機(jī)電一體化系統(tǒng)是指充分運(yùn)用電子計(jì)算機(jī)的信息處理和控制功能及可控驅(qū)動(dòng)元件特性的現(xiàn)代化機(jī)械系統(tǒng)，它實(shí)現(xiàn)了機(jī)械系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化。

這些部分可以歸納為：結(jié)構(gòu)組成要素、動(dòng)力組成要素、運(yùn)動(dòng)組成要素、感知組成要素、智能組成要素；這些組成要素內(nèi)部及其相互之間，通過(guò)接口耦合、運(yùn)動(dòng)傳遞、物質(zhì)流動(dòng)、信息控制、能量轉(zhuǎn)換有機(jī)融合集成一個(gè)完整系統(tǒng)。

1．機(jī)械本體

系統(tǒng)所有功能元素的機(jī)械支持結(jié)構(gòu)，包括機(jī)身、框架、聯(lián)接等。由于機(jī)電一體化產(chǎn)品技術(shù)性能、水平和功能的提高，機(jī)械本體要在機(jī)械結(jié)構(gòu)、材料、加工工藝性以及幾何尺寸等方面適應(yīng)產(chǎn)品高效、多功能、可靠和節(jié)能、小型、輕量、美觀等要求。

2．動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)部分

按照系統(tǒng)功能要求，為系統(tǒng)提供能量和動(dòng)力使系統(tǒng)正常運(yùn)行。用盡可能小的動(dòng)力輸入獲得盡可能大的功能輸出，是機(jī)電一體化產(chǎn)品的顯著特征之一。

驅(qū)動(dòng)部分在控制信息作用下，提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成各種動(dòng)作和功能。有氣動(dòng)、電動(dòng)和液壓等不同的驅(qū)動(dòng)方式。機(jī)電一體化系統(tǒng)一方面要求驅(qū)動(dòng)的高效率和快速響應(yīng)特性，同時(shí)要求對(duì)水、油、溫度、塵埃等外部環(huán)境的適應(yīng)性和可靠性。由于幾何尺寸上的限制，動(dòng)作范圍狹窄，還需考慮維修和實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化。由于電力電子技術(shù)的高度發(fā)展，高性能步進(jìn)驅(qū)動(dòng)、直流和交流伺服驅(qū)動(dòng)大量應(yīng)用于機(jī)電一體化系統(tǒng)。

3．測(cè)試傳感部分

對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中所需要的內(nèi)部和外界環(huán)境的各種參數(shù)及狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，變成可識(shí)別信號(hào)，傳輸?shù)叫畔⑻幚韱卧?，?jīng)過(guò)分析、處理后產(chǎn)生相應(yīng)的控制信息。其功能一般由專門(mén)的傳感器和儀器儀表完成。

4．執(zhí)行機(jī)構(gòu)

根據(jù)控制信息和指令，驅(qū)動(dòng)對(duì)象完成要求的動(dòng)作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是運(yùn)動(dòng)部件，一般采用機(jī)械、電磁、電液等機(jī)構(gòu)。根據(jù)機(jī)電一體化系統(tǒng)的匹配性要求，需要考慮改善性能，如提高剛性，減輕重量，實(shí)現(xiàn)組件化、標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，提高系統(tǒng)整體可靠性等。

5．控制及信息單元

控制及信息單元是進(jìn)行信息處理與控制的核心，猶如人的大腦。它將來(lái)自各傳感器的檢測(cè)信息和外部輸入命令進(jìn)行集中、儲(chǔ)存、分析、加工，根據(jù)信息處理結(jié)果，按照一定的程序和節(jié)奏發(fā)出相應(yīng)的指令控制整個(gè)系統(tǒng)有目的地運(yùn)行。一般由計(jì)算機(jī)、可編程控制器(PLC)、數(shù)控裝置以及邏輯電路、A／D與D／A轉(zhuǎn)換、I／O(輸入／輸出)接口和計(jì)算機(jī)外部設(shè)備等組成。機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)控制和信息處理單元的基本要求是：提高信息處理速度，提高可靠性，增強(qiáng)抗干擾能力以及完善系統(tǒng)自診斷功能，實(shí)現(xiàn)信息處理智能化和小型、輕量、標(biāo)準(zhǔn)化等。

