机械电子工程专业介绍

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——机械电子工程

刘伟华、温晓东、陈婕妤、蓝新梅、粱学坚

进入大学以来，随着我们对专业的学习，上网及翻书查阅资料，初步对我们的专业有了大体的了解，较清楚的了解它的概况、内涵、设置分布、办学特色以及前景。

一、国内外概况

70年代，日本适时地将迅速发展的微处理技术、集成电路及传感器技术与精密工程相结合，开发了系列融机械、微电子、计算机、控制技术为一体的新型机械，并形成了一个新的专业名词“机电一体化”，近40年来，日本推出的机电一体化产品逐步占领了国际市场，给日本带来了巨大的经济效益，是“日本经济奇迹”的主要组成部分，对国际经济的影响深度甚至不亚于能像和计算机本身。随着机电一体化产业的发展，80年代初，日本机械学会编辑出版了《机械电子学》丛书，东京大学精密机械专业提出了将Mechatronics作为一门新兴的应用学科，东京大学和东京工学院等相继设立机械电子学的本科乃至博士专业，旨在培养未来的机械电子学工程师，担负下一代产品设计及精密制造工作。

美国的微电子技术发达，但其机电一体化产业起步较晚，发展不如日本，其重要原因是大学的教育没有适应机电一体化技术的发展，大学的机械系没有突破传统的模式，因而造成机电一体化人才的缺乏。80年代中后期，美国已认识到了这一问题，并在努力改变这种状况，如美国自然科学基金委员会1985年投资兴建6个国家工程实验室，在加州大学Stanta Rarbara分校投资1400万元建立的机器人系统微电子学中心就是其中之一。

英国兰开斯特大学、剑桥大学于70年代后期在大学高年级设置“电气——

机械接口”选修课，在1985年设置了机械电子学工程硕士学位课。

近三十年来，国内一些院校相继试办机电一体化类型专业，大多数是由机械设计及制造专业发展而来的，机械工程师进修学院和有些院校还办了机电一体化“专升本”继续教育。1989年，国家教委将“机械电子工程专业”列为试办专业，1993年列为正式专业。中国机电一体化协会1990年、1991年在无锡市、1993年在桂林市召开过三届“机电一体化教学研讨会”，参会院校由21所发展到40余所。目前，还有一些院校正在建立机械电子工程专业，这与当今机电一体化发展的潮流是完全吻合的。

二、机械电子工程专业内涵

机械电子工程是一个以机械、微电子和计算机应用技术为三大支柱的新型边缘学科，它还涉及到控制论和信息科学。Mechatronics这个日制英语名词，是在70年代初以商标形式出现的，早期的理解是“机电一体化”，是指带有电子电气装附件的机械系统，用以实现纯机械系统所不能实现的功能或用以简化机械系统的结构。现今对Mechatronics的理解是“机械电子学”，是探讨机械与电子技术相结合，研究设计由计算机控制的智能机械的理论与方法的应用科学，它是“机电一体化”的进一步深入和发展。凡是应用机械电子学理论与方法设计出来的产品都可称为机电一体化产品；反之，机电一体化产品并非一定是在机械电子学的基础上创造出来的。

日本对Mechatronics较权威的解释是：Mechatronics是指在机构的主动功能、信息处理功能和控制功能上引入电子技术，并将机械装置和电子设备以及软件等有机结合起来构成的产品或系统，同时，它又表示一个在技术概念与技术内容都有所创新的综合性学术领城。美国学者V. Daniel Hunt在机械电子学一书中将Mechatronics概括为“有计划地应用和有效地把机城与电子结合起来，

以创造最优产品”。英国学者D. A. Bradley等认为机械电子学是指在决定产品和生产过程基本设计阶段就开始考虑如何将精密机械技术与电子控制系统有机地触为一体。我国学者一般将机电一体化产品和技术统称为“机械电子工程”，并把柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS）及自动化生产工程也包括在内。

机械电子工程是机械、电子和计算机工程等多学科交叉与融合的产物，又不断通过学科交叉、技术融合和创新，使其本身得到持续地发展。机械电子工程是多技术融合与集成而面向应用的学科。一类应用是种类繁多的采用机械电子技术的物理产品，包括机械类产品和大量非机械类产品，可以把它们分为加工机、信息机和动力机；另一类应用是采用机械电子技术的各种制造过程，如柔性制造系统、计算机集成制造系统等。两种应用都是独立的系统，强调不同技术的集成与融合，从而追求系统达到优质、高效、低耗、清洁和柔性；机械电子产品的规模小，而制造过程则是一个大系统；机械电子产品本身主要是技术的集成，而制造过程还要将技术和管理结合起来，从而形成制造技术、信息技术、管理科学等相关科学技术交融的先进制造技术。

