三、机电一体化技术

（一）技术特征

机电一体化产品是电子控制与机械装置的结合物，在产品的设计时突出体现了以下两个方面的思想。

① 利用机械、微电子、自动控制乃至更多技术的结合，来实现传统的、依靠单一技术无法实现的功能。

② 在多种可采用的技术方案中，通过综合分析与评价，选择了其中的最佳方案。

机电一体化技术是设计、生产、制造机电一体化产品的方法与手段，是机电一体化产品得以发展的基础，机电一体化产品的特点决定了其涉及的范围非常之广，要准确界定目前还难以做到。总体而言，机电一体化产品所涉及的技术应具有“综合性”与“系统性”两大主要特征。

1.综合性

机电一体化是各种技术的有机集成与综合，它们之间需要相互融合与渗透，而不是简单的叠加。机电一体化除了基本的机械技术、微电子技术与自动控制技术外，还需要在自动控制过程中综合应用信息处理技术、检测技术与网络控制技术等。

例如，在前述的数控机床上，在机床布局、工作台运动、主轴系统、刀具交换等部件的设计上就需要采用精密机械技术；CNC、PLC、伺服驱动器、主轴驱动器等控制装置则无一例外地应用了微电子与电力电子技术；而在伺服驱动系统上还需要将运动控制、检测、网络控制技术集成一体；在刀具交换控制上，则涉及液压与气动技术等。

2.系统性

机电一体化产品是综合应用各种技术所形成的产物，在产品设计阶段就需要运用系统工程的观点来分析研究产品的要求、合理匹配各组成部分的功能、充分发挥各部分的作用，才能使得产品的整体效能达到最佳。

从经济社会发展的角度看，机电一体化产品还需要从资源利用、环境保护、可持续发展等角度，综合考虑其生产制造、使用维修、报废处理、循环利用等各方面的要求，其涵盖范围更广、系统性更强。

（二）主要技术

机电一体化技术是一个技术群的总称，但是在具体的机电一体化产品上，根据功能与用途的不同，所采用的技术可多可少，像自动洗衣机等产品只涉及自动控制与机械技术；而数控机床则还包括了机械技术、自动控制技术、运动控制技术等；在飞机卫星等航空航天设备上，其涉及范围更广。如再进一步分析，自动控制技术又需要应用信息处理、检测、网络控制等技术；运动控制又离不开电力电子技术、晶体管脉宽调制技术等，难以一一尽述。

作为日常生活与工业生产中常见的机电一体化产品，应用普遍的共性关键技术大致包括以下内容。

1.机械技术

机械装置是任何机电一体化产品必不可少的组成部分，机电一体化离不开机械技术。机电一体化产品注重的是技术融合与功能互补，提高精度与效率、减轻重量与节约资源、改善操作与使用性能是机电一体化控制的主要目的，因此，通过结构的改进与创新、新材料的应用等手段来提高精度与刚性、减轻重量、缩小体积，是机电一体化产品机械技术的主要特点与研究的方向。

2.液压与气动技术

液压系统具有驱动力大、运动平稳、惯性小、调速方便等特点，在机床、工程机械、农业机械等行业的机电一体化产品上应用广泛。液压系统的控制简单、使用方便，它可通过PLC、继电器等简单的电气控制装置，便可实现各种复杂的机械动作，是机电一体化控制常用的控制技术之一。但是，由于液压油具有可压缩性并容易泄漏，因此，它对元器件的制造精度要求高，并容易产生环境的污染。

气动系统也可通过PLC、继电器等简单的电气控制装置，实现各种复杂的机械动作，因此，气动系统同样是机电一体化控制常用的控制技术之一。与液压系统相比，气动系统具有气源容易获得、工作介质不污染环境，以及执行元件反应快、动作迅速，管路不容易堵塞、无需补充介质等优点，其使用维护简单、运行成本低，环境适应性、清洁性和安全性好。但是，气动系统的工作压力一般低于液压系统，其执行元件的出力较小，且容易压缩和泄漏，噪声均较大。