以上的基本要素通常稱為機(jī)電一體化的五大組成要素。在系統(tǒng)中的這些單元和它們各自內(nèi)部各環(huán)節(jié)之問(wèn)都遵循接口耦合、能量轉(zhuǎn)換、信息控制、運(yùn)動(dòng)傳遞的原則，我們稱它們?yōu)樗拇笤瓌t。

1．接口耦合、能量轉(zhuǎn)換

(1)變換

兩個(gè)需要進(jìn)行信息交換和傳輸?shù)沫h(huán)節(jié)之問(wèn)，由于信息的模式不同(數(shù)字量與模擬量、串行碼與并行碼、電壓與電流、交流與直流等)，無(wú)法直接實(shí)現(xiàn)信息或能量的交流，通過(guò)接口完成信息或能量的統(tǒng)一。

(2)放大

在兩個(gè)信號(hào)強(qiáng)度相差懸殊的環(huán)節(jié)間，經(jīng)接口放大，達(dá)到能量的匹配。

(3)耦合

變換和放大后的信號(hào)在環(huán)節(jié)問(wèn)能可靠、快速、準(zhǔn)確地交換，必須遵循一致的時(shí)序、信號(hào)格式和邏輯規(guī)范。接口應(yīng)保證信息的邏輯控制功能，使信息按規(guī)定模式進(jìn)行傳遞。

(4)能量轉(zhuǎn)換還包含了執(zhí)行器、驅(qū)動(dòng)器的不同類型能量的最優(yōu)轉(zhuǎn)換方法與原理。

2．信息控制

在系統(tǒng)中，所謂智能組成要素的系統(tǒng)控制單元，在軟、硬件的保證下，完成數(shù)據(jù)采集、分析、判斷、決策，以達(dá)到信息控制的目的。對(duì)于智能化程度高的系統(tǒng)，還包含了知識(shí)獲取、推理機(jī)制及知識(shí)自學(xué)習(xí)等以知識(shí)驅(qū)動(dòng)為主的信息控制。

3．運(yùn)動(dòng)傳遞

運(yùn)動(dòng)傳遞是指各組成要素之間不同類型運(yùn)動(dòng)的變換與傳輸以及以運(yùn)動(dòng)控制為目的的優(yōu)化。

由于采用四大原則使各組成要素聯(lián)接成為一個(gè)有機(jī)整體，由于控制和信息處理單元的預(yù)期信息導(dǎo)引，使各功能環(huán)節(jié)有目的地協(xié)調(diào)一致運(yùn)動(dòng)，從而形成機(jī)電一體化系統(tǒng)工程。

一、機(jī)電一體化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)思想^[3]

機(jī)電一體化的優(yōu)勢(shì)，在于它吸收了各相關(guān)學(xué)科之長(zhǎng)并加以綜合運(yùn)用而取得整體優(yōu)化效果，因此在機(jī)電一體化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，要特別強(qiáng)調(diào)技術(shù)融合，學(xué)科交叉的作用。機(jī)電一體化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)是一項(xiàng)多級(jí)別、多單元組成的系統(tǒng)工程。把系統(tǒng)的各單元有機(jī)的結(jié)合成系統(tǒng)后，各單元的功能不僅相互疊加，而且相互輔助、相互促進(jìn)、相互提高，使整體的功能大于各單元功能的簡(jiǎn)單的和，即“整體大于部分的和”。當(dāng)然，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，由于各單元的差異性，在組成系統(tǒng)后會(huì)導(dǎo)致單元間的矛盾和摩擦，出現(xiàn)內(nèi)耗，內(nèi)耗過(guò)大，則可能出現(xiàn)整體小于部分之和的情況，從而失去了一體化的優(yōu)勢(shì)。因此，在開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，一方面要求設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)選擇與控制系統(tǒng)的電氣參數(shù)相匹配的機(jī)械系統(tǒng)參數(shù)；同時(shí)也要求設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的固有結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)選擇和確定電氣參數(shù)。綜合應(yīng)用機(jī)械技術(shù)和微電子技術(shù)，使二者密切結(jié)合、相互協(xié)調(diào)、相互補(bǔ)充，充分體現(xiàn)機(jī)電一體化的優(yōu)越性。

二、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法^[3]

擬定機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的方法有取代法、整體設(shè)計(jì)法和組合法。

