1.2 机电一体化的发展历程

1.2.1 理论形成阶段

与其他科学技术一样，机电一体化技术的发展也经历了一个较长期的孕育过程。有学者将整个发展过程划分为萌芽阶段、快速发展阶段和智能化阶段三个时期，这种划分方法真实客观地反映了机电一体化技术的发展历程。

“萌芽阶段”指20世纪70年代以前的时期。在这一时期，尽管机电一体化的概念没有正式提出来，但人们在机械产品的设计与制造过程中总是自觉或不自觉地应用电子技术的初步成果来改善机械产品的性能，特别是在第二次世界大战期间，战争刺激了机械产品与电子技术的结合，出现了许多性能优良的军用机电产品，如雷达的锁定与追踪系统，坦克炮塔的行进间瞄准系统等。这些机电结合的军用技术在战后转为民用，对战后经济的恢复和技术的进步起到了积极的作用。

20世纪70年代到80年代为第二阶段，称之为“快速发展阶段”。在这一时期，人们自觉地、主动地利用3C技术的成果创造新的机电一体化产品。在这一阶段，日本在推动机电一体化技术的发展方面起了主导作用。日本政府于1971年3月颁布了《特定电子工业和特定机械工业振兴临时措施法》，要求企业界“应特别注意为机械配备电子计算机和其他电子设备，从而实现控制的自动化和机械产品的其他功能”。经过几年的努力，日本在机电一体化技术方面取得了巨大的成就，这在一定程度上推动了日本经济的快速发展。其他西方发达国家对机电一体化技术的发展也给予了极大的重视，纷纷制定了有关的发展战略、政策和法规。我国机电一体化技术的发展也始于这一阶段，从20世纪80年代开始，原国家科委和原机械电子工业部分别组织专家根据我国国情对发展机电一体化的原则、目标、层次和途径等进行了深入而广泛的研究，制定了一系列有利于机电一体化技术发展的政策和法规，确定了数控机床、工业自动化控制仪表、工业机器人、汽车电子化等15个优先发展领域及6项共性关键技术的研究方向和课题，并明确提出要在2000年使我国的机电一体化产品产值比率，即机电一体化产品总产值占当年机械工业总产值的比值达到15%～20%的发展目标。

从20世纪90年代开始的第三阶段，称之为“智能化阶段”。在这一阶段，机电一体化技术向智能化方向迈进，其主要标志是模糊逻辑、人工神经网络和光纤通信等领域的研究成果应用到机电一体化技术中。模糊逻辑与人的思维过程相类似，用模糊逻辑工具编写的模糊控制软件与微处理器构成的模糊控制器，广泛地应用于机电一体化产品中，进一步提高了产品的性能。例如采用模糊逻辑的自动变速器控制器，可使汽车性能与驾驶人的感觉相适应，用发动机的噪声、道路的坡度、速度和加速度等作为输入量，控制器可以根据这些输入数据找出汽车行驶的最佳方案。除了模糊逻辑理论外，人工神经网络（Artificial Neural Network，简称“ANN”）也开始应用于机电一体化系统中。“ANN”是研究生物神经网络（Biological Neural Network）的产物，是对人脑的部分抽象、简化和模拟，反映了人脑学习和思维的一些特点。同时，“ANN”是一种信息处理系统，它可以完成一些计算机难以完成的工作，如模式识别、人工智能、优化等；也可以用于各种工程技术，特别适用于过程控制、诊断、监控、生产管理、质量管理等方面。因此，“ANN”在机电一体化产品设计中也十分重要。可以说，智能化将是21世纪机电一体化技术发展的重要方向。

1.2.2 技术现状

机电一体化技术是工业三要素，即物质、能量、信息的高度融合，它代表了现代工业的发展水平和方向。机电一体化占据主导地位是制造产业发展的必然趋势，而制造产业是整个科学技术和国家经济发展的基础工业，因而机电一体化在当前激烈的国际政治、军事、经济竞争中起着举足轻重的作用，受到各工业国家的极大重视。

（1）国外的发展现状

日本“科技振兴政策大纲”将智能传感器，计算机芯片制造技术，具有视频、触觉和人机对话能力的人工智能工业机器人，柔性制造系统等，列为高技术领域的重大研究课题。

西欧高技术发展规划“尤里卡”计划，提出将五大关键技术领域、24个重点攻关项目作为欧洲高技术发展战略目标，其中包括研制可自由行动、决策并易于人机对话的欧洲第三代安全民用机器人，广泛合作研究计算机辅助设计、制造、生产、管理的柔性系统，实现工厂全面自动化等机电一体化研究方向。

