【正文】 tronics 一詞首先在日本被普遍接受，大約到 20 世紀(jì) 80 年代末期在世界范圍內(nèi)得到比較廣泛的承認(rèn)；②機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品得到了極大發(fā)展；③各國(guó)均開(kāi)始對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品給以很大的關(guān)注和支持。這些研究，將促使機(jī)電一體化進(jìn)一步建立完整的基礎(chǔ)和逐漸形成完整的科學(xué)體系。機(jī)電一體化與機(jī)械電氣化在功能上的本質(zhì)區(qū)別是智能化 機(jī)電一體化產(chǎn)品的典型例子有：數(shù)控加工中心、機(jī)器人以及具有檢測(cè)控制性能的數(shù)碼相機(jī)等。機(jī)電一體化產(chǎn)品的顯著特征是具有多種復(fù)合功能，例如，數(shù)控加工中心可以將多臺(tái)普通機(jī)床的多道工序在一次裝卡中完成，并能自動(dòng)檢測(cè)工件和刀具的精度，顯示刀具動(dòng)態(tài)軌跡，以及故障自診斷等極強(qiáng)的復(fù)合功能。由于機(jī)電一體化技術(shù)采用內(nèi)裝的微處理器、大規(guī)模集成電路、電力電子器件代替原有的笨重的電器控制柜和傳動(dòng)裝置，使機(jī)電一體化產(chǎn)品體積變小、零部件的數(shù)量減少，結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化。 （ 5）改善操作。 有 些機(jī)電一體化設(shè)備對(duì)環(huán)境變化具有一定的主動(dòng)適應(yīng)能力，即智能化的機(jī)電一體化設(shè)備，體現(xiàn)了機(jī)電一體化設(shè)備的另一種柔性功能。在機(jī)械工程領(lǐng)域，由于微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展及其向機(jī)械工業(yè)的滲透所形成的 機(jī)電一體化，使機(jī)械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機(jī)構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產(chǎn)由 “ 機(jī)械電氣化 ” 邁入了 “ 機(jī)電一體化 ” 為特征的發(fā)展階段?，F(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品一般都是以鋼鐵材料為主，為了減輕質(zhì)量除了在結(jié)構(gòu)上加以改進(jìn)，還應(yīng)考慮利用非 金屬?gòu)?fù)合材料。對(duì)外部信息傳感器來(lái)說(shuō)，目前主要發(fā)展非接觸型檢測(cè)技術(shù)。目前，正在積極發(fā)展內(nèi)部裝有編碼器的電機(jī)以及控制專(zhuān)用組件 傳感器 電機(jī)三位一體的伺服驅(qū)動(dòng)單元。 軟件技術(shù) 軟件與硬件必須協(xié)調(diào)一致地發(fā)展。數(shù) 8 字化要求機(jī)電一體化產(chǎn)品的軟件具有高可靠性、易操作性、可維護(hù)性、自診斷能力以及友好人機(jī)界面。隨著模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色理 論、小波理論、混沌與分岔等人工智能技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，為機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展開(kāi)辟了廣闊天地。 網(wǎng)絡(luò)化 由于網(wǎng)絡(luò)的普及，基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視技術(shù)方興未艾。微機(jī)電系統(tǒng) (Micro Electronic Mechanical Systems，簡(jiǎn)稱(chēng) MEMS)是指可批量制作的，集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路，直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。首先可將系統(tǒng)分解為若干層次，使系統(tǒng)功能分散，并使各部分協(xié)調(diào)而又安全地運(yùn)轉(zhuǎn)，然后再通過(guò)軟、硬件將各個(gè)層次有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)，使其性能最優(yōu)、功能最強(qiáng)。 