三、機電一體化技術(shù)

（一）技術(shù)特征

機電一體化產(chǎn)品是電子控制與機械裝置的結(jié)合物，在產(chǎn)品的設(shè)計時突出體現(xiàn)了以下兩個方面的思想。

① 利用機械、微電子、自動控制乃至更多技術(shù)的結(jié)合，來實現(xiàn)傳統(tǒng)的、依靠單一技術(shù)無法實現(xiàn)的功能。

② 在多種可采用的技術(shù)方案中，通過綜合分析與評價，選擇了其中的最佳方案。

機電一體化技術(shù)是設(shè)計、生產(chǎn)、制造機電一體化產(chǎn)品的方法與手段，是機電一體化產(chǎn)品得以發(fā)展的基礎(chǔ)，機電一體化產(chǎn)品的特點決定了其涉及的范圍非常之廣，要準(zhǔn)確界定目前還難以做到。總體而言，機電一體化產(chǎn)品所涉及的技術(shù)應(yīng)具有“綜合性”與“系統(tǒng)性”兩大主要特征。

1.綜合性

機電一體化是各種技術(shù)的有機集成與綜合，它們之間需要相互融合與滲透，而不是簡單的疊加。機電一體化除了基本的機械技術(shù)、微電子技術(shù)與自動控制技術(shù)外，還需要在自動控制過程中綜合應(yīng)用信息處理技術(shù)、檢測技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)等。

例如，在前述的數(shù)控機床上，在機床布局、工作臺運動、主軸系統(tǒng)、刀具交換等部件的設(shè)計上就需要采用精密機械技術(shù)；CNC、PLC、伺服驅(qū)動器、主軸驅(qū)動器等控制裝置則無一例外地應(yīng)用了微電子與電力電子技術(shù)；而在伺服驅(qū)動系統(tǒng)上還需要將運動控制、檢測、網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)集成一體；在刀具交換控制上，則涉及液壓與氣動技術(shù)等。

2.系統(tǒng)性

機電一體化產(chǎn)品是綜合應(yīng)用各種技術(shù)所形成的產(chǎn)物，在產(chǎn)品設(shè)計階段就需要運用系統(tǒng)工程的觀點來分析研究產(chǎn)品的要求、合理匹配各組成部分的功能、充分發(fā)揮各部分的作用，才能使得產(chǎn)品的整體效能達(dá)到最佳。

從經(jīng)濟社會發(fā)展的角度看，機電一體化產(chǎn)品還需要從資源利用、環(huán)境保護、可持續(xù)發(fā)展等角度，綜合考慮其生產(chǎn)制造、使用維修、報廢處理、循環(huán)利用等各方面的要求，其涵蓋范圍更廣、系統(tǒng)性更強。

（二）主要技術(shù)

機電一體化技術(shù)是一個技術(shù)群的總稱，但是在具體的機電一體化產(chǎn)品上，根據(jù)功能與用途的不同，所采用的技術(shù)可多可少，像自動洗衣機等產(chǎn)品只涉及自動控制與機械技術(shù)；而數(shù)控機床則還包括了機械技術(shù)、自動控制技術(shù)、運動控制技術(shù)等；在飛機衛(wèi)星等航空航天設(shè)備上，其涉及范圍更廣。如再進一步分析，自動控制技術(shù)又需要應(yīng)用信息處理、檢測、網(wǎng)絡(luò)控制等技術(shù)；運動控制又離不開電力電子技術(shù)、晶體管脈寬調(diào)制技術(shù)等，難以一一盡述。

作為日常生活與工業(yè)生產(chǎn)中常見的機電一體化產(chǎn)品，應(yīng)用普遍的共性關(guān)鍵技術(shù)大致包括以下內(nèi)容。

1.機械技術(shù)

機械裝置是任何機電一體化產(chǎn)品必不可少的組成部分，機電一體化離不開機械技術(shù)。機電一體化產(chǎn)品注重的是技術(shù)融合與功能互補，提高精度與效率、減輕重量與節(jié)約資源、改善操作與使用性能是機電一體化控制的主要目的，因此，通過結(jié)構(gòu)的改進與創(chuàng)新、新材料的應(yīng)用等手段來提高精度與剛性、減輕重量、縮小體積，是機電一體化產(chǎn)品機械技術(shù)的主要特點與研究的方向。

2.液壓與氣動技術(shù)

液壓系統(tǒng)具有驅(qū)動力大、運動平穩(wěn)、慣性小、調(diào)速方便等特點，在機床、工程機械、農(nóng)業(yè)機械等行業(yè)的機電一體化產(chǎn)品上應(yīng)用廣泛。液壓系統(tǒng)的控制簡單、使用方便，它可通過PLC、繼電器等簡單的電氣控制裝置，便可實現(xiàn)各種復(fù)雜的機械動作，是機電一體化控制常用的控制技術(shù)之一。但是，由于液壓油具有可壓縮性并容易泄漏，因此，它對元器件的制造精度要求高，并容易產(chǎn)生環(huán)境的污染。

氣動系統(tǒng)也可通過PLC、繼電器等簡單的電氣控制裝置，實現(xiàn)各種復(fù)雜的機械動作，因此，氣動系統(tǒng)同樣是機電一體化控制常用的控制技術(shù)之一。與液壓系統(tǒng)相比，氣動系統(tǒng)具有氣源容易獲得、工作介質(zhì)不污染環(huán)境，以及執(zhí)行元件反應(yīng)快、動作迅速，管路不容易堵塞、無需補充介質(zhì)等優(yōu)點，其使用維護簡單、運行成本低，環(huán)境適應(yīng)性、清潔性和安全性好。但是，氣動系統(tǒng)的工作壓力一般低于液壓系統(tǒng)，其執(zhí)行元件的出力較小，且容易壓縮和泄漏，噪聲均較大。

