(chǎn)過程的機(jī)電一體化。前者以機(jī)械制造業(yè)為代表，后者以化工生產(chǎn)流程為代表。生產(chǎn)過程的機(jī)電一體化包含產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工、裝配、檢驗(yàn)的自動(dòng)化，生產(chǎn)過程自動(dòng)化，經(jīng)營(yíng)管理自動(dòng)化等，其中包含多個(gè)自動(dòng)化生產(chǎn)線，其高級(jí)形式是計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(Computer Inte—grated Manufacturing System，CIMS)。其具體包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Design，CAD)、計(jì)算機(jī)輔助制造(Computer Aided Manufacturing，CAM)、計(jì)算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計(jì)(Com．puter Aided Process Planning，CAPP)、CAD／CAM集成系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)(Flexible ManufacturingSystem，F(xiàn)MS)及計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)。

機(jī)電產(chǎn)品的機(jī)電一體化是機(jī)電一體化的核心，是生產(chǎn)過程機(jī)電一體化的物質(zhì)基礎(chǔ)。典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品體現(xiàn)了機(jī)電的深度有機(jī)結(jié)合。近年來新開發(fā)的機(jī)電一體化產(chǎn)品大多都采用了全新的工作原理，集中了各種高新技術(shù)，并把多種功能集成在一起，在市場(chǎng)上具有極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)能力。由于在機(jī)電一體化產(chǎn)品中往往要引入儀器儀表技術(shù)，所以也有人稱為機(jī)、電、儀一體化產(chǎn)品。由于液壓傳動(dòng)具有功率大、結(jié)構(gòu)緊湊、能大范圍無級(jí)調(diào)速、快速性好、便于自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)，并且獲得了廣泛的應(yīng)用，因此又有機(jī)、電、液一體化產(chǎn)品之說。由于用光傳遞信息無污染，抗干擾能力強(qiáng)，在很多新型機(jī)電產(chǎn)品中特別是儀器儀表中的應(yīng)用越來越廣泛，這類產(chǎn)品又稱為機(jī)、電、光一體化產(chǎn)品。

發(fā)展機(jī)電一體化技術(shù)所面臨的共性關(guān)鍵技術(shù)包括精密機(jī)械技術(shù)、傳感檢測(cè)技術(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、接口技術(shù)和系統(tǒng)總體技術(shù)等?，F(xiàn)代的機(jī)電一體化產(chǎn)品甚至還包含了光、聲、化學(xué)、生物等技術(shù)的應(yīng)用。

1．機(jī)械技術(shù)

機(jī)械技術(shù)是機(jī)電一體化的基礎(chǔ)。隨著高新技術(shù)引入機(jī)械行業(yè)，機(jī)械技術(shù)面臨著挑戰(zhàn)和變革。在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，它不再是單一地完成系統(tǒng)間的連接，而是要優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、體積、剛性和壽命等參數(shù)對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的綜合影響。機(jī)械技術(shù)的著眼點(diǎn)在于如何與機(jī)電一體化的技術(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、性能上以及功能上的變更，滿足減少質(zhì)量、縮小體積、提高精度、提高剛度、改善性能和增加功能的要求。尤其那些關(guān)鍵零部件，如導(dǎo)軌、滾珠絲杠、軸承、傳動(dòng)部件等的材料、精度對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品的性能、控制精度影響很大。

在制造過程的機(jī)電一體化系統(tǒng)，經(jīng)典的機(jī)械理論與工藝應(yīng)借助于計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，同時(shí)采用人工智能與專家系統(tǒng)等，形成新一代的機(jī)械制造技術(shù)。這里原有的機(jī)械技術(shù)以知識(shí)和技能的形式存在。如計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)程編制(CAPP)是目前CAD／CAM系統(tǒng)研究的瓶頸，其關(guān)鍵問題在于如何將各行業(yè)、企業(yè)、技術(shù)人員中的標(biāo)準(zhǔn)、習(xí)慣和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行表達(dá)和陳述，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的自動(dòng)工藝設(shè)計(jì)與管理。

2．傳感與檢測(cè)技術(shù)

傳感與檢測(cè)裝置是系統(tǒng)的感受器官，它與信息系統(tǒng)的輸入端相連并將檢測(cè)到的信息輸送到信息處理部分。傳感與檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、自動(dòng)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它的功能越強(qiáng)，系統(tǒng)的自動(dòng)化程度就越高。傳感與檢測(cè)的關(guān)鍵元件是傳感器。