綠色化 科學(xué)技術(shù)的發(fā)展給人們的生活帶來(lái)巨大變化，在物質(zhì)豐富的同時(shí)也帶來(lái)資源減少、生態(tài)環(huán)境惡化的后果。 光機(jī)電一體化 . 一般的機(jī)電一體化系統(tǒng)是由傳感系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)等部件組成的 .因此 ,引進(jìn)光學(xué)技術(shù) ,實(shí)現(xiàn)光學(xué)技術(shù)的先天優(yōu)點(diǎn)是能有效地改進(jìn)機(jī)電一體化系統(tǒng)的傳感系統(tǒng)、能源(動(dòng)力 )系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng) .光機(jī)電一體化是機(jī)電產(chǎn)品發(fā)展的重要趨向 . 機(jī)電一體化技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域 數(shù)控機(jī)床 數(shù)控機(jī)床及相應(yīng)的數(shù)控技術(shù)經(jīng)過(guò) 40 年的發(fā)展 ,在結(jié)構(gòu)、功能、操作和控 制精度上都有迅速提高 ,具體表現(xiàn)在 :總線式、模塊化、緊湊型的結(jié)構(gòu) ,即采用多 CPU、多主總線的體系結(jié)構(gòu)。 大容量存儲(chǔ)器的應(yīng)用和軟件的模塊化設(shè)計(jì) ,不僅豐富了數(shù)控功能 ,同時(shí)也加強(qiáng)了 CNC 系統(tǒng)的控制功能。 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng) (CIMS) CIMS 的實(shí)現(xiàn)不是現(xiàn)有各分散系統(tǒng)的簡(jiǎn)單組合 ,而是全局動(dòng)態(tài)最優(yōu)綜合。它可以隨機(jī)地、實(shí)時(shí)地、按量地按照裝配部門(mén)的要求 ,生產(chǎn)其能力范圍內(nèi)的任何工件 ,特別適于多品種、中小批量、設(shè)計(jì)更改頻繁的離散零件的批量生產(chǎn)。 第 3 章 機(jī)電一體化系統(tǒng)的智能化 具有人工智能或能模擬人類(lèi)智能的系統(tǒng)稱(chēng)之為智能系統(tǒng)。目前 , 專(zhuān)家系統(tǒng)、模糊系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及遺傳算法 , 是機(jī)電一體化產(chǎn)品 ( 系統(tǒng) ) 實(shí)現(xiàn)智能化的 4 種主要技術(shù)。模擬人類(lèi)模糊邏輯思維的模糊集合論、模擬人的電腦神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論 , 以及模擬人的感知 —— 一行動(dòng)的進(jìn)化論等 , 都是研究智能控制理論的新學(xué)科基礎(chǔ)的組成部分。因此 , 智能控制是以模擬智能為核心的控制 , 它的研究重點(diǎn)不再是被控對(duì)象 , 而是控制器本身。外部環(huán)境是由廣義被控對(duì)象、傳感器和執(zhí)行器組成 , 還包括外部各種干擾等不確定性因 素。數(shù)控機(jī)床的智能化體現(xiàn)在各類(lèi)傳感器對(duì)切削加工前后和加工過(guò)程中的各種參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè) , 并通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)做出判斷 , 自動(dòng)對(duì)異?，F(xiàn)象進(jìn)行調(diào)整與補(bǔ)償 , 以保證加工過(guò)程的順利進(jìn)行 , 并保證加工出合格的產(chǎn)品。 在智能化基礎(chǔ)上 , 綜合了計(jì)算機(jī)、多媒體、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多學(xué)科技術(shù)。因此 , 對(duì)數(shù)控技術(shù)實(shí)行變革勢(shì)在必行。 所謂智能化數(shù)控系統(tǒng) , 是指具有模擬人智能的特征 , 在數(shù)控系統(tǒng)中具有模擬、延伸、擴(kuò)展的智能行為的知識(shí)處理動(dòng)能 , 如自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自組織、自尋優(yōu)、自鎮(zhèn)定、自識(shí)別、自規(guī)劃、自修復(fù)、自繁殖等。 