1 . 機(jī)電一體化系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)系統(tǒng)論、信息論、控制論的建立，微電子技術(shù)，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，引起了科學(xué)技術(shù)的又一次革命，導(dǎo)致了機(jī)械工程的機(jī)電一體化。系統(tǒng)論、信息論、控制論無(wú)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(wú)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。
給定機(jī)電一體化系統(tǒng)目的功能與規(guī)格參數(shù)后，機(jī)電一體化技術(shù)人員利用機(jī)電一體化技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造的整個(gè)過程為機(jī)電一體化工程。實(shí)施機(jī)電一體化工程的結(jié)果，是新型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，如圖1—6所示。
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，，的邊緣科學(xué)。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)系的許多要素所構(gòu)成的一個(gè)整體，也包括“工程”，即產(chǎn)生一定效能的方法。早在1978年，錢學(xué)森就指出：“系統(tǒng)工程是組織管理系統(tǒng)的規(guī)劃、研究、設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和使用的科學(xué)方法，是一種對(duì)所有系統(tǒng)都具有普遍意義的科學(xué)方法�！睓C(jī)電一體化技術(shù)就是系統(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****設(shè)計(jì)、****控制和****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****化。
系統(tǒng)工程是數(shù)學(xué)方法和工程方法的匯集。
機(jī)電一體化技術(shù)是從系統(tǒng)工程觀點(diǎn)出發(fā)，應(yīng)用機(jī)械、微電子等有關(guān)技術(shù)，使機(jī)械、電子有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)或產(chǎn)品整體****化的綜合性技術(shù)。小型的生產(chǎn)、加工系統(tǒng)，即使是一臺(tái)機(jī)器，也都是由許多要素構(gòu)成的，為了實(shí)現(xiàn)其“目的功能”，還需要從系統(tǒng)角度出發(fā)，不拘泥于機(jī)械技術(shù)或電子技術(shù)，并寄希望于能夠使各種功能要素構(gòu)成****結(jié)合的柔性技術(shù)與方法。機(jī)電一體化工程就是這種技術(shù)和方法的統(tǒng)一。表1—3為系統(tǒng)工程與機(jī)電一體化工程的特點(diǎn)比較。
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)，如何有效地利用各種信號(hào)所攜帶的豐富信息資源，贈(zèng)有賴于信號(hào)處理和信息識(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。
將工程控制理論用于機(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)引入了嶄薪的理論、思想和語(yǔ)言，把機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)由原來(lái)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。
2. 機(jī)電一體化系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)如果說系統(tǒng)論、信息論、控制論是機(jī)電一體化技術(shù)的理論基礎(chǔ)，那么微電子技術(shù)、精密 機(jī)械技術(shù)就是它的技術(shù)基礎(chǔ)。微電子技術(shù)的進(jìn)步，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，為機(jī)電一體化技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展提供了前提條件。正是有了計(jì)算機(jī)，才使機(jī)械、電子、信息的一體化得以實(shí)現(xiàn)。有了計(jì)算機(jī)日新月異的發(fā)展，才有了機(jī)電一體化技術(shù)蓬勃發(fā)展的景象。
同時(shí)，在機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展中，不能低估精密機(jī)械加工技術(shù)對(duì)它的貢獻(xiàn)。機(jī)電一體化產(chǎn)品中的許多重要零部件都是利用超精密加工技術(shù)制造的，就連微電子技術(shù)本身的發(fā)展也離不開精密機(jī)械技術(shù)。例如，大規(guī)模集成電路制造中的微細(xì)加工就是精密機(jī)械技術(shù)進(jìn)步的成果。因此可以說，精密機(jī)械加工技術(shù)促進(jìn)了微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，微電子技術(shù)的不斷發(fā)展又推動(dòng)了精密機(jī)械技術(shù)中加工設(shè)備的不斷更新。
由于機(jī)電一體化是一個(gè)工程，是一個(gè)大系統(tǒng)，因此它的發(fā)展不僅要依靠信息技術(shù)、控制技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，還要依靠其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)也要受到社會(huì)條件、經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)的影響。機(jī)電一體化技術(shù)內(nèi)部各種因素的聯(lián)系以及外部條件的影響關(guān)系如圖1-7所示。其中的主要因素固然是發(fā)展機(jī)電一體化技術(shù)的必備條件，但各種相關(guān)技術(shù)的發(fā)展及外部影響因素的相互配合也是必不可少的。
