文｜代 松

基于機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，結(jié)合機(jī)電一體化技術(shù)在機(jī)械工程中的實(shí)際應(yīng)用，探討機(jī)電一體化技術(shù)在機(jī)械制造行業(yè)中的未來應(yīng)用趨勢(shì)，以期對(duì)我國(guó)工業(yè)發(fā)展起到推動(dòng)作用

我國(guó)是工業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，人們對(duì)于機(jī)械產(chǎn)品的要求朝著更智能化和高效化的方向發(fā)展，從而導(dǎo)致傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)和制造方式難以滿足現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的需要。而機(jī)電一體化技術(shù)作為現(xiàn)代化的技術(shù)手段，應(yīng)用優(yōu)勢(shì)顯著，有必要更進(jìn)一步推動(dòng)其在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用和發(fā)展，繼而實(shí)現(xiàn)我國(guó)工業(yè)總水平的穩(wěn)步提升。

機(jī)電一體化技術(shù)是多種技術(shù)的有機(jī)融合

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

新學(xué)科的形成意味著新技術(shù)的誕生，由于機(jī)電一體化學(xué)科綜合了多學(xué)科知識(shí)，由此衍生出的技術(shù)綜合集成也成為必然趨勢(shì)。因此，機(jī)電一體化技術(shù)涵蓋范圍非常廣，是技術(shù)的集群，從廣義上包含了機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、信息處理技術(shù)等多種科學(xué)技術(shù)。多種技術(shù)有機(jī)融合，有助于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化產(chǎn)品的性能最優(yōu)化。如今，機(jī)電一體化技術(shù)已經(jīng)成為設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制造機(jī)電一體化產(chǎn)品不可或缺的方法與手段。

國(guó)內(nèi)外機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

早在20世紀(jì)60年代，國(guó)外一些工業(yè)化發(fā)達(dá)的國(guó)家就嘗試將機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械工程領(lǐng)域中。如今，國(guó)外工業(yè)先進(jìn)國(guó)家的機(jī)電一體化產(chǎn)品已經(jīng)遍及絕大多行業(yè)領(lǐng)域。我國(guó)機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用起步較晚，但作為制造業(yè)大國(guó)，我國(guó)機(jī)電一體化技術(shù)在機(jī)械制造業(yè)的應(yīng)用需求巨大。隨著電子、通信、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)機(jī)電一體化技術(shù)水平取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，并推動(dòng)了我國(guó)數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等機(jī)電一體化產(chǎn)品的發(fā)展。

然而，我國(guó)機(jī)電一體化技術(shù)在機(jī)械制造業(yè)的應(yīng)用深度相較國(guó)外先進(jìn)工業(yè)國(guó)家仍有差距。以數(shù)控機(jī)床這一典型機(jī)電一體化產(chǎn)品來說，據(jù)普華有策統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，對(duì)于金屬切削機(jī)床數(shù)控化率，日本已經(jīng)超過了90%，美國(guó)超過80%，德國(guó)超過75%；而據(jù)中國(guó)統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，截止到2019年，我國(guó)新生產(chǎn)切削機(jī)床數(shù)控化率只有37.5%（圖1）；截止到2021年，我國(guó)金屬切削機(jī)床數(shù)控化率增長(zhǎng)到44.85%（圖2），但對(duì)比國(guó)外工業(yè)先進(jìn)國(guó)家的機(jī)床數(shù)控化率差距依然很大。這意味著，我國(guó)很多高端機(jī)電一體化產(chǎn)品依然依賴國(guó)外進(jìn)口?？梢哉f，我國(guó)的機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用遠(yuǎn)未達(dá)到成熟階段。

圖1 2019年我國(guó)金屬切削機(jī)床數(shù)控化率

圖2 2018年—2021年中國(guó)金屬加工機(jī)床數(shù)控化率

機(jī)電一體化技術(shù)在機(jī)械工程中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

對(duì)于機(jī)械領(lǐng)域來說，機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用，不但能有效提升制造過程的穩(wěn)定性，還能對(duì)機(jī)械產(chǎn)品本身進(jìn)行優(yōu)化提升。

