機械電子工程綜述

潘雍，傅明星，于晨

(陜西理工學院，機械工程學院，陜西漢中723003)

0 引言

機械電子工程是科技高速發展以及學科相互鏈接的產物，它打破了傳統的學科分類，集諸多技術特點于一體。它的出現代表著新技術、新思想、新研究方式和新研究目標的產生［1］。各國的研究者們一直致力于明確機械電子工程的定義和概念［2］，估算機電產業對國家和社會所代來的價值［3-4］，并對機械電子學科的未來發展做出研究［5］。在我國，很多高校也在致力于如何更好地推動機電教育事業的發展［6］。但就目前而言，對機械電子工程綜合性、概括性的論述相對較少。全面地認識和理解機械電子工程的內涵及外延有助于機電從業人員以及機械電子專業的學習者更好地在該領域進行相關研究和深入學習。

本研究根據機械電子工程的特點，從學科、技術、工程、市場、實踐等多個角度對日新月異的機械電子工程進行歸納、概括和總結，可為相關研究提供參考。

1 機械電子工程的概念

機械電子的概念源于日本的“Mechatronics”一詞，日本機械振興協會對其解釋為“在機械的主動功能、信息處理功能和控制功能上引入電子技術，并將機械裝置和電子設備以及軟件等有機結合起來構成的產品或系統”。美國學者V.Daniel Hunt［7］將其概括為“有計劃地應用和有效地把機械與電子結合起來，以創造最優產品”。歐洲IRDAC(The Industrial Research and Development Advisory Committee)認為［8］機械電子工程是“機械工程、電氣控制工程以及系統總體技術在產品設計和生產過程中的結合”。在我國，大多學者稱之為“機電一體化”。

1.1 機械電子工程學科的知識體系

機械電子工程的知識體系來源于學科間的交叉融合。它是機械、電子、控制、信息、計算機、人工智能、管理等諸多理論體系的集合。其特點是知識結構龐大、理論豐富、應用范圍廣泛。

現如今，國內外許多大學的機械電子專業課程主要是由機械工程、電子工程、計算機科學以及控制工程中的部分課程整合而成［9-11］。這對本專業所培養的學生而言，是具有一定難度的。故機械電子工程所要求的人才及人才知識結構、技術素養等明顯不同于傳統的機械工程人員［12］。國外一些企業也開始認為，機電人才對它們的吸引力更大［13］。

1.2 機械電子工程的核心技術

1.2.1 機械技術

作為機械電子工程的支撐學科與關鍵技術，機械制造技術是其最為重要的影響元素。可以說，它是一個載體或“母體［14］”。機械電子工程可看做是多種技術向機械技術滲透的結果。但是，機械電子產品及系統的設計思維、設計理念、設計方法與機械制造技術有很大區別。所以，對于機電行業人員來說，從傳統的機械思維模式向機電思維模式的轉變是尤為重要的。

1.2.2 電子技術

電子技術根據系統要求，應用電子學理論，運用電子器件與機械元件，采用某種控制策略，設計和制造出滿足需求并實現特定功能的電路或電子系統，從而投入到機械電子系統或產品之中。

1.2.3 自動控制技術

當代的自動控制技術應用于生產、生活、軍事、管理、教育等各個領域。自動控制技術就好比一顆粒子，附到某種物質上，它就具有某種物質特定的性質。在機械電子工程中，自動控制技術是控制理論的實踐應用，其通過系統已存在的硬件設備和軟件系統，結合多種技術，選擇控制方式來完成某種控制任務，保證某個過程按照預想進行，或者實現某個預設的目標。

1.2.4 檢測傳感技術

檢測是指在各類生產、科研、實驗等領域，為及時獲得被測、被控對象的有關信息而實時地對一些參量進行定性檢查和定量測量［15］。檢測傳感技術的日益發展提升了機械電子工程的智能化水平，它的精度將直接影響系統的響應特性。

