機電一體化技術(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)機械工業(yè)領(lǐng)域迅速滲透，機械、電子技術(shù)高度結(jié)合的現(xiàn)代工業(yè)為基礎(chǔ)，將機械技術(shù)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、傳感測試技術(shù)、接口技術(shù)等有機地結(jié)合并綜合應(yīng)用的技術(shù)。

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

開展機電一體化技術(shù)研究時，無論在工程的構(gòu)思、規(guī)劃、設(shè)計方面，還是在它的實施或?qū)崿F(xiàn)方面，都不能只著眼于機械或電子，不能只看到傳感器或計算機，而是要用系統(tǒng)的觀點，合理解決信息流與控制機制問題，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)的一個工作領(lǐng)域，而系統(tǒng)科學(xué)本身是一門關(guān)于“針對目的要求而進行合理的方法學(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、相互之間具有有機聯(lián)系的眾多要素所構(gòu)成的一個整體，也包括“工程”，即產(chǎn)生一定效能的方法。機電一體化技術(shù)是系統(tǒng)工程科學(xué)在機械電子工程中的具體應(yīng)用。具體地講，就是以機械電子系統(tǒng)或產(chǎn)品為對象，以數(shù)學(xué)方法和計算機等為工具，對系統(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行分析、設(shè)計、制造和服務(wù)，從而達到最優(yōu)設(shè)計、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，實現(xiàn)系統(tǒng)的綜合最優(yōu)化。

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

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

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機電一體化產(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)為機電一體化有兩大分支，即生產(chǎn)過程的機電一體化和機電產(chǎn)品的機電一體化。

生產(chǎn)過程的機電一體化意味著整個工業(yè)體系的機電一體化，如機械制造過程的機電一體化、冶金生產(chǎn)的機電一體化、化工生產(chǎn)的機電一體化、紡織工業(yè)的機電一體化等。生產(chǎn)過程的機電一體化根據(jù)生產(chǎn)過程的特點(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電一體化和連續(xù)生產(chǎn)過程的機電一體化。前者以機械制造業(yè)為代表，后者以化工生產(chǎn)流程為代表。生產(chǎn)過程的機電一體化包含產(chǎn)品設(shè)計、加工、裝配、檢驗的自動化，生產(chǎn)過程自動化，經(jīng)營管理自動化等，其中包含多個自動化生產(chǎn)線，其高級形式是計算機集成制造系統(tǒng)(Computer Inte—grated Manufacturing System，CIMS)。其具體包括計算機輔助設(shè)計(Computer Aided Design，CAD)、計算機輔助制造(Computer Aided Manufacturing，CAM)、計算機輔助工藝過程設(shè)計(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)及計算機集成制造系統(tǒng)。

機電產(chǎn)品的機電一體化是機電一體化的核心，是生產(chǎn)過程機電一體化的物質(zhì)基礎(chǔ)。典型的機電一體化產(chǎn)品體現(xiàn)了機電的深度有機結(jié)合。近年來新開發(fā)的機電一體化產(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，在市場上具有極強的競爭能力。由于在機電一體化產(chǎn)品中往往要引入儀器儀表技術(shù)，所以也有人稱為機、電、儀一體化產(chǎn)品。由于液壓傳動具有功率大、結(jié)構(gòu)緊湊、能大范圍無級調(diào)速、快速性好、便于自動控制等優(yōu)點，并且獲得了廣泛的應(yīng)用，因此又有機、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，在很多新型機電產(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、電、光一體化產(chǎn)品。

發(fā)展機電一體化技術(shù)所面臨的共性關(guān)鍵技術(shù)包括精密機械技術(shù)、傳感檢測技術(shù)、伺服驅(qū)動技術(shù)、計算機與信息處理技術(shù)、自動控制技術(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．機械技術(shù)

機械技術(shù)是機電一體化的基礎(chǔ)。隨著高新技術(shù)引入機械行業(yè)，機械技術(shù)面臨著挑戰(zhàn)和變革。在機電一體化產(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)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、體積、剛性和壽命等參數(shù)對機電一體化系統(tǒng)的綜合影響。機械技術(shù)的著眼點在于如何與機電一體化的技術(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、傳動部件等的材料、精度對機電一體化產(chǎn)品的性能、控制精度影響很大。

