機電一體化技術推動機械制造業更智能

文｜代 松

基于機電一體化技術的應用優勢，結合機電一體化技術在機械工程中的實際應用，探討機電一體化技術在機械制造行業中的未來應用趨勢，以期對我國工業發展起到推動作用

我國是工業生產大國，隨著科學技術水平的不斷發展，人們對于機械產品的要求朝著更智能化和高效化的方向發展，從而導致傳統的機械設計和制造方式難以滿足現代化工業生產的需要。而機電一體化技術作為現代化的技術手段，應用優勢顯著，有必要更進一步推動其在機械制造業中的應用和發展，繼而實現我國工業總水平的穩步提升。

機電一體化技術是多種技術的有機融合

機電一體化的概念最早源于日本。1971年，日本《機械設計》雜志副刊提出由英文單詞“Mechanics”（機械學）和“ELectronics”（電子學）組合而成的復合名詞“Mechatronics”，這個新單詞形成了一門新興的學科——機電一體化學科。

新學科的形成意味著新技術的誕生，由于機電一體化學科綜合了多學科知識，由此衍生出的技術綜合集成也成為必然趨勢。因此，機電一體化技術涵蓋范圍非常廣，是技術的集群，從廣義上包含了機械技術、電子技術、檢測技術、自動控制技術、信息處理技術等多種科學技術。多種技術有機融合，有助于實現機電一體化產品的性能最優化。如今，機電一體化技術已經成為設計、生產、制造機電一體化產品不可或缺的方法與手段。

國內外機電一體化技術應用現狀

早在20世紀60年代，國外一些工業化發達的國家就嘗試將機電一體化技術應用到機械工程領域中。如今，國外工業先進國家的機電一體化產品已經遍及絕大多行業領域。我國機電一體化技術應用起步較晚，但作為制造業大國，我國機電一體化技術在機械制造業的應用需求巨大。隨著電子、通信、計算機等技術的不斷發展，我國機電一體化技術水平取得了長足的進步，并推動了我國數控機床、工業機器人等機電一體化產品的發展。

然而，我國機電一體化技術在機械制造業的應用深度相較國外先進工業國家仍有差距。以數控機床這一典型機電一體化產品來說，據普華有策統計數據顯示，對于金屬切削機床數控化率，日本已經超過了90%，美國超過80%，德國超過75%；而據中國統計局數據顯示，截止到2019年，我國新生產切削機床數控化率只有37.5%（圖1）；截止到2021年，我國金屬切削機床數控化率增長到44.85%（圖2），但對比國外工業先進國家的機床數控化率差距依然很大。這意味著，我國很多高端機電一體化產品依然依賴國外進口。可以說，我國的機電一體化技術應用遠未達到成熟階段。

圖1 2019年我國金屬切削機床數控化率

圖2 2018年—2021年中國金屬加工機床數控化率

機電一體化技術在機械工程中的應用優勢

對于機械領域來說，機電一體化技術的應用，不但能有效提升制造過程的穩定性，還能對機械產品本身進行優化提升。

提升制造過程的穩定性。傳統的機械產品生產過程中，往往大量依賴于人力操作，這樣的生產過程是低效的。機電一體化技術在機械產品生產制造過程中的應用，可以實現生產過程的自動化和智能化，大大提高生產效率，降低生產難度；同時，機電一體化技術的應用可以對生產流程進行優化，提高機械精度，消除人力操作帶來的產品差異化問題，生產標準將變得更為可控，從而提升機械產品的質量；另外，機電一體化技術能使得生產設備具有自動監視和報警功能，這種自動保護措施將大大降低事故發生率，增強生產過程安全性。