3.检测技术

自动控制需要获取对象的实际工作状态信息，以便进行监测、分析与控制，因此离不开自动检测技术。检测技术主要包括测量传感器与信号处理两方面，传感器（检测元件）是检测技术的关键，它的性能直接决定了控制的准确性与精度；信号处理的目的是将传感器所获取的信息转换为显示、分析、控制所需要的数据。光电编码器与光栅、磁性编码器与磁栅是机电一体化产品常用的速度与位置检测元件。

4.计算机控制技术

自动控制需要人们利用各种技术手段和方法来代替人去完成各种测试、分析、判断和控制工作，它是机电一体化产品的显著特征之一。

由于机电一体化产品种类繁多，控制要求各异，因此，机电一体化产品的自动控制需要运用现代控制理论，通过数字化控制、自适应控制、最优控制、系统仿真、自诊断等方法与手段来满足产品的自动化、智能化、网络化等要求；其控制已经越来越多地依赖于微处理器、计算机，控制软件的作用日益显现，CNC、PLC等都是采用微处理器控制的典型产品。

以计算机为核心的自动控制装置需要通过计算机的软件与硬件对系统中的各种信息进行处理，如数据的通信与传输、数据的输入与输出、数据运算与处理等，这就是人们平时所说的信息处理技术。单片机、工业计算机、CNC、PLC等是机电一体化产品常用的信息处理装置，数据通信、网络控制、数据库、人工智能、专家系统等是信息处理常用的软件。

5.网络控制技术

网络控制技术的普及是20世纪90年代计算机技术的突出成就之一，网络不仅使全球的信息逐步共享、经济渐趋一体，给人们的日常生活带来了巨大的变化，而且也给机电一体化注入了新的动力。网络控制技术推动了自动控制向分散控制、集中管理的方向快速发展，基于现场总线的设备集中控制、分布式控制系统已越来越引起人们的重视；传统的接口正在被快速淘汰， RS422/RS485等串行数据通信接口、PROFIBUS/CAN-Bus/CC-Link/AS-i等开放性现场总线协议已逐步成为当代机电一体化控制装置的基本功能；机电一体化产品已经越来越多地通过现场总线（Field Bus）网、执行器—传感器（AS-i）网、I/O链接（I/O-Link）网等来实现系统内部的信息交换。

6.运动控制技术

机械运动是机电一体化产品的基本属性，运动控制（Motion Control）是机电一体化最基本、最重要的控制技术之一。运动控制的目的是将控制命令转换为执行装置的运动，实现对象的位置、速度、转矩等控制，其执行装置有各类电动机、液压/气动阀等。除了简单的定点定位移动控制外，机电一体化设备的绝大多数运动控制都需要控制较多的执行器参数，如电动机的电压、电流、相位、转速、转角等，它需要涉及计算机控制、网络控制以及电力电子、晶体管脉宽调制（Pulse Width Modulated,PWM）、检测等诸多技术，并构成相对独立的子系统，因此，也可称之为运动控制系统。

对于以电机作为执行装置的位置、速度、转矩控制系统，交流伺服驱动器、变频器、步进驱动器是当代机电一体化产品常用的运动控制装置。与直流电机[2]相比，交流电机具有转速高、功率大、结构简单、运行可靠、体积小、价格低等一系列优点，但其控制远比直流电机复杂，因此，在一个很长的时期内，直流电机控制系统始终在运动控制领域占据主导地位。交流伺服驱动器与变频器是随电力电子技术、PWM技术与矢量控制理论发展起来的新型装置，经过30多年的发展，交流电机的控制理论与技术已经日臻成熟，各种高精度、高性能的交流电机控制系统不断涌现，交流伺服已经在数控机床、机器人上全面取代直流伺服；变频器已在越来越多的场合代替直流调速装置。