机电一体化的技术应用及其未来发展趋势

张建军

（内蒙古硕达智水生态科技有限公司，内蒙古呼和浩特 010050）

0.引言

从20世纪60年代以来，机电一体化（以下简称一体化）的技术在其传统的机械工业技术基础上，伴随着计算机科学技术的飞速发展和广泛应用，以及电子信息技术，特别是微电子技术、信息技术的发展而建立的一门系统技术。它是以机械技术和电子技术为主体，多门技术学科相互渗透、相互结合的产物，是正在发展和逐渐完善的一门新兴的学科。目前，机电一体化技术正逐步向正向智能机电一体化技术方向发展，其应用范围也呈现出不断扩大化的趋势。

1.机电一体化技术的分类

随着科学技术的不断发展，机电一体化技术的概念不再为某一具体产品所限制，其概念范围已经扩大成为控制系统、被控制系统结合的产品制造与过程控制的大系统。目前，全球业界通常认为机电一体技术逐步形成2个大分支，一个是机电一体化生产的过程，另一个是机电一体化的机电产品。机电一体化生产的过程意味着整个工业体系的机电一体化，如机械制造机电一体化加工过程、冶金铸造机电一体化生产过程、化工合成机电一体化生产过程、纺织印染工业的机电一体化生产过程等。机电一体化生产过程根据生产工艺流程的特点（如生产设备和生产工艺是否连续）又可划分为离散机电一体化的制造过程和机电一体化连续生产过程。前者以机械制造业为代表，后者以化工生产流程为代表。机电一体化的全部生产过程囊括5个部分即产品深化设计、原材料加工、成品组装、成套设备检验的全部过程生产自动化，自动化经营管理等，其中包含多个自动化生产线，它的高端模式就是计算机集成制造系统，简称CIMS。其具体包括的系统有计算机的辅助制造、辅助设计、辅助工艺过程设计、CAD/CAM集成、柔性制造等系统。

2.机电一体化技术的发展趋势

2.1 智能化趋势

机电一体化和传统的机械自动化最主要的区别中，其中一个就是智能化趋势，这也是21世纪机电一体化技术非常大的繁荣发展趋势。人工智能技术在机电一体化发展过程逐渐被人们重点关注，最重要的应用就是机器具与数控机床智能化进行有机结合。这里提到的“智能化”指对机器操作控制的具体表述，是以控制理论为基础，集人工智能技术、运筹学理论、计算机科学技术、模糊数学理论、心理学理论、生理医学理论等新思维、新举措的优点，通过模拟人类智能使其具有人类特有的推理、判断、自主决策及逻辑思维，从而达到更高更多的控制目标。近年来可以在制造过程中替代一部分人脑劳动[1]。

2.2 系统化趋势

系统体系的结构，进一步采用总线结构为模式化和开放式，是系统化的第一个表现特征。其通信功能可以大大加强，是系统化的第二个特征。目前，除了RS232等常用的通信方式之外，能够实现远程以及多系统的通信需要，这样的局域网正逐步被应用。在未来，机电一体化将更注重其产品和人的连接，研究某种最新型机体为依据，促使其向生物系统化的方向深入发展。

2.3 微型化趋势

微型化在20世纪80年代末兴起，主要指的是一体化朝向微型机器微观领域与发展的趋势。在国外，将其定名为微电子机械系统简称MEMS，泛指在几何大小上不超过1cm的一体化的产品，并逐步向微米以及纳米级过度。因为微机电一体化系统在耗能、体积、运动灵活等方面极具优势，可以在一般机械都没有办法进入的空间内轻松进行精细化作业，故其被广泛应用于生物医学、信息技术、航天航空、工农业乃至军事国防等许多研究范围。

2.4 模块化趋势

模块化的发展趋势是一体化产品的一个重要发展方向，是一项任重而道远的工程。目前，生产这些产品的品种和生产厂商的水平残次不齐，开发、研制电气接口、标准的机械接口、信息接口、动力接口的一体化的产品单元就变成了一项艰巨而繁杂的工程。其过程需要通过制定一系列标准，保证各个部件以及各个单元的匹配与接口的对接其产品的生产厂商可以应用标准的单元提升新产品研发的速度，从而持续不断的扩大原本的生产规模。比如：研制具有集变频、减速、调速电机作为一个整体的动力驱动单元；集图像各种处理功能为一体的电机一体化控制单元等。如此，在产品开发设计之初就可以将这些标准的模块化单元整合并快速研发出新产品。

