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1、论机电一体化技术以及发展趋势内容提要：机电一体化技术是广泛利用机械、电子等相关技术，实现系统或产品整体最优化的一门跨学科的综合性技术。本文主要介绍机电一体化技术的发展历程、基本特征、系统组成结构及其关键技术，并且指出了21世纪机电一体化技术的发展趋势。结合近年来机电一体化技术发展迅速的特点，认为其发展趋势是光机电一体化、人性化、带源化、集成化、柔性化、仿生物系统化、网络化、智能化、模块化、微型化、绿色化。一、机电一体化技术的历史发展在20世纪后期，一方面随着一系列新技术的兴起，主要包括电子技术（尤其是微电子技术）、计算机技术、现代通信技术、现代控制技术、激光技术、新能源技术、新材料技术、航天技
2、术等；另一方面新技术之间以及新技术与传统技术之间互相渗透彼此融合，形成多种复合技术。其中，起主导地位的是：电子技术的快速发展并与其他技术的紧密结合。特别是电子技术与机械技术不断深入的融合使机电一体化技术的产生和发展成为必然。将机械技术与电子技术结合起来的思想和实践由来已久。1952年美国研制成功了数控铣床，1959年第一台可编程机器人诞生。一直到20世纪60年代末期是机电一体化技术发展的准备阶段。进入20世纪70年代以后，大规模、超大规模集成电路和微型计算机的飞速发展积极推动了机电一体化技术的产生和发展。从1971年日本人提出Mechatronics一词为标志直到20世纪80年代末期是机电一体
3、化技术发展的初级发展阶段。20世纪90年代以后，随着Mechatronics一词在世界范围内得到广泛认可，世界各国纷纷开始有计划的积极推动和发展机电一体化技术和产品，机电一体化技术的发展步入深入发展阶段。机电一体化技术逐渐形成一个完整的技术学科体系。总的来说我们可以将机电一体化的发展大体分为3个阶段：第一阶段：20世纪60年代以前。这一时期，人们自觉或不自觉地利用电子技术的初步成果来完善一些机械产品的性能。二战时期，由于战争的原因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，战后逐渐转为民用，对战后经济的恢复起了一定的作用。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
4、结合还不可能广泛和深入发展，已经开发的产品也无法大量推广。第二阶段：20世纪70-80年代。这一时期是机电一体化技术的蓬勃发展阶段，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Mechatronics一词在世界范围内得到比较广泛的承认,机电一体化技术和产品得到了极大发展。第三阶段:20世纪90年代后期。机电一体化技术逐渐向智能化方向发展，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
5、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。二、机电一体化技术具体内容机电一体化技术是一个技术群体的总称。其关键技术有：机械技术、计算机信息技术、系统技术、自动控制技术、传感检测技术、伺服驱动技术、先进制造技术等。（一）机械技术：机械技术是机电一体化的基础，机械技术的着眼点在于如何与机电一体化技术相适应，利用其它高、新技术来更新概念，实现结构上、材料上、性能上的变更，满足重量小、体积小、精度高、刚度高及性能完善的要求。在机电一体化系统制造过程中，经
6、典的机械理论与工艺应借助于计算机辅助技术，同时采用人工智能与专家系统等，形成新一代的机械制造技术。（二）计算机信息技术：其中信息交换、存取、运算、判断与决策、人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术均属于计算机信息处理技术。信息处理技术包括信息的交换、传递、存储和处理，主要工具就是计算机。计算机及信息处理系统是整个系统（或产品）的信息处理中心，充分利用计算机超强的信息处理能力以及丰富的软件资源，增强了系统的功能，提高了系统的柔性、可靠性，使系统具有了一定的智能。（三）系统技术：系统技术即以整体的概念组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目标出发，将总体分解成相互关联的若干功能单元，接口技术是系