機(jī)電一體化系統(tǒng)或產(chǎn)品的柔性化、功能化和智能化都與傳感器的品種多少、性能好壞密切相關(guān)。傳感器的發(fā)展正進(jìn)入集成化、智能化階段。傳感器技術(shù)本身是一門多學(xué)科、知識(shí)密集的應(yīng)用技術(shù)。傳感原理、傳感材料及加工制造裝配技術(shù)是傳感器開發(fā)的三個(gè)重要方面。

傳感器是將被測(cè)量(包括各種物理量、化學(xué)量和生物量等)變換成系統(tǒng)可識(shí)別的、與被測(cè)量有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的有用電信號(hào)的一種裝置?，F(xiàn)代工程技術(shù)要求傳感器能快速、精確地獲取信息，并能經(jīng)受各種嚴(yán)酷環(huán)境的考驗(yàn)。與計(jì)算機(jī)技術(shù)相比，傳感器的發(fā)展顯得緩慢，難以滿足技術(shù)發(fā)展的要求。不少機(jī)電一體化裝置不能達(dá)到滿意的效果或無法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵原因在于沒有合適的傳感器。因此大力開展傳感器的研究，對(duì)于機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展具有十分重要的意義。

3．伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)

伺服系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)電信號(hào)到機(jī)械動(dòng)作的轉(zhuǎn)換裝置或部件，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、控制質(zhì)量和功能具有決定性的影響。伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)主要是指機(jī)電一體化產(chǎn)品中的執(zhí)行元件和驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)中的技術(shù)問題，它涉及設(shè)備執(zhí)行操作的技術(shù)，對(duì)所加工產(chǎn)品的質(zhì)量具有直接的影響。機(jī)電一體化產(chǎn)品中的伺服驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件包括電動(dòng)、氣動(dòng)、液壓等各種類型，其中電動(dòng)式執(zhí)行元件居多。驅(qū)動(dòng)裝置主要是各種電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源電路，目前多由電力電子器件及集成化的功能電路構(gòu)成。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，通常微型計(jì)算機(jī)通過接口電路與驅(qū)動(dòng)裝置相連接，控制執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)，執(zhí)行元件通過機(jī)械接口與機(jī)械傳動(dòng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連，帶動(dòng)工作機(jī)械作回轉(zhuǎn)、直線以及其他各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。常見的伺服驅(qū)動(dòng)有電液馬達(dá)、脈沖油缸、步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)等。由于變頻技術(shù)的發(fā)展，交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)取得突破性進(jìn)展，為機(jī)電一體化系統(tǒng)提供了高質(zhì)量的伺服驅(qū)動(dòng)單元，極大地促進(jìn)了機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展。

4．信息處理技術(shù)

信息處理技術(shù)包括信息的交換、存取、運(yùn)算、判斷和決策，實(shí)現(xiàn)信息處理的工具大都采用計(jì)算機(jī)，因此計(jì)算機(jī)技術(shù)與信息處理技術(shù)是密切相關(guān)的。計(jì)算機(jī)技術(shù)包括計(jì)算機(jī)的軟件技術(shù)和硬件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)、數(shù)據(jù)技術(shù)等。機(jī)電一體化系統(tǒng)中主要采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(包括單片機(jī)、可編程序控制器等)進(jìn)行信息處理。人工智能技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等都屬于計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)。

在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)信息處理部分指揮整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。信息處理是否正確、及時(shí)，直接影響到系統(tǒng)工作的質(zhì)量和效率。因此，計(jì)算機(jī)應(yīng)用及信息處理技術(shù)已成為促進(jìn)機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展和變革的最活躍的因素。

5．自動(dòng)控制技術(shù)

自動(dòng)控制技術(shù)范圍很廣，機(jī)電一體化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)是在基本控制理論指導(dǎo)下，對(duì)具體控制裝置或控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)；對(duì)設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試；最后使研制的系統(tǒng)可靠地投入運(yùn)行。由于控制對(duì)象種類繁多，所以控制技術(shù)的內(nèi)容極其豐富，例如高精度定位控制、速度控制、自適應(yīng)控制、自診斷、校正、補(bǔ)償、再現(xiàn)、檢索等。

隨著微型機(jī)的廣泛應(yīng)用，自動(dòng)控制技術(shù)越來越多地與計(jì)算機(jī)控制技術(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)。

6．接口技術(shù)

機(jī)電一體化系統(tǒng)是機(jī)械、電子、信息等性能各異的技術(shù)融為一體的綜合系統(tǒng)，其構(gòu)成要素和子系統(tǒng)之間的接口極其重要，主要有電氣接口、機(jī)械接口、人機(jī)接口等。電氣接口實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間信號(hào)聯(lián)系；機(jī)械接口則完成機(jī)械與機(jī)械部件、機(jī)械與電氣裝置的連接；人機(jī)接口提供人與系統(tǒng)間的交互界面。接口技術(shù)是機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