在制造過程的機電一體化系統(tǒng)，經(jīng)典的機械理論與工藝應(yīng)借助于計算機輔助技術(shù)，同時采用人工智能與專家系統(tǒng)等，形成新一代的機械制造技術(shù)。這里原有的機械技術(shù)以知識和技能的形式存在。如計算機輔助工藝規(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)驗進行表達和陳述，從而實現(xiàn)計算機的自動工藝設(shè)計與管理。

2．傳感與檢測技術(shù)

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

機電一體化系統(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)的三個重要方面。

傳感器是將被測量(包括各種物理量、化學(xué)量和生物量等)變換成系統(tǒng)可識別的、與被測量有確定對應(yīng)關(guān)系的有用電信號的一種裝置?，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。與計算機技術(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。不少機電一體化裝置不能達到滿意的效果或無法實現(xiàn)設(shè)計的關(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，對于機電一體化技術(shù)的發(fā)展具有十分重要的意義。

3．伺服驅(qū)動技術(shù)

伺服系統(tǒng)是實現(xiàn)電信號到機械動作的轉(zhuǎn)換裝置或部件，對系統(tǒng)的動態(tài)性能、控制質(zhì)量和功能具有決定性的影響。伺服驅(qū)動技術(shù)主要是指機電一體化產(chǎn)品中的執(zhí)行元件和驅(qū)動裝置設(shè)計中的技術(shù)問題，它涉及設(shè)備執(zhí)行操作的技術(shù)，對所加工產(chǎn)品的質(zhì)量具有直接的影響。機電一體化產(chǎn)品中的伺服驅(qū)動執(zhí)行元件包括電動、氣動、液壓等各種類型，其中電動式執(zhí)行元件居多。驅(qū)動裝置主要是各種電動機的驅(qū)動電源電路，目前多由電力電子器件及集成化的功能電路構(gòu)成。在機電一體化系統(tǒng)中，通常微型計算機通過接口電路與驅(qū)動裝置相連接，控制執(zhí)行元件的運動，執(zhí)行元件通過機械接口與機械傳動和執(zhí)行機構(gòu)相連，帶動工作機械作回轉(zhuǎn)、直線以及其他各種復(fù)雜的運動。常見的伺服驅(qū)動有電液馬達、脈沖油缸、步進電機、直流伺服電機和交流伺服電機等。由于變頻技術(shù)的發(fā)展，交流伺服驅(qū)動技術(shù)取得突破性進展，為機電一體化系統(tǒng)提供了高質(zhì)量的伺服驅(qū)動單元，極大地促進了機電一體化技術(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、運算、判斷和決策，實現(xiàn)信息處理的工具大都采用計算機，因此計算機技術(shù)與信息處理技術(shù)是密切相關(guān)的。計算機技術(shù)包括計算機的軟件技術(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。機電一體化系統(tǒng)中主要采用工業(yè)控制計算機(包括單片機、可編程序控制器等)進行信息處理。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)等都屬于計算機信息處理技術(shù)。

在機電一體化系統(tǒng)中，計算機信息處理部分指揮整個系統(tǒng)的運行。信息處理是否正確、及時，直接影響到系統(tǒng)工作的質(zhì)量和效率。因此，計算機應(yīng)用及信息處理技術(shù)已成為促進機電一體化技術(shù)發(fā)展和變革的最活躍的因素。

5．自動控制技術(shù)

自動控制技術(shù)范圍很廣，機電一體化的系統(tǒng)設(shè)計是在基本控制理論指導(dǎo)下，對具體控制裝置或控制系統(tǒng)進行設(shè)計；對設(shè)計后的系統(tǒng)進行仿真，現(xiàn)場調(diào)試；最后使研制的系統(tǒng)可靠地投入運行。由于控制對象種類繁多，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、補償、再現(xiàn)、檢索等。

隨著微型機的廣泛應(yīng)用，自動控制技術(shù)越來越多地與計算機控制技術(shù)聯(lián)系在一起，成為機電一體化中十分重要的關(guān)鍵技術(shù)。

6．接口技術(shù)

