機電一體化關(guān)鍵技術(shù)在機械工程中的有效性

王澤忠 王禹天

摘要：隨著我國現(xiàn)代水平的不斷提高，科學(xué)技術(shù)推動了自動化機械制造的發(fā)展，帶動了機械工程領(lǐng)域制造水平的提升。機械工程制造的產(chǎn)品質(zhì)量與機電一體化的關(guān)鍵技術(shù)有著密不可分的關(guān)系。文章針對機電一體化的關(guān)鍵技術(shù)進行了概述，分析機電一體化技術(shù)在機械工程領(lǐng)域中的實際應(yīng)用，最后在多項技術(shù)的基礎(chǔ)上，引申虛擬原型技術(shù)與機電一體化之間的關(guān)系，以更好的推進我國機械制造行業(yè)的發(fā)展。

Abstract： With the continuous improvement of China's modern level， science and technology has promoted the development of automatic machinery manufacturing and the improvement of manufacturing level in the field of mechanical engineering. The product quality of mechanical engineering manufacturing is closely related to the key technology of mechatronics. This paper summarizes the key technologies of mechatronics， analyzes the practical application of mechatronics technology in the field of mechanical engineering， and finally extends the relationship between virtual prototype technology and Mechatronics on the basis of many technologies， so as to better promote the development of China's machinery manufacturing industry.

關(guān)鍵詞：機電一體化;機械工程;虛擬原型

Key words： mechatronics;mechanical engineering;virtual prototype

中圖分類號：TH122 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）04-0112-03

0 ?引言

機電一體化就是將機械、電子與信息技術(shù)進行結(jié)合，以實現(xiàn)現(xiàn)代工業(yè)自動化生產(chǎn)的一種新型技術(shù)，建立在精密機械技術(shù)、計算機與信息處理技術(shù)以及自動化控制技術(shù)等多項技術(shù)之上的一種高新科技[1]。主要以機械為主，以計算機技術(shù)為核心，實現(xiàn)機電一體化的飛速發(fā)展。機電一體化產(chǎn)品的開發(fā)與設(shè)計正在經(jīng)歷著革新，產(chǎn)品的機械性能需要得到提高。而虛擬原型技術(shù)是在機電一體化思想的統(tǒng)領(lǐng)下，利用虛擬原型技術(shù)對各個方面的壁壘進行重新設(shè)計，從而完成不同功能的獨立改造和優(yōu)化，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品機械性能。

1 ?機電一體化油田應(yīng)用

機電一體化是核心，也是主體，采用新材料、新設(shè)計的方式，滿足機電一體化產(chǎn)品的高精度、輕重量要求，同時還要滿足產(chǎn)品自身動態(tài)性能高的功能，達到熱變形小、磨損小的要求。針對油田機械設(shè)備而言，對性能的要求高，將機械技術(shù)應(yīng)用在油田設(shè)備中，能夠幫助油田設(shè)備實現(xiàn)從結(jié)構(gòu)上、材料上以及性能上的轉(zhuǎn)變，提高精度和性能，為了讓油田設(shè)備可以更好的運行，還需要借助計算機輔助技術(shù)，打造新一代的油田設(shè)備。

2 ?機械工程領(lǐng)域?qū)τ跈C電一體化技術(shù)的有效性

2.1 機械包裝

對于機械包裝而言，大多數(shù)企業(yè)仍然以凸輪構(gòu)造或者而控制連桿的方式進行設(shè)計，然而，這種傳統(tǒng)構(gòu)造具有單一性，對于控制電路和連桿結(jié)構(gòu)具有局限性，也會導(dǎo)致機械包裝的過程變得復(fù)雜困難，且會增添后續(xù)維修機械和調(diào)試機械的難度。相比之下，采用機電一體化技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械包裝技術(shù)，可以縮小傳動部件的體積，還可以縮減機械能耗。對機電一體化中的檢測與傳感技術(shù)進行綜合性利用，有助于零件總體結(jié)構(gòu)精密性的提升，保證產(chǎn)品的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益[2]。

2.2 信息處理技術(shù)

信息處理技術(shù)可以對設(shè)備的信息進行輸入、輸出、識別和存儲等功能，借助計算機設(shè)備完成上述操作，因此計算機技術(shù)與信息處理技術(shù)密不可分，機電一體化系統(tǒng)的智能化發(fā)展更要借助信息處理技術(shù)完成信息的處理，從而對設(shè)備進行控制。

2.3 自動控制技術(shù)

機電一體化系統(tǒng)最大的優(yōu)勢就是可以對控制系統(tǒng)的運行功能進行檢測與處理?？刂葡到y(tǒng)關(guān)系到系統(tǒng)本身的結(jié)果運行，要采取相應(yīng)的控制技術(shù)，完成對設(shè)備的檢測與管理，控制系統(tǒng)的特點就是將現(xiàn)有的機械技術(shù)與電子信息技術(shù)相結(jié)合，并利用系統(tǒng)功能的方式讓整個系統(tǒng)達到最優(yōu)。

