潘雍，傅明星，于晨

(陜西理工學(xué)院，機械工程學(xué)院，陜西漢中723003)

0 引言

機械電子工程是科技高速發(fā)展以及學(xué)科相互鏈接的產(chǎn)物，它打破了傳統(tǒng)的學(xué)科分類，集諸多技術(shù)特點于一體。它的出現(xiàn)代表著新技術(shù)、新思想、新研究方式和新研究目標(biāo)的產(chǎn)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(chǎn)業(yè)對國家和社會所代來的價值［3-4］，并對機械電子學(xué)科的未來發(fā)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(yè)的發(fā)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(nèi)涵及外延有助于機電從業(yè)人員以及機械電子專業(yè)的學(xué)習(xí)者更好地在該領(lǐng)域進行相關(guān)研究和深入學(xué)習(xí)。

本研究根據(jù)機械電子工程的特點，從學(xué)科、技術(shù)、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(jié)，可為相關(guān)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(xié)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(shù)，并將機械裝置和電子設(shè)備以及軟件等有機結(jié)合起來構(gòu)成的產(chǎn)品或系統(tǒng)”。美國學(xué)者V.Daniel Hunt［7］將其概括為“有計劃地應(yīng)用和有效地把機械與電子結(jié)合起來，以創(chuàng)造最優(yōu)產(chǎn)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(tǒng)總體技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)過程中的結(jié)合”。在我國，大多學(xué)者稱之為“機電一體化”。

1.1 機械電子工程學(xué)科的知識體系

機械電子工程的知識體系來源于學(xué)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(jié)構(gòu)龐大、理論豐富、應(yīng)用范圍廣泛。

現(xiàn)如今，國內(nèi)外許多大學(xué)的機械電子專業(yè)課程主要是由機械工程、電子工程、計算機科學(xué)以及控制工程中的部分課程整合而成［9-11］。這對本專業(yè)所培養(yǎng)的學(xué)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(jié)構(gòu)、技術(shù)素養(yǎng)等明顯不同于傳統(tǒng)的機械工程人員［12］。國外一些企業(yè)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(shù)

1.2.1 機械技術(shù)

作為機械電子工程的支撐學(xué)科與關(guān)鍵技術(shù)，機械制造技術(shù)是其最為重要的影響元素?？梢哉f，它是一個載體或“母體［14］”。機械電子工程可看做是多種技術(shù)向機械技術(shù)滲透的結(jié)果。但是，機械電子產(chǎn)品及系統(tǒng)的設(shè)計思維、設(shè)計理念、設(shè)計方法與機械制造技術(shù)有很大區(qū)別。所以，對于機電行業(yè)人員來說，從傳統(tǒng)的機械思維模式向機電思維模式的轉(zhuǎn)變是尤為重要的。

1.2.2 電子技術(shù)

電子技術(shù)根據(jù)系統(tǒng)要求，應(yīng)用電子學(xué)理論，運用電子器件與機械元件，采用某種控制策略，設(shè)計和制造出滿足需求并實現(xiàn)特定功能的電路或電子系統(tǒng)，從而投入到機械電子系統(tǒng)或產(chǎn)品之中。

1.2.3 自動控制技術(shù)

當(dāng)代的自動控制技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)、生活、軍事、管理、教育等各個領(lǐng)域。自動控制技術(shù)就好比一顆粒子，附到某種物質(zhì)上，它就具有某種物質(zhì)特定的性質(zhì)。在機械電子工程中，自動控制技術(shù)是控制理論的實踐應(yīng)用，其通過系統(tǒng)已存在的硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)，結(jié)合多種技術(shù)，選擇控制方式來完成某種控制任務(wù)，保證某個過程按照預(yù)想進行，或者實現(xiàn)某個預(yù)設(shè)的目標(biāo)。

1.2.4 檢測傳感技術(shù)

檢測是指在各類生產(chǎn)、科研、實驗等領(lǐng)域，為及時獲得被測、被控對象的有關(guān)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(shù)的日益發(fā)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(tǒng)的響應(yīng)特性。

1.2.5 信息處理技術(shù)

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

1.2.6 伺服驅(qū)動技術(shù)

