機電一體化的應用領域和發展趨勢

王緒東 姜培剛

摘 要：機電一體化是集機械、電子、信息等多門技術發展、融合的成果，并在工程和日常生活中廣泛應用，本文介紹了機電一體化的內涵、應用領域以及發展趨勢，并對我國機電一體化設備的發展現狀進行闡述。

關鍵詞：機電一體化；應用領域；發展現狀；發展趨勢

中圖分類號： TH-39 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）15-96-2

1 機電一體化的概述

“二戰”結束后，隨著世界經濟的恢復和科學技術的發展，促進了機械制造技術、微電子技術、信息技術、自動控制等先進技術的發展。各個技術相互交叉，相互融合，機電一體化作為一門新的技術出現，并深刻影響著各個國家的經濟、科技、社會等領域。機電一體化技術已經成為機械制造業乃至國家工業發展水平的重要標志。面臨著我國人口紅利減少的嚴峻形勢，減少勞動力的使用，提高機電一體化水平已迫在眉睫。

機電一體化作為一門新的技術，它融合了機械制造技術、電工電子技術、微電子技術、傳感器與檢測技術、信號變換與接口技術、信息通訊等先進技術，并在上述技術的基礎上進行升級，并應用到工業生產當中。機電一體化技術是對原有技術的改良和升級，而不是簡單的拼湊，機電一體化跟機械電氣化在含義上有著本質的區別。機電一體化技術包括：機械本體部分、伺服驅動部分、傳感器與檢測部分、控制及信息處理部分。通過對機電一體化技術應用的研究可以得知，機電一體化主要包括產品和技術兩個方面。從某種程度上來說，現代自動化設備都是機電一體化設備。

2 國內機電一體化設備的發展現狀

我國機電一體化設備發展起源于二十世紀六十年代，經過幾十年的發展已經取得了顯著的成就，并廣泛應用于各行各業，但是跟國外相比，仍然有一定的差距，主要體現在：一方面，機電一體化產品的層次仍較低，主要是中低端產品。另一方面，機電一體化產品的質量難以保證，主要體現在產品的可靠性較低，平均無故障工作時間跟國外的相比差距比較明顯。還有，技術儲備方面仍然比較薄弱，產品的創新能力不足。機電一體化設備主要用在以下領域：

2.1 機械加工

我國是機械制造大國，享有“世界工廠”的美譽，機械加工的基本設備——數控機床在我國擁有較大生產量，在2010年我國已經超過意大利，位列世界前三，目前我國數控機床占國內市場的31%，其余仍需進口，而在高端機床方面，僅占4%，幾乎被國外壟斷。跟普通機床相比，數控機床具有操作方便、加工精度高、加工質量穩定、加工柔性好等特點。雖然經過多年的發展，我國機床制造水平取得了巨大的進步，但仍處于世界中等水平，機電一體化產品存在可靠性較為薄弱，研發成本較為昂貴，企業的自主創性能力不足等缺點。

2.2 自動化設備

隨著機電一體化技術的發展，以及人們對于生產自動化需求的不斷提高，機電一體化產品已經廣泛應用于工業生產以及各個行業。在啤酒行業的自動封裝設備，機械行業的自動焊接生產線，汽車行業的自動噴涂生產線，以及德國的無人化工廠，快遞行業的包裹自動分揀設備，ATM的錢幣自動分揀設備，餐飲行業的自動送餐機器人，這些設備無不將人類從繁重的體力勞動中解放出來。

2.3 國防設備

眾所周知，強大的國防是國家安全的重要保障，機電一體化技術廣泛的應用在國防裝備中。如坦克的彈藥自動填裝系統、自動瞄準系統、戰斗機的電傳操縱系統、頭盔瞄準具，航空發動機的數字供油系統、軍艦的自動化儀表、各種無人機的自主飛行校驗系統，都應用了機電一體化技術。

