导论
一、机电一体化概论
一般认为，“机电一体化”一词始于1971年日本的《机械设计》杂志副刊，它是由英文Mechanics（机械学）与Electronics（电子学）两词复合而成的新名词“Mechatronics”。由此可见，“Mechatronics”的确切含义应是一个新兴的学科名称“机械电子学”，这一学科又被人们称为机电一体化学科。
一门新学科的诞生意味着一种新技术的出现，而新技术的应用必然会形成新的产品。因而，人们平时所说的“机电一体化”一词在不同场合使用时，便有了“机电一体化学科”“机电一体化技术”“机电一体化产品”及“机电一体化控制装置”“机电一体化控制系统”等不同层次的含义，这些概念常容易混淆，一一说明如下。
（一）机电一体化的含义
1.机电一体化学科
学科是以知识体系划分的科学门类。按照传统的学科分类法，机电一体化技术隶属于“电子、通信与自动化控制技术”之“自动控制技术”。但随着科学技术的进步，高附加值、多功能、智能化已成为众多产品的发展方向，技术的综合与集成已成为必然，因此，人们已经意识到机电一体化需要有机融合“机械工程”“电子、通信与自动化控制技术”“计算机科学与技术”等多学科知识，它应是有自身技术基础、设计理论和研究方法的综合性交叉学科。
机电一体化是一门发展中的学科，现代的机电一体化产品不仅包括了机械、电子、信息技术，在很多场合往往还涉及光学、气动、液压等方面的内容，因此，便有了“光机电一体化”“机电液一体化”等多种提法。总而言之，机电一体化强调的是不同学科知识的相互融合与渗透。
2.机电一体化系统
从广义上说，系统是与实现一定目的相关的要素组合。“系统”一词几乎可以用来描述任何可想象的情况，其组成要素不仅可以是物理实体，而且还可以是经济学、生物学等抽象与动态的现象。
机电一体化系统是一种实现机械运动控制的工程系统，它由机电一体化控制系统（或控制装置）与其控制对象所构成。机电一体化系统的控制系统应以微电子器件为主体，机电一体化系统的控制对象应是具有运动特性的机械装置。像化工、冶金、纺织等行业常用的温度、压力、流量等控制系统，由于其控制对象不是具有运动特性的机械装置，故称为“过程控制系统”，总体而言，它们不属于机电一体化系统的范畴；但由于“系统”所包括的范围通常较大，过程控制系统中的某些部分完全可能是具有运动特性的机电一体化系统。
3.机电一体化技术
技术是为了实现特定目的所采用的方法与手段，是产品发展与进步的基础。机电一体化技术是从系统工程的观点出发，将机械、电子和信息有机地结合，以实现产品整体最优的综合性技术。机电一体化技术是一个技术群的总称，其涵盖范围非常广。从广义上说，机电一体化技术包括了机械技术、自动控制技术、信息处理技术、运动控制技术[1]、检测技术、网络技术等，但对于特定的机电一体化产品，则需要根据其功能与控制要求，或采用多种技术或只采用部分技术。
4.机电一体化产品
通常而言，“产品”应是具有一定功能与用途的实体，顾名思义，机电一体化产品应是“Mechanism”（机械装置）与“Electronic Control”（电子控制）的结合物，它应是具有一定的机械结构、直接的功能与用途，并采用了电子控制的实体。当此类产品为了工业目的而成套使用时，则称为机电一体化设备。
机电一体化产品在日常生活中随处可见，如全自动洗衣机、数码相机、打印机、汽车、自动售货机等民用产品；数控机床、工业机器人、自动生产线等工业设备；列车、飞机、轮船、卫星、导弹等交通运输、航空航天与国防用武器装备等。
机电一体化产品的优点是将机械的强度高、载荷大、结构变化容易等优点与电子控制的方便灵活、精度高、运算处理容易等优点进行了有机结合，使产品的操作更方便、使用更灵活、运动更快捷、控制更准确。
机电一体化产品与机电产品是不同的概念，后者的范围更广。虽然，机电一体化产品有大有小、功能可多可少、电子控制器有简单有复杂，但都应具有以下共同特征。
① 电子控制。机电一体化产品的控制器应以微电子器件为主体。电子控制器可以是由二极管、三极管、集成电路组成的简单装置，也可以是微处理器、微型计算机与大型计算机网络所构成的复杂装置。但是，普通的开关、按钮、接触器、继电器等只是一些“控制电器”，它们不属于电子控制器的范畴。因此，像电风扇、老式洗衣机、普通卷扬机、普通机床等没有采用微电子控制的产品只是普通机电产品，而不能称为机电一体化产品。
② 机械运动。机电一体化产品的机械装置应具有运动特性。机械装置的运动既可以是相机的镜头伸缩、洗衣机的缸体旋转等简单动作，也可以是飞机与卫星的飞行等复杂动作。而像手机、电话、电视机等只有机械外壳而无运动特性的产品则只是IT产品或电器（家用）产品，一般不宜称为机电一体化产品。
（二）控制装置与控制系统
1.机电一体化控制装置
当机电一体化产品的电子控制器只具有单一功能时，这样的控制器称为机电一体化控制装置，如机床控制中所使用的伺服驱动器、变频器、PLC等都是典型的机电一体化控制装置。机电一体化控制装置既可在机电一体化产品中单独使用，有的还能与其他控制装置组合后构成机电一体化系统。
随着社会化分工的日益细化，大多数机电一体化控制装置都已由专业厂家批量生产，如全自动洗衣机的控制器、交流电机控制用的变频器与伺服驱动器、自动控制用的PLC、数控机床用的CNC等。虽然，对这些厂家来说控制装置就是其产品，但由于控制装置实际使用时必须依附于特定的机械装置才能实现其功能，从这一意义上说，它们就像轴承、电机、阀等部件一样，只是组成机电一体化产品的“零部件”，而不是真正意义上具有运动特性及直接功能与用途的机电一体化最终产品。
2.机电一体化控制系统
复杂的机电一体化产品需要控制器具有多种功能，它往往需要多个控制装置才能实现其控制要求，这些机电一体化控制装置与相关部件所构成的整体称为机电一体化控制系统。
工业上所使用的机电一体化控制系统一般由控制装置、测量装置、执行装置、操作显示装置等部分组成，微电子控制装置是机电一体化系统的核心。单片机、工业计算机、数控装置、PLC等都是工业控制常用的微电子控制装置，接近开关、编码器、光栅等传感器是工业控制常用的检测装置，而直流电机、感应电机、伺服电机、步进电机等则是机电一体化系统常用的执行装置。
图0-1.1所示为典型的机电一体化产品——数控机床的组成图，其机械装置是用来实现刀具运动控制的机床主机及防护罩等产品附属装置；微电子控制部分采用的是计算机数控系统（简称CNC 系统）。数控机床的 CNC 系统是一种典型的机电一体化控制系统，它又包括了操作/显示装置（称 MDI/LCD 面板）、控制装置（CNC、PLC、伺服驱动器）、执行装置（伺服电机、主轴电机）与测量装置（光栅与编码器）等组成部件。
图0-1.1 数控机床的组成
机电一体化控制系统的组成可能相当复杂与庞大，但它们同样需要依附于“主机”才能实现其功能，如上述的 CNC 系统必须与机床主机结合后才能使用等，因此，机电一体化控制系统本质上仍是以实现“控制”为目的的大型、复杂、多功能“控制器”。机电一体化控制系统（或控制装置）与其控制对象共同构成了机电一体化系统，而机电一体化产品则需要在机电一体化系统的基础上增加用于安装运输、安全防护、外观装饰的产品附属装置。