要實現(xiàn)機械電子工程全面、高速、準(zhǔn)確地發(fā)展，毋庸置疑，伺服驅(qū)動技術(shù)具有很重要的地位。近年來，隨著工業(yè)自動化的飛速發(fā)展，伺服驅(qū)動技術(shù)也在朝著變頻化和交流化邁進［17］。伺服驅(qū)動技術(shù)直接決定了機電系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、快速性以及靈活性。

1.2.7 系統(tǒng)總體技術(shù)

系統(tǒng)總體技術(shù)是一種運用宏觀方法和思路，從整體目標(biāo)出發(fā)，對系統(tǒng)總體進行研究的綜合應(yīng)用技術(shù)［18-19］。系統(tǒng)總體技術(shù)加強了機械電子系統(tǒng)的宏觀性，增加了機電產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

1.3 機械電子工程及其相關(guān)技術(shù)的聯(lián)系與區(qū)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(xué)、神經(jīng)生理學(xué)、心理學(xué)、語言學(xué)、哲學(xué)等多門學(xué)科的邊緣性學(xué)科［20］。人工智能就是研究如何使得計算機或者機器設(shè)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(jié)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(chǎn)品和機電系統(tǒng)向著高級化、人性化和智能化發(fā)展。例如在描述機械電子系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)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(shù)

機器人技術(shù)一直以來都是人們所最為關(guān)注的科學(xué)技術(shù)之一。隨著科技的不斷發(fā)展，機器人技術(shù)也逐漸走向成熟，其種類日趨增多、性能持續(xù)提高。

工程機械等諸多傳統(tǒng)學(xué)科面臨很多發(fā)展問題，其解決的途徑就是實現(xiàn)不同程度機械電子化或機器人化［24-25］。因此，機器人技術(shù)與機械電子工程的緊密結(jié)合終將能夠徹底實現(xiàn)機器人融入人類生活，與人類一起協(xié)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(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化、電子設(shè)備能量傳遞的媒介、電子系統(tǒng)與機械結(jié)構(gòu)的研究等等。

機械電子工程與電子機械工程的聯(lián)系較為緊密，可相互借鑒，在某些領(lǐng)域中甚至可以相互取代。但它們是兩個不同的學(xué)科，機械電子工程是機械的電子化，就是以機械為基礎(chǔ)而引入電子，而電子機械工程則相反;它們的產(chǎn)生背景也不同，電子機械工程是二次世界大戰(zhàn)以后，有人提出雷達和通信中的機械工程這個名字，蘇聯(lián)稱之為無線電設(shè)備的結(jié)構(gòu)與工藝，在我國有關(guān)院校中曾建立過同名專業(yè)［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(shè)備與信息系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)、應(yīng)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(tǒng)在電子電路上的應(yīng)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(yīng)用

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

詳細地講，其實際應(yīng)用將會在兩個方面產(chǎn)生影響:

(1)產(chǎn)品。產(chǎn)品是技術(shù)的載體和體現(xiàn)者。機電產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)更合理、性能更優(yōu)越、用途更廣泛，已明顯區(qū)別于傳統(tǒng)機械、電子等產(chǎn)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(tǒng)。它能增強機電系統(tǒng)的控制精度、簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、提高系統(tǒng)可靠性［31-32］。如大型重載混合動力汽車系統(tǒng)，可在剎車以及起動等進程中進行多位調(diào)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(chǎn)生及現(xiàn)狀

2.1 機械電子工程的產(chǎn)生和發(fā)展

機械電子工程的產(chǎn)生和發(fā)展大致可分為3個階段［33-36］:

第1階段。要追溯至20世紀(jì)60年代以前，第三次工業(yè)革命時期。由于這一時期各國生產(chǎn)力已經(jīng)得到了極大的提升，急需與高速發(fā)展的生產(chǎn)力相適應(yīng)的科學(xué)技術(shù)。在此背景之下，新興的電子技術(shù)與傳統(tǒng)的機械技術(shù)實現(xiàn)了初步融合。這不僅完善了機械產(chǎn)品的性能，同時也推動了當(dāng)時各國科技和經(jīng)濟的發(fā)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(shù)的水平還不夠高，科學(xué)技術(shù)也不能夠為其提供足夠的理論支持，從而導(dǎo)致機、電的融合度比較低，還不能大量應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)之中，更加不能滿足廣泛與深入發(fā)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(fā)展時期。在該階段，由于計算機技術(shù)和控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，為機械電子提供了大量的技術(shù)支持;與此同時，大規(guī)模集成電路以及微機技術(shù)的出現(xiàn)，給機械電子提供了豐富的物質(zhì)支持，這使得機械電子得到了進一步的發(fā)展，并且以一定規(guī)模地應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。機械技術(shù)在與電子技術(shù)更進一步融合的基礎(chǔ)上，也開始加入了計算機、控制技術(shù)等等，初步形成了其綜合性。

