機電一體化的發展前景探索

□姚雪蓮

一、概述

“機電一體化”這個名詞最早可追溯于1971 年，日本《機械設計》副刊提出了“Mechatronics”，mecha 是機械學mechanics 的詞首，tronics 是電子學electronics 的詞尾。在1981 年，日本機械振興協會經濟研究所定義“機電一體化”為“機械與電子在相關軟件支持下的有機系統整合”。1984 年，美國國家科學基金會認為“現代機械”是“由計算機網絡支配的機械與電子組合而成的系統”。國際機器與機構理論聯合會在20 世紀90 年代將“機電一體化”視為“在產品制作中機械與電子的協調運作”。

機電一體化的實質是把電子技術與機械結合起來，運用傳感器將檢測機械運動的信號傳入計算機中，在計算機計算分析后，發出能夠實現預期運動的信號，支配機械按計劃運動，實現機械運動的變化，只需修改程序或者重組電子線路，不需拆裝機械，它兼顧機械大負荷量與電子微小運動的優勢，最終目標是機械能夠在重負下進行微小運動，既不失其大負荷量的優勢，又具有靈活性和智能性。

機電一體化有5 個基本技術要素，下面對應人體的官能來進行闡釋:一是計算機，負責計算和發出指令，相當于人的大腦和神經系統;二是傳感器，負責監測機械運動，相當于人的眼睛和耳朵;三是能源，負責機電系統能量的提供，相當于人的內臟和血液;四是驅動裝置，負責驅動機械運動，相當于人體的骨骼和肌肉;五是機械裝置，負責實現某種動作，相當于人體的四肢。

二、機電一體化的特征

(一)是多種技術的集合。機電一體化涉及到多個領域的技術，有機械，有微電子，有傳感控制，有接口，有軟件編碼，有信息工程等，任何一門技術的前進都可能推進機電一體化的總體發展。但是，機電一體化并不是多種技術的簡單羅列，它是有機的系統組合，如果布局不合理，其中一個單元的過分強調有可能不僅不會增強整體功能，反而會起到反面的弱化作用，系統的整體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，只有合理安排各單元并進行整體優化，機電一體化才能實現質量高、能耗低的系統價值。

(二)以人為本。機電一體化是機械和電子有機組合形成的系統，是為了滿足人的一定需求、實現人的部分功能進行的設計，但卻并不能脫離人而存在，相反，機電一體化對人的知識水平和技術水平提出了較高要求，促使人不斷提高自身的能力。所以，在機電一體化的環境下，不僅不能丟棄以人為本的基本原則，反而應該采取種種措施，比如培訓制度、激勵制度等，促進人的知識和技術發展，以尊重人的才識，發揮人的創造力，滿足機電一體化的高標準操作要求。

(三)具有智能性。機電一體化并不是機械電氣化，機械電氣化是機械和電氣的簡單組合，是能源的多樣化，屬于傳統機械的范疇，主要用于取代體力勞動，加強勞動量;機電一體化是機械技術和電子技術的有機組合，賦予了機械新的功能，比如自動監測、自動診斷、自動支配等，也就是說，它取代的不僅是人的四肢，還有人的頭腦的部分功能，具有智能性的顯著特征。