發(fā)展機(jī)電一體化技術(shù)所面臨的共性關(guān)鍵技術(shù)主要包括精密機(jī)械技術(shù)、傳感檢測(cè)技術(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、接口技術(shù)、信息處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、系統(tǒng)總體技術(shù)等。
(1) 精密機(jī)械技術(shù)精密機(jī)械技術(shù)是機(jī)電一體化的基礎(chǔ)，因?yàn)闄C(jī)電一體化產(chǎn)品的主功能和構(gòu)造功能大都是以機(jī)械技術(shù)為主體來(lái)得以實(shí)現(xiàn)的。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，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、重量、體積、剛性與耐用性方面對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)都有著重要的影響。機(jī)電一體化產(chǎn)品對(duì)機(jī)械部分零件部件的靜、動(dòng)態(tài)剛度、熱變形等機(jī)械性能有著更高的要求。特別是關(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、控制精度影響極大：機(jī)械技術(shù)的著眼點(diǎn)在于如何與機(jī)電一體化技術(shù)相適應(yīng)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上、材料上、性能上的變更．滿足減輕重量、縮小體積、提高精度和剛度、改善性能的要求。
在制造過程的機(jī)電一體化系統(tǒng)中，經(jīng)典的機(jī)械理論與工藝借助于計(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，是任何其他技術(shù)代替不了的。如計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃(cAPP)是目前cAD／cAM系統(tǒng)研究的瓶頸，其關(guān)鍵問題在于如何將廣泛存在于各行業(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)傳感檢測(cè)技術(shù)在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，工作過程的各種參數(shù)、工作狀態(tài)以及與工作過程有關(guān)的相應(yīng)信息都要通過傳感器進(jìn)行接收，并通過相應(yīng)的信號(hào)檢測(cè)裝置進(jìn)行測(cè)量，然后送人信息處理裝置以及反饋給控制裝置，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品工作過程的自動(dòng)控制。機(jī)電一體化產(chǎn)品要求傳感器能快速和準(zhǔn)確地獲取信息并且不受外部工作條件和環(huán)境的影響，同時(shí)檢測(cè)裝置能不失真地對(duì)信息信號(hào)進(jìn)行放大、輸送和轉(zhuǎn)換。
傳感器技術(shù)自身就是一門多學(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3個(gè)重要方面。作為一個(gè)獨(dú)立器件，傳感器的發(fā)展正進(jìn)入集成化、智能化研究階段。把傳感器件與信號(hào)處理電路集成在一個(gè)芯片上，就形成了信息型傳感器；若再把微處理器集成到信息型傳感器的芯片上，就是所謂的智能型傳感器。
與計(jì)算機(jī)發(fā)展相比，傳感器的發(fā)展顯得緩慢滯后，難以滿足技術(shù)發(fā)展的要求。許多機(jī)電一體化裝置(如類人機(jī)器人)不能達(dá)到滿意的效果或無(wú)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)品中的執(zhí)行元件有電動(dòng)、氣動(dòng)和液壓等類型，其中多采用電動(dòng)式執(zhí)行元件，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。
執(zhí)行元件一方面通過接口電路與計(jì)算機(jī)相連，接受控制系統(tǒng)的指令；另一方面通過機(jī)械接口與機(jī)械傳動(dòng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連，以實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作。因此，伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)直接影響著機(jī)電一體化產(chǎn)品的功能執(zhí)行和操作，對(duì)產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)定性能、操作精度和控制質(zhì)量等產(chǎn)生決定性的影響。例如，直流伺服電動(dòng)機(jī)的控制性能、速度及轉(zhuǎn)矩特性的穩(wěn)定性；交流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的變頻調(diào)速、電流逆變技術(shù)，電磁鐵的體積大小、工作可靠問題；液壓與氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的精度、響應(yīng)速度等技術(shù)問題都是機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中急待研究的技術(shù)。
(4)接口技術(shù)機(jī)電一體化系統(tǒng)是機(jī)械、電子和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。從系統(tǒng)外部看，輸人／輸出是系統(tǒng)與人、環(huán)境或其他系統(tǒng)之間的接口；從系統(tǒng)內(nèi)部看，機(jī)電一體化系統(tǒng)是通過許多接口將各組成要素的輸入／輸出聯(lián)系成一體的系統(tǒng)。因此，各要素及各子系統(tǒng)之間的接口性能就成為綜合系統(tǒng)性能好壞的決定性因素。機(jī)電一體化系統(tǒng)最重要的設(shè)計(jì)任務(wù)之一往往就是接口設(shè)計(jì)。
