論機電一體化技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

主答論文

論機電一體化技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

摘要：機電一體化是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果。簡述了機電

一體化技術(shù)的基本概要和發(fā)展背景，綜述了國內(nèi)外機電一體化技術(shù)的

現(xiàn)狀，分析了機電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢。

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動了不同學(xué)科的交叉與滲透，

導(dǎo)致了工程領(lǐng)域的技術(shù)革命與改造。在機械工程領(lǐng)域，由于微電子技

術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展及其向機械工業(yè)的滲透所形成的機電一體

化，使機械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管

理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產(chǎn)由“機械電氣化”邁入了“機電

一體化”為特征的發(fā)展階段。

1機電一體化概要

機電一體化又稱機械電子學(xué)，英語稱為Mechatronics，它是由英文

機械學(xué)（Mechanics）的前半部分與電子學(xué)（Electronics）的后半部分

組合而成。機電一體化最早出現(xiàn)在1971年日本雜志《機械設(shè)計》的副

刊上，隨著機電一體化技術(shù)的快速發(fā)展，機電一體化的概念被廣泛接

受和普遍應(yīng)用。隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，機電一體化

技術(shù)獲得前所未有的發(fā)展。現(xiàn)在的機電一體化技術(shù)，是機械和微電子

技術(shù)緊密結(jié)合的一門技術(shù)，它的發(fā)展使冷冰冰的機器人性化、智能化。

機電一體化是指在機構(gòu)的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功

能上引進(jìn)電子技術(shù)，將機械裝置與電子化設(shè)計及軟件結(jié)合起來所構(gòu)成

的系統(tǒng)總稱。

機電一體化發(fā)展至今也已成為一門有著自身體系的新型學(xué)科，隨

著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，還將被賦予新的內(nèi)容。但其基本特征可概括

為：機電一體化是從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，綜合運用機械技術(shù)、微電子技

術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)、傳感測控技術(shù)、電力電

子技術(shù)、接口技術(shù)、信息變換技術(shù)以及軟件編程技術(shù)等群體技術(shù)，根

據(jù)系統(tǒng)功能目標(biāo)和優(yōu)化組織目標(biāo)，合理配置與布局各功能單元，在多

功能、高質(zhì)量、高可靠性、低能耗的意義上實現(xiàn)特定功能價值，并使

整個系統(tǒng)最優(yōu)化的系統(tǒng)工程技術(shù)。

由此而產(chǎn)生的功能系統(tǒng)，則成為一個機電一體化系統(tǒng)或機電一體

化產(chǎn)品。

因此，“機電一體化”涵蓋“技術(shù)”和“產(chǎn)品”兩個方面。只是，

機電一體化技術(shù)是基于上述群體技術(shù)有機融合的一種綜合技術(shù)，而不

是機械技術(shù)、微電子技術(shù)以及其他新技術(shù)的簡單組合、拼湊。這是機

電一體化與機械加電氣所形成的機械電氣化在概念上的根本區(qū)別。機

械工程技術(shù)由純技術(shù)發(fā)展到機械電氣化，仍屬傳統(tǒng)機械，其主要功能

依然是代替和放大的體力。但是發(fā)展到機電一體化后，其中的微電子

裝置除可取代某些機械部件的原有功能外，還能賦予許多新的功能，

如自動檢測、自動處理信息、自動顯示記錄、自動調(diào)節(jié)與控制自動診

斷與保護(hù)等。即機電一體化產(chǎn)品不僅是人的手與肢體的延伸，還是人

的感官與頭腦的眼神，具有智能化的特征是機電一體化與機械電氣化

在功能上的本質(zhì)區(qū)別。

2機電一體化的發(fā)展?fàn)顩r

機電一體化的發(fā)展大體可以分為3個階段。20世紀(jì)60年代以前

為第一階段，這一階段稱為初級階段。在這一時期，人們自覺不自覺

地利用電子技術(shù)的初步成果來完善機械產(chǎn)品的性能。

特別是在第二次世界大戰(zhàn)期間，戰(zhàn)爭刺激了機械產(chǎn)品與電子技術(shù)

的結(jié)合，這些機電結(jié)合的軍用技術(shù)，戰(zhàn)后轉(zhuǎn)為民用，對戰(zhàn)后經(jīng)濟(jì)的恢

復(fù)起了積極的作用，那時研制和開發(fā)從總體上看還處于自發(fā)狀態(tài)。由

于當(dāng)時電子技術(shù)的發(fā)展尚未達(dá)到一定水平，機械技術(shù)與電子技術(shù)的結(jié)

合還不可能廣泛和深入發(fā)展，已經(jīng)開發(fā)的產(chǎn)品也無法大量推廣。

20世紀(jì)90年代后期，開始了機電一體化技術(shù)向智能化方向邁進(jìn)