三、機電一體化的發展

(一)機電一體化的傳統沿革。機電一體化的發展可以分為三個階段:一是20 世紀60 年代，稱為機電一體化初期。在第二次世界大戰期間，戰爭對新式武器及武器制造的需求促進了機械技術與電子技術的結合，很多國家的相關部門和科學家為此作出了卓越貢獻。但由于當時電子技術發展的水平限制，機電的結合不可能有深入的發展，而且由于產品的特殊性，也不可能獲得大范圍的推廣。二戰后，這些機電結合的軍用技術對戰后經濟的恢復起到了一定推動作用。二是20 世紀70 年代到20 世紀80 年代，稱為機電一體化蓬勃發展階段。在計算機技術、控制技術、集成電路的飛速發展下，機電一體化得到了顯著的促進。各國政府對機電一體化紛紛給予了關注和支持。這個時期，我國的機電一體化開展起來，國務院863 計劃將機電一體化列入其中并成立了機電一體化工作小組。三是20 世紀90 年代后期至今，機電一體化開始具有智能性的顯著特征，邁入了全新的發展階段。在這個時期，光學、通信、微細加工等技術都取得了突破性進展，于是，機電一體化出現了全新的分支。此外，機電一體化的理論研究也發展到了較高的水平，建模設計、集成方法的研究取得了新的進步，學科體系開始完善。并且，人工智能技術、神經網絡技術的發展為機電一體化開拓了巨大的空間。我國的2010 年發展綱要充分強調了發展機電一體化的必要性，在政策的激勵下，大中院校、研究機構、企業紛紛致力于機電一體化的發展，取得了一定成績，但同發達國家相比仍然較大。

(二)機電一體化的發展前景。

1．網絡化。目前是知識經濟時代，網絡技術的發展是獨領風騷的時代特征，機電一體化在網絡的促進作用之下也獲得了發展的良機。一方面，機電一體化產品一經產出，如果具有功能的獨到之處，在網絡的宣傳優勢下，馬上就可以全球熱銷。另一方面，網絡技術的進步促進了機電一體化產品的創造或改進，使機電一體化產品走在時代的前沿。同時，局域網的發展，使得家用電器連接為計算機集成家電系統成為可能，人們在日常生活中可以充分享受到機電一體化帶來的便捷性。

2．標準化。因為機電一體化的產品五花八門，廠家成千累萬，所以，必須研制標準化的接口，如機械接口電氣接口、動力接口等等，開發標準化的單元，如融減速、調速、電機為一體的動力單元，以及融測距、圖像識別、處理為一體的控制單元等，以便于零部件的相互匹配，快速研制新的產品。標準化接口和單元的制作，將會帶來機電一體化的規模化生產，形成規模效益，給相關企業創造豐厚的收益。但是在目前來說，由于利益的相互沖突，形成這種標準化生產還是相對困難的，無論在國際還是國內。

3．智能化。智能化是機電一體化的顯著特征，也是機電一體化的發展方向。讓機器擁有同人完全等一的智慧確實有些困難，但讓機器擁有人的部分智能則是完全可以實現的。目前的機器人和數控機床就是有力的證明。機器智能化是綜合計算機、人工智能、模糊數學、動力學等學科知識，使機器能夠自主決策，實現支配調節功能。

4．微型化。微型化是指機電一體化產品向著微觀領域發展，并在質量和體積上達到微的效果，國外把微型化的機電一體化產品稱為“微電子機械系統”。微電子機械系統體積小、質量少、使用靈活、操作準確，在軍事和醫學方面具有獨一無二的優勢。

5．環保化。工業的發展帶給人們豐富的物質生活，同時也造成環境的沉重負擔，于是，人們競相呼吁綠色產品的誕生和運用，機電一體化也不例外。綠色的機電一體化產品是指在使用時盡可能小地危害環境，在使用過后可以進行回收再利用。家電一體化產品的環保化符合社會發展的規律，符合人們的時代需求，具有光明的市場前景。

6．仿生物化。今后的機電一體化產品是穩定和動態的完美結合，其在結構上是靈活的，具有動態性，但在工作時卻是穩定的、持久的，不能因為結構的靈活損害其工作的穩定，也不能因為工作要穩定而妨害其結構的靈便性，這會有礙于其他工作的進行。目前，已經發現機電一體化可以借鑒某些生物體的結構，但如何能夠完美地實現二者的糅合，還有待于進一步的研究。仿生物化任重而道遠。

［1］祁小平． 機電一體化技術的發展趨勢［J］． 中國科技信息，2007

［2］賈峰．機電一體化技術應用及其發展方向［J］． 科技信息，2011