机电一体化的发展前景探索

□姚雪莲

一、概述

“机电一体化”这个名词最早可追溯于1971 年，日本《机械设计》副刊提出了“Mechatronics”，mecha 是机械学mechanics 的词首，tronics 是电子学electronics 的词尾。在1981 年，日本机械振兴协会经济研究所定义“机电一体化”为“机械与电子在相关软件支持下的有机系统整合”。1984 年，美国国家科学基金会认为“现代机械”是“由计算机网络支配的机械与电子组合而成的系统”。国际机器与机构理论联合会在20 世纪90 年代将“机电一体化”视为“在产品制作中机械与电子的协调运作”。

机电一体化的实质是把电子技术与机械结合起来，运用传感器将检测机械运动的信号传入计算机中，在计算机计算分析后，发出能够实现预期运动的信号，支配机械按计划运动，实现机械运动的变化，只需修改程序或者重组电子线路，不需拆装机械，它兼顾机械大负荷量与电子微小运动的优势，最终目标是机械能够在重负下进行微小运动，既不失其大负荷量的优势，又具有灵活性和智能性。

机电一体化有5 个基本技术要素，下面对应人体的官能来进行阐释:一是计算机，负责计算和发出指令，相当于人的大脑和神经系统;二是传感器，负责监测机械运动，相当于人的眼睛和耳朵;三是能源，负责机电系统能量的提供，相当于人的内脏和血液;四是驱动装置，负责驱动机械运动，相当于人体的骨骼和肌肉;五是机械装置，负责实现某种动作，相当于人体的四肢。

二、机电一体化的特征

(一)是多种技术的集合。机电一体化涉及到多个领域的技术，有机械，有微电子，有传感控制，有接口，有软件编码，有信息工程等，任何一门技术的前进都可能推进机电一体化的总体发展。但是，机电一体化并不是多种技术的简单罗列，它是有机的系统组合，如果布局不合理，其中一个单元的过分强调有可能不仅不会增强整体功能，反而会起到反面的弱化作用，系统的整体功能可能大于部分的功能之和，也可能小于部分的功能之和，只有合理安排各单元并进行整体优化，机电一体化才能实现质量高、能耗低的系统价值。

(二)以人为本。机电一体化是机械和电子有机组合形成的系统，是为了满足人的一定需求、实现人的部分功能进行的设计，但却并不能脱离人而存在，相反，机电一体化对人的知识水平和技术水平提出了较高要求，促使人不断提高自身的能力。所以，在机电一体化的环境下，不仅不能丢弃以人为本的基本原则，反而应该采取种种措施，比如培训制度、激励制度等，促进人的知识和技术发展，以尊重人的才识，发挥人的创造力，满足机电一体化的高标准操作要求。

(三)具有智能性。机电一体化并不是机械电气化，机械电气化是机械和电气的简单组合，是能源的多样化，属于传统机械的范畴，主要用于取代体力劳动，加强劳动量;机电一体化是机械技术和电子技术的有机组合，赋予了机械新的功能，比如自动监测、自动诊断、自动支配等，也就是说，它取代的不仅是人的四肢，还有人的头脑的部分功能，具有智能性的显著特征。

三、机电一体化的发展

(一)机电一体化的传统沿革。机电一体化的发展可以分为三个阶段:一是20 世纪60 年代，称为机电一体化初期。在第二次世界大战期间，战争对新式武器及武器制造的需求促进了机械技术与电子技术的结合，很多国家的相关部门和科学家为此作出了卓越贡献。但由于当时电子技术发展的水平限制，机电的结合不可能有深入的发展，而且由于产品的特殊性，也不可能获得大范围的推广。二战后，这些机电结合的军用技术对战后经济的恢复起到了一定推动作用。二是20 世纪70 年代到20 世纪80 年代，称为机电一体化蓬勃发展阶段。在计算机技术、控制技术、集成电路的飞速发展下，机电一体化得到了显著的促进。各国政府对机电一体化纷纷给予了关注和支持。这个时期，我国的机电一体化开展起来，国务院863 计划将机电一体化列入其中并成立了机电一体化工作小组。三是20 世纪90 年代后期至今，机电一体化开始具有智能性的显著特征，迈入了全新的发展阶段。在这个时期，光学、通信、微细加工等技术都取得了突破性进展，于是，机电一体化出现了全新的分支。此外，机电一体化的理论研究也发展到了较高的水平，建模设计、集成方法的研究取得了新的进步，学科体系开始完善。并且，人工智能技术、神经网络技术的发展为机电一体化开拓了巨大的空间。我国的2010 年发展纲要充分强调了发展机电一体化的必要性，在政策的激励下，大中院校、研究机构、企业纷纷致力于机电一体化的发展，取得了一定成绩，但同发达国家相比仍然较大。

(二)机电一体化的发展前景。

1．网络化。目前是知识经济时代，网络技术的发展是独领风骚的时代特征，机电一体化在网络的促进作用之下也获得了发展的良机。一方面，机电一体化产品一经产出，如果具有功能的独到之处，在网络的宣传优势下，马上就可以全球热销。另一方面，网络技术的进步促进了机电一体化产品的创造或改进，使机电一体化产品走在时代的前沿。同时，局域网的发展，使得家用电器连接为计算机集成家电系统成为可能，人们在日常生活中可以充分享受到机电一体化带来的便捷性。

2．标准化。因为机电一体化的产品五花八门，厂家成千累万，所以，必须研制标准化的接口，如机械接口电气接口、动力接口等等，开发标准化的单元，如融减速、调速、电机为一体的动力单元，以及融测距、图像识别、处理为一体的控制单元等，以便于零部件的相互匹配，快速研制新的产品。标准化接口和单元的制作，将会带来机电一体化的规模化生产，形成规模效益，给相关企业创造丰厚的收益。但是在目前来说，由于利益的相互冲突，形成这种标准化生产还是相对困难的，无论在国际还是国内。

3．智能化。智能化是机电一体化的显著特征，也是机电一体化的发展方向。让机器拥有同人完全等一的智慧确实有些困难，但让机器拥有人的部分智能则是完全可以实现的。目前的机器人和数控机床就是有力的证明。机器智能化是综合计算机、人工智能、模糊数学、动力学等学科知识，使机器能够自主决策，实现支配调节功能。

4．微型化。微型化是指机电一体化产品向着微观领域发展，并在质量和体积上达到微的效果，国外把微型化的机电一体化产品称为“微电子机械系统”。微电子机械系统体积小、质量少、使用灵活、操作准确，在军事和医学方面具有独一无二的优势。

5．环保化。工业的发展带给人们丰富的物质生活，同时也造成环境的沉重负担，于是，人们竞相呼吁绿色产品的诞生和运用，机电一体化也不例外。绿色的机电一体化产品是指在使用时尽可能小地危害环境，在使用过后可以进行回收再利用。家电一体化产品的环保化符合社会发展的规律，符合人们的时代需求，具有光明的市场前景。

6．仿生物化。今后的机电一体化产品是稳定和动态的完美结合，其在结构上是灵活的，具有动态性，但在工作时却是稳定的、持久的，不能因为结构的灵活损害其工作的稳定，也不能因为工作要稳定而妨害其结构的灵便性，这会有碍于其他工作的进行。目前，已经发现机电一体化可以借鉴某些生物体的结构，但如何能够完美地实现二者的糅合，还有待于进一步的研究。仿生物化任重而道远。

［1］祁小平． 机电一体化技术的发展趋势［J］． 中国科技信息，2007

［2］贾峰．机电一体化技术应用及其发展方向［J］． 科技信息，2011