7．系統(tǒng)總體技術(shù)

系統(tǒng)總體技術(shù)是一種從整體目標(biāo)出發(fā)，用系統(tǒng)的觀點(diǎn)和全局角度，將總體分解成相互有機(jī)聯(lián)系的若干單元，找出能完成各個(gè)功能的技術(shù)方案，再把功能和技術(shù)方案組成方案組進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)和優(yōu)選的綜合應(yīng)用技術(shù)。系統(tǒng)總體技術(shù)解決的是系統(tǒng)的性能優(yōu)化問題和組成要素之間的有機(jī)聯(lián)系問題，即使各個(gè)組成要素的性能和可靠性很好，如果整個(gè)系統(tǒng)不能很好協(xié)調(diào)，系統(tǒng)也很難保證正常運(yùn)行。

在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，機(jī)械、電氣和電子是性能、規(guī)律截然不同的物理模型，因而存在匹配上的困難；電氣、電子又有強(qiáng)電與弱電及模擬與數(shù)字之分，必然遇到相互干擾和耦合的問題；系統(tǒng)的復(fù)雜性帶來的可靠性問題；產(chǎn)品的小型化增加的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與維修困難；多功能化造成診斷技術(shù)的多樣性等。因此就要考慮產(chǎn)品整個(gè)壽命周期的總體綜合技術(shù)。

為了開發(fā)出具有較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的機(jī)電一體化產(chǎn)品，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)除考慮優(yōu)化設(shè)計(jì)外，還包括可靠性設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、系列化設(shè)計(jì)以及造型設(shè)計(jì)等。

機(jī)電一體化技術(shù)有著自身的顯著特點(diǎn)和技術(shù)范疇，為了正確理解和恰當(dāng)運(yùn)用機(jī)電一體化技術(shù)，我們還必須認(rèn)識(shí)機(jī)電一體化技術(shù)與其他技術(shù)之間的區(qū)別。

(1)機(jī)電一體化技術(shù)與傳統(tǒng)機(jī)電技術(shù)的區(qū)別。傳統(tǒng)機(jī)電技術(shù)的操作控制主要以電磁學(xué)原理為基礎(chǔ)的各種電器來實(shí)現(xiàn)，如繼電器、接觸器等，在設(shè)計(jì)中不考慮或很少考慮彼此間的內(nèi)在聯(lián)系。機(jī)械本體和電氣驅(qū)動(dòng)界限分明，整個(gè)裝置是剛性的，不涉及軟件和計(jì)算機(jī)控制。機(jī)電一體化技術(shù)以計(jì)算機(jī)為控制中心，在設(shè)計(jì)過程中強(qiáng)調(diào)機(jī)械部件和電器部件間的相互作用和影響，整個(gè)裝置在計(jì)算機(jī)控制下具有一定的智能性。

(2)機(jī)電一體化技術(shù)與并行技術(shù)的區(qū)別。機(jī)電一體化技術(shù)將機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)在設(shè)計(jì)和制造階段就有機(jī)結(jié)合在一起，十分注意機(jī)械和其他部件之間的相互作用。并行技術(shù)是將上述各種技術(shù)盡量在各自范圍內(nèi)齊頭并進(jìn)，只在不同技術(shù)內(nèi)部進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，最后通過簡(jiǎn)單疊加完成整體裝置。

(3)機(jī)電一體化技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)的區(qū)別。自動(dòng)控制技術(shù)的側(cè)重點(diǎn)是討論控制原理、控制規(guī)律、分析方法和自動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)造等。機(jī)電一體化技術(shù)是將自動(dòng)控制原理及方法作為重要支撐技術(shù)，將自控部件作為重要控制部件。它應(yīng)用自控原理和方法，對(duì)機(jī)電一體化裝置進(jìn)行系統(tǒng)分析和性能測(cè)算。

(4)機(jī)電一體化技術(shù)與計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的區(qū)別。機(jī)電一體化技術(shù)只是將計(jì)算機(jī)作為核心部件應(yīng)用，目的是提高和改善系統(tǒng)性能。計(jì)算機(jī)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用僅僅是計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)中一部分，它還可以作為辦公、管理及圖像處理等廣泛應(yīng)用。機(jī)電一體化技術(shù)研究的是機(jī)電一體化系統(tǒng)，而不是計(jì)算機(jī)應(yīng)用本身。

