機(jī)電一體化的發(fā)展前景探索

□姚雪蓮

一、概述

“機(jī)電一體化”這個名詞最早可追溯于1971 年，日本《機(jī)械設(shè)計》副刊提出了“Mechatronics”，mecha 是機(jī)械學(xué)mechanics 的詞首，tronics 是電子學(xué)electronics 的詞尾。在1981 年，日本機(jī)械振興協(xié)會經(jīng)濟(jì)研究所定義“機(jī)電一體化”為“機(jī)械與電子在相關(guān)軟件支持下的有機(jī)系統(tǒng)整合”。1984 年，美國國家科學(xué)基金會認(rèn)為“現(xiàn)代機(jī)械”是“由計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)支配的機(jī)械與電子組合而成的系統(tǒng)”。國際機(jī)器與機(jī)構(gòu)理論聯(lián)合會在20 世紀(jì)90 年代將“機(jī)電一體化”視為“在產(chǎn)品制作中機(jī)械與電子的協(xié)調(diào)運(yùn)作”。

機(jī)電一體化的實(shí)質(zhì)是把電子技術(shù)與機(jī)械結(jié)合起來，運(yùn)用傳感器將檢測機(jī)械運(yùn)動的信號傳入計算機(jī)中，在計算機(jī)計算分析后，發(fā)出能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期運(yùn)動的信號，支配機(jī)械按計劃運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動的變化，只需修改程序或者重組電子線路，不需拆裝機(jī)械，它兼顧機(jī)械大負(fù)荷量與電子微小運(yùn)動的優(yōu)勢，最終目標(biāo)是機(jī)械能夠在重負(fù)下進(jìn)行微小運(yùn)動，既不失其大負(fù)荷量的優(yōu)勢，又具有靈活性和智能性。

機(jī)電一體化有5 個基本技術(shù)要素，下面對應(yīng)人體的官能來進(jìn)行闡釋:一是計算機(jī)，負(fù)責(zé)計算和發(fā)出指令，相當(dāng)于人的大腦和神經(jīng)系統(tǒng);二是傳感器，負(fù)責(zé)監(jiān)測機(jī)械運(yùn)動，相當(dāng)于人的眼睛和耳朵;三是能源，負(fù)責(zé)機(jī)電系統(tǒng)能量的提供，相當(dāng)于人的內(nèi)臟和血液;四是驅(qū)動裝置，負(fù)責(zé)驅(qū)動機(jī)械運(yùn)動，相當(dāng)于人體的骨骼和肌肉;五是機(jī)械裝置，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)某種動作，相當(dāng)于人體的四肢。

二、機(jī)電一體化的特征

(一)是多種技術(shù)的集合。機(jī)電一體化涉及到多個領(lǐng)域的技術(shù)，有機(jī)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(shù)的前進(jìn)都可能推進(jìn)機(jī)電一體化的總體發(fā)展。但是，機(jī)電一體化并不是多種技術(shù)的簡單羅列，它是有機(jī)的系統(tǒng)組合，如果布局不合理，其中一個單元的過分強(qiáng)調(diào)有可能不僅不會增強(qiáng)整體功能，反而會起到反面的弱化作用，系統(tǒng)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(jìn)行整體優(yōu)化，機(jī)電一體化才能實(shí)現(xiàn)質(zhì)量高、能耗低的系統(tǒng)價值。

(二)以人為本。機(jī)電一體化是機(jī)械和電子有機(jī)組合形成的系統(tǒng)，是為了滿足人的一定需求、實(shí)現(xiàn)人的部分功能進(jìn)行的設(shè)計，但卻并不能脫離人而存在，相反，機(jī)電一體化對人的知識水平和技術(shù)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(jī)電一體化的環(huán)境下，不僅不能丟棄以人為本的基本原則，反而應(yīng)該采取種種措施，比如培訓(xùn)制度、激勵制度等，促進(jìn)人的知識和技術(shù)發(fā)展，以尊重人的才識，發(fā)揮人的創(chuàng)造力，滿足機(jī)電一體化的高標(biāo)準(zhǔn)操作要求。

(三)具有智能性。機(jī)電一體化并不是機(jī)械電氣化，機(jī)械電氣化是機(jī)械和電氣的簡單組合，是能源的多樣化，屬于傳統(tǒng)機(jī)械的范疇，主要用于取代體力勞動，加強(qiáng)勞動量;機(jī)電一體化是機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)的有機(jī)組合，賦予了機(jī)械新的功能，比如自動監(jiān)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(jī)電一體化的發(fā)展

