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1.機電一體化概述

1.1機電一體化概念

機電一體化是一門典型的現代化交叉學科，它涉及到機械、電氣等諸多技術。它是研究將電子器件的信息處理和控制功能附加或融合在機械裝置中的一種復合化技術。就傳統來說，它是機械制造和電子技術的功能集成，就現代化來說，它是人工智能的重要手段之一，尤其是其控制和執行機構，因此它將扮演重要的角色。機電一體化現在的基本思路是智能化地集成各個行業的有效功能于一體，以滿足人工智能日益增長的需求，在實現方式上，現階段最常用的是數控機床和工業機器人，他們是衡量一個國家工業實力的標志。現代工業機器人需要集成感知、控制、操作等諸多方面的技術，需要很高的機電一體化技術支持，尤其對于現代計算機不斷信息化的局面，具體實現方式也是不斷更新，集成越來越智能化同時也越復雜化。

1.2機電一體化發展歷程

機電一體化于20世紀后期就已經被提出，當時隨著電子技術與傳統工業關系的不斷緊密化，人們開始研究簡單的機械電子交叉技術，從而奠定了機電一體化的基礎。后來在日本召開了及時屆國際機電一體化學術會議，機電一體化正式走上舞臺，從而正式拉開了其帷幕。臨近21世紀，憑借計算機信息化和電子技術的發展，機電一體化快速成長，發展為集光、電、機、通信等于一體的現代化技術。迅速滲透入機械制造、智能控制等技術領域。而近些年來，人工智能成為時代科技新寵，機電一體化又迎來新的發展機遇，尤其是以工業機器人為代表的機電一體化智能產品，還有智能化的機電光結合技術等。它們為機電一體化提出了新的要求，例如網絡化、微型化、模塊化等。現如今機電一體化技術已經成為人工智能得以實現的關鍵技術之一，它直接決定著人工智能是否具備可操作性，未來它可能會發揮更為重要的作用。

2.機電一體化關鍵技術

機電一體化技術主要是各個類別技術的集成，重點體現在機械和電子信息的結合上。關鍵有傳感器技術、電子控制技術，傳感器技術是現代機電一體化的基礎，其目的是為了捕捉各類信息，例如常見的視覺信息、溫度信息等，從而為控制和操作提供依據。同時它也是機電結合的及時個環節，傳感器感知機械等部件的信息然后傳輸至控制器，這就實現了機械和電子信息的有效結合。除此之外，重點技術在于控制，當傳感器的信息到達控制端后，電子設備根據信息做出一定的反應，然后促使執行機構進行具體操作，以實現對機械部件的把控。而較為智能化的現代機電一體化技術融合了更多專業的技術功能，尤其是光學和計算機技術的交叉為其帶來了新的變革方向，光學將會是新的具有無限可能的發展領域。此外，以嵌入式處理器為代表的硬件設備也在發生新的變化，其代表是人工智能芯片。人們已經開始在相關硬件中添加具備一定智能的部件以提高整個產品的性能，比如近幾年出現的手機AI芯片即是如此。總體來說，機電一體化的基礎是以研究如何集成機械和電子為代表的技術，而其發展方向則是智能化，其技術特點主要體現在這幾個方面：①數字化特點，機電一體化技術數字化特點較為顯著，正是因其具有這一特點，使其產品性能較好，能夠提升機械產品的精準度；②安全性，因為機電一體化是建立在電子控制之上的技術，因此易于完成監控、報警、維修等較為危險的工作，這顯然會極大保護工人減少事故；即是其使用范圍寬廣的特點，因為機械和電子基本上是現代科技的基礎，因此各行各業都不可避免地接觸到機電一體化技術，它的可適應性強，可擴展性好，前景非常光明。

3.機電一體化應用介紹

機電一體化技術現如今已經廣泛應用在各個領域，從傳統的機械工業到現代化的人工智能，都依賴于機電一體化設備，例如常見的機器人、手機等電子設備等。作為現代學科交叉最普遍的技術之一，機電一體化無論是在基礎工業領域還是在新型信息領域都扮演重要角色，其基本的應用特點是普遍化和智能化，主要是現代計算機對整個過程進行控制從而實現相關目的，現簡單介紹兩個領域內的應用。