7、统技术中一个重要方面，它是实现系统各部分有机连接的保证。系统总体技术包括系统的总体设计和接口技术，是用跨学科的思维能力来进行综合集成的技术。系统总体设计是以系统整体的概念组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目标出发，将系统整体分解成相互联系的若干功能单元，再对功能单元进行二次分解，最终确定一个可行的技术方案。（四）自动控制技术：其范围很广，在控制理论指导下，进行系统设计，设计后的系统仿真，现场调试，控制技术包括如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿、再现、检索等。自动控制技术是在自动控制原理的指导下，结合计算机技术对具体的控制装置和控制系统进行设计、仿真、调试，最终实现机电
8、一体化系统的整体性能最优化。（五）传感检测技术：传感检测技术是系统的感受器官，是实现自动控制、自动调节的关键环节。其功能越强，系统的自动化程序就越高。现代工程要求传感器能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境的考验，它是机电一体化系统达到高水平的保证。传感与检测技术关键元件就是传感器。传感器是整个机电一体化系统（或产品）的环境接口，是自动化、信息化以及智能化应用和发展的关键技术。传感器的水平反映了一个国家的科技发达程度，特别是新型高科技传感器的研究和开发世界各国都非常重视，比如多功能集成传感器、智能传感器、仿生传感器等。（六）伺服传动技术：包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，伺服系统是实现
9、电信号到机械动作的转换装置与部件、对系统的动态性能、控制质量和功能有决定性的影响。伺服驱动技术是系统直接执行操作的技术，其目的是从动力学角度分析系统行为，保证系统整体运行的最优化。伺服驱动装置包括电动、气动、液压等各种类型，按照控制指令将电信号转换成流体能或机械能驱动运功机构，对整个系统的动态特性、控制质量和功能具有决定性的影响。（七）先进制造技术：先进制造技术是机电一体化发展的必然产物，是机电一体化技术的基础。先进制造技术保障系统（或产品）构造功能的最优化。先进制造技术采用具有柔性操作的先进制造设备：机械加工中心（MC）、CNC机床、工业机器人等机电一体化产品，实行先进的组织管理，组成柔性制
10、造单元(FMC)和柔性制造系统(FMS)，提高制造作业及制造系统的柔性和生产率，以满足机电一体化系统（或产品）的需要，满足社会发展的需要。三、机电一体化技术的基本特征（一）广而强的应用性：机电一体化技术是以机械为母体，以实践机电产品开发和机电过程控制为基础的技术，是可以渗透到所用机械系统和产品的普遍应用性技术，几乎不受行业限制。（二）多层次的系统化：机电一体化是将工业产品和过程利用各种技术综合成一个完整的系统，强调各种技术（特别是微电子技术与精密机械技术）的协同和集成，强调层次化和系统化。无论从单参数、单级控制到多参数、多级控制，还是从单件单品生产工艺到柔性及自动化生产线，直到整个系统工程设计
11、，机电一体化技术都体现在系统各个层次的开发和应用中。（三）整体的最优化：从系统工程观点出发，充分利用新技术及其相互交叉融合的优势，实现机电一体化系统（或产品）的高附加值、高效率、高性能、省材料、省能源、低损耗、低污染等等。采用数控机床、柔性生产线、工业机器人和计算机管理等高科技机电一体化技术和系统以后，各企业就可以根据社会需求及时调整产品结构和生产过程，几乎不需要重新设计制造工艺设备，大大缩短了整个生产周期。（四）使用简易化：机电一体化技术主要包括技术原理和使机电一体化系统和产品得以实现、使用和发展的技术群体。这就需要开发人员不仅具有扎实的理论基础，而且具有广博的技术知识，还要不断的学习和更新
12、相关知识。四、机电一体化系统的组成结构机电一体化系统是由若干具有特定功能的机械和电子要素组成的有机整体，具有满足人们使用要求的最佳功能。所以从功能分析上来看，要求系统能对输入的物质、能量和信息进行某种目的性的处理，从而输出所需要的物质、能量和信息。机电一体化系统的总功能一般由目的功能（通常为运动执行功能）、驱动功能、传动功能、传感检测功能、控制功能和辅助功能单元组成。我们可以把机电一体化系统（或产品）看作一个“人”。那么机械系统相当于人的躯干躯体，是使构成系统的子系统及元、部件维持时间和空间上的相互关系所必须的；传感与检测系统犹如人的感觉器官，能感知各种信号和信息；控制及信息处理系统相当于人的