提升制造過程的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，往往大量依賴于人力操作，這樣的生產(chǎn)過程是低效的。機(jī)電一體化技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程中的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化和智能化，大大提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)難度；同時(shí)，機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用可以對(duì)生產(chǎn)流程進(jìn)行優(yōu)化，提高機(jī)械精度，消除人力操作帶來的產(chǎn)品差異化問題，生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)將變得更為可控，從而提升機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量；另外，機(jī)電一體化技術(shù)能使得生產(chǎn)設(shè)備具有自動(dòng)監(jiān)視和報(bào)警功能，這種自動(dòng)保護(hù)措施將大大降低事故發(fā)生率，增強(qiáng)生產(chǎn)過程安全性。

對(duì)機(jī)械產(chǎn)品本身進(jìn)行優(yōu)化提升。通過機(jī)電一體化技術(shù)的運(yùn)用，使得傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品向機(jī)電一體化產(chǎn)品發(fā)展也已成為大趨所勢(shì)。與傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品相比，機(jī)電一體化產(chǎn)品具有四個(gè)方面的優(yōu)越性。一是增強(qiáng)可操作性。自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的參與，使得機(jī)電一體化產(chǎn)品多采用程序控制，大大提高了機(jī)械產(chǎn)品的可操作性，其工作過程完全根據(jù)程序預(yù)設(shè)進(jìn)行，可高效、準(zhǔn)確完成可重復(fù)性指令。特別是一些高端的機(jī)電一體化產(chǎn)品可以根據(jù)數(shù)學(xué)模型和參數(shù)變化自動(dòng)獲取最優(yōu)工作方式，減少了人為參與，使其操作過程大大簡(jiǎn)化。二是提高運(yùn)行性能。信息自動(dòng)處理和自動(dòng)控制功能，也將大大提高機(jī)電一體化產(chǎn)品的運(yùn)行性能，進(jìn)而提高其生產(chǎn)能力。例如，由于加工穩(wěn)定性提高，數(shù)控機(jī)床相較于普通機(jī)床，生產(chǎn)效率至少提高5倍以上。三是產(chǎn)品形態(tài)更小巧。電子技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，使得電路芯片的性能大大提高，為制造小型化機(jī)械產(chǎn)品打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，這也是當(dāng)下機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的優(yōu)化方向。更為小型、輕便的機(jī)械產(chǎn)品將在空間方面發(fā)揮更大的優(yōu)勢(shì)。四是產(chǎn)品功能更豐富。復(fù)合的技術(shù)集能所帶來更大的好處，是機(jī)電一體化產(chǎn)品將能實(shí)現(xiàn)多功能復(fù)合，使得機(jī)械產(chǎn)品的應(yīng)用范圍邊界也將大大拓展。

機(jī)電一體化技術(shù)在機(jī)械工程中的實(shí)際應(yīng)用

對(duì)傳統(tǒng)機(jī)床的改造是機(jī)電一體化技術(shù)在機(jī)械工程中的一個(gè)典型應(yīng)用。

目前，利用機(jī)電一體化技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)于機(jī)床的改造，最常見是采用標(biāo)準(zhǔn)的步進(jìn)電動(dòng)技術(shù)在控制系統(tǒng)作為主要的控制裝置，只需要選用國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)即可。不可否認(rèn)，數(shù)控技術(shù)的運(yùn)用能夠使得機(jī)床具有部分自動(dòng)化屬性，比如能夠根據(jù)實(shí)際需要旋轉(zhuǎn)軸頭、自動(dòng)換取刀片等；但是仍有一些運(yùn)用缺陷，比如對(duì)操作和維修人員的技術(shù)要求比較高，在加工復(fù)雜形狀的零件時(shí)，需要進(jìn)行大量的手工編程。