第3階段。主要指的是20世紀(jì)末葉及21世紀(jì)的初期。在該階段，機械電子工程與其相關(guān)技術(shù)的結(jié)合更為緊密，從總體上形成了其知識體系結(jié)構(gòu)并且開始進入產(chǎn)業(yè)階段。在這一過程中，由于生產(chǎn)流程包括設(shè)備本身都體現(xiàn)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(shù)領(lǐng)域的邁進，這也體現(xiàn)了機械電子工程發(fā)展的多元化。

2.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀

日本從上世紀(jì)70年代開始就一直大力發(fā)展機械電子產(chǎn)業(yè)，到上世紀(jì)80年代初，日本就已經(jīng)有了無人化示范工廠［37］?，F(xiàn)如今，日本的機械電子技術(shù)已逐漸成熟，處于世界領(lǐng)先地位。相比較日本而言，美國的機械電子產(chǎn)業(yè)起步較晚，美國自然科學(xué)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(shù)十分發(fā)達，所以帶動機械電子的發(fā)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(fā)經(jīng)費從1.86億美元增至9.75億美元［38］。歐洲許多發(fā)達國家也基本在同一時期競相發(fā)展機械電子工程［39］，英國劍橋大學(xué)在1985年開設(shè)了機械電子學(xué)工程碩士學(xué)位課，德國于1984～1988年提供5.3億馬克用于擴大工業(yè)機器人、軟件操作系統(tǒng)等項目。與此同時，世界各國的大學(xué)相繼開設(shè)機械電子工程學(xué)科，例如新西蘭Auckland大學(xué)［40］，莫斯科大學(xué)等等。到2008年4月，土耳其國內(nèi)的98所大學(xué)之中的46所都已經(jīng)開設(shè)了機電工程系［41］。

我國于1989年將“機械電子工程專業(yè)”列為試辦專業(yè)，1993年成為正式專業(yè)。在此期間，國務(wù)院也成立機械電子領(lǐng)導(dǎo)小組并列為我國的“863計劃”。當(dāng)前，機械電子工程是我國一級學(xué)科機械工程下設(shè)的二級學(xué)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(xiàn)代應(yīng)用機電技術(shù)與系統(tǒng)、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(shù)等。

2.3 我國機械電子工程現(xiàn)狀分析

從市場的角度來看，由于我國機械電子工程的發(fā)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(chǎn)品的品種、數(shù)量、檔次、質(zhì)量都不能滿足要求，進口量較大。例如我國的數(shù)控機床在機床總數(shù)的占有率仍然較少，而國外的數(shù)控機床已占其總數(shù)的30%～80%;美、日等發(fā)達國家工業(yè)系統(tǒng)中CAD應(yīng)用率已超過85%［42］，而我國CAD應(yīng)用率和覆蓋率還比較低。

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

(1)機械電子工程是與相關(guān)科學(xué)技術(shù)相結(jié)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(yè)者和學(xué)習(xí)者要不斷更新理論知識，充分了解現(xiàn)階段機械電子的發(fā)展趨勢。我國很多高校在對機械電子工程專業(yè)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法上不斷創(chuàng)新［43-45］，教學(xué)內(nèi)容更加多元化、系統(tǒng)化，教學(xué)方法更加實踐化。并且，適應(yīng)機械電子工程專業(yè)人才培養(yǎng)的教學(xué)運行機制也在不斷地更新［46-47］，更為注重人才的綜合性、設(shè)計性和創(chuàng)新性。

(2)機械電子工程與其他領(lǐng)域的結(jié)合日益緊密，結(jié)合速度快，深化程度高。例如，機械電子與現(xiàn)代光學(xué)、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)、現(xiàn)代生物技術(shù)、組合學(xué)等的結(jié)合［48-50］。它們的高度融合將給這一產(chǎn)業(yè)帶來歷史性的變革和巨大的經(jīng)濟效益。更為重要的是，它實現(xiàn)了學(xué)科之間互補關(guān)系，為邊緣性學(xué)科和綜合性學(xué)科的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

