壹、機電壹體化系統開發的設計思想
機電壹體化的優勢，在於它吸收了各相關學科之長並加以綜合運用而取得整體優化效果，因此在機電壹體化系統開發的過程中，要特別強調技術融合，學科交叉的作用。機電壹體化系統開發是壹項多級別、多單元組成的系統工程。把系統的各單元有機的結合成系統後，各單元的功能不僅相互疊加，而且相互輔助、相互促進、相互提高，使整體的功能大於各單元功能的簡單的和，即“整體大於部分的和”。當然，如果設計不當，由於各單元的差異性，在組成系統後會導致單元間的矛盾和摩擦，出現內耗，內耗過大，則可能出現整體小於部分之和的情況，從而失去了壹體化的優勢。因此，在開發的過程中，壹方面要求設計機械系統時，應選擇與控制系統的電氣參數相匹配的機械系統參數；同時也要求設計控制系統時，應根據機械系統的固有結構參數來選擇和確定電氣參數。綜合應用機械技術和微電子技術，使二者密切結合、相互協調、相互補充，充分體現機電壹體化的優越性。
二、機電壹體化系統設計方法
擬定機電壹體化系統設計方案的方法有取代法、整體設計法和組合法。
1、取代法
這種方法是用電氣控制取代原傳統中機械控制機構。這種方法是改造傳統機械產品和開發新型產品常用的方法。如用電氣調速控制系統取代機械式變速機構，用可編程序控制器或微型計算機來取代機械凸輪控制機構、插銷板、步進開關、繼電器等，以彌補機械技術的不足，這種方法不但能大大簡化機械結構，而且還可以提高系統的性能和質量。這種方法的缺點是跳不出原系統的框架，不利於開拓思路，尤其在開發全新的產品時更具有局限性。
2、整體設計法
這種方法主要用於全新產品和系統的開發。在設計時完全從系統的整體目標考慮各子系統的設計，所以接口簡單，甚至可能互融壹體。例如，某些激光打印機的激光掃描鏡，其轉軸就是電動機的轉子軸，這是執行元件與運動機構結合的壹個例子。在大規模集成電路和微機不斷普及的今天，隨著精密機械技術的發展，完全能夠設計出將執行元件、運動機構、檢測傳感器、控制與機體等要素有機地融為壹體的機電壹體化新產品。
3、組合法
這種方法就是選用各種標準模塊，像積木那樣組合成各種機電壹體化系統。例如，設計數控機床時可以從系統整體的角度選擇工業系列產品，諸如數控單元、伺服驅動單元、位置傳感檢測單元、主軸調速單元以及各種機械標準件或單元等，然後進行接口設計，將各單元有機的結合起來融為壹體。在開發機電壹體化系統時，利用此方法可以縮短設計與研制周期、節約工裝設備費用，有利於生產管理、使用和維修。
三、機電壹體化系統設計的內容
在機電壹體化系統(產品)中控制系統設計的主要內容可歸結為：確定系統整體控制方案、確定控制算法、選擇微型計算機、進行系統的硬件和軟件設計，以及系統統調。
1、確定系統整體控制方案
(1)確定控制任務
在設計系統以前，必須對控制對象的工作過程進行深入的調查、分析和熟悉，並明確實際應用中的具體要求，按機械與電子功能劃分方案確定系統所要完成的任務，然後用控制流程圖或其他適當形式描述控制過程和任務，寫成設計任務說明書，作為整個控制系統設計的依據。
(2)構思控制系統的整體方案
1)確定系統的控制結構形式是開環還是閉環控制。
2)采用閉環控制時應考慮檢測傳感器的選擇和所要求精度級別，並考慮機構安裝、使用環境等問題。
3)選擇執行元件是電動、氣動還是液壓或其他，根據控制對象具體要求，比較方案的優缺點，擇優而用。
4)明確微機在系統中的作用：是設定值計算、直接控制還是數據處理和應具備的功能，需要哪些輸入／輸出通道和配置哪些外圍設備等。最後，畫出系統組成的原理框圖和附加說明，作為進壹步設計的基礎，並初步估算成本。
2、建立數學模型確定控制方法
建立系統的數學模型是個復雜過程，也是壹個試探的過程，需要反復權衡。
1)根據已初步確定的控制系統的物理結構，采用合適的控制理論方法建立和組成各環節以及整個系統的數學模型表達形式。通過靜、動特性計算，為計算機進行運算處理提供依據。
2)根據不同的控制對象和不同的控制性能指標要求，選擇不同的控制算法。對過程控制設備的直接數字控制系統常用PID調節的控制算法；在位置數字隨動系統中常用實現最少拍控制的控制算法；機床數字控制中常使用逐點比較法、數字積分法和數據采樣法的控制算法。另外，還有多種最優控制的控制算法、隨機控制和自適應控制的控制算法等供選擇。