13、大脑和神经系统，能根据系统内部和外部信息对整个系统进行控制；执行元件系统就如同人的四肢，完成系统要求的各种动作；动力系统就是提供和转换能量，机械电子装置主要靠电能供给能量，电能则要由电力电子装置变换以后才能使用。并且，各个组成要素或子系统之间通过接口构成一个有机的整体，才能使系统正常运转，最终实现目的功能。五、机电一体化产品的基本组成部分总的来说机电一体化产品的基本组成部分主要包括以下几个部分：（一）机械部分：它是机电一体化产品实现其使用功能的母体，精密机械制造技术仍是机电一体化技术的基础。比如典型的机电一体化产品数控机床。（二）信息处理部分：这部分的主要任务是对外部输入的程序指令或（和）从多
14、个传感器传来的数字信号进行处理和运算，然後输出各种控制指令去控制伺服机构和其他执行机构以完成所需的动作。此项任务目前主要由微计算机及相关软件来完成，是机电一体化产品最富活力的部分。（三）传感测量部分：对实际工况以及周围环境的变化，必须通过传感器来感知，这部分就像机电一体化产品的“感官”。首先传感器要能灵敏地感受被测量信息并精确地转换成电信号。当前正重解决传感器的智能化问题，重点是把传感器感知的模拟量信号就地转化为标准的数字量信号，并就地完成基本判断与推理。机电一体化已成为一门有着自身体系的新型学科，随着科学技术的不但发展，还将被赋予新的内容。（四）基本特征：机电一体化是从系统的观点出发，综合运
15、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的系统工程技术。由此而产生的功能系统，则成为一个机电一体化系统或机电一体化产品。六、典型的机电一体化产品机电一体化产品分系统(整机)和基础元、部件两大类。典型的机电一体化系统有：数控机床、机器人、汽车电子化产品、智能化仪器仪表、电子排版印刷系统、CADCAM系统等。典型的机电一体化元、部件有：电力电子器件及装置、可编程序控制
16、器、模糊控制器、微型电机、传感器、专用集成电路、伺服机构等。这些典型的机电一体化产品的技术现状、发展趋势、市场前景分析从略。七、机电一体化的发展方向机电一体化向智能化方向迈进。20世纪90年代后期，各主要发达国家开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段。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，也为产业化发
17、展提供了坚实的基础。未来机电一体化的主要发展方向如下：（一）光机电一体化：一般的机电一体化系统是由传感系统、能源（动力）系统、信息处理系统、机械结构等部件组成的。因此,引进光学技术,利用光学技术的先天优点是能有效地改进机电一体化系统的传感系统、能源(动力)系统和信息处理系统.光机电一体化是机电产品发展的重要趋势。（二）带源化：带源化是指机电一体化系统自身带有能源，无需外部提供能量。由于在许多场合无法使用电能，因而对于可移动的、便携式的机电一体化产品可以不受外部环境和能源形式的限制，充分利用如太阳能电池、燃料电池和各种高性能大容量电池及时工作，保证产品的高效率和可靠性。（三）集成化：机电一体化的
18、集成是从全局角度和系统目标出发，将总体功能分解成相互有机联系的若干子功能，再将系统分解成若干个功能单一的功能单元，然后通过软、硬件将各个功能单元有机地联系起来，使其性能最优功能最强。集成是机电一体化发展的内在动力，它是一种创新性的过程，正是由于这种创新性，将机、电、信息、控制等各种相关技术有机结合，实现系统整体最优，促使机电一体化领域的不断拓展。（四）柔性化：未来的机电一体化产品,控制和执行系统有足够的“冗余度”，有较强的“柔性”，能较好地应付突发事件，被设计成“自律分配系统”。在自律分配系统中，各个子系统是相互独立工作的，子系统为总系统服务，同时具有本身的“自律性”，可根据不同的环境条件作出
19、不同反应。其特点是子系统可产生本身的信息并附加所给信息，在总的前提下，具体“行动”是可以改变的。这样，既明显地增加了系统的适应能力(柔性)，又不因某一子系统的故障而影响整个系统。（五）人性化：机电一体化产品的使用对象和服务对象都是人。所以对于未来的机电一体化产品，一方面必须加强它们与生命机体的相似性；另一方面充分协调产品与人和环境的关系，使产品更关注人的生理、心理特性和极限，更适宜人的使用与操作。特别是“人格化”发展引人注目，即未来的机电一体化更加注重产品与人的关系。机电一体化的人格化有两层含义。一是机电一体化产品的最终使用对象是人，如何赋予机电一体化产品人的智能、情感、人性显得越来越重要，特
