1 . 機電一體化系統的理論基礎系統論、信息論、控制論的建立，微電子技術，尤其是計算機技術的迅猛發展，引起了科學技術的又一次革命，導致了機械工程的機電一體化。系統論、信息論、控制論無疑是機電一體化技術的理論基礎，是機電一體化技術的方法論。
開展機電一體化技術研究時，無論在工程的構思、規劃、設計方面，還是在它的實施或實現方面，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，有效地綜合各有關技術，才能形成所需要的系統或產品。
給定機電一體化系統目的功能與規格參數后，機電一體化技術人員利用機電一體化技術進行設計、制造的整個過程為機電一體化工程。實施機電一體化工程的結果，是新型的機電一體化產品，如圖1—6所示。
系統工程是系統科學的一個工作領域，而系統科學本身是一門關于“針對目的要求而進行合理的方法學處理，，的邊緣科學。系統工程的概念不僅包括“系統”，即具有特定功能的、相互之間具有有機聯系的許多要素所構成的一個整體，也包括“工程”，即產生一定效能的方法。早在1978年，錢學森就指出：“系統工程是組織管理系統的規劃、研究、設計、制造、試驗和使用的科學方法，是一種對所有系統都具有普遍意義的科學方法。”機電一體化技術就是系統工程科學在機械電子工程中的具體應用。具體地講，就是以機械電子系統或產品為對象，以數學方法和計算機等為工具，對系統的構成要素、組織結構、信息交換和反饋控制等功能進行分析、設計、制造和服務，從而達到****設計、****控制和****管理的目標，以便充分發揮人力、物力和財力，通過各種組織管理技術，使局部與整體之間協調配合，實現系統的綜合****化。
系統工程是數學方法和工程方法的匯集。
機電一體化技術是從系統工程觀點出發，應用機械、微電子等有關技術，使機械、電子有機結合，實現系統或產品整體****化的綜合性技術。小型的生產、加工系統，即使是一臺機器，也都是由許多要素構成的，為了實現其“目的功能”，還需要從系統角度出發，不拘泥于機械技術或電子技術，并寄希望于能夠使各種功能要素構成****結合的柔性技術與方法。機電一體化工程就是這種技術和方法的統一。表1—3為系統工程與機電一體化工程的特點比較。
機電一體化系統是一個包括物質流、能量流和信息流的系統，如何有效地利用各種信號所攜帶的豐富信息資源，贈有賴于信號處理和信息識別技術。考察所有機電一體化產品，就會看到準確的信息獲取、處理、利用在系統中所起的實質性作用。
將工程控制理論用于機械工程技術而派生的機械控制工程為機械技術引入了嶄薪的理論、思想和語言，把機械設計技術由原來靜態的、孤立的傳統設計思想引向動態的、系統的設計環境，使科學的辯證法在機械技術中得以體現，為機械設計技術提供了豐富的現代設計方法。
2. 機電一體化系統的關鍵技術如果說系統論、信息論、控制論是機電一體化技術的理論基礎，那么微電子技術、精密 機械技術就是它的技術基礎。微電子技術的進步，尤其是計算機技術的迅速發展，為機電一體化技術的進步與發展提供了前提條件。正是有了計算機，才使機械、電子、信息的一體化得以實現。有了計算機日新月異的發展，才有了機電一體化技術蓬勃發展的景象。
同時，在機電一體化技術的發展中，不能低估精密機械加工技術對它的貢獻。機電一體化產品中的許多重要零部件都是利用超精密加工技術制造的，就連微電子技術本身的發展也離不開精密機械技術。例如，大規模集成電路制造中的微細加工就是精密機械技術進步的成果。因此可以說，精密機械加工技術促進了微電子技術的不斷發展，微電子技術的不斷發展又推動了精密機械技術中加工設備的不斷更新。
由于機電一體化是一個工程，是一個大系統，因此它的發展不僅要依靠信息技術、控制技術、機械技術、電子技術和計算機技術的發展，還要依靠其他相關技術的發展，同時也要受到社會條件、經濟基礎的影響。機電一體化技術內部各種因素的聯系以及外部條件的影響關系如圖1-7所示。其中的主要因素固然是發展機電一體化技術的必備條件，但各種相關技術的發展及外部影響因素的相互配合也是必不可少的。