機電一體化系統(tǒng)是機械、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、機械接口、人機接口等。電氣接口實現(xiàn)系統(tǒng)間信號聯(lián)系；機械接口則完成機械與機械部件、機械與電氣裝置的連接；人機接口提供人與系統(tǒng)間的交互界面。接口技術(shù)是機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的關(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)的觀點和全局角度，將總體分解成相互有機聯(lián)系的若干單元，找出能完成各個功能的技術(shù)方案，再把功能和技術(shù)方案組成方案組進行分析、評價和優(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聯(lián)系問題，即使各個組成要素的性能和可靠性很好，如果整個系統(tǒng)不能很好協(xié)調(diào)，系統(tǒng)也很難保證正常運行。

在機電一體化產(chǎn)品中，機械、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)品整個壽命周期的總體綜合技術(shù)。

為了開發(fā)出具有較強競爭力的機電一體化產(chǎn)品，系統(tǒng)總體設(shè)計除考慮優(yōu)化設(shè)計外，還包括可靠性設(shè)計、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、系列化設(shè)計以及造型設(shè)計等。

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

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

(2)機電一體化技術(shù)與并行技術(shù)的區(qū)別。機電一體化技術(shù)將機械技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)和檢測技術(shù)在設(shè)計和制造階段就有機結(jié)合在一起，十分注意機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，只在不同技術(shù)內(nèi)部進行設(shè)計制造，最后通過簡單疊加完成整體裝置。

(3)機電一體化技術(shù)與自動控制技術(shù)的區(qū)別。自動控制技術(shù)的側(cè)重點是討論控制原理、控制規(guī)律、分析方法和自動系統(tǒng)的構(gòu)造等。機電一體化技術(shù)是將自動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，對機電一體化裝置進行系統(tǒng)分析和性能測算。

(4)機電一體化技術(shù)與計算機應(yīng)用技術(shù)的區(qū)別。機電一體化技術(shù)只是將計算機作為核心部件應(yīng)用，目的是提高和改善系統(tǒng)性能。計算機在機電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用僅僅是計算機應(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。機電一體化技術(shù)研究的是機電一體化系統(tǒng)，而不是計算機應(yīng)用本身。

(1)整體結(jié)構(gòu)最優(yōu)化

在傳統(tǒng)的機械產(chǎn)品中，為了增加一種功能，或?qū)崿F(xiàn)某一種控制規(guī)律，往往用增加機械機構(gòu)的辦法來實現(xiàn)。例如，為了達到變速的目的，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)動機的噴油規(guī)律，出現(xiàn)了凸輪機構(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)確的運動規(guī)律可以通過計算機的軟件來調(diào)節(jié)。由此看來，可以從機械、電子、硬件、軟件等四個方面來實現(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、價廉等許多指標(biāo)中用戶最關(guān)心的一個或幾個指標(biāo)為主進行衡量的結(jié)果。機電一體化技術(shù)的實質(zhì)是從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，應(yīng)用機械技術(shù)和電子技術(shù)進行有機的組合、滲透和綜合，以實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)化。

(2)系統(tǒng)控制智能化

系統(tǒng)控制智能化是機電一體化技術(shù)與傳統(tǒng)的工業(yè)自動化最主要的區(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)機構(gòu)的動作及功能關(guān)系。目前大多數(shù)機電一體化系統(tǒng)都具有自動控制、自動檢測、自動信息處理、自動修正、自動診斷、自動記錄、自動顯示等功能。在正常情況下，整個系統(tǒng)按照人的意圖(通過給定指令)進行自動控制，一旦出現(xiàn)故障，就自動采取應(yīng)急措施，實現(xiàn)自動保護。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、有害、高速、精確的使用條件下，應(yīng)用機電一體化技術(shù)不但是有利的，而且是必要的。

(3)操作性能柔性化

計算機軟件技術(shù)的引入，能使機電一體化系統(tǒng)的各個傳動機構(gòu)的動作通過預(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)對象變更需要改變傳動機構(gòu)的動作規(guī)律時，無須改變其硬件機構(gòu)，只要調(diào)整由一系列指令組成的軟件，就可以達到預(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，裝入機電一體化系統(tǒng)里的存儲器中，進而對系統(tǒng)機構(gòu)動作實施控制和協(xié)調(diào)。