2.4 極端惡劣的工作環境

在一些極端的工作環境下，用機器人代替人操作幾乎是唯一的手段，例如，切爾諾貝利核電站和福島核電站事故中工作的機器人，用于在地震廢墟中搜尋的機器人，我國的“蛟龍號”水下探測器以及下潛到海底一萬多米的“海溝”跟“海神”號水下勘探機器人，軍工方面應用廣泛的拆彈機器人，航天領域的各種探測器，這些都很好的替代了人類的勞動。

3 機電一體化的發展趨勢

3.1 智能化

隨著計算機、模糊技術、混沌學、人工智能等領域的發展，并在機電一體化領域的廣泛應用，使得很多機電設備具有自主判斷、邏輯思維和自主決策的能力，促使機電一體化設備的功能和工作效率有了較大的提高，使用的領域更加廣泛。在軍事領域，如戰斧式巡航導彈，和X47-B無人機，能自動識別，自主判斷，然后對目標發動攻擊。在家庭方面，如各類家庭機器人，已經在國內外開始推廣使用。在其他方面如電子產品的人臉識別系統、語音識別系統，能夠使產品的使用更加的方便、安全。

3.2 網絡化

隨著網絡的發展和普及，已經深深地影響了我們的生活。很多機電設備都是借助網絡平臺實現工作，如各式各樣的ATM終端，校園網自動充值終端、云端控制的智能教室等。網絡具有功能強大、實時性強、使用方便等優點，使用者可以在遠離工作環境的情況下就能夠對設備進行遠程操控，使操縱者能夠避免惡劣工作環境對人體造成的傷害。機電設備網絡化能夠讓使用者享受高科技帶來的便捷。

3.3 綠色化

隨著經濟的發展，我們在享受到發展成果的同時，同樣也面臨著資源枯竭、環境污染嚴重等問題，已經對人類的生存環境構成了嚴重的威脅，嚴重制約著我國的發展。綠色化就是將節能、環保的概念融入到機電設備的設計、制造、使用、銷毀的過程中去，使研發的機電設備在制造和使用的過程中能夠達到人與自然和諧相處的目的。

3.4 光電一體化

隨著過去幾年光電技術的發展，并在更多的機電設備中采用，光機電一體化已經成為了機電一體化發展的另一個重要趨勢。例如具有視覺功能的自動焊接設備、食品行業的自動裝箱設備、激光測距儀、自動駕駛汽車等。光電技術具有非接觸式測量、抗干擾能力強和對目標持續長時間穩定跟蹤等優點。

3.5 柔性化

在機電產品設計的過程中，設備的控制系統跟執行系統盡可能有足夠的冗余空間，以便應對突發事件，提高系統的穩定性跟可靠性，使系統更加靈活。在設計的過程中要保證每個子系統之間有一定的獨立性，以防止某個系統出現問題而影響整個系統的使用性能。

3.6 模塊化

目前，國內機電設備的生產廠家數量眾多，而且生產的產品類型也較為復雜，由于產品都是按照自己企業的標準制定，導致不同產品之間的零部件的互換性較差，在產品的研發過程中，企業要自己制定標準，在產品的后期維護過程中容易出現產品零部件的更換只能從原廠家購買，對產品的維護極為不方便。目前各個機電設備廠家應該聯合起來，制定統一的行業標準，讓每個零部件規范化、模塊化，以便于在設計的時候可以直接用現成的模塊進行組裝，減少設計成本，在后期維護的過程中，使用者可以直接在市場上買到相應的零部件，降低了采購成本。

4 結論

綜上，經過多年的發展，我國機電一體化設備已經取得了可喜的成果，廣泛的應用到機械加工、工業生產、國防等領域，對于我國的現代化建設具有不可磨滅的作用。不論是在工作還是日常生活中，我們的確享受到了機電設備帶給我們的便捷，但是，與此同時，我們也清醒地看到跟國外發達國家之間的差距，把握好機電一體化設備的智能化、網絡化、綠色化、光電一體化、柔性化、模塊化的發展趨勢，廣泛學習國內外先進技術，增加知識儲備，努力培養機電一體化設備的研發人員，不斷提高自主創新能力，才能研發出更加高性能、高質量的機電一體化設備。

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