首页 -> 2008年第9期
浅析机电一体化技术的现状和发展趋势
作者：李华伟
[关键词]机电一体化 技术现状 发展趋势
（一）机电一体化概要
机电一体化，是指在动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术，将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。
机电一体化发展至今，已成为一门有着自身体系的新型学科，随着科学技术的不断发展，还将被赋予新的内容。其基本特征可概括为：机电一体化是从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标和优化组织目标，合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值，并使整个系统最优化。而由此产生的功能系统，则成为机电一体化系统或机电一体化产品。因此，“机电一体化”涵盖“技术”和“产品”两个方面。不同的是，机电一体化技术是基于上述群体技术有机融合的一种综合技术，而不是机械技术、微电子技术以及其它新技术的简单组合、拼凑。这是机电一体化与机械加电气所形成的机械电气化，在概念上的根本区别。
机械工程技术由纯技术发展到机械电气化，仍属传统机械，其主要功能依然是代替和放大的体力。但是发展到机电一体化后，其中的微电子装置除可以取代某些机械部件的原有功能外，还能赋予许多新的功能。如自动检测、自动处理信息、自动显示记录、自动调节与控制自动诊断与保护等。所以，机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸，还是人的感官与头脑的延伸。具有智能化的特征，是机电一体化与机械电气化在功能上的本质区别。
（二）机电一体化的发展状况
机电一体化的发展大体可以分为3个阶段：
20世纪60年代以前为第一阶段，这一阶段称为初级阶段。在这一时期，人们自觉不自觉地利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。特别是在第二次世界大战期间，战争刺激了机械产品与电子技术的结合，这些机电结合的军用技术，战后转为民用，对战后经济的恢复起了积极的作用。那时，研制和开发从总体上看还处于自发状态。由于当时电子技术的发展尚未达到一定水平，机械技术与电子技术的结合还不可能广泛地深入发展，已经开发的产品也无法大量推广。
20世纪70~80年代为第二阶段，可称为蓬勃发展的阶段。这一时期，计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展奠定了技术基础。大规模、超大规模集成电路和微型计算机的迅猛发展，为机电一体化的发展提供了充分的物质基础。这个时期的特点是：①mechatronics一词首先在日本被普遍接受。大约到20世纪80年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认；②机电一体化技术和产品得到了极大发展；③各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持。
20世纪90年代后期为第三阶段，这一阶段开始了机电一体化技术向智能化方向迈进，机电一体化进入深入发展时期。一方面，光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支；另一方面，对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。同时，由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。这些研究，将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。
（三）机电一体化的发展趋势
机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合，它的发展和进步依赖于并促进相关技术的发展和进步。因此，机电一体化的主要发展方向如下：
1.智能化。“智能化”是21世纪机电一体化技术的一个重要发展方向。“智能化”是对机器行为的描述，是在控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法，模拟人类智能，使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力，以求达到更高的控制目标。目前，人工智能在机电一体化的建设与研究中日益得到重视，机器人与数控机床的智能化就是一种应用。诚然，使机电一体化产品具有与人完全相同的智能是不可能的，也是不必要的。但是，高性能、高速的微处理器使机电一体化产品赋有低智能或人的部分智能，则是完全可能、很有必要的。
2.模块化。由于机电一体化产品种类、生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元是一项十分复杂且非常重要的事。如研制集减速、智能调速、电机于一体的动力单元，具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的控制单元以及各种能完成典型操作的机械装置等。这需要制定各项标准，以便各部件、单元的匹配和接口。可是，由于利益冲突，近期很难制定国际或国内具有互换性标准的产品。但是可以通过组建一些大企业逐渐形成产品链来达到这项要求。显然，从电气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定，无论是对生产标准机电一体化单元的企业，还是生产机电一体化产品的企业，规模化都将给机电一体化企业带来美好的前程。
3.网络化。20世纪90年代，计算机技术的突出成就是网络技术。网络技术的兴起和飞速发展，给科学技术、工业生产、政治、军事、教育以至人们的日常生活都带来了巨大的变革。各种网络将全球经济、生产连成一片，企业间的竞争也将实现全球化。机电一体化新产品一旦研制出来，只要其功能独到，质量可靠，很快就会畅销全球。由于网络的普及、网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾，远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。现场总线和局域网技术的家电网络化已成大势，利用家庭网络（home net）将各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电系统（computer integrated appliance system，CIAS），使人们在家便能分享各种高技术带来的便利与快乐。因此，机电一体化产品无疑在朝着网络化方向发展。
4.微型化。微型化兴起于20世纪80年代末，指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。国外称其为微电子机械系统（MEMS），泛指几何尺寸不超过1cm3的机电一体化产品，并向微米、纳米级发展。微机电一体化产品具有体积小 、耗能少、运动灵活等特性，在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。
综上所述，机电一体化的出现和发展不是孤立的，它是许多科学技术发展的结晶，是社会生产力发展到一定阶段的必然要求。当然，与机电一体化相关的技术还有很多，并且随着科学技术的发展，各种技术相互融合的趋势将越来越明显，机电一体化技术的广阔发展前景也将越来越光明。
参考文献：
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[3]高钟毓.机电控制工程[M].北京:清华大学出版社,2002．
[4]刘助柏.知识创新思维方法论[M].北京:机械工业出版社,1999．