机电一体化技术推动机械制造业更智能

文｜代 松

基于机电一体化技术的应用优势，结合机电一体化技术在机械工程中的实际应用，探讨机电一体化技术在机械制造行业中的未来应用趋势，以期对我国工业发展起到推动作用

我国是工业生产大国，随着科学技术水平的不断发展，人们对于机械产品的要求朝着更智能化和高效化的方向发展，从而导致传统的机械设计和制造方式难以满足现代化工业生产的需要。而机电一体化技术作为现代化的技术手段，应用优势显著，有必要更进一步推动其在机械制造业中的应用和发展，继而实现我国工业总水平的稳步提升。

机电一体化技术是多种技术的有机融合

机电一体化的概念最早源于日本。1971年，日本《机械设计》杂志副刊提出由英文单词“Mechanics”（机械学）和“ELectronics”（电子学）组合而成的复合名词“Mechatronics”，这个新单词形成了一门新兴的学科——机电一体化学科。

新学科的形成意味着新技术的诞生，由于机电一体化学科综合了多学科知识，由此衍生出的技术综合集成也成为必然趋势。因此，机电一体化技术涵盖范围非常广，是技术的集群，从广义上包含了机械技术、电子技术、检测技术、自动控制技术、信息处理技术等多种科学技术。多种技术有机融合，有助于实现机电一体化产品的性能最优化。如今，机电一体化技术已经成为设计、生产、制造机电一体化产品不可或缺的方法与手段。

国内外机电一体化技术应用现状

早在20世纪60年代，国外一些工业化发达的国家就尝试将机电一体化技术应用到机械工程领域中。如今，国外工业先进国家的机电一体化产品已经遍及绝大多行业领域。我国机电一体化技术应用起步较晚，但作为制造业大国，我国机电一体化技术在机械制造业的应用需求巨大。随着电子、通信、计算机等技术的不断发展，我国机电一体化技术水平取得了长足的进步，并推动了我国数控机床、工业机器人等机电一体化产品的发展。

然而，我国机电一体化技术在机械制造业的应用深度相较国外先进工业国家仍有差距。以数控机床这一典型机电一体化产品来说，据普华有策统计数据显示，对于金属切削机床数控化率，日本已经超过了90%，美国超过80%，德国超过75%；而据中国统计局数据显示，截止到2019年，我国新生产切削机床数控化率只有37.5%（图1）；截止到2021年，我国金属切削机床数控化率增长到44.85%（图2），但对比国外工业先进国家的机床数控化率差距依然很大。这意味着，我国很多高端机电一体化产品依然依赖国外进口。可以说，我国的机电一体化技术应用远未达到成熟阶段。

图1 2019年我国金属切削机床数控化率

图2 2018年—2021年中国金属加工机床数控化率

机电一体化技术在机械工程中的应用优势

对于机械领域来说，机电一体化技术的应用，不但能有效提升制造过程的稳定性，还能对机械产品本身进行优化提升。

提升制造过程的稳定性。传统的机械产品生产过程中，往往大量依赖于人力操作，这样的生产过程是低效的。机电一体化技术在机械产品生产制造过程中的应用，可以实现生产过程的自动化和智能化，大大提高生产效率，降低生产难度；同时，机电一体化技术的应用可以对生产流程进行优化，提高机械精度，消除人力操作带来的产品差异化问题，生产标准将变得更为可控，从而提升机械产品的质量；另外，机电一体化技术能使得生产设备具有自动监视和报警功能，这种自动保护措施将大大降低事故发生率，增强生产过程安全性。