(3)機械電子工程涉及的學(xué)科范圍大，知識體系豐富，應(yīng)用性強。例如在現(xiàn)代微特電機的設(shè)計中，不僅需要設(shè)計者機械、電子以及控制等多領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論知識，而且需要各領(lǐng)域技術(shù)的相互配合與協(xié)調(diào)，才能夠設(shè)計和制造出合理的產(chǎn)品。

從工程的角度來看，各工程領(lǐng)域?qū)ψ詣涌刂菩?、高級智能性、穩(wěn)定性的要求較高。目前我國的機械電子技術(shù)還不能夠完全滿足其需要，仍需借助傳統(tǒng)的機械技術(shù)、控制技術(shù)等來完成。從這一點來說，機械電子工程還具有很大的發(fā)展空間，各層次的知識結(jié)構(gòu)也需要進行面向工程實踐的轉(zhuǎn)變?？梢哉J為，機械電子工程的發(fā)展正在帶動著整個工程領(lǐng)域的深度變化。

3 機械電子工程的發(fā)展趨勢

機械電子工程不斷向著智能化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、微型化、綠色化等方向發(fā)展。隨著科技的進步，機械電子工程所涉及的領(lǐng)域?qū)⒊掷m(xù)擴大，理論和方法將更加完備，技術(shù)將更加精湛，多元化程度將越來越高。

(1)智能化。智能化是當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的主要潮流之一。在各科學(xué)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)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(shè)備或機電系統(tǒng)行為的描述［51］。在很多領(lǐng)域中，當(dāng)機械電子工程聯(lián)系了智能化，就會為系統(tǒng)和設(shè)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(tǒng)。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(jié)省了勞動力，更加大了工作效率，從根本上體現(xiàn)了智能機電系統(tǒng)的優(yōu)越性。

(2)模塊化。由于機械電子工程是一門綜合性學(xué)科，其知識架構(gòu)龐大，內(nèi)容繁多，模塊化是其發(fā)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(tǒng)結(jié)構(gòu)，更具有可讀性和可操作性，進一步方便了與其他領(lǐng)域信息的交互和移植。例如港珠澳大橋的修建就體現(xiàn)了模塊化的應(yīng)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(zhì)量。

(3)網(wǎng)絡(luò)化。隨著當(dāng)代計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，各專業(yè)與計算機技術(shù)的結(jié)合度日益密切。網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)路化能夠增強系統(tǒng)的可控性，提高工作效率。例如新型智能空調(diào)，可以通過藍牙、GPRS、手機信號等網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)信號提前設(shè)定空調(diào)的溫度及開關(guān)時間等。

(4)微型化。近年來，各科學(xué)技術(shù)紛紛向著微型化領(lǐng)域邁進，出現(xiàn)了微型車、特微型計算機、微型傳感器甚至微型企業(yè)等等一系列新興概念。機械電子產(chǎn)品也迅速向著小型化和微型化發(fā)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(chǎn)品的結(jié)構(gòu)更加緊湊、能源分配更加合理，同時也加強了機械系統(tǒng)的邏輯性?？梢灶A(yù)見，微型化的發(fā)展必將引領(lǐng)機械電子工程進入“納米級”時代。

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

4 結(jié)束語

通過對機械電子工程的概念、國內(nèi)外現(xiàn)狀及其未來發(fā)展趨勢的分析，本研究認為:機械電子工程的出現(xiàn)和興起，促進了國家科技進步，加快了學(xué)科間的交叉融合，推動了工業(yè)工程格局的轉(zhuǎn)變。迄今為止，對于機械電子工程的定義，國內(nèi)外仍未有統(tǒng)一認識:一方面這是由于機械電子工程自身發(fā)展的快速性所導(dǎo)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(fā)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(xué)科的綜合性，這不但加大了專業(yè)難度，而且增加了學(xué)科復(fù)雜性。筆者希望通過本研究對機械電子工程系統(tǒng)的論述，能夠加強廣大學(xué)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(shù)做到無縫式的融合以及機械電子專業(yè)人才的培養(yǎng)方式和方法等問題，有待進一步研究。

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