1.2.5 信息處理技術

為了更進一步地發展機械電子工程，必須提高信息處理設備的可靠性、加快處理速度，并解決抗干擾及標準化問題［16］。

1.2.6 伺服驅動技術

要實現機械電子工程全面、高速、準確地發展，毋庸置疑，伺服驅動技術具有很重要的地位。近年來，隨著工業自動化的飛速發展，伺服驅動技術也在朝著變頻化和交流化邁進［17］。伺服驅動技術直接決定了機電系統的準確性、快速性以及靈活性。

1.2.7 系統總體技術

系統總體技術是一種運用宏觀方法和思路，從整體目標出發，對系統總體進行研究的綜合應用技術［18-19］。系統總體技術加強了機械電子系統的宏觀性，增加了機電產品的穩定性。

1.3 機械電子工程及其相關技術的聯系與區別

1.3.1 機械電子工程與人工智能

人工智能是一門綜合了控制論、信息論、計算機科學、神經生理學、心理學、語言學、哲學等多門學科的邊緣性學科［20］。人工智能就是研究如何使得計算機或者機器設備具有人類的某些特定的功能［21-22］。從廣義角度來看，機械電子工程與人工智能的結合是雙向的，機械電子工程可以給人工智能提供一個強大的平臺;而人工智能則可以使得機電產品和機電系統向著高級化、人性化和智能化發展。例如在描述機械電子系統的輸入輸出關系上［23］，人工智能就能給機械電子工程很大程度的幫助。

1.3.2 機械電子工程與機器人技術

機器人技術一直以來都是人們所最為關注的科學技術之一。隨著科技的不斷發展，機器人技術也逐漸走向成熟，其種類日趨增多、性能持續提高。

工程機械等諸多傳統學科面臨很多發展問題，其解決的途徑就是實現不同程度機械電子化或機器人化［24-25］。因此，機器人技術與機械電子工程的緊密結合終將能夠徹底實現機器人融入人類生活，與人類一起協同工作，并且能夠從事人類無法進行的工作，以更大的靈活性給人類社會帶來更多的價值。

1.3.3 機械電子工程與電子機械工程

電子機械工程主要研究電子組裝、電子設備的標準化、電子設備能量傳遞的媒介、電子系統與機械結構的研究等等。

機械電子工程與電子機械工程的聯系較為緊密，可相互借鑒，在某些領域中甚至可以相互取代。但它們是兩個不同的學科，機械電子工程是機械的電子化，就是以機械為基礎而引入電子，而電子機械工程則相反;它們的產生背景也不同，電子機械工程是二次世界大戰以后，有人提出雷達和通信中的機械工程這個名字，蘇聯稱之為無線電設備的結構與工藝，在我國有關院校中曾建立過同名專業［26］。

1.3.4 機械電子工程與電子信息工程

電子信息工程主要研究信息的獲取與處理，電子設備與信息系統的設計、開發、應用和集成等［27］。電子信息工程的主要研究方向偏向于電子電路，以及信息系統在電子電路上的應用。與之相比，機械電子工程的綜合性更強。

1.4 機械電子工程的實踐應用

簡單地說，機械電子工程的應用大到國家的航空航天領域，例如運載火箭的動力系統、航空發動機等;小到人們所必不可少的生活用品，例如電話、空調、手機等等。

詳細地講，其實際應用將會在兩個方面產生影響:

(1)產品。產品是技術的載體和體現者。機電產品的結構更合理、性能更優越、用途更廣泛，已明顯區別于傳統機械、電子等產品［28-30］。如新型機械加工中心，擁有車、磨、洗、刨、鏜、鉆等多種功能。

(2)系統。它能增強機電系統的控制精度、簡化系統結構、提高系統可靠性［31-32］。如大型重載混合動力汽車系統，可在剎車以及起動等進程中進行多位調整，還可以對不同路況的汽車動力使用情況進行檢測，等等。

2 機械電子工程的產生及現狀

2.1 機械電子工程的產生和發展

機械電子工程的產生和發展大致可分為3個階段［33-36］:

第1階段。要追溯至20世紀60年代以前，第三次工業革命時期。由于這一時期各國生產力已經得到了極大的提升，急需與高速發展的生產力相適應的科學技術。在此背景之下，新興的電子技術與傳統的機械技術實現了初步融合。這不僅完善了機械產品的性能，同時也推動了當時各國科技和經濟的發展。但是，由于這一階段各國人力資源的匱乏，再加上電子技術的水平還不夠高，科學技術也不能夠為其提供足夠的理論支持，從而導致機、電的融合度比較低，還不能大量應用于工業生產之中，更加不能滿足廣泛與深入發展之需要。

第2階段。是在隨后的30～40年，隨著和平時代和科技時代的到來，機械電子工程也迎來了其高速發展時期。在該階段，由于計算機技術和控制技術的迅猛發展，為機械電子提供了大量的技術支持;與此同時，大規模集成電路以及微機技術的出現，給機械電子提供了豐富的物質支持，這使得機械電子得到了進一步的發展，并且以一定規模地應用于工業領域。機械技術在與電子技術更進一步融合的基礎上，也開始加入了計算機、控制技術等等，初步形成了其綜合性。

第3階段。主要指的是20世紀末葉及21世紀的初期。在該階段，機械電子工程與其相關技術的結合更為緊密，從總體上形成了其知識體系結構并且開始進入產業階段。在這一過程中，由于生產流程包括設備本身都體現出了對自動化、智能化的需要，推動了機械電子工程向著這些最新型技術領域的邁進，這也體現了機械電子工程發展的多元化。

2.2 國內外現狀

日本從上世紀70年代開始就一直大力發展機械電子產業，到上世紀80年代初，日本就已經有了無人化示范工廠［37］。現如今，日本的機械電子技術已逐漸成熟，處于世界領先地位。相比較日本而言，美國的機械電子產業起步較晚，美國自然科學基金委員會1985才開始投資興建國家工程實驗室。但美國的微電子技術十分發達，所以帶動機械電子的發展比較迅速。1985～1995年這10年來美國的軍用機器人和智能機器人開發經費從1.86億美元增至9.75億美元［38］。歐洲許多發達國家也基本在同一時期競相發展機械電子工程［39］，英國劍橋大學在1985年開設了機械電子學工程碩士學位課，德國于1984～1988年提供5.3億馬克用于擴大工業機器人、軟件操作系統等項目。與此同時，世界各國的大學相繼開設機械電子工程學科，例如新西蘭Auckland大學［40］，莫斯科大學等等。到2008年4月，土耳其國內的98所大學之中的46所都已經開設了機電工程系［41］。

我國于1989年將“機械電子工程專業”列為試辦專業，1993年成為正式專業。在此期間，國務院也成立機械電子領導小組并列為我國的“863計劃”。當前，機械電子工程是我國一級學科機械工程下設的二級學科，有多個研究方向，例如機電控制及其自動化、機電一體化與機器人、現代應用機電技術與系統、計算機集成制造與敏捷制造、虛擬機電儀器與虛擬測試技術等。

2.3 我國機械電子工程現狀分析

從市場的角度來看，由于我國機械電子工程的發展歷史不長、程度不深，在很多方面與日本以及歐美等國家有一定的差距。許多產品的品種、數量、檔次、質量都不能滿足要求，進口量較大。例如我國的數控機床在機床總數的占有率仍然較少，而國外的數控機床已占其總數的30%～80%;美、日等發達國家工業系統中CAD應用率已超過85%［42］，而我國CAD應用率和覆蓋率還比較低。

從學科的角度來看，當下我國的機械電子工程處于快速發展階段，主要特點就是更新速度快、與其他學科融合快、涉及的科學范圍大。

(1)機械電子工程是與相關科學技術相結合而成的新的理論體系，所以在很多方面更新速度較快，從業者和學習者要不斷更新理論知識，充分了解現階段機械電子的發展趨勢。我國很多高校在對機械電子工程專業的教學內容和教學方法上不斷創新［43-45］，教學內容更加多元化、系統化，教學方法更加實踐化。并且，適應機械電子工程專業人才培養的教學運行機制也在不斷地更新［46-47］，更為注重人才的綜合性、設計性和創新性。