3)當控制系統較復雜時，控制算法也比較復雜，為設計、調試方便，可忽略小的非線性、小延時等因素的影響，將控制算法作某些合理的簡化。利用計算機系統仿真技術，逐步將控制算法完善，直到獲得最好的控制效果。
總之，控制算法的確定是壹個反復修正與試驗的漸進過程。
3、選擇微型計算機
對於微機所承擔的任務給定以後，完成同壹任務的微機方案有多種。壹般以既能完成給定任務(應包括處理確定的控制算法)、又能充分發揮選用微機的功能、再留有壹定功能余量為原則來選擇。
從控制生產機械或生產過程要求出發，微型機應滿足以下要求：
(1)有較完善的中斷系統
對於控制用計算機，實時控制功能是壹大特點。它包含系統正常運行時的實時控制能力和發生故障時緊急處理的能力。這種處理和控制壹般都采用中斷控制方式，即CPU及時接收終端請求、暫停原來執行程序，轉而執行相應的中斷服務程序，待中斷處理完畢，再返回繼續執行原程序。
在選用與CPU相應的接口芯片時也應有中斷工作方式，以保證控制系統能滿足生產中提出的各種要求。對於比較復雜的控制，要考慮采用實時操作系統。
(2)足夠的存儲容量
由於微型機內存容量有限，當內存容量不足以存放程序和數據時，應擴充內存，或配備適當的外存儲器(如硬磁盤等)。
(3)完備的輸入／輸出通道
輸入輸出通道是系統外部過程和微機交換信息的通道。根據實際需要有開關量輸入／輸出通道、模擬量輸入／輸出通道、數字量輸入／輸出通道和實現快速、批量交換信息的直接數據通道。通道的操作方式有串行、並行以及隨機選擇與按某種預訂順序進行工作等。
(4)微處理器芯片的選擇
這壹選擇的實質就是確定能滿足控制功能要求的微處理器的字長、速度和指令系統。這三者是相互依存的。壹般選擇：
1)對通常的順序控制、程序控制可選用1位微處理器；
2)對計算量小、計算精度和速度要求不高的系統可選用4位微處理器，如計算器、家用電器控制及簡易控制等；
3)對計算精度要求較高、處理速度較快的系統可選用8位微處理器，如經濟型的線切割機床、普通機床的控制和溫度控制等；
4)對要求計算精度高、處理速度快的系統統可選用16位或32位微處理器，甚至采用精簡指令集運算的芯片RIRC或多CPU，如控制算法復雜的生產過程控制，要求高速運行的機床控制，特別是大量的數據處理等。
(5)系統總線的選擇
微型計算機主要由若幹塊印制電路板(按功能模塊設計、制造)構成。各塊板之間的連接，當然是通過印制板的插座之間的連線來實現的。通常，為了給使用和維護帶來方便，希望插座之間的連線具有通用性——壹個系統中的各塊印制板可插在任壹插座上。同時，也是為了各廠家生產的電路板具有通用性、互換性，就要對插座及連線訂個標準。這就是系統總線選擇的由來。
目前支持微型計算機系統機構的總線有：STD Bus支持8位和16位字長；Multi Bus工型可支持16位字長，Ⅱ型可支持32位字長；S-100 Bus可支持16位字長；VERSA Bus可支持32位字長，以及VME bus可支持32位字長等。生產廠家為這類總線提供各種型號規格的OEM(初始設備制造)產品，包括主模塊和從模塊，由用戶任意選配。
4、系統總體設計
系統設計主要是依據上述控制方案、設計所要求和選用的微機類型，對系統進行具體的設計。其設計可分為硬件的接口設計和軟件設計兩大類型。
在對系統總體設計時，壹個最重要的問題是如何解決微機、被控對象和操作者這三者之間可靠地適時進行信息交換的通道和分時控制的時序安排。也就是綜合考慮用硬件配置和軟件措施解決系統運行的次序安排，以保證系統有條不紊地運行。
(1)接口設計
對於壹種產品(或系統)，其各部件之間，各子系統之間往往需要傳遞動力、運動、命令或信息，這都是通過各種接口來實現的。機械本體各部件之間、執行元件與執行機構之間、檢測傳感元件與執行機構之間通常是機械接口；電子電路模塊相互之間的信號傳送接口、控制器與檢測傳感元件之問的轉換接口、控制器與執行元件之間的轉換接口通常是電氣接口。
機電壹體化產品的內外接口實際上就是壹種進行物質、能量和信息交換的界面，它具有存儲、轉換和服務功能。按功能可以將接口劃分為以下3種：