1．取代法

這種方法是用電氣控制取代原傳統(tǒng)中機(jī)械控制機(jī)構(gòu)。這種方法是改造傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品和開(kāi)發(fā)新型產(chǎn)品常用的方法。如用電氣調(diào)速控制系統(tǒng)取代機(jī)械式變速機(jī)構(gòu)，用可編程序控制器或微型計(jì)算機(jī)來(lái)取代機(jī)械凸輪控制機(jī)構(gòu)、插銷(xiāo)板、步進(jìn)開(kāi)關(guān)、繼電器等，以彌補(bǔ)機(jī)械技術(shù)的不足，這種方法不但能大大簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，而且還可以提高系統(tǒng)的性能和質(zhì)量。這種方法的缺點(diǎn)是跳不出原系統(tǒng)的框架，不利于開(kāi)拓思路，尤其在開(kāi)發(fā)全新的產(chǎn)品時(shí)更具有局限性。

2．整體設(shè)計(jì)法

這種方法主要用于全新產(chǎn)品和系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。在設(shè)計(jì)時(shí)完全從系統(tǒng)的整體目標(biāo)考慮各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，所以接口簡(jiǎn)單，甚至可能互融一體。例如，某些激光打印機(jī)的激光掃描鏡，其轉(zhuǎn)軸就是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子軸，這是執(zhí)行元件與運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)合的一個(gè)例子。在大規(guī)模集成電路和微機(jī)不斷普及的今天，隨著精密機(jī)械技術(shù)的發(fā)展，完全能夠設(shè)計(jì)出將執(zhí)行元件、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、檢測(cè)傳感器、控制與機(jī)體等要素有機(jī)地融為一體的機(jī)電一體化新產(chǎn)品。

3．組合法

這種方法就是選用各種標(biāo)準(zhǔn)模塊，像積木那樣組合成各種機(jī)電一體化系統(tǒng)。例如，設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床時(shí)可以從系統(tǒng)整體的角度選擇工業(yè)系列產(chǎn)品，諸如數(shù)控單元、伺服驅(qū)動(dòng)單元、位置傳感檢測(cè)單元、主軸調(diào)速單元以及各種機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)件或單元等，然后進(jìn)行接口設(shè)計(jì)，將各單元有機(jī)的結(jié)合起來(lái)融為一體。在開(kāi)發(fā)機(jī)電一體化系統(tǒng)時(shí)，利用此方法可以縮短設(shè)計(jì)與研制周期、節(jié)約工裝設(shè)備費(fèi)用，有利于生產(chǎn)管理、使用和維修。

三、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容^[4]

在機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)中控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容可歸結(jié)為：確定系統(tǒng)整體控制方案、確定控制算法、選擇微型計(jì)算機(jī)、進(jìn)行系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，以及系統(tǒng)統(tǒng)調(diào)。

1．確定系統(tǒng)整體控制方案

(1)確定控制任務(wù)

在設(shè)計(jì)系統(tǒng)以前，必須對(duì)控制對(duì)象的工作過(guò)程進(jìn)行深入的調(diào)查、分析和熟悉，并明確實(shí)際應(yīng)用中的具體要求，按機(jī)械與電子功能劃分方案確定系統(tǒng)所要完成的任務(wù)，然后用控制流程圖或其他適當(dāng)形式描述控制過(guò)程和任務(wù)，寫(xiě)成設(shè)計(jì)任務(wù)說(shuō)明書(shū)，作為整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù)。

(2)構(gòu)思控制系統(tǒng)的整體方案

1)確定系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)形式是開(kāi)環(huán)還是閉環(huán)控制。

2)采用閉環(huán)控制時(shí)應(yīng)考慮檢測(cè)傳感器的選擇和所要求精度級(jí)別，并考慮機(jī)構(gòu)安裝、使用環(huán)境等問(wèn)題。

3)選擇執(zhí)行元件是電動(dòng)、氣動(dòng)還是液壓或其他，根據(jù)控制對(duì)象具體要求，比較方案的優(yōu)缺點(diǎn)，擇優(yōu)而用。

4)明確微機(jī)在系統(tǒng)中的作用：是設(shè)定值計(jì)算、直接控制還是數(shù)據(jù)處理和應(yīng)具備的功能，需要哪些輸入／輸出通道和配置哪些外圍設(shè)備等。最后，畫(huà)出系統(tǒng)組成的原理框圖和附加說(shuō)明，作為進(jìn)一步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，并初步估算成本。

2．建立數(shù)學(xué)模型確定控制方法

建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是個(gè)復(fù)雜過(guò)程，也是一個(gè)試探的過(guò)程，需要反復(fù)權(quán)衡。