(1)整體結(jié)構(gòu)最優(yōu)化

在傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品中，為了增加一種功能，或?qū)崿F(xiàn)某一種控制規(guī)律，往往用增加機(jī)械機(jī)構(gòu)的辦法來實(shí)現(xiàn)。例如，為了達(dá)到變速的目的，出現(xiàn)了由一系列齒輪組成的變速箱；為了控制機(jī)床的走刀軌跡，出現(xiàn)了各種形狀的靠模；為了控制柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油規(guī)律，出現(xiàn)了凸輪機(jī)構(gòu)等。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸發(fā)現(xiàn)，過去笨重的齒輪變速箱可以用輕便的變頻調(diào)速電子裝置來代替；準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以通過計(jì)算機(jī)的軟件來調(diào)節(jié)。由此看來，可以從機(jī)械、電子、硬件、軟件等四個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)同一種功能。

這里所指的“最優(yōu)”不一定是尖端技術(shù)，而是指滿足用戶的要求。它可以是以高效、節(jié)能、節(jié)材、安全、可靠、精確、靈活、價(jià)廉等許多指標(biāo)中用戶最關(guān)心的一個(gè)或幾個(gè)指標(biāo)為主進(jìn)行衡量的結(jié)果。機(jī)電一體化技術(shù)的實(shí)質(zhì)是從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，應(yīng)用機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)進(jìn)行有機(jī)的組合、滲透和綜合，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)化。

(2)系統(tǒng)控制智能化

系統(tǒng)控制智能化是機(jī)電一體化技術(shù)與傳統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化最主要的區(qū)別之一。電子技術(shù)的引入顯著地改變了傳統(tǒng)機(jī)械那種單純靠操作人員按照規(guī)定的工藝順序或節(jié)拍、頻繁、緊張、單調(diào)、重復(fù)的工作狀況?？梢钥侩娮涌刂葡到y(tǒng)，按照預(yù)定的程序一步一步地協(xié)調(diào)各相關(guān)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作及功能關(guān)系。目前大多數(shù)機(jī)電一體化系統(tǒng)都具有自動(dòng)控制、自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)信息處理、自動(dòng)修正、自動(dòng)診斷、自動(dòng)記錄、自動(dòng)顯示等功能。在正常情況下，整個(gè)系統(tǒng)按照人的意圖(通過給定指令)進(jìn)行自動(dòng)控制，一旦出現(xiàn)故障，就自動(dòng)采取應(yīng)急措施，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)保護(hù)。在某些情況下，單靠人的操縱是難以應(yīng)付的，特別是在危險(xiǎn)、有害、高速、精確的使用條件下，應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)不但是有利的，而且是必要的。

(3)操作性能柔性化

計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的引入，能使機(jī)電一體化系統(tǒng)的各個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作通過預(yù)先給定的程序，一步一步地由電子系統(tǒng)來協(xié)調(diào)。在生產(chǎn)對(duì)象變更需要改變傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作規(guī)律時(shí)，無須改變其硬件機(jī)構(gòu)，只要調(diào)整由一系列指令組成的軟件，就可以達(dá)到預(yù)期的目的。這種軟件可以由軟件工程人員根據(jù)控制要求事先編好，使用磁盤或數(shù)據(jù)通信方式，裝入機(jī)電一體化系統(tǒng)里的存儲(chǔ)器中，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作實(shí)施控制和協(xié)調(diào)。

一、機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展的三個(gè)階段

機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展大體上可分為三個(gè)階段。20世紀(jì)60年代以前為第一階段，這一階段稱為初期階段。特別是在二次世界大戰(zhàn)期間，戰(zhàn)爭(zhēng)刺激了機(jī)械產(chǎn)品與電子技術(shù)的結(jié)合，這些機(jī)電結(jié)合的軍用技術(shù)，戰(zhàn)后轉(zhuǎn)為民用，對(duì)戰(zhàn)后經(jīng)濟(jì)的恢復(fù)起到了積極的作用。20世紀(jì)70～80年代為第二階段，可稱為蓬勃發(fā)展階段。這一時(shí)期，計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，為機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。20世紀(jì)90年代后期，開始了機(jī)電一體化技術(shù)向智能化方向邁進(jìn)的新階段。由于人工智能技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及光纖通信技術(shù)等領(lǐng)域取得的巨大進(jìn)步，為機(jī)電一體化技術(shù)開辟了發(fā)展的廣闊天地。

二、機(jī)電一體化向光機(jī)電一體化發(fā)展

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是光電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展，使機(jī)電一體化逐漸向光機(jī)電一體化方向發(fā)展。

