1.6 机电一体化的发展

机电一体化的发展大体可以分为三个阶段。

20世纪60年代以前为第一阶段，这一阶段被称为“初级阶段”。在这一时期，人们利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。例如，美国在1952年成功研制出世界上第一台数控机床，并发明了可编程机器人。

20世纪70—90年代为第二阶段，这一阶段为“蓬勃发展阶段”。这一时期，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。机电一体化的发展具体体现在机电一体化技术在汽车工业上的应用，然后在工程机械方面的推广，其主要应用领域是数控机床，提高了数控机床的技术精度和操控性，极大地提高了工作效率。随着微电子技术的研究和发展，机电一体化产品也在不断更新；传感测控技术和信息转换技术的结合运用，在工业机器人的软件设计和编程等关键领域取得了技术上的巨大进步。

20世纪90年代后期，开启了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段，机电一体化进入深入发展时期。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角，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的研究不断深入。通信和计算机网络技术的发展，以及人工智能技术在这一时期取得的巨大进步，促进了分布式系统的形成，使不少机器可以遥控操作、智能化操作。

进入21世纪以来，机电一体化技术得到了更大的发展，传感器的性能也进一步得到提高，对传感器信号处理和判断的智能化程度达到了更高的水平，出现了具有更高柔性和自适应性的机电一体化系统。随着科学技术的进步，国内外机电一体化将朝着绿色化、智能化、网络化、微型化、模块化方向发展，各种技术相互融合的趋势也将越来越明显。以机械技术、微电子技术、计算机技术的有机结合为主体的机电一体化技术是机械工业发展的必然趋势，机电一体化技术的发展前景也将越来越广阔。

1.6.1 智能化

智能化是机电一体化与传统机械自动化的主要区别之一，也是21世纪机电一体化的发展方向。近几年，处理器速度的提高、微机的高性能化、传感器系统的集成化与智能化为嵌入智能控制算法创造了条件，有力地推动着机电一体化产品向智能化方向发展。智能机电一体化产品可以模拟人类智能，具有某种程度的判断推理、逻辑思维和自主决策能力，从而可以取代制造工程中人的部分脑力劳动。

图1-12为快递智能分拣机器人。这种智能分拣机器人的体型很小，动作灵活，主要针对小件包裹。它可以扫码、称重及分拣，运行速度可达到3m/s，每小时可完成分拣约20万件。若采用人工操作，每天只能分拣5万件，机器人将分拣效率提高到四倍，准确率达100%，避免了人工分拣差错率高带来的二次处理成本的浪费，也避免了分拣员操作中出现的抛件现象。

机电一体化技术虽然不能达到人脑的智能化程度，但是机电一体化产品微处理器的准确性和高性能还是可以实现的。因此，智能化是机电一体化的发展方向。

1.6.2 系统化

系统化的表现特征之一是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构。系统可以灵活组态，进行任意的剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。表现特征之二是通信功能大大加强，除RS-232等常用通信方式外，实现远程及多系统通信联网需要的局部网络正逐渐被采用。对机电一体化产品还可根据一些生物体优良的构造研究某种新型机体，使其向着生物系统化方向发展。图1-13为餐厅送餐机器人，机器人可以通过色彩感应或者磁条感应进行准确送餐，且具有避障、语音识别功能，可以和客人对话互动。因此，机电一体化产品的系统化将是它发展的必然趋势。

1.6.3 微型化

微型机电一体化系统高度融合了微机械技术、微电子技术和软件技术，是机电一体化的一个新的发展方向。国外称微电子机械系统的几何尺寸一般不超过1cm，并正向微米、纳米级方向发展。

由于微机电一体化系统具有体积小、耗能小、运动灵活等特点，可进入一般机械无法进入的空间并易于进行精细操作，故在生物医学、航空航天、信息技术、工农业乃至国防等领域都有广阔的应用前景。图1-14为美国哥伦比亚大学科学家研制的纳米蜘蛛机器人，大小仅有4nm。利用纳米机器人，可以帮助人们进行外科手术、清理动脉血管垃圾等。

1.6.4 模块化

模块化也是机电一体化产品的一个发展趋势，是一项重要而艰巨的工程。由于机电一体化产品的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、信息接口的机电一体化产品单元是一项复杂而重要的事，它需要制定一系列标准，以便各部件、单元进行匹配和接口。机电一体化产品生产企业可利用标准单元迅速开发新产品，同时也可以不断扩大生产规模。

1.6.5 网络化

网络技术的飞速发展对机电一体化有重大影响，使其朝着网络化方向发展。机电一体化产品的种类很多，面向网络的方式各有不同。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。

“基于物联网的机电产品协同设计制造”是近年来提出的一种产品开发、设计、制造模式，在物联网支持的环境中，一个群体协同工作完成一项机电产品的开发。作为以互联网为基础而延伸形成的新一代网络技术，物联网将成为未来实现机电产品智能化、实现产业升级与行业进步的必经之路。

1.6.6 绿色化

工业发达使人们物质丰富、生活舒适的同时也使资源减少，生态环境受到严重污染，于是绿色产品应运而生。绿色化是时代的趋势，其目标是使产品在从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期中，对生态环境无危害或危害极小，资源利用率极高。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，报废时能回收利用。绿色制造业是现代制造业的可持续发展模式。

综上所述，机电一体化是众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。它促使机械工业发生战略性的变革，使传统的机械设计方法和设计概念发生革命性的变化。大力发展新一代机电一体化产品，不仅是改造传统机械设备的要求，而且是推动机械产品更新换代、开辟新领域以及发展与振兴机械工业的必由之路。