机械电子工程的主要特征表现为：快速更新、技术交叉和多层次发展。微电子技术、计算机技术以及信息技术的快速发展必然推动机械电子系统的进一步更新和换代。学科交叉、技术融合以及技术创新是机械电子工程迅速发展的关键。机械电子系统的内容和结构呈现从低级到高级的多层次性，如智能机械电子系统可以从初级、中级、高级到接近人类智慧。不同级别的系统可以根据实际需要同时并存，并不是在出现更高级的系统后，较低级的系统就必然淘汰。机械电子系统设计最具挑战的问题之一是系统结构的设计，即硬件(驱动器、传感器、仪表、电源、集成电路芯片、控制器以及数字信号处理芯片等)和软件(完

成传感和控制的环境及算法、信息流及数据采集、仿真、虚拟机等)的选择。

机械电子系统可以分为：(1)常规机械电子系统； (2)微机械电子系统(MEMS)；(3)纳米机械电子系统(NEMS)。常规机械电子系统和微机械电子系统的基本原理是相同的，而纳米机械电子系统正在使用不同的概念和理论进行研究。设计人员利用经典力学和电磁学理论研究常规机械电子系统和微机械电子系统，而量子论和纳米电子力学被用作研究纳米机械电子系统。机械电子工程专业不同于其它以自然科学为基础的专业，它更多的是深入研究工程设计问题，重点是将控制、微电子以及计算机等相关领域的技术应用于机械系统和制造过程。因此，机械电子工程是对包括机器设计、物体运动控制、能量转换、热力学、热交换、流体力学以及机械控制等方面的广泛领域进行研究。对机械结构设计更多的是考虑机械系统设计以及整个系统的相互作用，从控制的角度，研究和了解系统的各部件是如何在控制之下作为一个有效和有机的完整系统协同一致工作的；从能量转换的角度，分析和决定零部件的最佳组合方案，以及怎样协调和控制系统设计以确保系统设计的全过程按系统的设计方案运转。机械电子工程专业定位在“机械工程”的大领域，突出光、机、电有机结合和融合，主要对机械控制、测量、状态监控等方面开展研究和设计。因此，其主要的关键技术包括：(1)检测传感技术，(2)信息处理技术，(3)自动控制技术， (4)伺服传动技术，(5)精密机械技术，(6)系统总体技术。

三、机械电子工程专业的专业设置和分布

机械电子工程是将机械学、电子学、信息技术、计算机技术、控制技术等有机融合而形成的一门综合性学科，它是机械工程一级学科下的二级学科，下面包含一个三级学科——液压控制。机械与电子、计算机以及控制等技术有机结合而产生的新理论、新技术、新系统和新产品，在国民经济各领域机电一体

化设备以及生产过程自动化中，得到了广泛的应用，对科技的发展起着重大促进作用。主要课程有：工程制图、机械原理、工程力学、机械设计、电工与电子技术、机电传动控制、微机原理及接口技术、测试技术、自动控制原理、软件工程、机械制造工程、数控技术、CAD／CAM等。

从人才培养层次上划分，机械电子工程专业人才培养可分为研究生层次、本科层次和专科层次。目前，机械电子工程专业的设置出现两头大，中间小的状况。在研究生层次上，几乎每一个有机械工程一级学科的研究生院或研究生部的学校都开设了机械电子工程专业，每年为我国培养数以万计的机械电子高层次人才。在本科层次上分为两种情况，一种是学校独立设置了机械电子工程专业，目前本科高等院校中设置机械电子工程本科专业的只有三十多所，如同济大学、上海大学、北京理工大学、武汉科技大学、华南理工大学、重庆大学、哈尔滨理工大学、江苏大学等高校。第二种是学校在机械设计制造及其自动化和机械工程及其自动化两个专业下开设的机械电子或机电一体化专业方向，也称为准机械电子工程专业，这种学校数量众多。第三种是专科层次，主要分布在职业技术学院中，几乎所有的工科职业技术院校中都设立了机电一体化专业，而且每年培养的学生数量很大。在上述三个层次人才培养中，大部分本科院校的机械电子工程专业和专科层次的机电一体化专业培养的是应用型人才。高等学校机械电子工程专业人才培养的目标主要是从事机械电子产品及将机械电子技术应用于制造过程的研究和应用开发人员，目标是培养复合型人才。国内外许多院校在人才培养模式上都在进行不断的探索，比较多的做法是课程整合，要求学生在掌握数学、外语和计算机基础上学习两个学科，机械+电子或机械+计算机的专业基础课和专业课，再加一些机电一体化的综合课程。这种课程体系的安排使得学生负担过重，而且有许多课程在课时上进行了压缩，知识梯度