(5)信息處理技術(shù)信息處理技術(shù)是指在機(jī)電一體化產(chǎn)品工作過程中，與工作過程各種參數(shù)和狀態(tài)以及自動(dòng)控制有關(guān)的信息輸人、識(shí)別、變換、運(yùn)算、存儲(chǔ)、輸出和決策分析等技術(shù)。信息處理得是否及時(shí)、準(zhǔn)確，直接影響機(jī)電一體化系統(tǒng)或產(chǎn)品的質(zhì)量和效率，因而也是機(jī)電一體化的關(guān)鍵技術(shù)。
在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，實(shí)現(xiàn)信息處理技術(shù)的主要工具是計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)技術(shù)包括硬件和軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等。在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，計(jì)算機(jī)信息處理裝置是產(chǎn)品的核心，它控制和指揮著整個(gè)機(jī)電一體化產(chǎn)品的運(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。
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)。
(6)自動(dòng)控制技術(shù)所謂自動(dòng)控制，就是在沒有人直接參與的情況下，通過控制器使被控對(duì)象或過程自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。自動(dòng)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，不僅大大提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，改善了勞動(dòng)條件，而且在人類征服大自然、探索新能源、發(fā)展空間技術(shù)與改善人類物質(zhì)生活等方面起著極為重要的作用。自動(dòng)控制技術(shù)這一學(xué)科主要討論控制原理，包括控制規(guī)律、分析方法和系統(tǒng)構(gòu)成等。機(jī)電一體化將自動(dòng)控制作為重要的支撐技術(shù)，自動(dòng)控制裝置是它的重要組成部分。
主要以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究單輸入、單輸出、線性自動(dòng)控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)問題的經(jīng)典控制技術(shù)發(fā)展較早，且日臻成熟。在工程上，成功地解決了諸如伺服系統(tǒng)自動(dòng)控制的實(shí)踐問題。
隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展和工程實(shí)踐的需要而發(fā)展起來(lái)的現(xiàn)代控制技術(shù)主要以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入、多輸出、變參量、非線性、高精度、高效能等控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問題。****控制、****濾波、系統(tǒng)識(shí)別、自適應(yīng)控制等都是這一領(lǐng)域研究的主要課題。近年來(lái)，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)研究的快速發(fā)展，現(xiàn)代控制技術(shù)在系統(tǒng)工程和模仿人類活動(dòng)的智能控制等領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展。
在機(jī)電一體化技術(shù)中，諸如高精度定位控制、速度控制、自適應(yīng)控制、自診斷、校正、補(bǔ)償?shù)茸詣?dòng)控制技術(shù)皆是重要的關(guān)鍵技術(shù)。現(xiàn)代控制理論的工程化與實(shí)用化以及優(yōu)化控制模型的建立、復(fù)雜控制系統(tǒng)的模擬仿真、自診斷監(jiān)控技術(shù)及容錯(cuò)技術(shù)等都是有待開發(fā)研究的課題。
(7)系統(tǒng)總體技術(shù)機(jī)電一體化系統(tǒng)的多功能、高精度、高效能要求和多領(lǐng)域技術(shù)的交叉不可避免地使產(chǎn)品本身及其開發(fā)設(shè)計(jì)技術(shù)復(fù)雜化。系統(tǒng)的總體性能不僅與各構(gòu)成要素的功能、精度、性能相關(guān)，而且依賴于各構(gòu)成要素是否進(jìn)行了很好的協(xié)調(diào)和融合。系統(tǒng)總體技術(shù)就是從整體目標(biāo)出發(fā)，用系統(tǒng)的觀點(diǎn)和方法，將機(jī)電一體化產(chǎn)品的總體功能分解成若干功能單元，找出能夠完成各個(gè)功能的可能技術(shù)方案，再把功能與技術(shù)方案組合成方案組進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)，綜合優(yōu)選出適宜的技術(shù)方案。系統(tǒng)總體技術(shù)的目的是在機(jī)電一體化產(chǎn)品各組成部分的技術(shù)成熟、組件的性能和可靠性良好的基礎(chǔ)上，通過協(xié)調(diào)各組件的相互關(guān)系和所用技術(shù)習(xí)一致性來(lái)保證產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、可靠、高效率和操作方便等。系統(tǒng)總體技術(shù)是最能體現(xiàn)機(jī)電一體比設(shè)計(jì)特點(diǎn)的技術(shù)，也是保證其產(chǎn)品工作性能和技術(shù)指標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)的最關(guān)鍵技術(shù)。
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、模擬與數(shù)字之分，必然遇到相互干擾與耦合的問題：系統(tǒng)的復(fù)雜性帶來(lái)的可靠性問題；產(chǎn)品的小型化增加了狀態(tài)監(jiān)測(cè)與維修的困難；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)生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)。
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