機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王克

摘要：科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了不同學(xué)科的交叉與滲透，導(dǎo)致了工程領(lǐng)域的技術(shù)革命與改造。在機(jī)械工程領(lǐng)域，由于微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展及其向機(jī)械工業(yè)的滲透所形成的機(jī)電一體化，使機(jī)械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機(jī)構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產(chǎn)由“機(jī)械電氣化”邁入了“機(jī)電一體化”為特征的發(fā)展階段。基于此，本文從機(jī)電一體化設(shè)計(jì)展開淺析。

關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化;關(guān)鍵技術(shù);設(shè)計(jì)

引言

隨著機(jī)械電子科技的不斷創(chuàng)新，機(jī)電一體化技術(shù)獲得了跨越式的發(fā)展，逐漸實(shí)現(xiàn)了機(jī)械制造與計(jì)算機(jī)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，將工業(yè)生產(chǎn)中所用到的機(jī)械設(shè)備發(fā)展為有著分析能力、控制能力的智能設(shè)備。對(duì)機(jī)電一體化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)展開研究能夠提高機(jī)械的自動(dòng)化水平，改進(jìn)其自動(dòng)分析能力，提升其運(yùn)轉(zhuǎn)性能。

1、機(jī)電一體化的簡介

1.1概念

所謂機(jī)電一體化，是指結(jié)合機(jī)械技術(shù)、信息技術(shù)、微電子技術(shù)、電工電子技術(shù)、信號(hào)變換技術(shù)與傳感器技術(shù)等各項(xiàng)技術(shù)，并將綜合體應(yīng)用于實(shí)際領(lǐng)域的一項(xiàng)新興綜合性技術(shù)。1971年，日本雜志《機(jī)械設(shè)計(jì)》副刊上最先提到機(jī)電一體化這個(gè)概念。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)電一體化設(shè)計(jì)逐漸走向智能化、人性化設(shè)計(jì)的道路。北京數(shù)系科技的一款機(jī)電一體化設(shè)計(jì)研發(fā)全流程的旗艦品牌CAMELVIEW，能夠用很少的原型，為客戶有效地研發(fā)出自己所需要的一體化產(chǎn)品，以便更快占領(lǐng)市場。

1.2設(shè)計(jì)原則

首先確定一系列的設(shè)計(jì)指標(biāo)，在進(jìn)行機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，也就是說，對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)提出必須滿足的技術(shù)要求，然后才能著手具體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。機(jī)械系統(tǒng)與微電子系統(tǒng)協(xié)同組合的原則。在采用機(jī)電一體化技術(shù)新概念進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，為了提高系統(tǒng)的性能和柔性，要求廣泛的物質(zhì)和信息的集成。在整個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，都必須考慮機(jī)械技術(shù)與電子控制技術(shù)的集成，創(chuàng)造出機(jī)械、電子以及軟件等有機(jī)結(jié)合的新產(chǎn)品。機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)往往伴隨著機(jī)械系統(tǒng)的再設(shè)計(jì)，而且機(jī)械系統(tǒng)的再設(shè)計(jì)還不是全部。許多現(xiàn)代的機(jī)電一體化工程設(shè)計(jì)不是被動(dòng)的依靠機(jī)遇來革新機(jī)電產(chǎn)品，而是預(yù)先精心計(jì)劃應(yīng)用，并充分集成電子技術(shù)和機(jī)械技術(shù)，有目的地創(chuàng)造出最優(yōu)的新產(chǎn)品，以達(dá)到新的系統(tǒng)比它們的原有產(chǎn)品更便宜、更簡單、更可靠以及更具有工作柔性。