2.5 网络化趋势

进入20世纪90年代，以互联网技术为代表的计算机应用技术等取得了显著的成就。随着互联网技术的兴起与快速发展，科学与技术、工农业生产、军事政治、教育以及人们的普通日常都发生了翻天覆地的转变。庞大的网络系统将全世界经济、生活生产连成网格状，促使企业的竞争呈现全球化趋势。受网络技术的影响，机电一体化也逐渐向网络的方向不断发展，机电一体化的产品种类繁多，与网络对接的方式也有所不同，局域网技术和现场总线的发展使我们日常使用的电器智能化得以实现。以计算机网络为中心的计算机网络集成家用电器系统将各种家里使用的电器通过家庭互联网络连接起来，给人类的家庭带来了更多高科技。所以，机电一体化产品的发展走向更清晰地指向了网络化。

2.6 绿色化趋势

工业的快速发展使人们物质及其丰富、生活惬意舒适的同时也让资源绝对减少，生态环境遭到非常严重破坏。于是，人们开始关注环境保护以及资源再利用，尽可能少地破坏自然。时代呼唤绿色产品，绿色产品应时而生。绿色化是当今时代的走向，其目的就是让产品在设计、包装、制造、使用运输、直到报废的整个运作循环当中，将对生态环境的破坏极小化，在资源利用上最大化，不断提高资源的利用率。机电一体化产品，其绿色化最主要强调的是在使用过程中不对自然生态造成污染，在报废时可以进行回收再利用，绿色制造业的确是当代制造业的升级与可持续发展方式。

3.发展“机电一体化”形势严峻，任务艰巨

机电一体化的工作层面有2个：第一个是开发机电技术自动化、智能化、数字化的机电产品，促进产品的更新迭代；第二个是利用微电子技术来改造我们传统的产业，其根本性目的是节能降耗、节材，提高经济效益，提高产品质量，将传统工业的技术水平进行进一步提高[2]。

3.1 目前“机电一体化”面临现状

（1）我国目前微电子技术产业存在对传统工业改造任务量大且广的问题，具有一定难度。机电一体的产品具有功能超强、性能极好、质量高、成本较低，而且具有柔性的特点，在市场需求与用户反馈生产过程及产品结构的问题时可以及时做出必要多次的调整，而无须进行设备更换。（2）目前我国存在利用机电一体化技术在加速技术产品的更新迭代，增加市场绝对占有率的呼声越来越高的现象，存在较大压力。最近几年，在工业结构、产品结构上虽进行了多次调整，但碍于多种原因，成效不够显著。（3）我国以机电一体化产品来替代不环保不绿色产品的责任重大，而且具有重要的意义。在我国，耗能、耗水，造成环境严重污染的企业在企业总数中占有非常大的比重。这里面也存在上级领导监管部门对政策的把控程度及尺度问题。很多企业还存在思想理念比较保守的问题。但不可否认的是，也存在不能优化出理想的产业与不能优选出中意的产品的问题。其实最佳回答早就放在这些污染企业的案头，那就是——大力发展机电一体化。加大资金投入，大力研发生产产业相关的一体化产品，这也是发展机电产品少批量多品种生产的重要思路，这一方式可以为我国传统的机械工业加入新鲜活力，用机械自动化生产将工人从繁重单调的体力劳动解放，实现企业现代化。另外，从国内市场实际需求及市场竞争的方面来看，由于我国研制、开发一体化的产品历史时间很短，差距相对比较大，许多产品的数量、品种、质量、档次、使用性能都不能满足消费者的实际需求，每年都需进口大量的国外产品，来弥补国内市场需求，因此亟需发展附加值高，性能优良的机电产品。

3.2 “机电一体化”工作的责任

（1）利用国家现有有利的扶持政策，积极主动地开发、创新、制造性能优越的机电一体化产品，促进机电产品的更新迭代。（2）积极利用挖掘现有资源优势，更加深入更为广泛地以机电一体化技术提升传统的产业产能，为企业的发展增值。总的目标是利用国家政策优势，自主创新，逐步形成机电一体新型产业规模、打造我国产品结构和产业结构调整的新格局。一体化技术不仅仅是振兴民族传统产业的不竭动力与新的力量，也是重塑产品结构，调整产业结构的关键所在。