3.檢測技術(shù)

自動控制需要獲取對象的實際工作狀態(tài)信息，以便進行監(jiān)測、分析與控制，因此離不開自動檢測技術(shù)。檢測技術(shù)主要包括測量傳感器與信號處理兩方面，傳感器（檢測元件）是檢測技術(shù)的關(guān)鍵，它的性能直接決定了控制的準(zhǔn)確性與精度；信號處理的目的是將傳感器所獲取的信息轉(zhuǎn)換為顯示、分析、控制所需要的數(shù)據(jù)。光電編碼器與光柵、磁性編碼器與磁柵是機電一體化產(chǎn)品常用的速度與位置檢測元件。

4.計算機控制技術(shù)

自動控制需要人們利用各種技術(shù)手段和方法來代替人去完成各種測試、分析、判斷和控制工作，它是機電一體化產(chǎn)品的顯著特征之一。

由于機電一體化產(chǎn)品種類繁多，控制要求各異，因此，機電一體化產(chǎn)品的自動控制需要運用現(xiàn)代控制理論，通過數(shù)字化控制、自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制、系統(tǒng)仿真、自診斷等方法與手段來滿足產(chǎn)品的自動化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等要求；其控制已經(jīng)越來越多地依賴于微處理器、計算機，控制軟件的作用日益顯現(xiàn)，CNC、PLC等都是采用微處理器控制的典型產(chǎn)品。

以計算機為核心的自動控制裝置需要通過計算機的軟件與硬件對系統(tǒng)中的各種信息進行處理，如數(shù)據(jù)的通信與傳輸、數(shù)據(jù)的輸入與輸出、數(shù)據(jù)運算與處理等，這就是人們平時所說的信息處理技術(shù)。單片機、工業(yè)計算機、CNC、PLC等是機電一體化產(chǎn)品常用的信息處理裝置，數(shù)據(jù)通信、網(wǎng)絡(luò)控制、數(shù)據(jù)庫、人工智能、專家系統(tǒng)等是信息處理常用的軟件。

5.網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的普及是20世紀(jì)90年代計算機技術(shù)的突出成就之一，網(wǎng)絡(luò)不僅使全球的信息逐步共享、經(jīng)濟漸趨一體，給人們的日常生活帶來了巨大的變化，而且也給機電一體化注入了新的動力。網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)推動了自動控制向分散控制、集中管理的方向快速發(fā)展，基于現(xiàn)場總線的設(shè)備集中控制、分布式控制系統(tǒng)已越來越引起人們的重視；傳統(tǒng)的接口正在被快速淘汰， RS422/RS485等串行數(shù)據(jù)通信接口、PROFIBUS/CAN-Bus/CC-Link/AS-i等開放性現(xiàn)場總線協(xié)議已逐步成為當(dāng)代機電一體化控制裝置的基本功能；機電一體化產(chǎn)品已經(jīng)越來越多地通過現(xiàn)場總線（Field Bus）網(wǎng)、執(zhí)行器—傳感器（AS-i）網(wǎng)、I/O鏈接（I/O-Link）網(wǎng)等來實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部的信息交換。

6.運動控制技術(shù)

機械運動是機電一體化產(chǎn)品的基本屬性，運動控制（Motion Control）是機電一體化最基本、最重要的控制技術(shù)之一。運動控制的目的是將控制命令轉(zhuǎn)換為執(zhí)行裝置的運動，實現(xiàn)對象的位置、速度、轉(zhuǎn)矩等控制，其執(zhí)行裝置有各類電動機、液壓/氣動閥等。除了簡單的定點定位移動控制外，機電一體化設(shè)備的絕大多數(shù)運動控制都需要控制較多的執(zhí)行器參數(shù)，如電動機的電壓、電流、相位、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角等，它需要涉及計算機控制、網(wǎng)絡(luò)控制以及電力電子、晶體管脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulated,PWM）、檢測等諸多技術(shù)，并構(gòu)成相對獨立的子系統(tǒng)，因此，也可稱之為運動控制系統(tǒng)。

對于以電機作為執(zhí)行裝置的位置、速度、轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，交流伺服驅(qū)動器、變頻器、步進驅(qū)動器是當(dāng)代機電一體化產(chǎn)品常用的運動控制裝置。與直流電機[2]相比，交流電機具有轉(zhuǎn)速高、功率大、結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、體積小、價格低等一系列優(yōu)點，但其控制遠(yuǎn)比直流電機復(fù)雜，因此，在一個很長的時期內(nèi)，直流電機控制系統(tǒng)始終在運動控制領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。交流伺服驅(qū)動器與變頻器是隨電力電子技術(shù)、PWM技術(shù)與矢量控制理論發(fā)展起來的新型裝置，經(jīng)過30多年的發(fā)展，交流電機的控制理論與技術(shù)已經(jīng)日臻成熟，各種高精度、高性能的交流電機控制系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，交流伺服已經(jīng)在數(shù)控機床、機器人上全面取代直流伺服；變頻器已在越來越多的場合代替直流調(diào)速裝置。