加大，不少学生不仅难以“吃深”和“吃透”所学的内容，而且还失去自主学习的兴趣。另一种方法是延长专业的学制，机械专业的本科加上电气或电子类专业的双本科，或者采取机械电子工程专业本、硕连读，这种模式提高了教育的成本，是一种性价比较低的教学方法和人才培养模式。高等学校对机械电子工程专业本科生和研究生的培养方法应该是有所区别的，特别是对本科生这一层次的人才培养体系较难掌握。

四、机械电子工程专业的办学特色

机械电子工程专业的应用型人才应该具有机械设计制造的基础知识，掌握自动控制的基本理论，掌握机、电、液及计算机控制的基本方法和具有一定的软件编程能力，同时要获得机电一体化系统或产品设计的基本训练，由于机械设计与制造的对象很多，也就形成了各学校的教学特色，例如通用机械、船用机械、动力机械、工程机械、食品、包装、林业、化工、汽车等等。在学生培养的过程中，由于电子、电气、计算机技术的手段很多，每所学校部是根据学校的办学要求、本身的各方面的基础条件，设定培养目标、制定培养方案和计划。各校在理论教学与实践性环节的教学上的侧重点上有不同，有的在数控加工、编程上强化，有的在单片机系统设计、程序开发上强化，有的在PLC应用上加强，有的在液压控制上下功夫等等，形成了学校自身的专业特色，加强实践能力培养是人才培养的关键。

1、建立多层次的实践能力培养训练体系

从专业教学角度来说，实践课分为课程实验、课程设计、生产实习、综合实验、专项技能训练、毕业设计等环节。从训练层次来分，把实践技术的训练分为基础训练、综合训练、工程训练三个层次。学生实践能力的培养必须遵循从简单到复杂，从基础到综合的培养方法在实践教学中必须建立分层训练的培

养机制、重视学生实践训练过程和结果。

2 、加强实验、课程设计、毕业设计实践环节的指导和考核

从近年的教学现状来看，用于实验教学的设备数量不断增多，但学生的实践能力却提高缓慢，原因是多方面的，一是教师的指导精力不足，由于学生数量增多，教师正常的实验都指导不过来，更不用说指导学生的综合设计实验和创新能力设计实验；二是学生在实验过程中参与性不够，特别是在几个人一组的实验中，往往动手的只是少数几个同学，其它的同学只是袖手旁观，根本没有参与实验的过程。三是考核工作不完善，教师重视的是实验报告，对实验过程的考核不能够严格要求，对实验中关键过程不能够严格把好关．虽然学生表面经历了这一关，但没有获得基本技术的训练，这种情况在高校教学中非常普遍。

3 、加强校内外实习基地建设

由于受企业生产任务和经济效益的制约，学生在校外实习困难较多。建立稳定的校外教学实习基地是解决教学实习难的根本途径。在加强校外教学实习基地建设的同时，要加大校内教学实习基地建设的力度，不断充实实验教学设备。

五、办学中存在问题和办学前景预测

机械电子工程专业是一门实用性较强的专业，在当今社会中具有较强的生命力，社会对机械电子专业各层次人才的需求比较旺盛。其就业前景主要到工业企业、科研机构、高等学校和国家机关从事技术开发、技术管理、科研、教学、经贸以及管理工作。据调查，目前我国对机械制造的基础技术人员储备已经达到相当规模，但对像机械电子这样的复合人才需求供不应求，特别是那些既懂得理论又具有应用开发经验的人员在市场上非常受欢迎。但是，机械电子

专业在办学过程也存在一些问题，主要表现为学校培养的人才在实践能力和企业的要求上还有较大的差距，高等学校培养的机电一体化人才在质量上还有待于提高。长期以来，机械电子工程专业的毕业生在人们的头脑中留下了一个不利的影响，认为他们在机械设计能力上比不上机械设计制造及其自动化专业毕业的学生、在设备控制上不如电气工程及自动化专业的毕业生。机械电子工程专业的毕业生经常受到用人企业的排斥，失去了复合人才所应能发挥的作用。

在积累了多年的教学经验之后，机械电子工程专业的教学在课程体系上以及实践能力提高方面已摸索出一定的经验，今后还有许多问题需要做进一步的探索。目前有很多院校在积极申报本科机械电子工程专业，这将会促进机械电子专业人才的培养步伐，为社会输送更多高质量的机电复合人才。