光電子技術(shù)是在20世紀(jì)60年代激光技術(shù)問世之后，將傳統(tǒng)光學(xué)技術(shù)與現(xiàn)代激光技術(shù)、光電轉(zhuǎn)換技術(shù)、微電子技術(shù)、信息處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)緊密結(jié)合在一起的一門高新技術(shù)，是獲取光信息或者借助光來提取其他信息的重要手段。眾所周知，21世紀(jì)是信息爆炸的世紀(jì)，隨著高容量和高速度的信息發(fā)展，電子學(xué)和微電子學(xué)遇到其局限性。由于光子的速度比電子速度快得多，光的頻率比無線電的頻率高得多，使光予比電子具有更高的性能：超大容量(如一根比頭發(fā)絲還細(xì)的光纖用一束激光，理論上可同時(shí)傳遞近100億路電話和1000萬路電視節(jié)目，一張光盤可以存儲(chǔ)6億多個(gè)漢字)、超高速度、高保密性(激光在光纖中傳播幾乎不漏光，無信息擴(kuò)散)、抗干擾性強(qiáng)、更高精度、更高分辨率、信息的可視性、應(yīng)用領(lǐng)域廣等，為提高傳輸速度和載波密度，信息的載體由電子過渡到光子是發(fā)展的必然趨勢(shì)，它會(huì)使信息技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生突破。目前，信息的探測(cè)、傳輸、存儲(chǔ)、顯示、運(yùn)算和處理已由光子和電子共同參與來完成。此外，由于激光具有高相干性、高單色性、高方向性和高亮度的特點(diǎn)，能夠在萬億分之一秒積聚數(shù)百萬億千瓦的功率，溫度高達(dá)數(shù)千萬攝氏度。這使它成為一種非常有效的加工方法而被廣泛應(yīng)用于手術(shù)、切割、焊接、清洗、打孔、刻槽、標(biāo)記、三維雕刻、光化學(xué)沉積、快速成形、金屬塑性成形等。

由于光電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展和無與倫比的優(yōu)點(diǎn)，以及光電子技術(shù)向機(jī)電一體化技術(shù)的不斷融合，使機(jī)電一體化的內(nèi)涵和外延得到不斷地豐富和拓展。國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者已將機(jī)電一體化更名為光機(jī)電一體化，并且將光機(jī)電一體化技術(shù)譽(yù)為21世紀(jì)最具魅力的朝陽產(chǎn)業(yè)。

三、機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展方向

機(jī)電一體化是集機(jī)械、電子、光學(xué)、控制、計(jì)算機(jī)、信息等多學(xué)科的交叉融合，它的發(fā)展和進(jìn)步有賴于相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，其主要發(fā)展方向有數(shù)字化、智能化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、微型化、集成化、人格化和綠色化。

(一)數(shù)字化

微處理器和微控制器的發(fā)展奠定了單機(jī)數(shù)字化的基礎(chǔ)，如不斷發(fā)展的數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人；而計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的迅速崛起，為數(shù)字化制造鋪平了道路，如計(jì)算機(jī)集成制造。數(shù)字化要求機(jī)電一體化產(chǎn)品的軟件具有高可靠性、可維護(hù)性以及自診斷能力，其人機(jī)界面對(duì)用戶更加友好，更易于使用，并且用戶能根據(jù)需要參與改進(jìn)。數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)將便于遠(yuǎn)程操作、診斷和修復(fù)。

(二)智能化

智能化是21世紀(jì)機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展的主要方向。賦予機(jī)電一體化產(chǎn)品一定的智能，使它模擬人類智能，具有人的判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力，以求得到更高的控制目標(biāo)。隨著人工智能技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及光纖通信技術(shù)等領(lǐng)域取得的巨大進(jìn)步，大量智能化的機(jī)電一體化產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。現(xiàn)在，“模糊控制”技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)普遍，甚至還出現(xiàn)了“混沌控制”的產(chǎn)品。

(三)模塊化

由于機(jī)電一體化產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠家繁多，研制和開發(fā)具有標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口、動(dòng)力接口、環(huán)境接口的機(jī)電一體化產(chǎn)品單元是一項(xiàng)十分復(fù)雜和有前途的事情。利用標(biāo)準(zhǔn)單元迅速開發(fā)出新的產(chǎn)品，縮短開發(fā)周期，擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，將給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和美好的發(fā)展前景。

機(jī)電一體化水平的提高，使紡織機(jī)械的分部傳動(dòng)得以實(shí)現(xiàn)，這也使模塊化設(shè)計(jì)成為可能。不僅機(jī)械部分，就是電氣控制部分也采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，各功能單元都采用插槽式的結(jié)構(gòu)，不同功能模塊的組合，就能滿足千變?nèi)f化的用戶需求。模塊化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，是今后技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