1)根據(jù)已初步確定的控制系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)，采用合適的控制理論方法建立和組成各環(huán)節(jié)以及整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型表達(dá)形式。通過(guò)靜、動(dòng)特性計(jì)算，為計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理提供依據(jù)。

2)根據(jù)不同的控制對(duì)象和不同的控制性能指標(biāo)要求，選擇不同的控制算法。對(duì)過(guò)程控制設(shè)備的直接數(shù)字控制系統(tǒng)常用PID調(diào)節(jié)的控制算法；在位置數(shù)字隨動(dòng)系統(tǒng)中常用實(shí)現(xiàn)最少拍控制的控制算法；機(jī)床數(shù)字控制中常使用逐點(diǎn)比較法、數(shù)字積分法和數(shù)據(jù)采樣法的控制算法。另外，還有多種最優(yōu)控制的控制算法、隨機(jī)控制和自適應(yīng)控制的控制算法等供選擇。

3)當(dāng)控制系統(tǒng)較復(fù)雜時(shí)，控制算法也比較復(fù)雜，為設(shè)計(jì)、調(diào)試方便，可忽略小的非線性、小延時(shí)等因素的影響，將控制算法作某些合理的簡(jiǎn)化。利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)仿真技術(shù)，逐步將控制算法完善，直到獲得最好的控制效果。

總之，控制算法的確定是一個(gè)反復(fù)修正與試驗(yàn)的漸進(jìn)過(guò)程。

3．選擇微型計(jì)算機(jī)

對(duì)于微機(jī)所承擔(dān)的任務(wù)給定以后，完成同一任務(wù)的微機(jī)方案有多種。一般以既能完成給定任務(wù)(應(yīng)包括處理確定的控制算法)、又能充分發(fā)揮選用微機(jī)的功能、再留有一定功能余量為原則來(lái)選擇。

從控制生產(chǎn)機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程要求出發(fā)，微型機(jī)應(yīng)滿足以下要求：

(1)有較完善的中斷系統(tǒng)

對(duì)于控制用計(jì)算機(jī)，實(shí)時(shí)控制功能是一大特點(diǎn)。它包含系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的實(shí)時(shí)控制能力和發(fā)生故障時(shí)緊急處理的能力。這種處理和控制一般都采用中斷控制方式，即CPU及時(shí)接收終端請(qǐng)求、暫停原來(lái)執(zhí)行程序，轉(zhuǎn)而執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，待中斷處理完畢，再返回繼續(xù)執(zhí)行原程序。

在選用與CPU相應(yīng)的接口芯片時(shí)也應(yīng)有中斷工作方式，以保證控制系統(tǒng)能滿足生產(chǎn)中提出的各種要求。對(duì)于比較復(fù)雜的控制，要考慮采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

(2)足夠的存儲(chǔ)容量

由于微型機(jī)內(nèi)存容量有限，當(dāng)內(nèi)存容量不足以存放程序和數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)擴(kuò)充內(nèi)存，或配備適當(dāng)?shù)耐獯鎯?chǔ)器(如硬磁盤(pán)等)。

(3)完備的輸入／輸出通道

輸入輸出通道是系統(tǒng)外部過(guò)程和微機(jī)交換信息的通道。根據(jù)實(shí)際需要有開(kāi)關(guān)量輸入／輸出通道、模擬量輸入／輸出通道、數(shù)字量輸入／輸出通道和實(shí)現(xiàn)快速、批量交換信息的直接數(shù)據(jù)通道。通道的操作方式有串行、并行以及隨機(jī)選擇與按某種預(yù)訂順序進(jìn)行工作等。

(4)微處理器芯片的選擇

這一選擇的實(shí)質(zhì)就是確定能滿足控制功能要求的微處理器的字長(zhǎng)、速度和指令系統(tǒng)。這三者是相互依存的。一般選擇：

1)對(duì)通常的順序控制、程序控制可選用1位微處理器；

2)對(duì)計(jì)算量小、計(jì)算精度和速度要求不高的系統(tǒng)可選用4位微處理器，如計(jì)算器、家用電器控制及簡(jiǎn)易控制等；

3)對(duì)計(jì)算精度要求較高、處理速度較快的系統(tǒng)可選用8位微處理器，如經(jīng)濟(jì)型的線切割機(jī)床、普通機(jī)床的控制和溫度控制等；