的新階段，機電一體化進(jìn)入深入發(fā)展時期。一方面，光學(xué)、通信技術(shù)

等進(jìn)入了機電一體化，微細(xì)加工技術(shù)也在機電一體化中嶄露頭腳，出

現(xiàn)了光機電一體化和微機電一體化等新分支；另一方面，對機電一體

化系統(tǒng)的建模設(shè)計、分析和集成方法，機電一體化的學(xué)科體系和發(fā)展

趨勢都進(jìn)行了深入研究。同時，由于人工智能技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及

光纖技術(shù)等領(lǐng)域取得的巨大進(jìn)步，為機電一體化技術(shù)開辟了發(fā)展的廣

闊天地。這些研究，將促使機電一體化進(jìn)一步建立完整的基礎(chǔ)和逐漸

形成完整的科學(xué)體系。

我國是從20世紀(jì)80年代初開始在這方面研究和應(yīng)用。國務(wù)院成

立了機電一體化領(lǐng)導(dǎo)小組并將該技術(shù)列入“863計劃”中。

在制定“九五”規(guī)劃和2010年發(fā)展綱要時，充分考慮了國際上關(guān)

于機電一體化技術(shù)的發(fā)展動向和由此可能帶來的影響。許多大專院校、

研究機構(gòu)及一些大中型企業(yè)對這一技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用做了大量的工

作，取得了一定成果，但與日本等先進(jìn)國家相比仍有相當(dāng)差距。

3機電一體化的發(fā)展趨勢

3.1智能化

智能化是21世紀(jì)機電一體化技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。對人工智

能在機電一體化中的研究日益得到重視，機器人與數(shù)控機床的智能化

就是重要的應(yīng)用。這里所說的“智能化”是對機器行為的描述，是在

控制理論的基礎(chǔ)上，吸收人工智能、運籌學(xué)、計算機科學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、

心理學(xué)、生理學(xué)和混沌動力學(xué)等新思想、新方法，模擬人類智能，使

它具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力，以求得到更高的控制

目標(biāo)。誠然，使機電一體化產(chǎn)品具有與人完全相同的智能是不可能的，

也是不必要的。但是，高性能、高速的微處理器使機電一體化產(chǎn)品賦

有低級智能或人的部分智能，則是完全可能而又必要的。

3.2模塊化

模塊化是一項重要而艱巨的工程。由于機電一體化產(chǎn)品種類和生

產(chǎn)廠家繁多，研制和開發(fā)具有標(biāo)準(zhǔn)機械接口、電氣接口、動力接口、

環(huán)境接口的機電一體化產(chǎn)品單元是一項十分復(fù)雜但又非常重要的事。

如研制集減速、智能調(diào)速、電機于一體的動力單元，具有視覺、圖像

處理、識別和測距等功能的控制單元，以及各種能完成典型操作的機

械裝置。這樣，可利用標(biāo)準(zhǔn)單元迅速開發(fā)出新產(chǎn)品，同時也可以擴大

生產(chǎn)規(guī)模。這需要制定各項標(biāo)準(zhǔn)，以便各部件、單元的匹配和接口。

由于利益沖突，近期很難制定國際或國內(nèi)這方面的標(biāo)準(zhǔn)，但可以通過

組建一些大企業(yè)逐漸形成。顯然，從電氣產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化帶來

的好處可以肯定，無論是對生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)機電一體化單元的企業(yè)，還是對

生產(chǎn)機電一體化產(chǎn)品的企業(yè)，規(guī)?；瘜⒔o機電一體化企業(yè)帶來美好的

前程。

3.3全息系統(tǒng)化———智能化

20世紀(jì)90年代，計算機技術(shù)等的突出成就是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)技

術(shù)的興起和飛速發(fā)展給科學(xué)技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)、政治、軍事、教育及人

們?nèi)粘Ｉ疃紟砹司薮蟮淖兏铩＞W(wǎng)絡(luò)將全球經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)連成一片，

企業(yè)間的競爭也將全球化。機電一體化新產(chǎn)品一旦研制出來，只要其

功能獨到、質(zhì)量可靠，很快就會暢銷全球。由于網(wǎng)絡(luò)的普及，基于網(wǎng)

絡(luò)的各種遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視技術(shù)方興未艾，而遠(yuǎn)程控制的終端設(shè)備本身

就是機電一體化產(chǎn)品。

今后的機電一體化產(chǎn)品“全息”特征越來越明顯，智能化水平越

來越高。這主要收益于模糊技術(shù)、信息技術(shù)（尤其是軟件及芯片技術(shù)）

的發(fā)展。除此之外，其系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，也變簡單的“從上到下”的