(四)網(wǎng)絡(luò)化

20世紀(jì)90年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)的突出成就就是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。各種網(wǎng)絡(luò)將全球經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)連成一片，企業(yè)間的競(jìng)爭(zhēng)也全球化。由于網(wǎng)絡(luò)的普及和進(jìn)步，基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠(yuǎn)程控制和狀態(tài)監(jiān)視技術(shù)方興未艾，而遠(yuǎn)程控制的終端設(shè)備就是機(jī)電一體化產(chǎn)品。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和廣泛運(yùn)用，一些制造企業(yè)正向著更高的管理信息系統(tǒng)層次ERP(Enterprise Resource Planning，企業(yè)資源計(jì)劃)邁進(jìn)。

(五)微型化

微型化指的是機(jī)電一體化向微型化和微觀領(lǐng)域發(fā)展的趨勢(shì)。微型化是精密加工技術(shù)發(fā)展的必然，也是提高效率的需要。微機(jī)電一體化發(fā)展的瓶頸在于微機(jī)械技術(shù)，微機(jī)電一體化產(chǎn)品的加工采用精細(xì)加工技術(shù)，即超精密技術(shù)，它包括光刻技術(shù)和蝕刻技術(shù)兩類。

(六)集成化

集成化既包含各種技術(shù)的相互滲透、相互融合，又包含在生產(chǎn)過程中同時(shí)處理加工、裝配、檢測(cè)、管理等多種工序。為了實(shí)現(xiàn)多品種、小批量生產(chǎn)的自動(dòng)化與高效率，應(yīng)使系統(tǒng)具有更廣泛的柔性。如特呂茨勒新型梳棉機(jī)就集成了一體化并條機(jī)IDF，可節(jié)省機(jī)臺(tái)、簡(jiǎn)化工序、增加柔性、提高效率。

(七)人格化

機(jī)電一體化產(chǎn)品的最終使用對(duì)象是人，如何在機(jī)電一體化產(chǎn)品里賦予人的智能、情感和人性顯得越來越重要，特別是以人為本的思想已深入人心的今天，機(jī)電一體化產(chǎn)品除了完善的性能外，還要求在色彩、造型等方面都與環(huán)境相協(xié)調(diào)，柔和一體，小巧玲瓏，使用這些產(chǎn)品，對(duì)人來說還是一種藝術(shù)享受，如家用機(jī)器人的最高境界就是人機(jī)一體化。

(八)綠色化

機(jī)電一體化產(chǎn)品的綠色化主要是指使用時(shí)不污染生態(tài)環(huán)境。21世紀(jì)的主題詞是“環(huán)境保護(hù)”，綠色化是時(shí)代的趨勢(shì)。綠色產(chǎn)品在其設(shè)計(jì)、制造、使用和銷毀的過程中，要符合特定的環(huán)境保護(hù)和人類健康的要求，對(duì)生態(tài)環(huán)境無害或危害極小，資源利用率最高。

一、可編程控制器的一般原理及組成

(一)概述

可編程控制器的起源可以追溯到20世紀(jì)60年代。美國(guó)通用汽車(GM)公司為了適應(yīng)汽車型號(hào)不斷更新的需要，提出希望有這樣一種控制設(shè)備：

(1)它的繼電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期短，接線簡(jiǎn)單，成本低。

(2)它能把計(jì)算機(jī)的許多功能和繼電控制系統(tǒng)結(jié)合起來，但編程又比計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)單易學(xué)、操作方便。

(3)系統(tǒng)通用性強(qiáng)。

1969年美國(guó)DEC公司研制出第一臺(tái)可編程控制器，用在GM公司生產(chǎn)線上獲得成功。其后日本、德國(guó)等相繼引入，可編程控制器迅速發(fā)展起來。但這一時(shí)期它主要用于順序控制，雖然也采用了計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想，但實(shí)際上只能進(jìn)行邏輯運(yùn)算，故稱為可編程邏輯控制器，簡(jiǎn)稱PLC(Progra mmable Logic Controller)。

進(jìn)入20世紀(jì)80年代，隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，才使得可編程控制器有突飛猛進(jìn)的發(fā)展。其功能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出邏輯控制、順序控制的范圍，故稱可編程控制器簡(jiǎn)稱PC(Progra tamable Controller)。但由于PC容易和個(gè)人計(jì)算機(jī)(Personal Computer)混淆，故人們?nèi)粤?xí)慣地用PLC作為可編程控制器的縮寫。

目前PLC功能日益增強(qiáng)，可進(jìn)行模擬量控制、位置控制。特別是遠(yuǎn)程通信功能的實(shí)現(xiàn)，易于實(shí)現(xiàn)柔性加工和制造系統(tǒng)(FMS)，使得PLC如虎添翼。無怪乎有人將PLC稱為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱(即：PLC、機(jī)器人和CAD／CAM)之一。