1.3技術(shù)發(fā)展

智能化發(fā)展是機(jī)電一體化發(fā)展的主要方向，智能化元素使得工業(yè)機(jī)械操作系統(tǒng)具有決策、推斷等多方面能力，相比傳統(tǒng)的機(jī)電技術(shù)，開發(fā)智能化機(jī)電一體化產(chǎn)品主要集中在性能開發(fā)上，如對(duì)早就進(jìn)入研究創(chuàng)新階段的自動(dòng)清潔機(jī)進(jìn)行智能化控制管理。集中化，即集中監(jiān)控化，突顯機(jī)電一體化產(chǎn)品功能合一作用，設(shè)備系統(tǒng)一個(gè)細(xì)小環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障都能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用該技術(shù)可以保證設(shè)備有效運(yùn)行和管理，提高設(shè)備運(yùn)行安全性能。20世紀(jì)90年代，我國已經(jīng)將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)電一體化研發(fā)過程中，遠(yuǎn)程控制技術(shù)的發(fā)展，有效推動(dòng)了機(jī)電一體化產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)化。微型化能夠有效融合機(jī)械和控制，并且無需對(duì)兩者進(jìn)行區(qū)分，不需分離CPU、傳感器等核心部分。目前，我國已出現(xiàn)微機(jī)電一體化的產(chǎn)品，還在軍事與通訊等領(lǐng)域有應(yīng)用。PLC，即可編程邏輯控制器，PLC技術(shù)具有傳統(tǒng)的機(jī)電系統(tǒng)所沒有的功能，其能實(shí)時(shí)顯示相關(guān)數(shù)據(jù)，保證數(shù)量控制，有助于統(tǒng)計(jì)和計(jì)算設(shè)備數(shù)據(jù)。

2、機(jī)電一體化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1信息處理技術(shù)

信息處理技術(shù)在機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中有著非常重要的作用，信息處理技術(shù)通過對(duì)所獲取的信息進(jìn)行存取和計(jì)算等處理工作，能夠?yàn)闄C(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和決策提供重要依據(jù)。計(jì)算機(jī)信息處理裝置是機(jī)電一體化產(chǎn)品的核心部位，它能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)整個(gè)機(jī)電一體化產(chǎn)品運(yùn)行過程的控制和指揮，所以信息處理技術(shù)是機(jī)電一體化設(shè)計(jì)中非常關(guān)鍵的技術(shù)，直接關(guān)系到機(jī)電一體化產(chǎn)品的運(yùn)行質(zhì)量。

2.2精密機(jī)械技術(shù)

精密機(jī)械技術(shù)是機(jī)電一體化產(chǎn)品的技術(shù)基礎(chǔ)，機(jī)電一體化產(chǎn)品功能的實(shí)現(xiàn)主要依賴于機(jī)械技術(shù)，因而在機(jī)電一體化設(shè)計(jì)過程中，精密機(jī)械技術(shù)發(fā)揮著非常重要的作用。在電子技術(shù)與機(jī)械傳動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合的過程中，對(duì)傳動(dòng)的精密度以及精確度等要求都較高，使得機(jī)電一體化產(chǎn)品機(jī)械技術(shù)比傳統(tǒng)機(jī)械技術(shù)更具優(yōu)勢(shì)。另外，在機(jī)械技術(shù)的應(yīng)用過程中，還應(yīng)不斷發(fā)展和完善機(jī)械系統(tǒng)的新材料、新原理以及新工藝等，盡可能滿足機(jī)電一體化產(chǎn)品在機(jī)械系統(tǒng)剛度、體積、重量等方面的要求，提高機(jī)電一體化產(chǎn)品的工作性能。

2.3自動(dòng)控制技術(shù)

機(jī)電一體化設(shè)計(jì)離不開自動(dòng)控制技術(shù)的運(yùn)用，具體表現(xiàn)為高精度定位、自適應(yīng)控制以及速度控制等。通過自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理機(jī)電一體化產(chǎn)品工作過程中出現(xiàn)的問題和故障，從而降低故障給企業(yè)造成的經(jīng)濟(jì)損失。隨著自動(dòng)控制技術(shù)在機(jī)電一體化產(chǎn)品的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，機(jī)電一體化產(chǎn)品的精度和運(yùn)行效率也能獲得極大提高。自動(dòng)控制技術(shù)與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的結(jié)合，能夠極大地提高機(jī)電一體化產(chǎn)品運(yùn)行的效率和質(zhì)量，但是該技術(shù)在建立優(yōu)化控制模型以及抗干擾等方面有一定技術(shù)難度。

