机电一体化技术在智能制造中的应用研究

引言

在全球制造业向智能化转型的浪潮中，智能制造成为提升生产效率、产品质量与企业竞争力的关键路径。机电一体化技术作为融合机械、电子、计算机、传感器等多学科的综合性技术，为智能制造的实现提供了坚实的技术支撑。

一、机电一体化技术概述

（一）机电一体化技术定义

机电一体化技术是在机械技术、微电子技术、信息技术等多学科交叉融合基础上发展起来的综合性技术。它通过将机械装置与电子控制、计算机技术、信息技术等有机结合，实现对系统的精确控制与优化运行，使产品或设备具备自动化、智能化等特性，广泛应用于工业生产、交通运输、航空航天等多个领域。

（二）核心技术构成

机械技术是机电一体化技术的基础，涵盖机械结构设计、制造工艺、材料应用等方面。在机械结构设计上，需综合考虑设备的功能需求、负载能力、运动精度等因素，设计出合理的机械本体结构。例如，工业机器人的机械臂设计，要保证其在满足工作空间要求的同时，具备足够的刚度与强度，以确保运动的稳定性和准确性。电子技术为机电一体化系统提供将动与控制功能，包括电子电路设计、电力电子器件、嵌入式系统等。电子电路设计是实现系统信号处理、功率放大等功能的关键，通过合理设计放大电路、滤波电路、控制电路等，能够确保系统稳定运行。计算机技术在机电一体化系统中承担数据处理、逻辑控制和人机交互等重要任务。计算机软件通过编写控制算法、数据处理程序等，实现对系统的智能化控制。例如，在自动化生产线的控制系统中，计算机软件根据生产工艺要求，协调各设备的运行顺序和工作参数，实现生产流程的自动化。

二、机电一体化技术在智能制造各环节的应用

（一）智能生产环节应用

在数控机床中，机电一体化技术的应用显著提升了加工精度与效率。伺服系统作为数控机床的关键组成部分，采用高性能的伺服电机和精密的传动装置，结合先进的控制算法，实现了对刀具运动的高精度控制。例如，全数字交流伺服系统通过将位置、速度和电流控制集成在一个这环系统中，能够快速响应控制器的指令，使刀具定位精度达到微实级 。数控装置作为数控机床的“大脑”，利用计算机技术和电子技术，对加工过程进行编程、控制和管理工业机器人的研发与应用离不开机电一体化技术的支撑。其机械本体采用高强度轻质材料和优化的结构设计，保证了机械臂的运动灵活性和负载能力。将动系统通常采用伺服电机、步进电机等，通过减速器、联轴器等传动部件将动力传递给机械臂，实现精确的关节运动。机电一体化技术实现了自动化生产线各设备的有机整合与协同作业。

（二）智能物流环节应用

自动化仓储系统中的堆垛机、输送设备等均广泛应用机电一体化技术。堆垛机作为自动化仓储系统的核心设备，其机械结构采用高强度钢结构，保证了运行的稳定性和承载能力。将动系统采用交流伺服电机和变频器，实现了堆垛机在水平、垂直方向的快速、精确运行。控制系统通过安装在堆垛机上的激光测距传感器、条码识别器等，实时获取堆垛机的位置信息和货物信息，并与仓库管理系统（WMS）进行通信，根据WMS 的指令完成货物的存取操作，AGV（自动导引车）和RGV（轨道导引车）等智能搬运设备是机电一体化技术在智能物流领域的典型应用。

（三）智能质量控制环节应用

在线检测设备利用传感器技术、图像处理技术等机电一体化技术，实现产品质量的实时检测与分析。在尺寸检测方面，采用激光位移传感器、视觉传感器等，能够快速、精确地测量产品的尺寸参数。例如，在汽车零部件生产线上，通过激光位移传感器对发动机缸体的孔径、深度等尺寸进行在线检测，一旦发现尺寸超差，系统立即报警并自动调整加工参数。机电一体化技术为质量追溯系统提供了数据采集与传输功能。在生产过程中，通过在设备上安装传感器、条码打印机、RFID 读写器等设备，实时采集产品的生产数据，如原材料批次、生产时间、加工设备、操作人员等信息。

三、机电一体化技术在智能制造应用中的问题与解决策略

（一）面临的问题

尽管机电一体化技术融合了多学科知识，但在实际应用中，机械、电子、计算机等技术之间的融合深度仍有待提高。不同学科背景的研发人员在技术沟通与协作方面存在障碍，导致系统设计难以充分发挥各技术的优势。精通机电一体化多学科知识的复合型人才短缺，成为制约技术应用与创新的重要因素。机电一体化技术涉及机械设计制造、电子电路、计算机编程、自动控制等多个领域，要求从业人员具备扎实的理论基础和丰富的实践经验。

（二）解决策略

加大科研投入，鼓励高校、科研机构和企业开展产学研合作，共同攻克机电一体化技术融合的关键难题。建立跨学科的研发团队，促进机械、电子、计算机等领域的技术交流与融合创新。例如，开展机械结构与电子控制系统协同设计方法研究，开发集成化的设计软件，实现多学科设计的同步优化，提高机电一体化系统的整体性能。高校应改革教育模式，优化课程设置，开设机电一体化相关的综合性课程，培养学生的跨学科知识体系和创新能力。

四、机电一体化技术在智能制造中的相关标准与发展趋势

（一）相关标准

我国制定了一系列机电一体化技术在智能制造领域的相关国家标准，如《工业自动化系统与集成 工业通信网络 网络和系统安全》（GB/T33745）规范了工业通信网络的安全要求，保障机电一体化设备在网络环境下的安全运行；《数控机床 可靠性评定》（GB/T3167）对数控机床的可靠性指标、评定方法等做出了规定，有助于提高数控机床的质量和可靠性。

国际上通用的机电一体化技术标准，如 ISO（国际标准化组织）制定的 ISO 15745《工业自动化系统与集成 开放系统应用集成框架》，为不同厂家的机电一体化设备实现互操作和系统集成提供了统一的框架和标准。

（二）发展趋势

随着人工智能、机器学习等技术的不断发展，机电一体化技术将向更高智能化、自动化方向发展。智能传感器、智能控制器等设备将具备自主感知、分析和决策能力，能够根据环境变化和任务需求自动调整运行参数和工作模式。物联网技术的发展将推动机电一体化设备实现互联互通，形成网络化的智能制造系统。

结论

机电一体化技术凭借其多学科融合的特性，在智能制造的生产、物流、质量控制等各个环节发挥着不可通代的关键作用，显著提升了制造业的生产效率、产品质量和智能化水平。尽管当前在技术融合、人才储备、设备兼容性等方面存在一定问题，但通过加强技术研发、完善人才培养体系、统一标准规范等针对性策略，这些问题能够得到有效解决。

参考文献：

[1] 王立平，张曙. 机电一体化系统设计与应用 [M]. 北京：机械工业出版社，2020.

[2] 刘飞，杨叔子. 智能制造与机电一体化技术 [J]. 机械工程学报，2021，57（5）：1-15.

[3] 中国机械工程学会. 机电一体化技术及应用 [M]. 北京：高等教育出版社，2019.