目前PLC已廣泛應(yīng)用于冶金、礦業(yè)、機(jī)械、輕工等領(lǐng)域，為工業(yè)自動(dòng)化提供了有力的工具，加速了極點(diǎn)一體化的實(shí)現(xiàn)。

二、PLC的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

(一)PLC的基本結(jié)構(gòu)

PLC生產(chǎn)廠家很多，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)也各不相同，但其基本組成部分大致相同。PLC采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，主要包括CPU、RAM、ROM和輸入、輸出接口電路等。其內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。如果把PLC看作一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由輸入變量一PLC一輸出變量組成，外部的各種開信號(hào)、模擬信號(hào)、傳感器檢測(cè)的各種信號(hào)據(jù)均作為PLC的輸入變量，它們經(jīng)PLC外部輸入到內(nèi)部寄存器中，經(jīng)PLC內(nèi)部邏輯運(yùn)算或其他各種運(yùn)算、處理后送到輸出端子，它們是PLC的輸出變量。由這些輸出變量對(duì)外圍設(shè)備進(jìn)行各種控制。這里可以將PLC看作一個(gè)中間處理器或變換器，以將輸入變量變換為輸出變量。

下面具體介紹各部分作用。

1．CPU

CPU是中央處理器(Centre Processing Unit)的英文縮寫。它作為整個(gè)PLC的核心，起著總指揮的作用，它主要完成以下功能：

(1)將輸入信號(hào)送入PLC中存儲(chǔ)起來。

(2)按存放的先后順序取出用戶指令，進(jìn)行編譯。

(3)完成用戶指令規(guī)定的各種操作。

(4)將結(jié)果送到輸出端。

(5)響應(yīng)各種外圍設(shè)備(如編程器、打印機(jī)等)的請(qǐng)求。

目前PLC中所用的CPU多為單片機(jī)，在高檔機(jī)中現(xiàn)已采用16位甚至32位CPU，功能極強(qiáng)。

2．存儲(chǔ)器

PLC內(nèi)部存儲(chǔ)器有兩類：一類是RAM(即隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)，可以隨時(shí)由CPU對(duì)它進(jìn)行讀出、寫入；另一類是ROM(即只讀存儲(chǔ)器)，CPU只能從中讀取而不能寫入。RAM主要用來存放各種暫存的數(shù)據(jù)、中間結(jié)果及用戶正在調(diào)試的程序，ROM主要存放監(jiān)控程序及用戶已經(jīng)調(diào)試好的程序，這些程序都事先燒在ROM芯片中，開機(jī)后便可運(yùn)行其中程序。

3．輸入、輸出接口電路

它起著PLC和外圍設(shè)備之間傳遞信息作用。為了保證PLC可靠工作，設(shè)計(jì)者在PLC的接口電路上采取了不少措施。這些接口電路有以下特點(diǎn)：

(1)輸入采用光電耦合電路，可大大減少電磁干擾。

(2)輸出也采用光電隔離并有三種方式，即繼電器、晶體管和晶閘管。這使得PLC可以適合各種用戶的不同要求。如低速、大功率負(fù)載一般采用繼電器輸出；高速大功率則采用晶閘管輸出；高速小功率可以用晶體管輸出等等。而且有些輸出電路做成模塊式，可插拔，更換起來十分方便。

除了上面介紹的幾個(gè)主要部分外，PLC上還配有和各種外圍設(shè)備的接口，均采用插座引出到外殼上，可配接編程器、打印機(jī)、錄音機(jī)以及A／D、D／A、串行通信模塊，可以十分方便地用電纜進(jìn)行連接。

(二)PLC的工作原理

PLC雖具有微機(jī)的許多特點(diǎn)，但它的工作方式卻與微機(jī)有很大不同。微機(jī)一般采用等待命令的工作方式，如常見的鍵盤掃描方式或I／O掃描方式，有鍵按下或I／O動(dòng)作，則轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序，無鍵按下，則繼續(xù)掃描。PLC則采用循環(huán)掃描工作方式。在PLC中，用戶程序按先后順序存放。

