機電一體化技術(shù)在智能機械裝備上的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

謝偉麗

摘 要：機電一體化技術(shù)是機械裝備進步的基礎(chǔ)，能夠有效保證機械裝備向自動化和智能化方向發(fā)展，通過介紹機電一體化技術(shù)的主要內(nèi)容，說明了機電一體化技術(shù)的應(yīng)用方式及應(yīng)用范圍，并總結(jié)了機電一體化技術(shù)未來的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：機電一體化；智能機械；應(yīng)用；發(fā)展趨勢

中圖分類號：TH-39 文獻標(biāo)識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.05.002

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，各行各業(yè)對工作效率和工作質(zhì)量的要求越來越高，機械設(shè)備作為眾多行業(yè)運行和實施的基礎(chǔ)，其需求量仍在不斷提升。在各學(xué)科互相融合的大背景下，機械裝備在原始形態(tài)的基礎(chǔ)上，通過計算機技術(shù)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合，逐漸向智能化方向發(fā)展，這促使機械工程在技術(shù)體系、工作方式、運行模式以及管理上都產(chǎn)生了很大的變化，這需要更多的綜合性學(xué)科人才參與新產(chǎn)品的研究和新設(shè)備的使用與維護。機電一體化技術(shù)作為一項機械類的綜合性學(xué)科，結(jié)合了機械、電控及計算機等眾多知識，并向著更深層次的融合與應(yīng)用發(fā)展，這使機電一體化技術(shù)在智能機械裝備領(lǐng)域得到了更廣泛地使用。

1 機電一體化技術(shù)的內(nèi)涵

機電一體化主要由動力裝置、傳動裝置、執(zhí)行裝置、傳感裝置、控制處理裝置共同組成。動力裝置主要是為整個系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)提供能量，為傳動裝置提供動力，以保證整個機械系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。傳動裝置可通過金屬零件、皮帶、鏈條或其他形式實現(xiàn)動力的轉(zhuǎn)移與傳遞，在最初的機械結(jié)構(gòu)約束下，能夠完成指定的動作或功能。執(zhí)行裝置主要是通過動力支持和處理器控制，來準(zhǔn)確完成機械裝置要求的動力及功能，執(zhí)行機構(gòu)的形式具有多樣化特點，可通過機械、氣動、電液等方式來實現(xiàn)。傳感裝置主要用來檢測機械系統(tǒng)的運行情況和外部環(huán)境的變化情況，并將檢測結(jié)果通過電信號傳遞給處理裝置。處理裝置可將信息直接進行處理，或?qū)⑵滹@示至儀表，由操作人員進行控制和調(diào)整。控制處理裝置能夠?qū)碜愿鱾鞲衅鞯臋z測信號進行集中存儲以及分析和轉(zhuǎn)換，再根據(jù)信息處理后的結(jié)果，按固定的程序輸出相應(yīng)指令，來控制整個系統(tǒng)的有序運行?？刂铺幚硌b置通常由計算機、可編程序控制器、數(shù)控裝置、邏輯電路、A/D和D/A轉(zhuǎn)換、輸入輸出接口以及其他外部設(shè)備等構(gòu)成。

2 機電一體化的應(yīng)用方式

2.1 實時監(jiān)控與檢測

機械裝置通常是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，機電一體化技術(shù)通過傳感裝置和控制裝置實現(xiàn)對機械設(shè)備及輔助系統(tǒng)的全程動態(tài)檢測，通過傳感器自動檢測機械裝備的各個子系統(tǒng)，并有效反應(yīng)關(guān)鍵機械結(jié)構(gòu)的運行狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)機械使用中的異常狀況，將會在第一時間發(fā)出警示，并幫助工作人員確定故障位置，部分先進裝置甚至能夠自行處理故障問題，保證機械裝置的正常運行。這也就顯著提高了機械裝備的工作效率，同時減輕工作人員在檢測方面的精力投入，還可減少因故障造成的停機維修損失，提高機械使用的可靠性。