(2)機械電子工程與其他領域的結合日益緊密，結合速度快，深化程度高。例如，機械電子與現代光學、現代醫學、現代生物技術、組合學等的結合［48-50］。它們的高度融合將給這一產業帶來歷史性的變革和巨大的經濟效益。更為重要的是，它實現了學科之間互補關系，為邊緣性學科和綜合性學科的發展奠定了基礎。

(3)機械電子工程涉及的學科范圍大，知識體系豐富，應用性強。例如在現代微特電機的設計中，不僅需要設計者機械、電子以及控制等多領域的基礎理論知識，而且需要各領域技術的相互配合與協調，才能夠設計和制造出合理的產品。

從工程的角度來看，各工程領域對自動控制性、高級智能性、穩定性的要求較高。目前我國的機械電子技術還不能夠完全滿足其需要，仍需借助傳統的機械技術、控制技術等來完成。從這一點來說，機械電子工程還具有很大的發展空間，各層次的知識結構也需要進行面向工程實踐的轉變。可以認為，機械電子工程的發展正在帶動著整個工程領域的深度變化。

3 機械電子工程的發展趨勢

機械電子工程不斷向著智能化、模塊化、網絡化、微型化、綠色化等方向發展。隨著科技的進步，機械電子工程所涉及的領域將持續擴大，理論和方法將更加完備，技術將更加精湛，多元化程度將越來越高。

(1)智能化。智能化是當今科學技術發展的主要潮流之一。在各科學領域實現人工智能控制將會給人類帶來前所未有的便利。機械電子的智能化是對機電設備或機電系統行為的描述［51］。在很多領域中，當機械電子工程聯系了智能化，就會為系統和設備增添控制中樞，使之擁有更強大的實用能力。例如，智能機器人處理系統。在超市、垃圾站等地點，機器人可以用來智能地進行判斷是哪一類商品或者垃圾，從而可按要求分類。這不僅節省了勞動力，更加大了工作效率，從根本上體現了智能機電系統的優越性。

(2)模塊化。由于機械電子工程是一門綜合性學科，其知識架構龐大，內容繁多，模塊化是其發展的必然趨勢。模塊化就是將機械電子工程中的各個單元進行分別整理和研制［52］。它能夠簡化系統結構，更具有可讀性和可操作性，進一步方便了與其他領域信息的交互和移植。例如港珠澳大橋的修建就體現了模塊化的應用價值，從總體上將工程分為橋梁、海中隧道以及海中人工島3大部分。各部分分時同步進行，既能夠保證工程的進度，也能夠確保工程質量。

(3)網絡化。隨著當代計算機技術的迅猛發展，各專業與計算機技術的結合度日益密切。網絡化能夠大大提升信息的輸入、變換、和輸出。對于機械電子工程而言，網路化能夠增強系統的可控性，提高工作效率。例如新型智能空調，可以通過藍牙、GPRS、手機信號等網絡手段對其實施隨時隨地的控制。人們可以在工作或外出時通過網絡信號提前設定空調的溫度及開關時間等。

(4)微型化。近年來，各科學技術紛紛向著微型化領域邁進，出現了微型車、特微型計算機、微型傳感器甚至微型企業等等一系列新興概念。機械電子產品也迅速向著小型化和微型化發展，并以大爆炸的形式進入人們的生活。例如手機馬達、微型芯片等等。機械電子的微型化不僅使得機械電子產品的結構更加緊湊、能源分配更加合理，同時也加強了機械系統的邏輯性。可以預見，微型化的發展必將引領機械電子工程進入“納米級”時代。

(5)綠色化。綠色化發展已然是當今全球科技發展的主題。綠色化發展是建立在資源承載力的條件下，將科技的發展提升至環境保護的發展模式。綠色化發展對于機械電子產品的設計和開發具有很重要的意義。

4 結束語

通過對機械電子工程的概念、國內外現狀及其未來發展趨勢的分析，本研究認為:機械電子工程的出現和興起，促進了國家科技進步，加快了學科間的交叉融合，推動了工業工程格局的轉變。迄今為止，對于機械電子工程的定義，國內外仍未有統一認識:一方面這是由于機械電子工程自身發展的快速性所導致;另一方面是因為過于明確的定義很有可能會限制它的發展，所以世界各國均有各自對機械電子工程的解釋。機械電子工程具有學科的綜合性，這不但加大了專業難度，而且增加了學科復雜性。筆者希望通過本研究對機械電子工程系統的論述，能夠加強廣大學者對機械電子工程的認識和理解。