2.4檢測與傳感器技術(shù)

傳感器能夠接收機(jī)電一體化產(chǎn)品工作過程中的各種相關(guān)信息，并通過檢測技術(shù)對(duì)這些信息進(jìn)行檢測，將這些信息反饋給機(jī)電一體化產(chǎn)品的控制裝置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品的自動(dòng)控制。傳感器在獲取信息的過程中必須保障不受外部環(huán)境和外部工作條件的影響，保障信息的準(zhǔn)確性。

2.5系統(tǒng)總體技術(shù)

該技術(shù)就是從整體目標(biāo)的角度對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品的功能進(jìn)行分解，用系統(tǒng)的方法和觀點(diǎn)來尋找各功能適合的技術(shù)方案，并對(duì)這些技術(shù)方案進(jìn)行綜合分析和評(píng)價(jià)，從而選擇最優(yōu)技術(shù)方案。系統(tǒng)總體技術(shù)是保障機(jī)電一體化產(chǎn)品工作性能的重要技術(shù)。

3、機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)方法

3.1交叉綜合設(shè)計(jì)

機(jī)電一體化設(shè)計(jì)會(huì)涉及到大量的機(jī)械設(shè)計(jì)和電子設(shè)計(jì)，產(chǎn)品研發(fā)過程中要應(yīng)用多學(xué)科、跨專業(yè)結(jié)合的綜合設(shè)計(jì)方法，各學(xué)科協(xié)同作用，無主次之分。設(shè)計(jì)人員要在設(shè)計(jì)定位和市場調(diào)研基礎(chǔ)上考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)和電子電路等因素，并協(xié)調(diào)各因素，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能和服務(wù)。

3.2產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過程，一個(gè)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)好壞決定著該產(chǎn)品能否實(shí)現(xiàn)其各項(xiàng)功能。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師要具備全方位、多目標(biāo)的空間想象能力，還應(yīng)具備跨領(lǐng)域協(xié)調(diào)的整合能力素養(yǎng)。設(shè)計(jì)出安全耐用、性能強(qiáng)，且低成本、易于制造的產(chǎn)品。以綠色節(jié)能冷藏箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，設(shè)計(jì)者不僅要設(shè)計(jì)一系列相關(guān)聯(lián)的零件來實(shí)現(xiàn)其各項(xiàng)功能，又要考慮該冷藏箱外形美觀、結(jié)構(gòu)緊湊。在設(shè)計(jì)中不僅要考慮物質(zhì)和能源消耗的減少，還要考慮產(chǎn)品零部件的回收利用價(jià)值，盡量減少有害的物質(zhì)排放。

3.3制造工藝設(shè)計(jì)

產(chǎn)品美觀設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)固然重要，但若不對(duì)制造工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)將達(dá)不到預(yù)期效果。產(chǎn)品的制造工藝設(shè)計(jì)在工業(yè)生產(chǎn)中占舉足輕重的地位。模具制造過程中出現(xiàn)問題會(huì)直接影響到產(chǎn)品的美觀以及產(chǎn)品制造的效率和成本。制造工藝設(shè)計(jì)應(yīng)簡潔大方，操作性強(qiáng)，盡量使用智能化操作，減少手工出現(xiàn)的誤差。

結(jié)束語

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)電一體化產(chǎn)品的應(yīng)用也越來越普遍，因而對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)也提出了更高的要求。在機(jī)電一體化設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)注重對(duì)各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，采用一定的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，使機(jī)電一體化產(chǎn)品在滿足市場需要的前提下，能夠具有足夠的競爭力，保障機(jī)電一體化產(chǎn)品的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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