4)對(duì)要求計(jì)算精度高、處理速度快的系統(tǒng)統(tǒng)可選用16位或32位微處理器，甚至采用精簡(jiǎn)指令集運(yùn)算的芯片RIRC或多CPU，如控制算法復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程控制，要求高速運(yùn)行的機(jī)床控制，特別是大量的數(shù)據(jù)處理等。

(5)系統(tǒng)總線的選擇

微型計(jì)算機(jī)主要由若干塊印制電路板(按功能模塊設(shè)計(jì)、制造)構(gòu)成。各塊板之間的連接，當(dāng)然是通過(guò)印制板的插座之間的連線來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通常，為了給使用和維護(hù)帶來(lái)方便，希望插座之間的連線具有通用性——一個(gè)系統(tǒng)中的各塊印制板可插在任一插座上。同時(shí)，也是為了各廠家生產(chǎn)的電路板具有通用性、互換性，就要對(duì)插座及連線訂個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。這就是系統(tǒng)總線選擇的由來(lái)。

目前支持微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的總線有：STD Bus支持8位和16位字長(zhǎng)；Multi Bus工型可支持16位字長(zhǎng)，Ⅱ型可支持32位字長(zhǎng)；S-100 Bus可支持16位字長(zhǎng)；VERSA Bus可支持32位字長(zhǎng)，以及VME bus可支持32位字長(zhǎng)等。生產(chǎn)廠家為這類總線提供各種型號(hào)規(guī)格的OEM(初始設(shè)備制造)產(chǎn)品，包括主模塊和從模塊，由用戶任意選配。

4．系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是依據(jù)上述控制方案、設(shè)計(jì)所要求和選用的微機(jī)類型，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)可分為硬件的接口設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩大類型。

在對(duì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)時(shí)，一個(gè)最重要的問(wèn)題是如何解決微機(jī)、被控對(duì)象和操作者這三者之間可靠地適時(shí)進(jìn)行信息交換的通道和分時(shí)控制的時(shí)序安排。也就是綜合考慮用硬件配置和軟件措施解決系統(tǒng)運(yùn)行的次序安排，以保證系統(tǒng)有條不紊地運(yùn)行。

(1)接口設(shè)計(jì)

對(duì)于一種產(chǎn)品(或系統(tǒng))，其各部件之間，各子系統(tǒng)之間往往需要傳遞動(dòng)力、運(yùn)動(dòng)、命令或信息，這都是通過(guò)各種接口來(lái)實(shí)現(xiàn)的。機(jī)械本體各部件之間、執(zhí)行元件與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間、檢測(cè)傳感元件與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間通常是機(jī)械接口；電子電路模塊相互之間的信號(hào)傳送接口、控制器與檢測(cè)傳感元件之問(wèn)的轉(zhuǎn)換接口、控制器與執(zhí)行元件之間的轉(zhuǎn)換接口通常是電氣接口。

機(jī)電一體化產(chǎn)品的內(nèi)外接口實(shí)際上就是一種進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息交換的界面，它具有存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換和服務(wù)功能。按功能可以將接口劃分為以下3種：

1)零接口。不需進(jìn)行任何轉(zhuǎn)換，把具有結(jié)合關(guān)系的兩部分直接連接起來(lái)稱為零接口，如連接管、電纜、接線柱和剛性聯(lián)軸節(jié)等。

2)普通轉(zhuǎn)換接口。在具有結(jié)合關(guān)系的兩部分之間存在能量或信息的轉(zhuǎn)換，但不含微處理器的接口為普通轉(zhuǎn)換接口。如減速器、變壓器、電磁離合器、放大器、光電耦合器、A／D轉(zhuǎn)換器、D／A轉(zhuǎn)換器等。

3)智能轉(zhuǎn)換接口。它是一種含有微處理器的轉(zhuǎn)換接口，具有可編程的特點(diǎn)，因而能夠自動(dòng)改變接口條件，如由微處理器編程的8255A，8279，PIO等。

目前，大部分硬件接口和軟件接口都已標(biāo)準(zhǔn)化或正在逐步標(biāo)準(zhǔn)化。對(duì)于硬件接口，在設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)需要選擇適當(dāng)?shù)慕涌?，再配合接口編?xiě)相應(yīng)的程序。

(2)操作控制臺(tái)設(shè)計(jì)