綜上所述 , 智能化是機(jī)電一體化技術(shù)與傳統(tǒng)機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)的主要區(qū)別之一 , 也是 21 世紀(jì)機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展的主要方向 , 必將會(huì)為系統(tǒng)科學(xué)的研究提供新的思路 第 4 章 探索 PLC 在機(jī)電一體化中的重要作用 可編程序控制器 (Programmable Log Controller)簡(jiǎn)稱(chēng) PLC，是采用微電腦技術(shù)制造的通用 13 自動(dòng)控制設(shè)備。 PLC 既能控制開(kāi)關(guān)量，也能控制模擬量，用于替代繼電器控制邏輯、二極管矩陣邏輯以及便于接線的數(shù)字邏輯。 PLC 具有邏輯運(yùn)算功能，它設(shè)置了與(AND)、或 (OR)、非 (NOT)等邏輯運(yùn)算指令，能處理繼電器接點(diǎn)的串聯(lián)、并聯(lián)、串并聯(lián)以及并串聯(lián)等各種連接； ② 限時(shí)控制。有些 PLC 具有模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換功能，能完成對(duì)模擬量的控制和調(diào)節(jié)； ⑥ 通信和聯(lián)網(wǎng)。 與繼電器控制邏輯 的比較 繼電器控制邏輯自 2O 世紀(jì) 20 年代問(wèn)世以來(lái)一直是機(jī)電順序控制的主流，由于它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，價(jià)格低廉，所以使用范圍甚廣。而 PLC 采用存儲(chǔ)邏輯，除了輸入輸出端以外不與現(xiàn)場(chǎng)連接，控制邏輯以程序的方式存儲(chǔ)在 PLC 的內(nèi)存當(dāng)中，控制邏輯復(fù)雜則程序就會(huì)長(zhǎng)一一些，因此連線少體積小， PLC 是由大、中規(guī)模集成電路組裝而成的，功耗也小。而 PLC 是由程序指令控制半導(dǎo)體電路來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的，速度相當(dāng)快，一般一條用戶(hù)指令的執(zhí)行時(shí)間在微秒數(shù)量級(jí)，由于 PLC 內(nèi)部有嚴(yán)格的同步，不會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)問(wèn)題。定時(shí)值可根據(jù)實(shí)際需要在程序中設(shè)定，定時(shí)精度小于 10ms，定時(shí)時(shí)間不受環(huán)境的影響，一旦調(diào)好，不會(huì)改變。 PLC 還配備了自檢和監(jiān)控功能，能檢查出自身故障，并隨時(shí)顯示出來(lái)還能動(dòng) 態(tài)地監(jiān)視控制程序的執(zhí)行情況，為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和維護(hù)提供了方便。 與單板機(jī)比較 1．不如 PLC 容易掌握使用單板機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，一般要使用微處理機(jī)的機(jī)器指令進(jìn)行編程。 2．不如 PLC 使 用簡(jiǎn)單使用單板機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，一般要在輸入輸出接口上做大量的工作，如要考慮工程現(xiàn)場(chǎng)與單板機(jī)的連接，輸出驅(qū)動(dòng)，接口的擴(kuò)展，接口的工作方式等，除了要進(jìn)行控制程序的設(shè)計(jì)，還要在單板機(jī)的外圍進(jìn)行很多的硬件和軟件的工作才能與控制現(xiàn)場(chǎng)連接起來(lái)，調(diào)試也比較繁瑣。如 PLC 具有較強(qiáng)的自診斷功能，保證在硬件 (如 CPU、 RAM、 I／ O 總線等 )都正常的情況下才執(zhí)行控制程序，一旦出現(xiàn)硬件故障則立即給出信號(hào)，并停止控制程序的執(zhí)行，等待修復(fù)。在這場(chǎng)新技術(shù)革命的沖擊下，作為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)之一的機(jī)械工業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和 生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了質(zhì)的飛躍。 