PLC從第一條指令開始執(zhí)行程序，直至遇到結(jié)束符后又返回第一條。如此周而復(fù)始不斷循環(huán)。每一個(gè)循環(huán)稱為一個(gè)掃描周期。若輸入變量在掃描刷新周期發(fā)生變化，則本次掃描周期中輸出變量相對(duì)應(yīng)的輸入產(chǎn)生了響應(yīng)。反之，若輸入變量刷新之后，輸入變量才發(fā)生變化，則本次周期的輸出不變，即不響應(yīng)，而要到下一次掃描期問輸出才會(huì)產(chǎn)生響應(yīng)。由于PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，所以它的輸出對(duì)于輸入的響應(yīng)速度要受到掃描周期的影響。掃描周期的長(zhǎng)短主要取決于這幾個(gè)因素：一是CPU執(zhí)行指令的速度；二是每條指令占用的時(shí)間；三是指令條數(shù)的多少，即程序長(zhǎng)短。

對(duì)于慢速控制系統(tǒng)，響應(yīng)速度常常不是主要的，故這種工作方式不但沒有壞處反而可以增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力。因?yàn)楦蓴_常是脈沖式的，短時(shí)的，而由于系統(tǒng)響應(yīng)較慢，常常要幾個(gè)掃描周期才響應(yīng)一次，而多次掃描后，瞬間干擾所引起的誤動(dòng)作將會(huì)大大減少，故增強(qiáng)了抗干擾能力。

但對(duì)于時(shí)間要求交嚴(yán)格、響應(yīng)速度要求較快的系統(tǒng)，這一問題就須慎重考慮。應(yīng)對(duì)響應(yīng)時(shí)間作出精確的計(jì)算，精心編排程序，合理安排指令的順序，以盡量減少掃描周期造成的響應(yīng)延時(shí)等不良影響。

總之，采用循環(huán)掃描的工作方式，是PLC區(qū)別于微機(jī)和其他控制設(shè)備的最大特點(diǎn)。

(三)PLC的特點(diǎn)

PLC的特點(diǎn)可以大致歸納如下：

(1)抗干擾能力強(qiáng)和可靠性高。PLC的設(shè)計(jì)者采取了各種措施來提高可靠性，主要有這樣幾個(gè)方面：

①輸入、輸出均采用光電隔離，提高了抗干擾能力。

②主機(jī)的輸入電源和輸出電源均可相互獨(dú)立，減少了電源間干擾。

③采用循環(huán)掃描工作方式。提高抗干擾能力。

④內(nèi)部采用“監(jiān)視器”電路，以保證CPU可靠地工作。

⑤采用密封防塵抗振的外殼封裝及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可適應(yīng)惡劣環(huán)境。

由于采取了這些措施，使得PLC有很強(qiáng)的抗干擾能力，實(shí)驗(yàn)證明一般可抗1 kV、1μs的窄脈沖干擾。其平均無故障時(shí)間(MTBF)一般可達(dá)5～10萬h。

(2)采用模塊化組合式結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)構(gòu)成十分靈活，可根據(jù)需要任意組合，易于維修，易于實(shí)現(xiàn)分散式控制。

(3)編程語言簡(jiǎn)單易學(xué)，便于普及。PLC采用面向控制過程的編程語言，簡(jiǎn)單、直觀，易學(xué)易記，沒有微機(jī)基礎(chǔ)的人也很容易學(xué)會(huì)，故適于在工礦企業(yè)中推廣。

(4)可進(jìn)行在線修改，柔性好。

(四)PLC的應(yīng)用場(chǎng)合

PLC在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、采礦、水泥、石油、化工、電力、機(jī)械制造、汽車裝卸、造紙、紡織、環(huán)保及娛樂等各行各業(yè)。它的應(yīng)用大致可分為以下幾種類型：

(1)采用開光邏輯控制。這是PLC最基本的應(yīng)用范圍?？捎肞LC取代傳統(tǒng)繼電控制，如機(jī)床電氣、電機(jī)控制中心等，也可取代順序控制，如高爐上料、電梯控制、貨物存取、運(yùn)輸、檢測(cè)等?？傊?，PLC可用于單機(jī)、多機(jī)群以及生產(chǎn)線的自動(dòng)化控制。

(2)用于機(jī)械加工的數(shù)字控制。PLC和計(jì)算機(jī)數(shù)控(NCN)裝置組合成一體，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)值控制，組成數(shù)控機(jī)床。

(3)用于機(jī)器人控制，可用一臺(tái)PLC實(shí)現(xiàn)3～6軸的機(jī)器人控制。

(4)用于閉環(huán)過程控制?，F(xiàn)代大型PLC都配有PID字程序或PID模塊，可實(shí)現(xiàn)單回路、多回路的調(diào)節(jié)控制。

(5)用于組成多極控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)。

(6)目前在我國(guó)鐵路客車的自動(dòng)控制和行車安全檢測(cè)等得到廣泛應(yīng)用，是我國(guó)鐵路客車裝備和技術(shù)的發(fā)展方向。