一、機電一體化技術(shù)發(fā)展的三個階段

機電一體化技術(shù)的發(fā)展大體上可分為三個階段。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)爭刺激了機械產(chǎn)品與電子技術(shù)的結(jié)合，這些機電結(jié)合的軍用技術(shù)，戰(zhàn)后轉(zhuǎn)為民用，對戰(zhàn)后經(jīng)濟的恢復(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。這一時期，計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，為機電一體化技術(shù)的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。20世紀(jì)90年代后期，開始了機電一體化技術(shù)向智能化方向邁進的新階段。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)域取得的巨大進步，為機電一體化技術(shù)開辟了發(fā)展的廣闊天地。

二、機電一體化向光機電一體化發(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，使機電一體化逐漸向光機電一體化方向發(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)、計算機技術(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6億多個漢字)、超高速度、高保密性(激光在光纖中傳播幾乎不漏光，無信息擴散)、抗干擾性強、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，它會使信息技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生突破。目前，信息的探測、傳輸、存儲、顯示、運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，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，以及光電子技術(shù)向機電一體化技術(shù)的不斷融合，使機電一體化的內(nèi)涵和外延得到不斷地豐富和拓展。國內(nèi)外許多專家學(xué)者已將機電一體化更名為光機電一體化，并且將光機電一體化技術(shù)譽為21世紀(jì)最具魅力的朝陽產(chǎn)業(yè)。

三、機電一體化技術(shù)的發(fā)展方向

機電一體化是集機械、電子、光學(xué)、控制、計算機、信息等多學(xué)科的交叉融合，它的發(fā)展和進步有賴于相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和進步，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)展奠定了單機數(shù)字化的基礎(chǔ)，如不斷發(fā)展的數(shù)控機床和機器人；而計算機網(wǎng)絡(luò)的迅速崛起，為數(shù)字化制造鋪平了道路，如計算機集成制造。數(shù)字化要求機電一體化產(chǎn)品的軟件具有高可靠性、可維護性以及自診斷能力，其人機界面對用戶更加友好，更易于使用，并且用戶能根據(jù)需要參與改進。數(shù)字化的實現(xiàn)將便于遠程操作、診斷和修復(fù)。

(二)智能化

智能化是21世紀(jì)機電一體化技術(shù)發(fā)展的主要方向。賦予機電一體化產(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)域取得的巨大進步，大量智能化的機電一體化產(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)機械接口、動力接口、環(huán)境接口的機電一體化產(chǎn)品單元是一項十分復(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，擴大生產(chǎn)規(guī)模，將給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益和美好的發(fā)展前景。

機電一體化水平的提高，使紡織機械的分部傳動得以實現(xiàn)，這也使模塊化設(shè)計成為可能。不僅機械部分，就是電氣控制部分也采用模塊化的設(shè)計思想，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，是今后技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

(四)網(wǎng)絡(luò)化

20世紀(jì)90年代，計算機技術(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、生產(chǎn)連成一片，企業(yè)間的競爭也全球化。由于網(wǎng)絡(luò)的普及和進步，基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠程控制和狀態(tài)監(jiān)視技術(shù)方興未艾，而遠程控制的終端設(shè)備就是機電一體化產(chǎn)品。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和廣泛運用，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)資源計劃)邁進。

(五)微型化

微型化指的是機電一體化向微型化和微觀領(lǐng)域發(fā)展的趨勢。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。微機電一體化發(fā)展的瓶頸在于微機械技術(shù)，微機電一體化產(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)過程中同時處理加工、裝配、檢測、管理等多種工序。為了實現(xiàn)多品種、小批量生產(chǎn)的自動化與高效率，應(yīng)使系統(tǒng)具有更廣泛的柔性。如特呂茨勒新型梳棉機就集成了一體化并條機IDF，可節(jié)省機臺、簡化工序、增加柔性、提高效率。

(七)人格化

機電一體化產(chǎn)品的最終使用對象是人，如何在機電一體化產(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，對人來說還是一種藝術(shù)享受，如家用機器人的最高境界就是人機一體化。