20、别是对家用机器人，其高层境界就是人机一体化。（六）仿生物系统化：今后的机电一体化装置对信息的依赖性很大，并且往往在结构上是处于“静态”时不稳定，但在动态(工作)时却是稳定的。这有点类似于活的生物：当控制系统(大脑)停止工作时，生物便“死亡”，而当控制系统(大脑)工作时，生物就很有活力。仿生学研究领域中已发现的一些生物体优良的机构可为机电一体化产品提供新型机体，但如何使这些新型机体具有活的“生命”还有待于深入研究。这一研究领域称为“生物软件”或“生物系统”，而生物的特点是硬件(肌体)软件(大脑)一体，不可分割。（七）绿色化：21世纪的主题就是环境保护和可持续发展，机电一体化产品的绿色化，意味低能
21、耗、低材耗、不危害人体健康、对环境无污染或低污染，操作舒适方便并且废弃後可回收利用。要实现绿色化，从设计开始就要考虑产品生命周期全过程的环境属性，如产品的可拆卸性和回收性等。设计绿色的机电一体化产品，具有远大的发展前途。机电一体化产品的绿色化主要是指，使用时不污染生态环境，报废后能回收利用。人们已经认识到：科学技术的发展给人们的生产生活带来了日新月异的巨大变化，而同时也带来了资源减少、环境恶化的不良后果。这就要求新一代机电一体化产品是一种低损耗、低污染、人机协调、可再生利用的绿色产品，在其设计、制造、使用和销毁时都应符合环保和人类健康的要求。机电一体化产品的绿色化主要是指产品使用时不污染生态环
22、境，产品报废时可分解和再生利用。（八）模块化：模块化是一项重要而艰巨的工程。由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，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但又是非常重要的事。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。这样，可利用标准单元迅速开发出新产品，同时也可以扩大生产规模。这需要制定各项标准，以便各部件、单元的匹配和接口。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对生产机电一体化产品的企业，规模化将给机电一
23、体化企业带来美好的前程。采用开放式和模块化的系统结构，就需要研发和生产具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元模块。充分利用这些标准单元模块，就能迅速开发和大规模生产出新的产品，缩短了产品研发和生产周期，降低了研发和生产成本，实现了产品结构标准化和系列化，从而获得更加显著的技术、经济和社会效益。（九）网络化：20世纪90年代，计算机技术等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、教育及人们的日常生活都带来了巨大的变革。网络技术的迅速发展给世界带来巨大变革，同样也给机电一体化技术以重大影响，比如通过网络对机电一体化设备进行远程控制。
24、由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾，而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是家用电器网络化已成大势，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，即我们所说的CIAS)，使人们在家里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将朝着网络化方向发展。机电一体化技术和产品在复杂或大规模的应用（如工业现场控制）中，在非常广泛的空间范围内，通常分布着需要大量使用的传感器、执行器和控制器等，这就需要高性能的、网络化的通信系统和控制
25、系统。如现场总线（Field Bus）又称工业控制网络和分散型控制系统DCS(Distributed Control System)。现场总线就是连接现场设备与控制设备之间的双向串行多点数字通信系统，是一种造价低又能适应工业现场环境的底层控制网络。分散型控制系统的特点是控制分散，操作显示集中，系统具有很高的可靠性和很强的控制功能。（十）智能化：智能化是21世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向。近几年，处理器速度的飞速提高，为嵌入智能控制算法创造了条件，再加上传感器系统的集成化与智能化，使其具有某种程度的判断推理、逻辑思维和自主决策能力。智能机器人可以获取、处理和识别多种信号，自主地完成较为