微機(jī)控制系統(tǒng)必須便于人機(jī)聯(lián)系，通常都要設(shè)計(jì)一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)操作人員使用的控制臺(tái)。這個(gè)控制臺(tái)一般不能用微機(jī)所帶的鍵盤(pán)代替。原因是現(xiàn)場(chǎng)操作人員需要的是簡(jiǎn)單、明了、安全的操作面板，以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器的操作。所以，要求操作控制臺(tái)應(yīng)有以下功能：

1)有一組或幾組數(shù)據(jù)輸入鍵(數(shù)字鍵或撥碼開(kāi)關(guān)等)，用于輸入或更新給定值、修改控制器參數(shù)或其他必要的數(shù)據(jù)。

2)有一組或幾組功能鍵或轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，用于轉(zhuǎn)換工作方式，啟動(dòng)、停止系統(tǒng)或完成某種指定功能。

3)有一個(gè)顯示裝置或顯示屏，用于顯示各種運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)及故障指示等?？刂婆_(tái)上應(yīng)該有一個(gè)“緊急停止”按鈕，用于有緊急事故時(shí)停止系統(tǒng)運(yùn)行，轉(zhuǎn)入故障處理。

應(yīng)當(dāng)明確指出，控制臺(tái)上每一種信號(hào)都與系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)密切相關(guān)。設(shè)計(jì)時(shí)，必須明確這些轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、按鈕、鍵盤(pán)、顯示器和故障指示燈的作用和意義，仔細(xì)設(shè)計(jì)控制臺(tái)的硬件及其相應(yīng)的管理程序，使設(shè)計(jì)的操作控制臺(tái)既能方便操作又保證安全可靠，即使操作失誤也不會(huì)引起嚴(yán)重后果。

(3)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)

微機(jī)控制系統(tǒng)中的電源，根據(jù)需要可以有不同的類型(直流和交流)和規(guī)格(電壓和功率)。按照使用情況，對(duì)性能的要求也不盡相同，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)按實(shí)際要求合理選用調(diào)試，并控制電壓變動(dòng)。電源本身要具有過(guò)壓、短路、過(guò)載保護(hù)和熱保護(hù)，否則將會(huì)造成不可彌補(bǔ)的損失。

(4)整機(jī)的安裝、聯(lián)接設(shè)計(jì)

這是一種整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。微機(jī)控制系統(tǒng)安裝既包括了與被控對(duì)象的聯(lián)接安排，也考慮了主機(jī)本身的安裝聯(lián)接問(wèn)題。其設(shè)計(jì)原則應(yīng)該是安裝、聯(lián)接的可靠性和使用、裝配、維護(hù)的方便性。

1)安裝、聯(lián)接結(jié)構(gòu)具有防震性，即印制電路板、接插件和元器件包括電纜等應(yīng)牢固地安裝在同一個(gè)機(jī)殼上，不因振動(dòng)而松動(dòng)。

2)采用標(biāo)準(zhǔn)或?qū)Ｓ?、制造質(zhì)量好的防松接插件，以保證接觸可靠而又使用、維護(hù)方便。

3)布線結(jié)構(gòu)要合理，能防止相互間的電磁耦合干擾。一定要使信號(hào)線和功率線進(jìn)行隔離，分別走線。對(duì)模擬信號(hào)更要注意走線的長(zhǎng)短和屏蔽，如走線太長(zhǎng)，需要考慮進(jìn)行信號(hào)增強(qiáng)等措施。

4)正確安裝安全地線、信號(hào)地線、屏蔽地線以及功率地線和強(qiáng)電地線，最終要進(jìn)行地線連接。地線要采用一點(diǎn)接地型，即把信號(hào)地線、功率地線、被控對(duì)象地線(安全地)等連接到公共接地點(diǎn)。而總的公共接地點(diǎn)必須與大地接觸良好，一般接地電阻要小于(4～7)Ω。

(5)軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于選定的微機(jī)控制系統(tǒng)，其微機(jī)本身已有一定的軟件支持，一般這些軟件要求用戶了解其使用方法和基本原理。如果把微型計(jì)算機(jī)專門(mén)為某一控制領(lǐng)域而設(shè)計(jì)成專用的控制計(jì)算機(jī)，用戶就需要利用計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)和相應(yīng)的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件，即控制軟件、管理軟件、診斷軟件等。這些系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)要求更有專用性和針對(duì)性。