對機械產品本身進行優化提升。通過機電一體化技術的運用，使得傳統機械產品向機電一體化產品發展也已成為大趨所勢。與傳統的機械產品相比，機電一體化產品具有四個方面的優越性。一是增強可操作性。自動控制技術和計算機技術等先進技術的參與，使得機電一體化產品多采用程序控制，大大提高了機械產品的可操作性，其工作過程完全根據程序預設進行，可高效、準確完成可重復性指令。特別是一些高端的機電一體化產品可以根據數學模型和參數變化自動獲取最優工作方式，減少了人為參與，使其操作過程大大簡化。二是提高運行性能。信息自動處理和自動控制功能，也將大大提高機電一體化產品的運行性能，進而提高其生產能力。例如，由于加工穩定性提高，數控機床相較于普通機床，生產效率至少提高5倍以上。三是產品形態更小巧。電子技術的發展與進步，使得電路芯片的性能大大提高，為制造小型化機械產品打下堅實的基礎，這也是當下機械產品設計與制造的優化方向。更為小型、輕便的機械產品將在空間方面發揮更大的優勢。四是產品功能更豐富。復合的技術集能所帶來更大的好處，是機電一體化產品將能實現多功能復合，使得機械產品的應用范圍邊界也將大大拓展。

機電一體化技術在機械工程中的實際應用

對傳統機床的改造是機電一體化技術在機械工程中的一個典型應用。

目前，利用機電一體化技術實現對于機床的改造，最常見是采用標準的步進電動技術在控制系統作為主要的控制裝置，只需要選用國內標準化微機數控系統即可。不可否認，數控技術的運用能夠使得機床具有部分自動化屬性，比如能夠根據實際需要旋轉軸頭、自動換取刀片等；但是仍有一些運用缺陷，比如對操作和維修人員的技術要求比較高，在加工復雜形狀的零件時，需要進行大量的手工編程。

這些應用缺陷，將在機電一體化技術融入后被消除。數控機床的結構、功能和控制精度等都能得到有效提升。例如，采用機電一體化技術后，機床可以實現自診斷和自維修；同時實現零件形狀自動識別，以適應多種復雜的加工需求；通過智能化WOP的實現，能實現二維及三維動態加工仿真；另外，在機床改造中，如果采用機電一體化總線技術取代信號控制，就可以實現不同機械設備的同步管理、多機械協同作業，大大提高生產效率。

機械工程中機電一體化技術發展方向

結合機電一體化技術的實際應用與應用優勢，筆者判斷機電一體化技術在機械工程中有以下幾個應用方向：

機械產品微型化。目前，我國已開展對各類微米級和納米級的機械元件進行研究，利用蝕刻技術，已經實現亞微米級的機械元件。此類機械元件如果被應用到機電一體化產品中，可以實現傳感器、CPU、執行結構和機體的有機融合，機械與電子能夠集合組成為一種自律元件，將不需要再區分機械部分和控制器。屆時，能耗低、體積小、性能高的微型機電一體化產品將能得以實現。

智能全息系統化。人工智能技術的出現對于傳統的自動化控制方式來說是具有顛覆意義的。隨著人工智能技術的發展，機電一體化產品智能化的特征也將越來越明顯，“全息化”已經成為人工智能技術發展的下一個重點領域。當軟件技術、芯片技術以及模糊技術等人工智能技術都足夠成熟時，機電一體化產品系統也將呈現出明顯的“全息”特征。屆時，機電一體化產品將變得更為高效與智能。

仿生物系統化。信息處理技術是機電一體化技術中的關鍵一環，而如今的信息處理技術正向著“類腦技術”發展，即學習和模擬仿真人腦的神經系統結構和信息處理過程。這一技術在機電一體化產品中的應用，可以使機械產品呈現出類似于“生物活性”的特性。一方面，將賦予機械產品“人格”，即機械產品獲得人類的智能、情感等；另一方面是體現在生物機理上，例如胚胎型仿生即模仿生物細胞容錯能力，自動清除“問題細胞”，并對正常細胞進行功能復制，以實現自我修復，保證電路系統始終正常運行。這一研究方向已經初具雛形，但仍有很長的路要走。

綜上所述，機電一體化技術在我國機械工程行業具有很大應用價值，從目前我國的機電一體化產品發展現狀來看，我國機電一體化技術應用已初成體系。未來，隨著現代科技的不斷蓬勃發展，機電一體化技術也將發揮其更大的優勢，推動我國機械工程更好發展。