1)零接口。不需進行任何轉換，把具有結合關系的兩部分直接連接起來稱為零接口，如連接管、電纜、接線柱和剛性聯軸節等。
2)普通轉換接口。在具有結合關系的兩部分之間存在能量或信息的轉換，但不含微處理器的接口為普通轉換接口。如減速器、變壓器、電磁離合器、放大器、光電耦合器、A／D轉換器、D／A轉換器等。
3)智能轉換接口。它是壹種含有微處理器的轉換接口，具有可編程的特點，因而能夠自動改變接口條件，如由微處理器編程的8255A，8279，PIO等。
目前，大部分硬件接口和軟件接口都已標準化或正在逐步標準化。對於硬件接口，在設計時可以根據需要選擇適當的接口，再配合接口編寫相應的程序。
(2)操作控制臺設計
微機控制系統必須便於人機聯系，通常都要設計壹個現場操作人員使用的控制臺。這個控制臺壹般不能用微機所帶的鍵盤代替。原因是現場操作人員需要的是簡單、明了、安全的操作面板，以實現對機器的操作。所以，要求操作控制臺應有以下功能：
1)有壹組或幾組數據輸入鍵(數字鍵或撥碼開關等)，用於輸入或更新給定值、修改控制器參數或其他必要的數據。
2)有壹組或幾組功能鍵或轉換開關，用於轉換工作方式，啟動、停止系統或完成某種指定功能。
3)有壹個顯示裝置或顯示屏，用於顯示各種運行狀態、參數及故障指示等。控制臺上應該有壹個“緊急停止”按鈕，用於有緊急事故時停止系統運行，轉入故障處理。
應當明確指出，控制臺上每壹種信號都與系統的運行狀態密切相關。設計時，必須明確這些轉換開關、按鈕、鍵盤、顯示器和故障指示燈的作用和意義，仔細設計控制臺的硬件及其相應的管理程序，使設計的操作控制臺既能方便操作又保證安全可靠，即使操作失誤也不會引起嚴重後果。
(3)微型計算機控制系統的電源設計
微機控制系統中的電源，根據需要可以有不同的類型(直流和交流)和規格(電壓和功率)。按照使用情況，對性能的要求也不盡相同，在設計過程中應按實際要求合理選用調試，並控制電壓變動。電源本身要具有過壓、短路、過載保護和熱保護，否則將會造成不可彌補的損失。
(4)整機的安裝、聯接設計
這是壹種整體結構設計。微機控制系統安裝既包括了與被控對象的聯接安排，也考慮了主機本身的安裝聯接問題。其設計原則應該是安裝、聯接的可靠性和使用、裝配、維護的方便性。
1)安裝、聯接結構具有防震性，即印制電路板、接插件和元器件包括電纜等應牢固地安裝在同壹個機殼上，不因振動而松動。
2)采用標準或專用、制造質量好的防松接插件，以保證接觸可靠而又使用、維護方便。
3)布線結構要合理，能防止相互間的電磁耦合幹擾。壹定要使信號線和功率線進行隔離，分別走線。對模擬信號更要註意走線的長短和屏蔽，如走線太長，需要考慮進行信號增強等措施。
4)正確安裝安全地線、信號地線、屏蔽地線以及功率地線和強電地線，最終要進行地線連接。地線要采用壹點接地型，即把信號地線、功率地線、被控對象地線(安全地)等連接到公***接地點。而總的公***接地點必須與大地接觸良好，壹般接地電阻要小於(4～7)Ω。
(5)軟件設計
對於選定的微機控制系統，其微機本身已有壹定的軟件支持，壹般這些軟件要求用戶了解其使用方法和基本原理。如果把微型計算機專門為某壹控制領域而設計成專用的控制計算機，用戶就需要利用計算機的指令系統和相應的開發系統來設計系統軟件，即控制軟件、管理軟件、診斷軟件等。這些系統軟件的設計要求更有專用性和針對性。
在微機控制中，其軟件任務大體可以分為數據處理和過程控制兩大基本類型。數據處理主要包括數據的采集、數字濾波、標度變換，以及數值計算等等。過程控制主要是使微機按照壹定控制算法進行計算，然後進行輸出去控制生產。
5、系統聯調
微機控制系統設計完成後，硬件電路要進行制作、安裝及試驗，並進行連續烤機運行。軟件各模塊要在微機上分別進行調試，使其正確無誤，然後存盤。上述工作完成後，就可將硬件與軟件組合起來進行系統聯調的模擬試驗，正確無誤後，進行現場實驗，直到正式運行。在這個階段，最重要的是仔細設計模擬調試的方法與步驟，以及所用的測試手段。
此外，在現場試驗前，要仔細檢查接線，無誤後才能進行現場調試。現場調試的步驟根據不同對象要仔細考慮。首先要把涉及的自動保護項目進行實驗，確認有效後才可進入功能、參數等項目的試驗。