在微機(jī)控制中，其軟件任務(wù)大體可以分為數(shù)據(jù)處理和過(guò)程控制兩大基本類型。數(shù)據(jù)處理主要包括數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換，以及數(shù)值計(jì)算等等。過(guò)程控制主要是使微機(jī)按照一定控制算法進(jìn)行計(jì)算，然后進(jìn)行輸出去控制生產(chǎn)。

5．系統(tǒng)聯(lián)調(diào)

微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，硬件電路要進(jìn)行制作、安裝及試驗(yàn)，并進(jìn)行連續(xù)烤機(jī)運(yùn)行。軟件各模塊要在微機(jī)上分別進(jìn)行調(diào)試，使其正確無(wú)誤，然后存盤(pán)。上述工作完成后，就可將硬件與軟件組合起來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)的模擬試驗(yàn)，正確無(wú)誤后，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，直到正式運(yùn)行。在這個(gè)階段，最重要的是仔細(xì)設(shè)計(jì)模擬調(diào)試的方法與步驟，以及所用的測(cè)試手段。

此外，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)前，要仔細(xì)檢查接線，無(wú)誤后才能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的步驟根據(jù)不同對(duì)象要仔細(xì)考慮。首先要把涉及的自動(dòng)保護(hù)項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)有效后才可進(jìn)入功能、參數(shù)等項(xiàng)目的試驗(yàn)。

機(jī)電一體化系統(tǒng)在機(jī)械產(chǎn)品中應(yīng)用已十分廣泛。機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用使機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、功用、性能等方面產(chǎn)生重大的變化。具體來(lái)說(shuō)表現(xiàn)在下述幾個(gè)方面。

1．機(jī)電一體化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品的高性能和多功能

在原有機(jī)械產(chǎn)品中引進(jìn)了機(jī)電一體化技術(shù)后，使其自動(dòng)化程度提高，工藝動(dòng)作易于復(fù)雜多變，工藝質(zhì)量提高和能耗降低等。例如，對(duì)于工藝動(dòng)作復(fù)雜、產(chǎn)品更新?lián)Q代快的輕工機(jī)械、紡織機(jī)械、印刷機(jī)械、包裝機(jī)械和制藥機(jī)械等行業(yè)都十分重視產(chǎn)品的機(jī)電一體化。機(jī)械產(chǎn)品的機(jī)電一體化使產(chǎn)品的技術(shù)含量和附加值大為提高，有利于適應(yīng)日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)需要。

2．用電子控制器件取代機(jī)械中部分的機(jī)械控制機(jī)構(gòu)

用電子控制器件替代機(jī)械控制機(jī)構(gòu)可以擴(kuò)大原有機(jī)械產(chǎn)品的功能，提高工作性能。如普通機(jī)床加上數(shù)控系統(tǒng)，普通縫紉機(jī)上增加電子控制的繃架系統(tǒng)都可以使機(jī)械產(chǎn)品水平大為提高。

3．以電子器件為主的機(jī)電共存的產(chǎn)品

這類產(chǎn)品一般來(lái)說(shuō)機(jī)械結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但要考慮機(jī)電兩者的融合以提高產(chǎn)品的性能。復(fù)印機(jī)、錄音機(jī)、錄像機(jī)等均屬于這類產(chǎn)品。

從以上情況來(lái)看，機(jī)電一體化系統(tǒng)是有不同層次和應(yīng)用場(chǎng)合的。其機(jī)電融合的程度也是因具體產(chǎn)品而異。

機(jī)電一體化系統(tǒng)的主要評(píng)價(jià)內(nèi)容通常如表1所示。機(jī)電一體化系統(tǒng)由三個(gè)子系統(tǒng)組成，比較復(fù)雜，其性能指標(biāo)涉及的方面較多。評(píng)價(jià)的目的是為了得到性能優(yōu)良、可靠性高和價(jià)格低的綜合最優(yōu)的系統(tǒng)。對(duì)于一個(gè)具體的機(jī)電一體化系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)相關(guān)專家的咨詢意見(jiàn)，確定評(píng)價(jià)指標(biāo)值的大小來(lái)求得綜合最優(yōu)值，以確定機(jī)電一體化的方案。

表1表示的是機(jī)電一體化系統(tǒng)的功能和評(píng)價(jià)指標(biāo)、評(píng)價(jià)指標(biāo)值，可以作為系統(tǒng)評(píng)價(jià)時(shí)的參考。