机电一体化系统的共性关键技术包括:精密机械技术、传感与检测技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、伺服驱动技术、接口技术和系统总体技术。
(1)精密机械技术
机械技术是机电一体化技术的基础,机电一体化产品的主功能和构造功能大都以机械技术来实现。相比传统机械技术,机电一体化系统中的机械技术对传动精密性和精确度有更高的要求。新材料、新工艺、新原理以及新结构等满足了机电一体化产品体积小、质量轻、精度高、性能优等要求。
(2)传感与检测技术
传感器是机电一体化系统的信号接收器。其敏感系统的运动、受力、状态及参数变化等信息,以信号的形式通过传感器检测并输送到控制器的信号处理单元。传感原理、敏感元件材料、制造方法和加工工艺是影响机电一体化系统传感器性能和质量的三个重要方面。传感器的集成化、智能化将大大提升机电一体化系统或产品的自动化、智能化程度。
(3)计算机与信息处理技术
机电一体化系统的计算机与信息处理技术,涉及信息输入、交换、识别、存取、运算、判断与决策、人工智能、专家系统和神经网络等方面的内容,主要采用单片机、可编程逻辑器件、可编程控制器、嵌入式处理器等硬件和软件进行信息处理。信息处理能力和性能直接影响系统工作的质量和效率。
(4)自动控制技术
自动控制技术包括高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿和再现等。随着科学技术发展和工程应用需求的变化,在机电一体化系统设计、仿真、现场调试中研究多输入、多输出、变参量、非线性、高精度、高效能等控制系统的问题,可实现系统最优控制、最佳滤波、系统辨识、自适应控制,大大提高系统工作效率和产品质量,改善劳动条件。
(5)伺服驱动技术
伺服驱动技术是指在控制指令指挥下,控制并驱动执行机构运动部件按指令要求进行运动的驱动技术,采用电动、气动、液压等方式,实现电信号到机械运动的转换。伺服驱动技术对系统的动态性能、控制质量和功能起决定性作用。
(6)接口技术
机电一体化系统接口一般包括电子/电气接口、机械接口、人机接口等,是机电一体化系统设计的关键环节。电子/电气接口完成系统间电信号的连接,实现电信号的传递、转换、匹配,起到电平转换、功率放大、抗干扰隔离、A/D或D/A转换、调制和解调等作用,如放大器、光电耦合器、A/D或D/A转换器等。机械接口实现机械与机械、机械与电气装置的物理连接,主要用于能量和运动的传递,如联轴器、法兰、离合器等。人机接口则提供人与系统间的交互界面,实现操作者与机电系统之间的信息交换。系统通过输出接口向操作者显示系统的状态、运行参数及结果等信息;操作者通过输入接口向系统输入各种控制命令,干预系统的运行状态,以实现所要求的功能。
(7)系统总体技术
系统总体技术是一种从整体目标出发的系统设计方法,使用系统的观点和全局角度,将总体分解成相互有机联系的若干单元,找出能完成各个功能的技术方案,再把功能和技术方案组成方案组进行分析、评价和优选。系统总体技术解决系统性能优化和组成要素之间有机联系的问题。
在机电一体化系统或产品设计中,机械、电气和电子具有不同的物理模型,电气、电子电路有强电与弱电、模拟与数字之分,加上系统的小型化、多功能化等,使得机电一体化系统或产品设计在信号传输、信息处理与匹配、抗干扰等方面存在挑战。为了开发出具有较强竞争力的机电一体化产品,系统总体设计除考虑优化设计外,还需要考虑可靠性设计、电磁兼容性设计以及标准化设计、系列化设计等。