2.2 提高機械裝置執(zhí)行精度

機電一體化技術(shù)能夠利用傳感器技術(shù)提高系統(tǒng)工作過程的精確度，由于使用了機械技術(shù)和電子控制系統(tǒng)相結(jié)合的方式，自動化的控制模式顯著可靠于人工操作，不僅增加了機械工作的準(zhǔn)確性，還使機械裝置更加貼近智能化，有效避免及降低了人工操作誤差的產(chǎn)生，電子控制系統(tǒng)的應(yīng)用還有效減少人力資源的投入，減輕機械操作者的工作強度，有效提高機械裝備的現(xiàn)代化水平。以現(xiàn)代化自動生產(chǎn)線為例，通過機電一體化技術(shù)對產(chǎn)品重量、外觀及其他標(biāo)準(zhǔn)化要求進行檢測，能夠獲得更低的廢品率，并自動將不合格產(chǎn)品剔除，工作人員只需觀測機械運行狀態(tài)即可。

2.3 實現(xiàn)最佳運行能耗

傳統(tǒng)的工程機械在運轉(zhuǎn)過程中，由于采用人工控制的方式，為保證機械設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)，通常難以保證機械始終在最佳的能耗點上運轉(zhuǎn)，這是由于大多數(shù)的機械設(shè)備存在超載運行或者未達到額定功率運行的情況，導(dǎo)致能源被無端消耗。機電一體化技術(shù)的使用有效改善了能源利用的問題，通過實時的調(diào)節(jié)施工功率，有效節(jié)約能源消耗，降低了機械的使用成本。

3 機電一體化的應(yīng)用范圍

3.1 現(xiàn)代化機械加工設(shè)備

數(shù)控技術(shù)在機械加工領(lǐng)域應(yīng)用了較長時間，促使機械加工設(shè)備在結(jié)構(gòu)、功能、操作和控制精度等方面都顯著提高，現(xiàn)代化的機械加工設(shè)備在機電一體化技術(shù)的支持下具有以下功能應(yīng)用：

（1） 機床設(shè)備的硬件體系結(jié)構(gòu)和功能具備標(biāo)準(zhǔn)化特點，數(shù)控機床具有更高的兼容性，并符合通用接口標(biāo)準(zhǔn)（如圖1），以保證最大限度地提高機床的使用效率和功能優(yōu)化。

（2） 使機械加工設(shè)備實現(xiàn)了多過程及多通道控制的功能，保證機床能夠同時完成多個獨立加工任務(wù)，或?qū)崿F(xiàn)多臺機床的協(xié)同工作能力，同時能夠通過傳感器技術(shù)實現(xiàn)刀具位置檢測、刀具破損檢測、物料移動等控制功能。

（3） 機床設(shè)備能夠通過導(dǎo)入繪圖文件實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)換程序，減少人工編程的時間消耗，并能在實際加工之前進行二維和三維的加工過程虛擬仿真，有效減少加工零件的廢品率，并通過在線診斷、模糊控制等功能實現(xiàn)零件加工方式的優(yōu)化。

（4） 機床以單板或單片機作為控制機，配合專用芯片和模板構(gòu)成合理化的數(shù)控裝置，能有效實現(xiàn)軟件功能的擴展與機械執(zhí)行過程的優(yōu)化，且系統(tǒng)具備了多級網(wǎng)絡(luò)功能，通過智能聯(lián)網(wǎng)有效提升加工復(fù)雜零件的能力。

（5） 現(xiàn)代化的機械加工設(shè)備采用了大容量存儲器，且系統(tǒng)內(nèi)部程序和軟件具有模塊化特點，有效豐富了數(shù)字控制功能。

3.2 智能機器人裝備

機電一體化是機器人技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，機器人技術(shù)在發(fā)展的過程中體現(xiàn)了機械技術(shù)與電子控制、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計算機技術(shù)不斷融合的過程。最初的機器人只能完成預(yù)定的重復(fù)運動，無法感知環(huán)境及作業(yè)對象的變化，因此適應(yīng)能力和靈活性均不足。隨著時代發(fā)展，傳感器技術(shù)和控制技術(shù)應(yīng)用于機器人領(lǐng)域，機器人能夠獲取環(huán)境信息并進行簡單的判斷與處置，但智能化程度仍不足，因此，計算機技術(shù)賦予了新型機器人更強大的邏輯思維和判斷能力，配合多種感知功能，能實現(xiàn)更高難度的作業(yè)要求，體現(xiàn)出了強大的智能性和適應(yīng)能力。