3.1工程機械行業

機電一體化技術本來就起源于工程機械行業，最初人們發現可以借助電子器件來代替人控制機械。隨著計算機的信息化，現代工程機械中，機電一體化產品集成了感知、控制、機加等功能，可以滿足機械加工過程的各項需求。傳統的機械加工過程基本是人來操縱機器完成的，例如手動的機床等，后出現了機電一體化的數控機床，它已經可以借助電子控制實現部分操作的自動化，而且可以通過程序實現自動加工過程。這一機電一體化的典型應用極大改變了現代機械加工方式。后來出現了更為靈活的工業機器人，最初它被用于進行一些簡單的操作，例如搬運，后來隨著自動化程度和精度的提高，它開始被用于具體的制造（如機加、焊接等）以及大部分裝配之中，直接促進了現代人工智能技術的發展。它可以通過感知層模仿人類的視覺等感官功能，然后將信息傳輸至控制層，經過內部處理器的分析判斷做出決策，進而促使執行機構做出相關反應，以實現加工過程。在此過程中，它極大解放了人力，并且增加了安全性。另一方面機電一體化于工程機械中還有一個重要作用，即監控。工程機械監控一般分為機械自我監控以及被動監控，主要有兩個目的，一是防止機械加工過程出現失誤，其次是防止施工過程出現人員傷亡。傳統監控是人力借助一定的設備進行檢測，這種方法效率低下而且浪費時間，而機電一體化產品借助其信息化手段可以實現有效的自我監控，而且能夠自己做出相應的防患措施。這既保障了機械加工產品的性，同時又保護了工人的人身安全。

3.2汽車領域應用

機電一體化技術在汽車相關領域也有廣泛應用，例如在雷達測距、防抱死系統、變速器等方面。激光測距系統是現代化汽車的標配之一，它能夠為汽車檢查前方的障礙物，從而為汽車提供一個安全的行駛環境。當汽車前方出現障礙物時，機電一體化的激光測距雷達就會分析前方物體的形狀、位置、姿態等信息，并且動態跟蹤其位置，從而為汽車提供行駛判斷依據。倘若司機的操作得當，則雷達就會自動更新障礙物的實時情況，倘若司機做出了不當反應，則盡管相關處理器判斷，汽車就會啟動自動報警系統以提醒司機重新做出反應。這一整套系統可以有效地提供汽車行駛的安全性。設置于前輪之上的防抱死系統可以配合剎車，限制后輪滑動，從而提高降低駕駛危險性。具體實現是傳感器先探測相關信息，然后傳輸至控制端，控制器計算分析并做出反應，從而有效調節動力結構，避免抱死。顯然這一技術可以提高汽車行駛的穩定性和安全性。此外，汽車的自動變速器也是機電一體化的產品之一。它主要的功用是提高動力的傳遞效率，降低過程中的能量損耗。而且可以同時提高其穩定性和舒適度，這對于現代化汽車發展有重要意義。具體工作過程如下，首先傳感器感知汽車的整體行駛情況，然后相關的電子設備將信息傳輸至處理器端，進而控制執行機構利用液壓裝置進行換擋等操作。隨著現代無人駕駛技術的發展，更為智能化的自動變速器技術也在被研制，它將會是更為智能化的機電一體化產品，為汽車發展提供支持。

4.機電一體化技術的發展趨勢

總體來說，機電一體化主要向著智能化、模塊化、微型化發展。首先從其功能上來說，現代信息化技術要求機電光結合起來，有效地輔助以人工智能完成各種復雜活動，這要求機電一體化本身不斷地智能化，具體即是在模擬人的智能中發揮作用，例如在信息感知、信號處理和分析判斷等領域不斷實現自動化，現代科學越來越模糊各個專業的狹隘作用，而追求不斷的集成和綜合，這也是其智能化的體現。另外模塊化也是當前的一個主要發展趨勢，就目前而言，機電一體化產品的人機交互還比較落后，各部分內容混雜在一起，難以實現有效的管理和運營，這就要求機電一體化不斷綜合集成其功能模塊，實現較為自然的人機交互方式。微型化是現代智能化發展的一個普遍趨勢，除去部分重工業要求相應的規模，當今大多數科學技術要求實現其體積的微型化，它不僅可以反向促進功能，而且在使用體驗上也更勝一籌。總之機電一體化將會向著智能化和自然化發展。