1996 年 3 月國(guó)際電氣與電子工程師學(xué)會(huì) (IEEE)與美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì) (ASME)聯(lián)合創(chuàng)刊的《機(jī)電一體化學(xué)報(bào) )(IEEE／ ASMETransactions on Mechatronics)，在第一卷 1 期編者的話(huà)中，將機(jī)電一體化定義為：在工業(yè)產(chǎn)品和過(guò)程的設(shè)計(jì)與制造中，機(jī)械工程與電子和智能計(jì)算機(jī)控制的協(xié)同整合。其中，信息處理技術(shù)是機(jī)電一體化技術(shù)中必不可少的部分，以微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為龍頭的信息處理技術(shù)是使機(jī)電一體化產(chǎn)品具有自動(dòng)化、數(shù)字化和智能化的關(guān)鍵所在。在這一時(shí)期，人們自覺(jué)或不自覺(jué)的利用電子技術(shù)的初步成果來(lái)代替機(jī)械產(chǎn)品的性能。稱(chēng)其為蓬勃發(fā)展階段。這就是日本政府在機(jī)械產(chǎn)品中貫徹精益求精思想的檄文 。這是大家都知道的事實(shí)。大量的智能化機(jī)械產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。計(jì)算機(jī)技術(shù)為代表的信息技術(shù)極大地促進(jìn)了機(jī)電體化。因此，現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)就是在早期機(jī)電一體化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、軟件技術(shù)、管理技術(shù)等高新技術(shù)的整合。它的實(shí)質(zhì)是將傳感單元、驅(qū)動(dòng)單元、執(zhí)行單元等機(jī)電基本單元整合進(jìn)基體材料內(nèi)，通過(guò)材料工程、應(yīng)用力學(xué)、微觀力學(xué)、自動(dòng)控制等技術(shù)的綜合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了感知外界或內(nèi)部狀態(tài)與特性變化，并能根據(jù)變化的具體特征對(duì)引起變化的原因進(jìn)行辨識(shí)，從而采取 相應(yīng)的控制策略作出合理的響應(yīng)。研究機(jī)電一體化的整合過(guò)程，可以總結(jié)出以下四個(gè)基本特點(diǎn)。 因此，明確的功能結(jié)構(gòu)使機(jī)電一體化的整合設(shè)計(jì)過(guò)程可以做到有的放矢，提高了開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的成功率，方便了功能模塊到物理載體映射的實(shí)現(xiàn)。 同樣，也可以從信息論的角度來(lái)論證。 (3)以信息為核心機(jī)電一體化整合采用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)與控制，它與傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)有本質(zhì)的區(qū)別就是以信息處理為核心。從某種意義上講，機(jī)電一體化的整合過(guò)程是一 18 種系統(tǒng)整體優(yōu)化的過(guò)程，即在滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能目標(biāo)的前提下，實(shí)現(xiàn)整體最佳化。 50 年代，我國(guó)工程技術(shù)人員創(chuàng)造性地吸收、消化、掌握了國(guó)外先進(jìn)的繼電保護(hù)設(shè)備性能和運(yùn)行技術(shù)［ 1］，建成了一支具有深厚繼電保護(hù)理論造詣和豐富運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的繼電保護(hù)技術(shù)隊(duì)伍，對(duì)全 國(guó)繼電保護(hù)技術(shù)隊(duì)伍的建立和成長(zhǎng)起了指導(dǎo)作用。 自 50 年代末，晶體管繼電保護(hù)已在開(kāi)始研究。到 80 年代末集成電路保護(hù)已形成完整系列，逐漸取代晶體管保護(hù)。華中理工大學(xué)、東南大學(xué)、華北電力學(xué)院、西安交通大學(xué)、天津大學(xué)、上海交通大學(xué)、重慶大學(xué)和南京電力自動(dòng)化研究院都相繼研制了不同原理、不同型式的微機(jī)保護(hù)裝置。天津大學(xué)與南京電力自動(dòng)化設(shè)備廠合作研制的微機(jī)相電壓補(bǔ)償式方向高頻保護(hù)，西安交通大學(xué)與許昌繼電器廠合作研制的正序故障分量方向高頻保護(hù)也相繼于 1991996 年通過(guò)鑒定。 