這些應(yīng)用缺陷，將在機(jī)電一體化技術(shù)融入后被消除。數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)、功能和控制精度等都能得到有效提升。例如，采用機(jī)電一體化技術(shù)后，機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)自診斷和自維修；同時(shí)實(shí)現(xiàn)零件形狀自動(dòng)識(shí)別，以適應(yīng)多種復(fù)雜的加工需求；通過智能化WOP的實(shí)現(xiàn)，能實(shí)現(xiàn)二維及三維動(dòng)態(tài)加工仿真；另外，在機(jī)床改造中，如果采用機(jī)電一體化總線技術(shù)取代信號(hào)控制，就可以實(shí)現(xiàn)不同機(jī)械設(shè)備的同步管理、多機(jī)械協(xié)同作業(yè)，大大提高生產(chǎn)效率。

機(jī)械工程中機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展方向

結(jié)合機(jī)電一體化技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用與應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，筆者判斷機(jī)電一體化技術(shù)在機(jī)械工程中有以下幾個(gè)應(yīng)用方向：

機(jī)械產(chǎn)品微型化。目前，我國(guó)已開展對(duì)各類微米級(jí)和納米級(jí)的機(jī)械元件進(jìn)行研究，利用蝕刻技術(shù)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)的機(jī)械元件。此類機(jī)械元件如果被應(yīng)用到機(jī)電一體化產(chǎn)品中，可以實(shí)現(xiàn)傳感器、CPU、執(zhí)行結(jié)構(gòu)和機(jī)體的有機(jī)融合，機(jī)械與電子能夠集合組成為一種自律元件，將不需要再區(qū)分機(jī)械部分和控制器。屆時(shí)，能耗低、體積小、性能高的微型機(jī)電一體化產(chǎn)品將能得以實(shí)現(xiàn)。

智能全息系統(tǒng)化。人工智能技術(shù)的出現(xiàn)對(duì)于傳統(tǒng)的自動(dòng)化控制方式來說是具有顛覆意義的。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，機(jī)電一體化產(chǎn)品智能化的特征也將越來越明顯，“全息化”已經(jīng)成為人工智能技術(shù)發(fā)展的下一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域。當(dāng)軟件技術(shù)、芯片技術(shù)以及模糊技術(shù)等人工智能技術(shù)都足夠成熟時(shí)，機(jī)電一體化產(chǎn)品系統(tǒng)也將呈現(xiàn)出明顯的“全息”特征。屆時(shí)，機(jī)電一體化產(chǎn)品將變得更為高效與智能。

仿生物系統(tǒng)化。信息處理技術(shù)是機(jī)電一體化技術(shù)中的關(guān)鍵一環(huán)，而如今的信息處理技術(shù)正向著“類腦技術(shù)”發(fā)展，即學(xué)習(xí)和模擬仿真人腦的神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和信息處理過程。這一技術(shù)在機(jī)電一體化產(chǎn)品中的應(yīng)用，可以使機(jī)械產(chǎn)品呈現(xiàn)出類似于“生物活性”的特性。一方面，將賦予機(jī)械產(chǎn)品“人格”，即機(jī)械產(chǎn)品獲得人類的智能、情感等；另一方面是體現(xiàn)在生物機(jī)理上，例如胚胎型仿生即模仿生物細(xì)胞容錯(cuò)能力，自動(dòng)清除“問題細(xì)胞”，并對(duì)正常細(xì)胞進(jìn)行功能復(fù)制，以實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)，保證電路系統(tǒng)始終正常運(yùn)行。這一研究方向已經(jīng)初具雛形，但仍有很長(zhǎng)的路要走。

綜上所述，機(jī)電一體化技術(shù)在我國(guó)機(jī)械工程行業(yè)具有很大應(yīng)用價(jià)值，從目前我國(guó)的機(jī)電一體化產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀來看，我國(guó)機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用已初成體系。未來，隨著現(xiàn)代科技的不斷蓬勃發(fā)展，機(jī)電一體化技術(shù)也將發(fā)揮其更大的優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)我國(guó)機(jī)械工程更好發(fā)展。