(八)綠色化

機電一體化產(chǎn)品的綠色化主要是指使用時不污染生態(tài)環(huán)境。21世紀(jì)的主題詞是“環(huán)境保護”，綠色化是時代的趨勢。綠色產(chǎn)品在其設(shè)計、制造、使用和銷毀的過程中，要符合特定的環(huán)境保護和人類健康的要求，對生態(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。美國通用汽車(GM)公司為了適應(yīng)汽車型號不斷更新的需要，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)計周期短，接線簡單，成本低。

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

(3)系統(tǒng)通用性強。

1969年美國DEC公司研制出第一臺可編程控制器，用在GM公司生產(chǎn)線上獲得成功。其后日本、德國等相繼引入，可編程控制器迅速發(fā)展起來。但這一時期它主要用于順序控制，雖然也采用了計算機的設(shè)計思想，但實際上只能進行邏輯運算，故稱為可編程邏輯控制器，簡稱PLC(Progra mmable Logic Controller)。

進入20世紀(jì)80年代，隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，才使得可編程控制器有突飛猛進的發(fā)展。其功能已遠遠超出邏輯控制、順序控制的范圍，故稱可編程控制器簡稱PC(Progra tamable Controller)。但由于PC容易和個人計算機(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，可進行模擬量控制、位置控制。特別是遠程通信功能的實現(xiàn)，易于實現(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、機器人和CAD／CAM)之一。

目前PLC已廣泛應(yīng)用于冶金、礦業(yè)、機械、輕工等領(lǐng)域，為工業(yè)自動化提供了有力的工具，加速了極點一體化的實現(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采用了典型的計算機結(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)，進行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。如果把PLC看作一個系統(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、模擬信號、傳感器檢測的各種信號據(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)部邏輯運算或其他各種運算、處理后送到輸出端子，它們是PLC的輸出變量。由這些輸出變量對外圍設(shè)備進行各種控制。這里可以將PLC看作一個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)將輸入信號送入PLC中存儲起來。

(2)按存放的先后順序取出用戶指令，進行編譯。

(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、打印機等)的請求。

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

2．存儲器

PLC內(nèi)部存儲器有兩類：一類是RAM(即隨機存取存儲器)，可以隨時由CPU對它進行讀出、寫入；另一類是ROM(即只讀存儲器)，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，開機后便可運行其中程序。

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：

(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、錄音機以及A／D、D／A、串行通信模塊，可以十分方便地用電纜進行連接。

(二)PLC的工作原理

PLC雖具有微機的許多特點，但它的工作方式卻與微機有很大不同。微機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)。每一個循環(huán)稱為一個掃描周期。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。掃描周期的長短主要取決于這幾個因素：一是CPU執(zhí)行指令的速度；二是每條指令占用的時間；三是指令條數(shù)的多少，即程序長短。

對于慢速控制系統(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系統(tǒng)抗干擾能力。因為干擾常是脈沖式的，短時的，而由于系統(tǒng)響應(yīng)較慢，常常要幾個掃描周期才響應(yīng)一次，而多次掃描后，瞬間干擾所引起的誤動作將會大大減少，故增強了抗干擾能力。

但對于時間要求交嚴(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)對響應(yīng)時間作出精確的計算，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)別于微機和其他控制設(shè)備的最大特點。

(三)PLC的特點

PLC的特點可以大致歸納如下：

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

①輸入、輸出均采用光電隔離，提高了抗干擾能力。

②主機的輸入電源和輸出電源均可相互獨立，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有很強的抗干擾能力，實驗證明一般可抗1 kV、1μs的窄脈沖干擾。其平均無故障時間(MTBF)一般可達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，易于實現(xiàn)分散式控制。

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

(4)可進行在線修改，柔性好。

(四)PLC的應(yīng)用場合

PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、采礦、水泥、石油、化工、電力、機械制造、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，如機床電氣、電機控制中心等，也可取代順序控制，如高爐上料、電梯控制、貨物存取、運輸、檢測等。總之，PLC可用于單機、多機群以及生產(chǎn)線的自動化控制。

(2)用于機械加工的數(shù)字控制。PLC和計算機數(shù)控(NCN)裝置組合成一體，可以實現(xiàn)數(shù)值控制，組成數(shù)控機床。

(3)用于機器人控制，可用一臺PLC實現(xiàn)3～6軸的機器人控制。

(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)，實現(xiàn)工廠自動化網(wǎng)絡(luò)。

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