發展機電一體化技術所面臨的共性關鍵技術主要包括精密機械技術、傳感檢測技術、伺服驅動技術、接口技術、信息處理技術、自動控制技術、系統總體技術等。
(1) 精密機械技術精密機械技術是機電一體化的基礎，因為機電一體化產品的主功能和構造功能大都是以機械技術為主體來得以實現的。隨著高新技術引入機械行業，機械技術面臨著挑戰和變革。在機電一體化產品中，它不再是單一地完成系統間的連接，系統結構、重量、體積、剛性與耐用性方面對機電一體化系統都有著重要的影響。機電一體化產品對機械部分零件部件的靜、動態剛度、熱變形等機械性能有著更高的要求。特別是關鍵零部件，如導軌、滾珠絲杠、軸承、傳動部件等的材料、精度對機電一體化產品的性能、控制精度影響極大：機械技術的著眼點在于如何與機電一體化技術相適應，實現結構上、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。
在制造過程的機電一體化系統中，經典的機械理論與工藝借助于計算機輔助技術，同時 采用人工智能與專家系統等，形成新一代的機械制造技術。這里原有的機械技術以知識和技能的形式存在，是任何其他技術代替不了的。如計算機輔助工藝規劃(cAPP)是目前cAD／cAM系統研究的瓶頸，其關鍵問題在于如何將廣泛存在于各行業、企業、技術人員中的標準、習慣和經驗進行表達和陳述，從而實現計算機的自動工藝設計與管理。
(2)傳感檢測技術在機電一體化產品中，工作過程的各種參數、工作狀態以及與工作過程有關的相應信息都要通過傳感器進行接收，并通過相應的信號檢測裝置進行測量，然后送人信息處理裝置以及反饋給控制裝置，以實現產品工作過程的自動控制。機電一體化產品要求傳感器能快速和準確地獲取信息并且不受外部工作條件和環境的影響，同時檢測裝置能不失真地對信息信號進行放大、輸送和轉換。
傳感器技術自身就是一門多學科、知識密集的應用技術。傳感原理、傳感材料及加工制造裝配技術是傳感器開發的3個重要方面。作為一個獨立器件，傳感器的發展正進入集成化、智能化研究階段。把傳感器件與信號處理電路集成在一個芯片上，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。
與計算機發展相比，傳感器的發展顯得緩慢滯后，難以滿足技術發展的要求。許多機電一體化裝置(如類人機器人)不能達到滿意的效果或無法實現設計的關鍵原因，在于沒有合適的傳感器，因此大力開展傳感器研究，對于機電一體化技術的發展具有十分重要的意義。
(3)伺服驅動技術伺服驅動技術主要是指機電一體化產品中的執行元件和驅動裝置設計中的技術問題，它涉及設備執行操作的技術，對所加工產品的質量具有直接的影響。機電一體化產品中的執行元件有電動、氣動和液壓等類型，其中多采用電動式執行元件，驅動裝置主要是各種電動機的驅動電源電路，目前多由電力電子器件及集成化的功能電路構成。
執行元件一方面通過接口電路與計算機相連，接受控制系統的指令；另一方面通過機械接口與機械傳動和執行機構相連，以實現規定的動作。因此，伺服驅動技術直接影響著機電一體化產品的功能執行和操作，對產品的動態性能、穩定性能、操作精度和控制質量等產生決定性的影響。例如，直流伺服電動機的控制性能、速度及轉矩特性的穩定性；交流電動機系統的變頻調速、電流逆變技術，電磁鐵的體積大小、工作可靠問題；液壓與氣動執行機構的精度、響應速度等技術問題都是機電一體化系統設計中急待研究的技術。
(4)接口技術機電一體化系統是機械、電子和信息等性能各異的技術融為一體的綜合系統，其構成要素和子系統之間的接口極其重要。從系統外部看，輸人／輸出是系統與人、環境或其他系統之間的接口；從系統內部看，機電一體化系統是通過許多接口將各組成要素的輸入／輸出聯系成一體的系統。因此，各要素及各子系統之間的接口性能就成為綜合系統性能好壞的決定性因素。機電一體化系統最重要的設計任務之一往往就是接口設計。
