淺析機電一體化技術的發展

姚紅麗

現代科學技術的不斷發展，極大地推動不同學科的交叉與滲透，在機械工程領域，由于微電子技術和計算機技術的迅速發展并向機械工業滲透，從而形成機電一體化技術，使工業生產由“機械電氣化”邁入“機電一體化”為特征的發展階段。

機電一體化概要

機電一體化是指在機構的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進電子技術，將機械裝置與電子化設計及軟件結合起來所構成的系統的總稱。

機電一體化的基本特征可概括為：從系統的觀點出發，綜合運用機械技術、微電子技術、自動控制技術、計算機技術、信息技術、傳感測控技術、電力電子技術、接口技術、信息變換技術以及軟件編程技術等群體技術，根據系統功能目標和優化組織目標，合理配置與布局各功能單元，在多功能、高質量、高可靠性、低能耗的意義上實現特定功能價值，并使整個系統最優化的系統工程技術。由此而產生的功能系統，則成為一個機電一體化系統或機電一體化產品。機械工程技術由純技術發展到機械電氣化，仍屬傳統機械，其主要功能依然是代替和放大的體力。但是發展到機電一體化后，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、自動調節與控制自動診斷與保護等。即機電一體化產品不僅是人的手與肢體的延伸，還是人的感官與頭腦的延伸，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區別。

機電一體化的發展狀況

機電一體化的發展大體可以分為3個階段。

20世紀60年代以前為第一階段，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的初步成果來完善機械產品的性能。由于當時電子技術的發展尚未達到一定水平，機械技術與電子技術的結合還不可能廣泛和深入發展，已經開發的產品也無法大量推廣。

20世紀70～80年代為第二階段，可稱為蓬勃發展階段這一時期，計算機技術、控制技術、通信技術的發展，為機電一體化的發展奠定技術基礎。大規模、超大規模集成電路和微型計算機的迅猛發展，為機電一體化的發展提供充分的物質基礎。這個時期的特點：1）mechatronics一詞首先在日本被普遍接受，大約到20世紀80年代末期在世界范圍內得到比較廣泛的承認；2）機電一體化技術和產品得到極大發展；3）各國均開始對機電一體化技術和產品給以很大的關注和支持。

20世紀90年代后期，開始機電一體化技術向智能化方向邁進的新階段，機電一體化進入深入發展時期光學、通信技術等進入機電一體化，微細加工技術也在機電一體化中嶄露頭腳；同時，人工智能技術、神經網絡技術及光纖技術等領域取得的巨大進步，為機電一體化技術開辟發展的廣闊天地。

我國從20世紀80年代初才開始在這方面的研究和應用。許多大專院校、研究機構及一些大中型企業對這一技術的發展及應用做了大量的工作，取得一定成果，但與日本等先進國家相比仍有相當差距。

機電一體化的發展趨勢

機電一體化是集機械、電子、光學、控制、計算機、信息等多學科的交叉綜合，它的發展和進步依賴并促進相關技術的發展和進步。因此，機電一體化的主要發展方向如下。

智能化智能化是21世紀機電一體化技術的一個重要發展方向。人工智能在機電一體化建設者的研究中日益得到重視，機器人與數控機床的智能化就是重要應用。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上，吸收人工智能、運籌學、計算機科學、模糊數學、心理學、生理學和混沌動力學等新思想、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。

模塊化模塊化是一項重要而艱巨的工程。由于機電一體化產品種類和生產廠家繁多，研制和開發具有標準機械接口、電氣接口、動力接口、環境接口的機電一體化產品單元是一項十分復雜但又非常重要的事。如研制集減速、智能調速、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，可利用標準單元迅速開發出新產品，同時也可以擴大生產規模。電氣產品的標準化、系列化、規模化將給機電一體化企業帶來美好的前程。

網絡化20世紀90年代，計算機技術等的突出成就是網絡技術。各種網絡將全球經濟、生產連成一片，企業間的競爭也將全球化。機電一體化新產品一旦研制出來，只要其功能獨到，質量可靠，很快就會暢銷全球。由于網絡的普及，基于網絡的各種遠程控制和監視技術方興未艾，而遠程控制的終端設備本身就是機電一體化產品。現場總線和局域網技術使家用電器網絡化已成大勢，利用家庭網絡（home net）將各種家用電器連接成以計算機為中心的計算機集成家電系統（computer integrated appliance system，CIAS），使人們在家里分享各種高技術帶來的便利與快樂。因此，機電一體化產品無疑朝著網絡化方向發展。

微型化微型化興起于20世紀80年代末，指的是機電一體化向微型機器和微觀領域發展的趨勢。國外稱其為微電子機械系統（MEMS），泛指幾何尺寸不超過1 cm3的機電一體化產品，并向微米、納米級發展。微機電一體化產品體積小、耗能少、運動靈活，在生物醫療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優勢。

綠色化工業的發達給人們生活帶來巨大變化。一方面，物質豐富，生活舒適；另一方面，資源減少，生態環境受到嚴重污染。于是，人們呼吁保護環境資源，回歸自然。綠色產品概念在這種呼聲下應運而生，綠色化是時代的趨勢。機電一體化產品的綠色化主要是指，使用時不污染生態環境，報廢后能回收利用。

系統化系統化的表現特征之一就是系統體系結構進一步采用開放式和模式化的總線結構。表現特征之二是通信功能的大大加強。未來的機電一體化更加注重產品與人的關系，機電一體化的人格化有2層含義：一層是，機電一體化產品的最終使用對象是人，如何賦予機電一體化產品人的智能、情感、人性顯得越來越重要；另一層是，模仿生物機理研制各種機電一體化產品，事實上，許多機電一體化產品都是受動物的啟發研制出來的。

結語

綜上所述，機電一體化的出現不是孤立的，它是許多科學技術發展的結晶，是社會生產力發展到一定階段的必然要求。當然，與機電一體化相關的技術還有很多，并且隨著科學技術的發展，各種技術相互融合的趨勢將越來越明顯，機電一體化技術的廣闊發展前景也將越來越光明。

（作者單位：河北省玉田職教中心）