26、复杂的操作任务，比一般工业机器人具有更大的灵活性、机动性和更广泛的用途。今后的机电一体化产品“全息”特征越来越明显，智能化水平越来越高。这主要收益于模糊技术、信息技术(尤其是软件及芯片技术)的发展。除此之外，其系统的层次结构，也变简单的“从上到下”的形势而为复杂的、有较多冗余度的双向联系。智能化就是要求机电产品具有一定的智能，使其具有类似人的逻辑思考、判断推理、自主决策等能力。如果人类社会的发展和进步体现在人脑的智能上，那么机电一体化的发展和进步就体现在其产品的智能上。随着模糊控制、神经网络、灰色理论、小波理论、混沌与分岔等人工智能技术的进步和发展，为机电一体化技术的发展开辟了广阔天地。人工智
27、能在机电一体化建设者的研究中日益得到重视，机器人与数控机床的智能化就是重要应用。这里所说的“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，以求得到更高的控制目标。（十一）微型化：近十馀年来，微机电一体化系统作为机电一体化技术的新尖端分支而倍受重视。微机电一体化系统也被称为微机械，其几何尺寸不得超过1cm3，并正向微米、纳米级方向发展。目前，利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术，在实验室中已制造出亚微米级的机械元件。当将这一成果用于实际产品时，就没有
28、必要区分机械部分和控制器了。届时机械和电子完全可以“融合”，机体、执行机构、传感器、CPU等可集成在一起，体积很小，并组成一种自律元件。由於微机电一体化系统体积微小，能耗少，可进入一般机械无法进入的空间，并易於进行精细操作。当前重点发展的有：专用集成微型仪器、微型惯性仪表、微型机器人、以及小型、微型和纳米卫星等。这种微型机械学是机电一体化的重要发展方向。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1立方厘米的机电一体化产品，并向微米、纳米级发展。微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活，在生物医疗、军事
29、、信息等方面具有不可比拟的优势。微机电一体化发展的瓶颈在于微机械技术，微机电一体化产品的加工采用精细加工技术，即超精密技术，它包括光刻技术和蚀刻技术两类。微型化是指机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。采用精细加工技术加工生产微机电一体化产品，其体积小、耗能少、运动灵活，在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。机电一体化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。我国人口众多，经济总量大，加之近年发展速度快，这些还相伴有与
30、衣食住行有关的汽车制造业、造船业、飞机制造业、建筑业、医药食品服装制造业的快速发展，这样将使我国自动化和机电一体化行业形成一个很好的舞台，让全世界都刮目相看，纷纷在这个舞台上竞争风流，当然最大的受益者将是我们，让我们珍惜这个大好机会吧！我国机电一体化技术水平与发达国家相比差距较大。在发展过程中，首先应充分利用原有技术和设备，发展经济型机电产品；然后充分利用发达国家的高新技术，引进、仿制和开发效益好收效快的机电产品；在此基础上，全面开发具有中国特色的高新产品。机电一体化技术发展至今已经成为一门有着自身完整体系的综合性学科，随着21世纪科学技术的不断发展还将被赋予新的内容。参 考 文 献1李建勇.机电一体化技术北京：科学出版社，2004.2李瑞琴.机电一体化系统方案创新设计理论与方法的研究.3刘传玺，齐秀丽.机电一体化技术基础及应用.济南：山东大学出版社，2001.4张建民.国内外机电一体化发展概况.机电一体化,1996,(5).5李成华,杨世凤,袁洪印.机电一体化技术.北京：中国农业大学出版社，2001.7吴本奎.机电一体化及其发展策略.北京：机械工业出版社，2000.8唐怀斌.工业控制系统的进展与趋势.自动化与仪器仪表,1996.(2).9徐元昌.机电系统设计.北京:化学工业出版社,2005.10魏强.21世纪机电一体化技术发展趋势.2008年第5期（总第114期）