1991年3月，美国国家关键技术委员会在向总统提交的首份双年度报告“国家关键技术”中，列举了22项对于美国国家经济繁荣和国防安全至为关键的技术，并对各项入选技术的内容范围，选择依据和国际发展趋势进行了评述，着重强调了技术的有效利用。其中包括机器人、传感器、控制技术和CIMS及与CIMS相关的其他工具和技术，如仿真系统、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）、成组技术（GT）、计算机辅助工艺规程编制（CAPP）、工厂调度工具等。报告指出：在制造业方面，目前的发展趋势是加速产品推广，缩短产品生产周期，增加柔性以及实现设计—生产—质量控制一体化技术，那些未朝这一方向努力的公司将变得越加缺乏竞争力。要实现合理的生产经营活动，制造厂家必须在整个生产经营中实施先进的制造技术及管理策略。

鉴于资金、技术密集型的高技术在发展初期投资大、回收少的特点，多数国家政府给予资金支持和必要的政策优惠。

如前西德1984～1988年的五年计划确定，提供5.3亿马克用于资助计算机辅助设计和制造的应用，扩大工业机器人、软件操作系统和外围设备的工业基础等先进生产技术的应用。

日本政府早在1971年制定的《特定电子工业和特定机械工业振兴临时措施法》中，已把数控机床作为重点扶植对象。1978年颁布的《特定的机械信息产业振兴临时措施法》又提出促进高精度、高性能机器人的工业化和实用化，开展特殊环境作业用的机器人研究。为此，日本政府于1978～1984年间拨款90亿日元开发数控技术；1983年组织了机器人、计算机、机械等行业10家制造厂参加极限作业环境机器人的开发研制，总投资300亿日元，其中1/2由政府资助。号称“数控王国”的日本，2000年金属切削机床的产值数控化率为88.5%，产量数控化率为59.4%。

美国1983年制定的“星球大战（SDI）”计划投资1000亿美元以发展高技术，其中也包括发展空间机器人、核能机器人、军事机器人及工业机器人等相关技术。美国国家科学基金会（NST）每年投资100万美元，国家标准局（NBS）每年投资150万美元用于发展相关技术。1985～1995年间，美国用于研制军用机器人和智能机器人的经费从1.86亿美元增至9.75亿美元。国家规划和支持对美国机器人技术的发展起了很大的推动作用。

近年来，随着人工智能技术、数字化制造技术与移动互联网之间创新融合的步伐不断加快，发达国家纷纷做出战略部署，抢占机器人产业制高点。

美国2011年开始推行的“先进制造业伙伴计划”中明确要求，通过发展工业机器人重振美国制造业，并凭借信息网络技术的优势，投资28亿美元开发基于移动互联技术的新一代智能机器人。日本制定了机器人技术长期发展战略，将机器人产业作为“新产业发展战略”中7个重点扶持的产业之一，仅在类人机器人领域，就计划10年共投资3.5亿美元。韩国制定了“智能机器人基本计划”，2012年10月发布了“机器人未来战略展望2022”，将政策焦点放在了扩大韩国机器人产业并支持国内机器人企业进军海外市场等方面。2014年自动化与机电一体化国际贸易博览会在德国慕尼黑举行。欧盟委员会副主席、数字与电信政策专员內莉·克勒斯在博览会开幕式上宣布，将启动“火花”计划，计划投入28亿欧元用于研发民用机器人，这是目前全球最大的民用机器人研发计划。

总体来说，机电一体化的产品在制造领域中分布广泛，在工业发达的国家，机床的数控化程度十分惊人。工业机器人也越来越向着智能化和智能系统的方向发展，其数量的增速也是惊人的。计算机集成制造系统在全球制造业范围内也表现出它的优势，它是全局动态实现的最优综合，是未来制造业发展的趋势。自激光技术进入机电一体化体系以来，大大促进了机械、电子和激光技术的结合，更加促进了信息业和制造业的巧妙结合。此外微电子技术的日益精密化和设备的迅猛发展，使得电子产业发展向微机械的过程加速发展。