繼電保護(hù)的未來(lái)發(fā)展 繼電保護(hù)技術(shù)未來(lái)趨勢(shì)是向計(jì)算機(jī)化，網(wǎng)絡(luò)化，智能化，保護(hù)、控制、測(cè)量和數(shù)據(jù)通信一體化發(fā)展。 南京電力自動(dòng)化研究院一開(kāi)始就研制了 16 位 CPU 為基礎(chǔ)的微機(jī)線路保護(hù)，已得到大面積推廣，目前也在研究 32 位保護(hù)硬件系統(tǒng)。 CPU 的寄存器、數(shù)據(jù)總線、地址總線都是 32 位的，具有存儲(chǔ)器管理功能、存儲(chǔ)器保護(hù)功能和任務(wù)轉(zhuǎn)換功能，并將高速緩存 (Cache)和浮點(diǎn)數(shù)部件都集成在 CPU 內(nèi)。由于當(dāng)時(shí)小型機(jī)體積大、成本高、可靠性差，這個(gè)設(shè)想是不現(xiàn)實(shí)的。 (2)尺寸和結(jié)構(gòu)與目前的微機(jī)保 護(hù)裝置相似，工藝精良、防震、防過(guò)熱、防電磁干擾能力強(qiáng)，可運(yùn)行于非常惡劣的工作環(huán)境，成本可接受。 第 7 章 我國(guó) “ 機(jī)電一體化 ” 面臨的形勢(shì)及任務(wù)與其相應(yīng)對(duì)策 形勢(shì)。近年來(lái)我國(guó)的工業(yè)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)雖然幾經(jīng)調(diào)整，但由于多種原因，成效一直不夠明顯。這是解決機(jī)電產(chǎn)品多品種、少批量生產(chǎn)的重要出路?？偟哪康氖谴龠M(jìn)機(jī)電一體產(chǎn)業(yè)的形成、為我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整作貢獻(xiàn)。各單位的計(jì)劃由于受各自立足點(diǎn)、著眼點(diǎn)的限 制，難免只考慮局部利益，各主管部門(mén)的有關(guān)計(jì)劃和規(guī)劃，也有統(tǒng)一考慮不足，統(tǒng)籌安排不夠的問(wèn)題，同時(shí)缺少綜觀全局的有權(quán)威性的發(fā)展計(jì)劃和戰(zhàn)略規(guī)劃。 優(yōu)化發(fā)展環(huán)境、增大支持力度 22 優(yōu)化發(fā)展環(huán)境指通過(guò)宣傳群眾，造成一種社會(huì)上下、企業(yè)內(nèi)外都重視、支持 “ 機(jī)電一體化 ”發(fā)展的氛圍，如盡快為外 商到我國(guó)投資發(fā)展 “ 機(jī)電一體化 ” 產(chǎn)業(yè)提供方便；盡可能為興辦開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)機(jī)電一體化產(chǎn)品的高新技術(shù)企業(yè)開(kāi)綠燈；盡力為開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)機(jī)電一體化產(chǎn)品調(diào)配好資源要素等。第一個(gè)層次是 “ 面上 ” 的工作，即用電子信息技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行改造，在傳統(tǒng)的機(jī)電設(shè)備上植入或嫁接上微電子 (計(jì)算機(jī) )裝置，使 “ 機(jī)械 ” 和 “ 電子 ” 技術(shù)在淺層次上結(jié)合。機(jī)電一體化的出現(xiàn)不是孤立的 ,它是許多科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶 ,是社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展到一定階段的必然要求。更加全面的認(rèn)識(shí)到了自己的不足。在遇到困難的時(shí)候，朋友的幫助能讓解決困難變得更容易。 ，我充分認(rèn) 識(shí)到，我國(guó)現(xiàn)在的技術(shù)還不夠先進(jìn)，許多產(chǎn)品，技術(shù)都要靠進(jìn)口。三年的求學(xué)生涯在師長(zhǎng)、親友的大力支持下，走得辛苦卻也收獲滿(mǎn)囊，在論文即將付梓之際，思緒萬(wàn)千，心情久久不能平靜。授人以魚(yú)不如授人以漁，置身其間，耳濡目染，潛移默化，使我不僅接受了全新的思想觀念，樹(shù)立了宏偉的學(xué)術(shù)目標(biāo)，領(lǐng)會(huì)了基本的思考方式，常常讓我有 “ 山重水復(fù)疑無(wú)路 ,柳暗花明又一村 ” 。他們?yōu)槲艺撐牡倪x題和內(nèi)容上面提供了許多意見(jiàn)和建議，在此由衷的