(一)機(jī)電一體化的傳統(tǒng)沿革。機(jī)電一體化的發(fā)展可以分為三個階段:一是20 世紀(jì)60 年代，稱為機(jī)電一體化初期。在第二次世界大戰(zhàn)期間，戰(zhàn)爭對新式武器及武器制造的需求促進(jìn)了機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)的結(jié)合，很多國家的相關(guān)部門和科學(xué)家為此作出了卓越貢獻(xiàn)。但由于當(dāng)時電子技術(shù)發(fā)展的水平限制，機(jī)電的結(jié)合不可能有深入的發(fā)展，而且由于產(chǎn)品的特殊性，也不可能獲得大范圍的推廣。二戰(zhàn)后，這些機(jī)電結(jié)合的軍用技術(shù)對戰(zhàn)后經(jīng)濟(jì)的恢復(fù)起到了一定推動作用。二是20 世紀(jì)70 年代到20 世紀(jì)80 年代，稱為機(jī)電一體化蓬勃發(fā)展階段。在計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、集成電路的飛速發(fā)展下，機(jī)電一體化得到了顯著的促進(jìn)。各國政府對機(jī)電一體化紛紛給予了關(guān)注和支持。這個時期，我國的機(jī)電一體化開展起來，國務(wù)院863 計劃將機(jī)電一體化列入其中并成立了機(jī)電一體化工作小組。三是20 世紀(jì)90 年代后期至今，機(jī)電一體化開始具有智能性的顯著特征，邁入了全新的發(fā)展階段。在這個時期，光學(xué)、通信、微細(xì)加工等技術(shù)都取得了突破性進(jìn)展，于是，機(jī)電一體化出現(xiàn)了全新的分支。此外，機(jī)電一體化的理論研究也發(fā)展到了較高的水平，建模設(shè)計、集成方法的研究取得了新的進(jìn)步，學(xué)科體系開始完善。并且，人工智能技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展為機(jī)電一體化開拓了巨大的空間。我國的2010 年發(fā)展綱要充分強(qiáng)調(diào)了發(fā)展機(jī)電一體化的必要性，在政策的激勵下，大中院校、研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)紛紛致力于機(jī)電一體化的發(fā)展，取得了一定成績，但同發(fā)達(dá)國家相比仍然較大。

(二)機(jī)電一體化的發(fā)展前景。

1．網(wǎng)絡(luò)化。目前是知識經(jīng)濟(jì)時代，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展是獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷的時代特征，機(jī)電一體化在網(wǎng)絡(luò)的促進(jìn)作用之下也獲得了發(fā)展的良機(jī)。一方面，機(jī)電一體化產(chǎn)品一經(jīng)產(chǎn)出，如果具有功能的獨(dú)到之處，在網(wǎng)絡(luò)的宣傳優(yōu)勢下，馬上就可以全球熱銷。另一方面，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了機(jī)電一體化產(chǎn)品的創(chuàng)造或改進(jìn)，使機(jī)電一體化產(chǎn)品走在時代的前沿。同時，局域網(wǎng)的發(fā)展，使得家用電器連接為計算機(jī)集成家電系統(tǒng)成為可能，人們在日常生活中可以充分享受到機(jī)電一體化帶來的便捷性。

2．標(biāo)準(zhǔn)化。因?yàn)闄C(jī)電一體化的產(chǎn)品五花八門，廠家成千累萬，所以，必須研制標(biāo)準(zhǔn)化的接口，如機(jī)械接口電氣接口、動力接口等等，開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的單元，如融減速、調(diào)速、電機(jī)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(chǎn)品。標(biāo)準(zhǔn)化接口和單元的制作，將會帶來機(jī)電一體化的規(guī)?；a(chǎn)，形成規(guī)模效益，給相關(guān)企業(yè)創(chuàng)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(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)還是相對困難的，無論在國際還是國內(nèi)。

3．智能化。智能化是機(jī)電一體化的顯著特征，也是機(jī)電一體化的發(fā)展方向。讓機(jī)器擁有同人完全等一的智慧確實(shí)有些困難，但讓機(jī)器擁有人的部分智能則是完全可以實(shí)現(xiàn)的。目前的機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床就是有力的證明。機(jī)器智能化是綜合計算機(jī)、人工智能、模糊數(shù)學(xué)、動力學(xué)等學(xué)科知識，使機(jī)器能夠自主決策，實(shí)現(xiàn)支配調(diào)節(jié)功能。

4．微型化。微型化是指機(jī)電一體化產(chǎn)品向著微觀領(lǐng)域發(fā)展，并在質(zhì)量和體積上達(dá)到微的效果，國外把微型化的機(jī)電一體化產(chǎn)品稱為“微電子機(jī)械系統(tǒng)”。微電子機(jī)械系統(tǒng)體積小、質(zhì)量少、使用靈活、操作準(zhǔn)確，在軍事和醫(yī)學(xué)方面具有獨(dú)一無二的優(yōu)勢。

5．環(huán)?；?。工業(yè)的發(fā)展帶給人們豐富的物質(zhì)生活，同時也造成環(huán)境的沉重負(fù)擔(dān)，于是，人們競相呼吁綠色產(chǎn)品的誕生和運(yùn)用，機(jī)電一體化也不例外。綠色的機(jī)電一體化產(chǎn)品是指在使用時盡可能小地危害環(huán)境，在使用過后可以進(jìn)行回收再利用。家電一體化產(chǎn)品的環(huán)?；仙鐣l(fā)展的規(guī)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(jī)電一體化產(chǎn)品是穩(wěn)定和動態(tài)的完美結(jié)合，其在結(jié)構(gòu)上是靈活的，具有動態(tài)性，但在工作時卻是穩(wěn)定的、持久的，不能因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的靈活損害其工作的穩(wěn)定，也不能因?yàn)楣ぷ饕€(wěn)定而妨害其結(jié)構(gòu)的靈便性，這會有礙于其他工作的進(jìn)行。目前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)機(jī)電一體化可以借鑒某些生物體的結(jié)構(gòu)，但如何能夠完美地實(shí)現(xiàn)二者的糅合，還有待于進(jìn)一步的研究。仿生物化任重而道遠(yuǎn)。

［1］祁小平． 機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢［J］． 中國科技信息，2007

［2］賈峰．機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用及其發(fā)展方向［J］． 科技信息，2011