3.3 智能化生產(chǎn)線及物流分選系統(tǒng)

智能化生產(chǎn)線是現(xiàn)代化批量生產(chǎn)的代表，它集成了大量的機械設(shè)備、監(jiān)測裝置和分析處理及控制裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品從原材料到成品包裝的一條龍作業(yè)模式，現(xiàn)代化的生產(chǎn)線包括了加工、輸送、篩選、稱重、分流、包裝、碼垛等全部功能，基本消除了人工的體力勞動。近年來，機電一體化技術(shù)也逐漸應(yīng)用于物流領(lǐng)域，先進的無人分揀車間能夠?qū)崿F(xiàn)貨物的自動分揀、包裝、信息粘貼及校對，圖2為天貓超市的無人分揀線，其工作準(zhǔn)確性和效率優(yōu)勢明顯。

3.4 工程機械的功能優(yōu)化

近年來，隨著機電一體化技術(shù)的發(fā)展，其逐漸向工程機械領(lǐng)域延伸，例如建筑行業(yè)使用的混凝土攪拌機，通過傳感器的檢測和控制系統(tǒng)的調(diào)整，有效提升了混凝土的均勻程度，提高了鋪裝效率及質(zhì)量。此外，對于煤炭行業(yè)，機電一體化技術(shù)不僅保證了機械裝置的可靠運行，同時還能實時監(jiān)測危險氣體及其他周圍環(huán)境的變化，降低安全事故的發(fā)生概率。

4 機電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢

4.1 向模塊化方向發(fā)展

我國自主生產(chǎn)的機電產(chǎn)品具有種類多、功能各異的特點，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)約束，導(dǎo)致不同品牌的產(chǎn)品之間通用性較差，很多先進零件的更換只能采用原廠零件，增加了產(chǎn)品維護的復(fù)雜性及成本?，F(xiàn)階段，通過管理部門的指導(dǎo)，應(yīng)盡快推進機電產(chǎn)品統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的實施，以保證機電產(chǎn)品的規(guī)范化和模塊化，便于減少機械裝備的設(shè)計成本，保證先進裝備維修的便捷性。

4.2 向輕量化方向發(fā)展

現(xiàn)代化的機電一體化產(chǎn)品，除了必要的機械功能結(jié)構(gòu)外，監(jiān)測系統(tǒng)與控制系統(tǒng)等電子專業(yè)內(nèi)容均開始向著輕量化方向轉(zhuǎn)變。得益于片式元器件技術(shù)的進步，組裝技術(shù)正逐漸取代傳統(tǒng)的通孔插裝技術(shù)，成為電子組裝的主要方式，使機電設(shè)備中的電子元件更加的小型、輕便，同時降低與機械結(jié)構(gòu)的影響關(guān)系。

4.3 向環(huán)?；较虬l(fā)展

由于資源和環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，人們的環(huán)保意識和節(jié)能意識逐漸加深，綠色低碳的機電產(chǎn)品將成為未來發(fā)展的必然趨勢，機械設(shè)備在設(shè)計、制造、使用和廢棄的過程中，必須要達到環(huán)境保護和人類健康的相關(guān)要求，保證對生態(tài)環(huán)境無害或危害輕微，保證資源的高效利用。

5 結(jié)語

機電一體化技術(shù)作為未來機械產(chǎn)品必不可少的重要組成部分，其對智能機械的實現(xiàn)具有顯著的意義，現(xiàn)階段我國的機電一體化技術(shù)與發(fā)達國家相比仍存在較大差距，各行各業(yè)使用的機械設(shè)備在智能化與先進化程度上仍不足，需要相關(guān)研究人員和機械廠商共同努力，才能保證我國的機械裝備早日實現(xiàn)全面的智能化要求。

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