4.发展“机电一体化”的应对策略

4.1 加强全局统筹，整体协调发展的策略

当前，国内从事“机电一体化”开发、研究及生产的部门较多。其发展策略各成体系、各自为政。各个单位所做的计划受到各自规划、利益发展的立足点的制约，在整体发展方面偏于侧重局部利益，在制定计划和规划时，缺乏整体考虑，统筹安排不足，缺乏全局观与权威性的战略发展计划与筹谋。建议上级主管部门进行全局规划，并责成相关单位在深入调查研究、科学讨论分析的基础上，科学决策统，制定作出符合“机电一体化”全局发展的研究计划、发展策略与规划大纲，避免重复建设与恶性竞争。

4.2 加强本行业内管理，充施展“协会”的积极作用

目前，我国“一体化”正处于热度期，就目前的形势来看，“政出多门”在所难免。所以，建立健全“一体化”行业统一管理机构，充分结合我国政治经济改革的深刻内涵，结合机电一体化行业内的特性，加快北京“一体化协会”的建设进程，并赋予其行业内管理职能是十分必要的。“协会”应逐步扩大其领导机构职能理事会代表性与影响范围，加快秘书处和办公室的建立建设，通过高效、廉洁的办事机构和经济实体，拟定行业整体发展计划、战略发展蓝图，进一步就行业整体布局与重点调整起到指挥棒作用，发现行业发展创新的突破口，狠抓试点项目与重点工程的发标、招标工作等[3]。

4.3 优化营氛围、加大政府支撑

优化营商环境是指通过加大群众口碑效应，形成一种企业内外以及社会上下全民重视、营造“一体化”良好的营商环境。如：在营商环境上为外商进驻我们国家开展“一体化”产业提前提供便利条件；在政策上对兴办开发、生产机电一体化产品的高新技术实体企业给予切实优惠支持；相关部门统筹安排，在资源调配工作上为开发、生产机电一体化产品创建畅通渠道。不断增加支持力度是在产业调整结构层面，要对耗电、耗水、耗材高的传统产业的产品发展进行严格限制，对未采用一体化技术的过时产品进行限期整改与强制替换；大力倡导一体化技术，升级改造落后的传统产业，对相关具有实用新型技术研发、应用型项目给予优先立项、优先发展的政策扶持，对在技术应用、有杰出贡献的实体单位及个人应给予相应的奖励、表彰等。

4.4 强调发展重点统筹“两个层次”

机电一体化产业的实际应用领域涵盖的范围非常宽。但是我们在财力、人力和物力等支持方面与实际需要的增长速度存在一定落差。所以，在抓机电一体化产业充分发展的同时，不可能做到事无巨细，点面结合，而应突出重点，主次分明，大胆取舍。更要注意2个层面上的工作：（1）注重面上工程。也就是利用信息电子技术对传统制造业改造升级，将微电子设备嵌入或嫁接到传统设备上，促使“电子”和“机械”技术在表层实现初步融合。（2）“提升”作用。在新产品设计的环节，就将“电子”与“机械”进行整合，使“电子”与“机械”呈现绑定发展状态，深度融合，使创造出的新产品即为机电一体化产品。

5.结语

机电一体化技术是我国社会发展到特定阶段必然的产物，是许多科学技术融合发展的创新结晶。它催化了机械工业战略性的革新，促使传统的机械设计理念和设计方法不断发生翻天覆地的变化，不断推动机械产品的更新迭代与新领域的开发建设，是发展与振兴机械工业的必经之路。微机电一体化又是机电一体化的一个非常重要的分支和未来发展方向，是当代微机械技术和先进微电子技术的提升发展，是微米（纳米）水平的一体化。微机电一体化技术的阻碍是微机械技术，虽然软件和电子技术已经完全符合设计要求，但是机械元件却难以做到微型化，无法连接微小空间中的接口，也无法控制和协调这些机电动作。因此，微机电一体化技术是未来重要一体化技术之一。