在對機械電子工程的分析和研究過程中還有很多不足之處，未能面面俱到。對于如何使得機械電子工程的各項技術做到無縫式的融合以及機械電子專業人才的培養方式和方法等問題，有待進一步研究。

［1］HABIB M K.Interdisciplinary mechatronics engineering and science:problem-solving，creative-thinking and concurrent design synergy［J］.International Journal of Mechatronics and Manufacturing Systems，2008，1(1):4-22.

［2］TREVELYAN J.What is mechatronic engineering［J］.Engineers Australia，2006，78(5):54-55.

［3］ZHAO Wei-min，ZHU Xu-xia，YAN Chao-zhen.Construction of mechatronics engineering talents cultivation system based on local economy［J］.Advanced Materials Research，2012(591-593):2306-2309.

［4］DONDERS S，FARKAS L，HACK M，et al.Assessment of uncertainty for structural and mechatronics engineering applications［J］.Applied Mechanics and Materials，2011(104):145-159.

［5］SALAMI M J E，MIR-NASIRI N，KHAN M R.Development of mechatronics engineering degree program:challenges and prospects［J］.The International Journal of Engineering Education，2003，19(4):537-543.

［6］DUDZIAK R，BIESENBACH R，CANINENBERG W.波鴻應用科技大學機電一體化工程教育20年(1993-2013)的經驗和觀點［J］.機械設計與制造工程，2013，42(8):1-8.

［7］楊昂岳，曾砥平.機械電子工程專業的形成和發展［C］//第五屆全國機械設計及制造專業教學研討會議論文集(卷1教學論文).北京:機械工業出版社，1995:61-64.

［8］VENUVINOD P K，CHAN L W，D N K，et al.Development of the first mechatronic engineering degree course in the far east［J］.Mechatronics，1993，3(5):537-541.

［9］WIKANDER J，TORNAREN M，HANSON M.The science and education of mechatronics engineering［J］.Robotics and Automation Magazine IEEE，2001，8(2):20-26.

［10］SHYR W J.Graphical human interface technology for use in mechatronics in engineering education［J］.Computer Applications in Engineering Education，2013，21(2):322-327.

［11］RANDA H.Practically oriented design projects in mechatronics engineering:a case study of design experiences and outcomes［J］.International Journal of Electrical Engineering Education，2010，47(1):31-46.

［12］邱自學，姚興田，王君澤.機械電子工程專業人才培養模式及其課程群建設［J］.機電工程，2005，22(12):60-63.

［13］PETER M.SFU launches mechatronics engineering program［J］.Journal of Commerce，2007(71):3.

［14］魏娟.機電一體化及其機械系統的設計特點［J］.煤礦機械，2001(7):17-19.

［15］周杏鵬，仇國富，王壽春，等.現代檢測技術［M］.北京:教育出版社，2004.

［16］宿永在.機電一體化得核心技術與發展趨勢［J］.內蒙古煤炭經濟，2010(4):45-46.

［17］TOM.Direct drive servo technology［J］.Instrumentation and Automation News，2001，49(9):11.

［18］張建民.機電一體化系統設計［M］.3版.北京:高等教育出版社，2007.

［19］KIRAN C P，AGRAWAL V P.Coding，evaluation and optimal selection of a mechatronic system［J］.Expert Systems with Applications，2011，38(6):9704-9712.

［20］PETER N.Artficial intellicence［J］.New Scientist，2012，216(2889):1.

［21］CANTU-ORTIZ F J.Advancing artificial intelligence re-search and dissemination through conference series:Benchmark，scientific impact and the MICAI experience［J］.Expert Systems with Applications，2014，41(3):781-785.

［22］王琪.機械電子工程與人工智能的關系探究［J］.科技傳播，2012(1):114-115.

［23］鄭福奎.機械電子工程與人工智能的關系探究［J］.科技創業家，2013(11):108.