（2）国内发展现状

我国是发展中国家，与发达国家相比工业技术水平存在一定差距，但有广阔的机电一体化应用开拓空间和技术产品潜在市场。改革开放以来，面对国际市场激烈竞争的形势，国家和企业充分认识到机电一体化技术对我国经济发展具有战略意义，因此十分重视机电一体化技术的研究、应用和产业化。我国“高技术研究发展计划纲要（863计划）”，项目主旨思想由陈芳允、王大珩、王淦昌、杨嘉墀四位中科院院士最早提出，即将自动化技术，重点是CIMS（computer integrated manufacturing system）和智能机器人等机电一体化前沿技术确定为国家高技术重点研究发展领域。经过多年的发展，我国在利用机电一体化技术开发新产品和改造传统产业结构及装备方面都有明显进展，取得了较大的社会和经济效益。

数控机床方面，经过“六五”“七五”“八五”和“九五”计划这20年的发展，基本上掌握了关键技术，建立了多处数控开发和生产基地，培养了一批数控人才，初步形成了自己的数控产业。“八五”计划攻关开发的华中1号、中华1号、航天1号和蓝天1号4种基本系统建立了具有中国自主版权的数控技术平台。1990年，我国数控金属切削机床产量仅2634台，而到2001年产量和消费量已分别上升至17521台和28535台，在1990～2001年的11年中，数控金属切削机床产量和消费量的年均增幅分别达到18.8%和25.3%。现在我国数控技术行业已经具有年生产数控系统3000多套，主轴与进给装置5000多套的能力，成为促进国民经济增长的重要产品。掌握关键数控技术并形成自我开发和生产能力，对于发展民用工业和国防工业都有不可替代的作用，同时增强了我国的综合国力。

目前，中国是世界上最大的数控机床进口国和消费国，2010年，中国机床消费同比增长43%，达到284.8亿美元，其中进口约为94亿美元，成为世界第一大机床消费国。

面对巨大的消费市场，尽管“十一五”期间我国机床行业实现了较快发展，但高档数控机床产值仅约占金属加工机床行业产值的10%～15%，多数高档数控机床产品仍需大量从国外进口，以数控系统来说，我们的数控系统80%以上是进口的。我国机床行业仍面临着：中高档数控机床产业化程度不高、市场竞争力不强；高档机床生产和制造能力偏弱，数控系统和功能部件发展速度较慢；产业结构仍然有待优化等亟待解决的问题。

2010年10月，国务院审议并通过的《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》也明确指出要积极发展以数字化、柔性化及系统集成技术为核心的智能制造装备，其中高档数控机床成为了发展的重中之重。整个“十二五”期间，高端装备制造业的发展将在很大程度上推动机床行业快速增长。根据“高档数控机床与基础制造装备的”专项规划，到2020年，航空航天、船舶、汽车、发电设备制造所需要的高档数控机床与基础制造装备的80%左右将立足国内；除了已经启动的重大专项对高档数控机床生产提出明确目标以外，高档数控机床也被纳入高端装备制造业“十二五”规划的重点工程范围内，未来我国机床行业的发展空间十分广阔。

汽车方面，1988年我国每辆汽车的电子产品费用为300元人民币，平均占整车成本的1.5%，而且能改善汽车性能的电子产品极少。我国在20世纪90年代已形成很大的汽车电子化产品市场，如1995年高能触点点火装置的需求量为50万部，电压调节器需150万部，微机控制点火装置需10万部，汽车专用集成电路需3000万块，汽车用各种传感器需200万只。市场化的经济体制带来了高效的资源配置，我国汽车电子产业在这10年间有了飞速的发展。在汽车产业高速发展的直接推动下，2012年我国汽车电子市场规模已逾2500亿元，连续7年增长率超过30%。其原因除市场需求迅猛发展外，还有国家政策带动、国际产业转移和地区竞争的促进。但由于基础研发工作薄弱，掌握的自主知识产权匮乏，产品在技术上还依附于国外，核心技术仍受制于人，我国至今没有世界知名的汽车电子产品品牌和供应商。

机器人方面，经过不断的努力，我国已经掌握有关机器人操作的设计制造技术、控制技术和软件编程等关键技术，已研制成功了用于喷漆、焊接、搬运以及能前后行走的、能爬墙、能上下台阶、能在水下作业的多种类型机器人，并广泛应用于工业、水下作业、危险作业和国防中去。特别值得一提的是，目前我国许多高校都在研究各种各样的机器人。比如，国防科技大学研发出了类人机器人、北京航空航天大学和海军总医院联合研发了医用机器人、哈尔滨工业大学研发出了足球机器人、哈尔滨工程大学研发出了水下机器人并在抚仙湖水下遗址探测上取得了成功应用等。