形式為復(fù)雜的、有較多冗余度的雙向聯(lián)系。

3.4微型機電化———微型化

微型化興起于20世紀(jì)80年代末，指的是機電一體化向微型機器和

微觀領(lǐng)域發(fā)展的趨勢。國外稱其為微電子機械系統(tǒng)（MEMS），泛指幾

何尺寸不超過1cm3的機電一體化產(chǎn)品，并向微米、納米級發(fā)展。微

機電一體化產(chǎn)品體積小、耗能少、運動靈活，在生物醫(yī)療、軍事、信

息等方面具有不可比擬的優(yōu)勢。微機電一體化發(fā)展的瓶頸在于微機械

技術(shù)，微機電一體化產(chǎn)品的加工采用精細(xì)加工技術(shù)，即超精密技術(shù)，

它包括光刻技術(shù)和蝕刻技術(shù)兩類。

目前，利用半導(dǎo)體器件制造過程中的蝕刻技術(shù)，在實驗室中已制

造出亞微米級的機械元件。當(dāng)將這一成果用于實際產(chǎn)品時，就沒有必

要區(qū)分機械部分和控制器了。屆時，機械和電子完全可以“融合，”機

體、執(zhí)行機構(gòu)、傳感器、CPU等可集成在一起，體積很小，并組成一

種自律元件。這種微型機械學(xué)是機電一體化的重要發(fā)展方向。

3.5綠色化

工業(yè)的發(fā)達(dá)給人們生活帶來了巨大變化。一方面，物質(zhì)豐富，生

活舒適；另一方面，資源減少，生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重污染。于是人們呼

吁保護(hù)環(huán)境和資源，回歸自然。綠色產(chǎn)品概念在這種呼聲下應(yīng)運而生，

綠色化是時代的趨勢。綠色產(chǎn)品在其設(shè)計、制造、使用和銷毀的生命

過程中，符合特定的環(huán)境保護(hù)和人類健康的要求，對生態(tài)環(huán)境無害或

危害極少，資源利用率極高。設(shè)計綠色的機電一體化產(chǎn)品，具有遠(yuǎn)大

的發(fā)展前途。機電一體化產(chǎn)品的綠色化主要是指使用時不污染生態(tài)環(huán)

境，報廢后能回收利用。

3.6“生物—軟件”化———仿生物系統(tǒng)化

系統(tǒng)化的表現(xiàn)特征之一就是系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)一步采用開放式和模

式化的總線結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)可以靈活組態(tài)，進(jìn)行任意剪裁和組合，同時尋

求實現(xiàn)多子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制和綜合管理。表現(xiàn)之二是通信功能的大大加

強，一般除RS232外，還有RS485、DCS人格化。

未來的機電一體化更加注重產(chǎn)品與人的關(guān)系，機電一體化的人格

化有兩層含義，一層是機電一體化產(chǎn)品的最終使用對象是人，如何賦

予機電一體化產(chǎn)品人的智能、情感、人性顯得越來越重要，特別是對

家用機器人，其高層境界就是人機一體化。另一層是模仿生物機理，

研制各種機電一體壓產(chǎn)品。事實上，許多機電一體化產(chǎn)品都是受動物

的啟發(fā)研制出來的。

今后的機電一體化裝置對信息的依賴性很大，并且往往在結(jié)構(gòu)上

是處于“靜態(tài)”時不穩(wěn)定，但在動態(tài)（工作）時卻是穩(wěn)定的。

這有點類似于活的生物：當(dāng)控制系統(tǒng)（大腦）停止工作時，生物

便“死亡”，而當(dāng)控制系統(tǒng)（大腦）工作時，生物就很有活力。仿生學(xué)

研究領(lǐng)域中已發(fā)現(xiàn)的一些生物體優(yōu)良的機構(gòu)可為機電一體化產(chǎn)品提供

新型機體，但如何使這些新型機體具有活的“生命”還有待于深入研

究。這一研究領(lǐng)域稱為“生物—軟件”或“生物系統(tǒng)，”而生物的特點

是硬件（肌體）—軟件（大腦）一體，不可分割?？磥恚瑱C電一體化

產(chǎn)品雖然有向生物系統(tǒng)化發(fā)展趨，但有一段漫長的道路要走。

3.7自律分配系統(tǒng)化———柔性化

未來的機電一體化產(chǎn)品，控制和執(zhí)行系統(tǒng)有足夠的“冗余度”，有

較強的“柔性”，能較好地應(yīng)付突發(fā)事件，被設(shè)計成“自律分配系統(tǒng)?！?/p>

在自律分配系統(tǒng)中，各個子系統(tǒng)是相互獨立工作的，子系統(tǒng)為總系統(tǒng)

服務(wù)，同時，具有本身的“自律性”，可根據(jù)不同的環(huán)境條件做