(5)信息處理技術信息處理技術是指在機電一體化產品工作過程中，與工作過程各種參數和狀態以及自動控制有關的信息輸人、識別、變換、運算、存儲、輸出和決策分析等技術。信息處理得是否及時、準確，直接影響機電一體化系統或產品的質量和效率，因而也是機電一體化的關鍵技術。
在機電一體化產品中，實現信息處理技術的主要工具是計算機。計算機技術包括硬件和軟件技術、網絡與通信技術、數據處理技術和數據庫技術等。在機電一體化產品中，計算機信息處理裝置是產品的核心，它控制和指揮著整個機電一體化產品的運行。信息處理是否正確、及時，直接影響到系統工作的質量和效率，因此計算機應用及信息處理技術已成為促進 機電一體化技術發展和變革的最活躍的因素。
人工智能技術、專家系統技術、神經網絡技術等都屬于計算機信息處理技術。
(6)自動控制技術所謂自動控制，就是在沒有人直接參與的情況下，通過控制器使被控對象或過程自動地按照預定的規律運行。自動控制技術的廣泛應用，不僅大大提高了勞動生產率和產品質量，改善了勞動條件，而且在人類征服大自然、探索新能源、發展空間技術與改善人類物質生活等方面起著極為重要的作用。自動控制技術這一學科主要討論控制原理，包括控制規律、分析方法和系統構成等。機電一體化將自動控制作為重要的支撐技術，自動控制裝置是它的重要組成部分。
主要以傳遞函數為基礎，研究單輸入、單輸出、線性自動控制系統分析與設計問題的經典控制技術發展較早，且日臻成熟。在工程上，成功地解決了諸如伺服系統自動控制的實踐問題。
隨著科學技術發展和工程實踐的需要而發展起來的現代控制技術主要以狀態空間法為基礎，研究多輸入、多輸出、變參量、非線性、高精度、高效能等控制系統的分析和設計問題。****控制、****濾波、系統識別、自適應控制等都是這一領域研究的主要課題。近年來，由于計算機技術和現代應用數學研究的快速發展，現代控制技術在系統工程和模仿人類活動的智能控制等領域取得了重大進展。
在機電一體化技術中，諸如高精度定位控制、速度控制、自適應控制、自診斷、校正、補償等自動控制技術皆是重要的關鍵技術。現代控制理論的工程化與實用化以及優化控制模型的建立、復雜控制系統的模擬仿真、自診斷監控技術及容錯技術等都是有待開發研究的課題。
(7)系統總體技術機電一體化系統的多功能、高精度、高效能要求和多領域技術的交叉不可避免地使產品本身及其開發設計技術復雜化。系統的總體性能不僅與各構成要素的功能、精度、性能相關，而且依賴于各構成要素是否進行了很好的協調和融合。系統總體技術就是從整體目標出發，用系統的觀點和方法，將機電一體化產品的總體功能分解成若干功能單元，找出能夠完成各個功能的可能技術方案，再把功能與技術方案組合成方案組進行分析、評價，綜合優選出適宜的技術方案。系統總體技術的目的是在機電一體化產品各組成部分的技術成熟、組件的性能和可靠性良好的基礎上，通過協調各組件的相互關系和所用技術習一致性來保證產品實現經濟、可靠、高效率和操作方便等。系統總體技術是最能體現機電一體比設計特點的技術，也是保證其產品工作性能和技術指標得以實現的最關鍵技術。
在機電一體化產品中，機械、電氣和電子是性能、規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、模擬與數字之分，必然遇到相互干擾與耦合的問題：系統的復雜性帶來的可靠性問題；產品的小型化增加了狀態監測與維修的困難；多功能化造成診斷技術的多樣性等。因此就要考慮產品整個生命周期的總體綜合技術。
為了開發出具有較強競爭力的機電一體化產品，系統總體設計除考慮優化設計外，還包括可靠性設計、標準化設計、系列化設計以及造型設計。
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