在2014年中国国际机器人展览会的同期论坛——中国国际机器人产业发展高峰论坛上，中国机器人产业联盟称，2013年，我国工业机器人销售量达到了36560台，同比增长60%，已经超过日本成为全球第一机器人大国。但从目前中国市场的销售情况来看，跨国公司的品牌尚占有绝对优势。中国机器人产业联盟数据表示，2013年外资品牌的机器人销售量为2.7万台，占总销售量的74%。号称国际机器人“四大家族”的发那科、ABB、库卡、安川，这四大集团已全部进驻中国，在中国市场覆盖率很高。虽然机器人总数很多，但我国机器人数量使用密度较发达国家而言依旧很低，在每千人机器人拥有量这个指标来看，我国仅有23台/千人，不到日本的十分之一，与世界平均水平也有较大差距。

在计算机集成制造系统方面，我国已取得了巨大的进步，已经掌握了一些关键技术，目前我国已在清华大学建成国家CIMS工程研究中心（ERC），在一些著名大学和研究单位建立了7个CIMS单元技术实验室和8个CIMS培训中心，在国家立项实施CIMS的企业已达70余家。1994年清华大学荣获美国制造工程师协会（SME）颁发的CIMS研究“大学领先奖”。1995年北京第一机床厂荣获SME颁发的“工业领先奖”。上述成果的取得使我国在制造业机电一体化的研究和应用方面积累了一定的经验，它必将推动机电一体化技术向更高更深的层次发展。但是，我们在看到上述成就的同时还应看到关于计算机集成制造系统的核心技术我们还没有取得突破，许多产品还需要国外的技术支持才能正常生产。

1.2.3 发展趋势

机电一体化是多学科的交叉融合，其发展和进步有赖于相关技术的进步与发展，其主要发展方向可以概括为“六化”，分别为：智能化、模块化、网络化、微型化、绿色化、人性化。

（1）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。人工智能在机电一体化的研究中日益得到重视，机器人与数控机床就是智能化的重要应用。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。诚然，使机电一体化产品具有与人完全相同的智能是不可能的，也是不必要的。但是，高性能、高速度的微处理器使机电一体化产品具有人的低级或部分智能，则是完全可能而又必要的。

（2）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非常重要的工作，如研制集智能调速和电动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、单元的接口匹配。由于利益冲突，短期内很难制定国际或国内这方面的标准，但可以通过组织一些大企业逐渐形成行业规范。显然，从电气产品的标准化、系列化带来的好处将是十分巨大的，无论是生产标准机电一体化单元的企业还是生产机电一体化产品的企业，模块化将给机电一体化企业带来美好的前程。

（3）网络化

20世纪90年代，计算机技术发展的突出成就即网络技术。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、教育以及人们的日常生活都带来了巨大的变化。各种网络将全球经济、生产连成一片，企业间的竞争趋于全球化。机电一体化新产品一旦研制出来，只要其功能独到、质量可靠，很快就会畅销全球。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使家用电器网络化成为必然趋势，利用家庭网络（homenet）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，CIAS），使人们在家里便能享受各种高技术带来的便利与快乐。所以机电一体化产品无疑是朝着网络化方向发展的。

（4）微型化

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1cm³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、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，其产品的加工采用精细加工技术，即超精密技术和微制造技术。

（5）绿色化

工业的发达给人们生活带来了巨大变化。一方面，物质丰富，生活舒适；另一方面，资源减少，生态环境受到严重污染。于是人们呼吁保护环境资源、回归自然，绿色产品的概念在这种背景下应运而生。绿色化是时代的趋势。绿色产品在其设计、制造、使用和销毁的生命过程中，符合特定的环境保护和人类健康的要求，对生态环境无害或危害极小，资源利用率极高。设计绿色的机电一体化产品，具有远大的发展前景。机电一体化产品的绿色化主要是指其使用时不污染生态环境、报废后能回收利用。

（6）人性化

未来的机电一体化更加注重产品与人的关系，机电一体化产品的最终使用对象是人，赋予机电一体化产品以人的智慧、情感、性格变得越加重要，特别是对家用机器人，人性化的高级境界就是人机一体化。