［24］黃宗益.工程機械機電一體化、機器人化［J］.中國機械工程，1996，7(3):64-66.

［25］SILVA M M，GON?ALVES A M.Mechatronic design concept and its application to pick-and-place robotic systems［J］.Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering，2013，35(6):31-40.

［26］周文盛.發展中的電子機械工程［J］.中國電子教育，1997(1):48-51.

［27］劉崇新，張智.對電子信息工程應用的探討［J］.城市建設理論研究，2013(32):1-4.

［28］顏永年，張曉萍，馮常學.從機械產品到機械電子產品［J］.蘇南鄉鎮企業，2000，15(6):10-11.

［29］李瑞琴，鄒慧君.機電一體化產品概念設計理論研究現狀與發展展望［J］.機械設計與研究，2003，19(3):10-13.

［30］POPOVIC D，VLACIC L.Mechatronics in engineering design and product development［J］.Materials and Manufacturing Processes，2001，16(2):291-292.

［31］GORYACHEVA I G，MOROZOV N F.Mechanics as a 20th-century science［J］.Herald of the Russian Academy of Sciences，2012，82(4):311-319.

［32］馮旭強.機電一體化技術的研究及其應用［J］.機械工程與自動化，2009(1):195-197.

［33］余建文.淺談智能控制與機電一體化得融合發展［J］.科技創業，2012(8):185-186.

［34］李慧敏.機械電子技術發展趨勢的討論［J］.電子制作，2013(4):179.

［35］魏世元.機電一體化技術的發展現狀與展望［J］.河南科技，2010(24):13.

［36］李小寵.機電一體化技術的發展趨勢分析［J］.工業技術，2013(30):118.

［37］張建民.國內外機電一體化發展概況［J］.機電一體化，1996(5):24-26.

［38］趙姝明，李喜田.機電一體化專業發展的現狀_問題與對策［J］.北方工業大學學報，1998，10(3):78-84.

［39］MALTE P，PHILIP M，CHEN Xi，et al.A new approach towards systems integration within the mechatronic engineering design process of manufacturing systems［J］.International Journal of Computer Integrated Manufacturing，2013，26(8):806-815.

［40］AW K C，XIE S Q，HAEMMERLE E.A FPGA-based rapid prototyping approach for teaching of mechatronics engineering［J］.Mechatronics，2007，17(8):457-461.

［41］HAKAN Y，SELUK M.Assessment of transition from mechanical engineering to mechatronics engineering in turkey［J］.International Journal of Engineering Education，2009，25(1):112-121.

［42］陳輝，張磊.機電一體化技術的現狀及發展趨勢［J］.國內外機電一體化技術，2009(s4):35-37.

［43］羅亞輝，康江，劉旭紅.機械電子工程專業實驗教學改革探討［J］.中國電力教育，2013(28):145-146.

［44］王殿君，焦向東，王偉，等.新版機械電子工程專業培養方案的研究與實踐［J］.安徽師范大學學報，2010，33(1):39-42.

［45］劉曉紅.機械電子工程專業實踐性教學的發展趨勢及其對策研究［J］.廣東技術師范學院學報，2011(2):53.

［46］機電一體化職業技能培訓發展研究課題組.我國機電一體化技能人才供求關系的分析［J］.中國培訓，2011(2):34-38.

［47］傅曉林.機電一體化發展方向及人才培養模式［J］.重慶交通學院學報，2003，3(S):17-18.

［48］機電一體化專委會.機械電子技術的進展［C］.中國電工技術學會，2004.

［49］牛雅琴.組合學在機械電子工程中的應用分析［J］.信息與電腦·理論版，2010(4):198-199.

［50］MOMANI L，AL-NUIMY W，Al-JUMAILY M，et al.A mechatronic valve in the management of hydrocephalus:methods and performance［J］.Medical and Biological Engineering and Computing，2011，49(1):121-132.

［51］馮正進.機電一體化技術進展［J］.工業工程，2000，3(1):1-4.

［52］謝佳.略論機電一體化技術的發展［J］.機電信息，2011(6):1-2.