智能制造背景下机电一体化技术的应用与发展研究

引言

在全球制造业竞争加剧与数字化转型浪潮的推动下，智能制造已成为各国抢占产业制高点的关键领域。机电一体化技术作为融合机械、电子、计算机等多学科的综合性技术，是实现智能制造的核心支撑。从数控机床的精密加工，到工业机器人的自动化生产，再到智能物流系统的高效运转，机电一体化技术贯穿智能制造全流程，显著提升生产效率与产品质量。研究机电一体化技术在智能制造中的应用与发展，不仅有助于企业降低成本、增强竞争力，更是推动我国从 “制造大国” 迈向 “制造强国”，实现产业可持续发展的必然要求。

一、机电一体化技术概述

1.1 机电一体化技术的定义与内涵

机电一体化技术是以机械技术为基础，融合电子技术、计算机技术、自动控制技术、传感检测技术等多学科知识，通过系统工程方法将机械、电子、信息等要素有机结合，实现产品或设备智能化、自动化运行的综合技术。其核心内涵在于 “一体化”，强调各技术领域的深度融合与协同运作 ，而非简单的机械与电子元件叠加。

1.2 机电一体化技术的发展历程

机电一体化技术的发展可分为三个阶段。萌芽阶段（20 世纪 60 年代前），机械与电子技术初步结合，如早期的自动控制器件辅助机械系统实现简单自动化。快速发展阶段（20 世纪 70 - 90 年代），随着微电子技术、计算机技术的突破，数控设备、工业机器人等典型机电一体化产品大量涌现，推动制造业向自动化转型。智能化阶段（21 世纪至今），物联网、大数据、人工智能等技术与机电一体化深度融合，催生智能工厂、协作机器人等高端装备，实现设备自主感知、决策与自适应控制，标志着机电一体化技术迈入智能化时代。

1.3 机电一体化技术的关键组成部分

机电一体化系统由五大关键部分构成：机械本体作为系统基础，提供结构支撑与运动执行框架。动力与驱动部分将电能、液压能等转换为机械能，驱动机械部件运动。执行机构直接完成预定工作任务，如数控机床的刀具切削、工业机器人的末端抓取。传感检测部分通过传感器实时采集位置、速度、温度等物理量，为系统提供反馈信息。

二、智能制造背景下机电一体化技术的应用场景

2.1 数控机床与加工制造领域

在智能制造背景下，数控机床是加工制造领域的核心设备，其高度集成了机电一体化技术。机床的机械本体采用高精度的导轨、丝杆等部件，确保运动的稳定性与精度；伺服驱动系统作为动力核心，通过伺服电机与滚珠丝杆的配合，实现刀具或工作台的微米级甚至纳米级位移控制。数控系统作为 “大脑”，接收计算机辅助设计和计算机辅助制造生成的加工程序，结合传感器实时反馈的位置、温度、振动等信息，通过复杂的控制算法，精确调节刀具的切削速度、进给量等参数。

2.2 工业机器人应用

工业机器人是机电一体化技术在智能制造中的典型应用。机器人本体的机械结构设计融合仿生学与运动学原理，通过关节式、SCARA 等不同构型实现灵活运动；高性能伺服电机与精密减速器组成的驱动系统，为机器人提供稳定动力，确保其重复定位精度可达 ±0.01mm 。传感系统集成了力传感器、视觉传感器、触觉传感器等，使机器人具备感知能力，如视觉传感器可通过图像识别技术，精准定位工件位置与姿态。力传感器能实时感知抓取力，避免损坏工件。

2.3 自动化生产线与智能物流系统

自动化生产线与智能物流系统的高效运行离不开机电一体化技术的支撑。在自动化生产线中，各类加工设备、检测设备、装配设备通过机电一体化实现自动化联动。智能物流系统中，AGV 无人搬运车集成了激光导航、惯性导航等传感技术，结合机电驱动系统，实现自主路径规划与精准停靠。自动化立体仓库的堆垛机通过伺服电机驱动和编码器定位，能在高层货架间快速存取货物。

2.4 3D 打印技术

3D 打印技术同样是机电一体化技术创新运用的一个典型。3D 打印机的机械结构部分提供打印平台和运动系统，实现打印喷头或打印成型平台的精确运动，而电机驱动送料系统实现把塑料、金属粉末等打印材料送入到打印位置。温度控制系统实时测温控制打印头和成型室的温度，保障材料良好的成型质量。控制系统接收到三维模型数据后，将其切片处理成逐层打印命令，驱动打印喷头依据预置路径挤出材料或进行激光烧结等操作，实现逐层堆积成型。

三、机电一体化技术在智能制造中的发展

3.1 提高生产效率与精度

智能装备与智能工厂的关键技术是运用机电一体化技术，如利用智能控制和高精度的传动部件提高机电加工系统的生产速率和加工质量。在机床数控化领域，如应用伺服驱动与高精度丝杠导轨系统，能够实现刀架或者工作台在微米甚至纳米级的位移，并通过数控系统对传感器反馈的各方向位置、速度进行处理计算后，能够瞬间按已设定的复杂加工程序完成刀具的加工；在手机外壳的加工中，采用五轴联动数控机床，一台设备一个装夹便能实现铣、钻、刻的多功能加工，相对于传统机床工作效率大幅提高，同时加工误差在微米范围之内，降低了表面的粗糙度，明显减轻了后期的打磨作业，缩短了产品加工的时间。

3.2 增强设备智能化与柔性化

传感器、人工智能等机电一体化技术将机械设备赋予自我感知、自我决策和自我适应的功能，大大提高了机械设备的智能化、柔性化。智能化工厂的自动化生产线机械设备利用传感器将机械设备的温度、震动、电流等各种参数信息采集并输入智能控制系统，机械设备能够实时调整工作数据，进行故障自动识别和自动修补。对于多变的生产任务，机电一体化设备可以根据不同的生产要求在短时间内进行快速调整。

3.3 降低生产成本与能耗

机电一体化从设备改造、能源调控等方面帮助企业缩减生产成本及能耗。机电一体化从设备设计角度考虑，设计时优化机械机构与运用高效传动机构，减少设备机械摩擦，降低设备的维护费用。另外，从能源调控角度看，根据生产负荷灵活改变设备功率，以此避免能源的浪费。例如，机电一体化控制的暖通空调系统中根据车间内的人口密度与环境温度来调控空调的制冷制热功率与新风量，从而减少能耗。

结语

智能制造中，基于机电一体化技术在实际运行中的应用，增强其生产效率和质量，有效促使产业转变；针对技术落后于国外、人才缺失等问题提出的对策，给出了可行的行业发展方案；并进一步与人工智能以及物联网的结合之下，机电一体化技术将会逐步提高其智能化、集成化，继续为生产行业发展服务。

参考文献

[1]司永祥.智能制造背景下机电一体化技术的应用与发展[J].造纸装备及材料,2024,53(10):91-93.

[2]王迅.智能制造背景下机电一体化技术在机械制造工程中的应用策略研究[J].造纸装备及材料,2024,53(06):79-81.