对机械产品本身进行优化提升。通过机电一体化技术的运用，使得传统机械产品向机电一体化产品发展也已成为大趋所势。与传统的机械产品相比，机电一体化产品具有四个方面的优越性。一是增强可操作性。自动控制技术和计算机技术等先进技术的参与，使得机电一体化产品多采用程序控制，大大提高了机械产品的可操作性，其工作过程完全根据程序预设进行，可高效、准确完成可重复性指令。特别是一些高端的机电一体化产品可以根据数学模型和参数变化自动获取最优工作方式，减少了人为参与，使其操作过程大大简化。二是提高运行性能。信息自动处理和自动控制功能，也将大大提高机电一体化产品的运行性能，进而提高其生产能力。例如，由于加工稳定性提高，数控机床相较于普通机床，生产效率至少提高5倍以上。三是产品形态更小巧。电子技术的发展与进步，使得电路芯片的性能大大提高，为制造小型化机械产品打下坚实的基础，这也是当下机械产品设计与制造的优化方向。更为小型、轻便的机械产品将在空间方面发挥更大的优势。四是产品功能更丰富。复合的技术集能所带来更大的好处，是机电一体化产品将能实现多功能复合，使得机械产品的应用范围边界也将大大拓展。

机电一体化技术在机械工程中的实际应用

对传统机床的改造是机电一体化技术在机械工程中的一个典型应用。

目前，利用机电一体化技术实现对于机床的改造，最常见是采用标准的步进电动技术在控制系统作为主要的控制装置，只需要选用国内标准化微机数控系统即可。不可否认，数控技术的运用能够使得机床具有部分自动化属性，比如能够根据实际需要旋转轴头、自动换取刀片等；但是仍有一些运用缺陷，比如对操作和维修人员的技术要求比较高，在加工复杂形状的零件时，需要进行大量的手工编程。

这些应用缺陷，将在机电一体化技术融入后被消除。数控机床的结构、功能和控制精度等都能得到有效提升。例如，采用机电一体化技术后，机床可以实现自诊断和自维修；同时实现零件形状自动识别，以适应多种复杂的加工需求；通过智能化WOP的实现，能实现二维及三维动态加工仿真；另外，在机床改造中，如果采用机电一体化总线技术取代信号控制，就可以实现不同机械设备的同步管理、多机械协同作业，大大提高生产效率。

机械工程中机电一体化技术发展方向

结合机电一体化技术的实际应用与应用优势，笔者判断机电一体化技术在机械工程中有以下几个应用方向：

机械产品微型化。目前，我国已开展对各类微米级和纳米级的机械元件进行研究，利用蚀刻技术，已经实现亚微米级的机械元件。此类机械元件如果被应用到机电一体化产品中，可以实现传感器、CPU、执行结构和机体的有机融合，机械与电子能够集合组成为一种自律元件，将不需要再区分机械部分和控制器。届时，能耗低、体积小、性能高的微型机电一体化产品将能得以实现。

智能全息系统化。人工智能技术的出现对于传统的自动化控制方式来说是具有颠覆意义的。随着人工智能技术的发展，机电一体化产品智能化的特征也将越来越明显，“全息化”已经成为人工智能技术发展的下一个重点领域。当软件技术、芯片技术以及模糊技术等人工智能技术都足够成熟时，机电一体化产品系统也将呈现出明显的“全息”特征。届时，机电一体化产品将变得更为高效与智能。

仿生物系统化。信息处理技术是机电一体化技术中的关键一环，而如今的信息处理技术正向着“类脑技术”发展，即学习和模拟仿真人脑的神经系统结构和信息处理过程。这一技术在机电一体化产品中的应用，可以使机械产品呈现出类似于“生物活性”的特性。一方面，将赋予机械产品“人格”，即机械产品获得人类的智能、情感等；另一方面是体现在生物机理上，例如胚胎型仿生即模仿生物细胞容错能力，自动清除“问题细胞”，并对正常细胞进行功能复制，以实现自我修复，保证电路系统始终正常运行。这一研究方向已经初具雏形，但仍有很长的路要走。

综上所述，机电一体化技术在我国机械工程行业具有很大应用价值，从目前我国的机电一体化产品发展现状来看，我国机电一体化技术应用已初成体系。未来，随着现代科技的不断蓬勃发展，机电一体化技术也将发挥其更大的优势，推动我国机械工程更好发展。