2.4 機床改造

當前，大多數(shù)企業(yè)將數(shù)控機床作為主要生產(chǎn)的機床種類，對于數(shù)控機床本身而言，要具備嚴格的機床運行要求，從而保證刀具運動軌跡的準確性。但是在一些特殊情況下，機床加工容易出現(xiàn)偏差，如果不能對這些偏差進行妥善處理，則會出現(xiàn)更大的失誤導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)問題。因此，針對偏差要進行妥善限定，不要超出最大的偏差區(qū)間。企業(yè)要適當引進機電一體化技術(shù)手段，如利用伺服控制系統(tǒng)，對機床的精密度進行改造控制，伺服控制系統(tǒng)的應(yīng)用，更有利于產(chǎn)品的日常維修，簡化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，縮短排除故障的時間，提高運行效率。如果要對現(xiàn)有的機床總體構(gòu)造進行調(diào)整，只需要引入特定的一體化技術(shù)即可進行解決。目前，數(shù)控機床擁有獨立的數(shù)控運行特點，企業(yè)如果能夠加以重視和改進，可以推動現(xiàn)存機床的快速發(fā)展[3]。

2.5 開發(fā)產(chǎn)品

除了在機械包裝和機床方面的應(yīng)用外，機電一體化技術(shù)還可以應(yīng)用在各類機電產(chǎn)品的開發(fā)中，從而保證產(chǎn)品的開發(fā)質(zhì)量和發(fā)展前景。當前大多數(shù)的機械產(chǎn)品都比較多變，一些智能化機械內(nèi)部構(gòu)造更是精細，利用一體化技術(shù)手段，對自動化、智能化的新型機械結(jié)構(gòu)進行全面改造，在保證機械構(gòu)造原始功能不變的同時增加一些全新的產(chǎn)品功能。對于機床產(chǎn)品而言，可以利用CAD技術(shù)或者自動操控手段，對一些零件形態(tài)進行自動識別，并根據(jù)特定的加工程序?qū)崿F(xiàn)零件的自動化加工。機械工程本身具有一定的科技含量和產(chǎn)品價值，在現(xiàn)階段的機械工程領(lǐng)域中具有較好的發(fā)展前景（如圖1）。

2.6 生產(chǎn)檢測與操作系統(tǒng)

借助機電一體化系統(tǒng)，建立一個可以實現(xiàn)生產(chǎn)和管理自動化和信息化的檢測系統(tǒng)。為了可以實現(xiàn)油田設(shè)備中，對生產(chǎn)的實時檢測與智能化操作，需要借助機電一體化技術(shù)，對系統(tǒng)進行自動化開發(fā)，一旦檢測到異常情況，如液位越限、壓力過高或過低等情況，可以實現(xiàn)自動保護與調(diào)整的功能，同時還可以在總監(jiān)控室進行遠程監(jiān)控的命令下發(fā)，讀取生產(chǎn)區(qū)的生產(chǎn)資料，這種方式大大減少了人工成本與工作強度。該系統(tǒng)借助機電一體化技術(shù)，可以實現(xiàn)生產(chǎn)自動化，對巡檢管理和生產(chǎn)安全監(jiān)視進行智能操作，同時還可以實現(xiàn)報警管理、歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計管理、安全管理等多項功能。特別是油田設(shè)備的保護和控制，更要加以重視，針對油田設(shè)備中的每一個器件工作情況，都要進行有針對性的保護。借助報警管理設(shè)備，當油田設(shè)備的有幾組發(fā)生故障或者發(fā)生意外情況，立即做出報警操作，當發(fā)生事故后，可以自動或手動實現(xiàn)停車功能，機電一體化的應(yīng)用能夠大大提高油田設(shè)備的工作效率[4]。

2.7 接口技術(shù)

接口技術(shù)是一種連接機電一體化控制系統(tǒng)關(guān)于外部設(shè)備通信的技術(shù)，在機電一體化系統(tǒng)中，計算機設(shè)備與傳感器設(shè)備之間的連接和信息交換都需要通過接口技術(shù)進行實現(xiàn)。實現(xiàn)接口功能不僅要進行硬件電路的設(shè)置，還需要進行驅(qū)動程序的設(shè)計，接口硬件和軟件的結(jié)合都需要通過接口技術(shù)實現(xiàn)。

2.8 監(jiān)控與診斷技術(shù)

監(jiān)控與診斷技術(shù)可以保證機電一體化設(shè)備的運行更加穩(wěn)定可靠，發(fā)揮出最大的效能。對加工的物力狀態(tài)、工藝狀態(tài)進行測量，對故障機理進行診斷，并根據(jù)設(shè)備的故障模型，對設(shè)備進行性能診斷和功能診斷，以提高系統(tǒng)的可靠性運行。

2.9 監(jiān)控系統(tǒng)

機電一體化技術(shù)優(yōu)勢眾多，主要體現(xiàn)在具有良好的安全控制功能和修復(fù)功能，所以在監(jiān)控系統(tǒng)中，機電一體化技術(shù)也得到了應(yīng)用。在機械工程中的液壓系統(tǒng)和自動化系統(tǒng)中，都能夠體現(xiàn)出機電一體化技術(shù)的優(yōu)勢，實現(xiàn)對機械工程的全方位監(jiān)控。在機械工程中，利用監(jiān)控系統(tǒng)對設(shè)備運行中產(chǎn)生的各種故障進行自動檢查，為維修人員提供方便，減少工作強度。將機電一體化技術(shù)應(yīng)用在機械工程領(lǐng)域中，不僅可以改變維修人員的工作形式，還可以提升機械工程的整體運行效率。在監(jiān)控系統(tǒng)中的報警設(shè)備，可以幫助工作人員對系統(tǒng)故障進行及時處理，避免機械功能因維修不及時而造成更大的經(jīng)濟損失。

3 ?機電一體化虛擬原型技術(shù)的應(yīng)用

3.1 虛擬原型技術(shù)

虛擬原型技術(shù)是在CAX/DFX技術(shù)以及物理樣機設(shè)計的基礎(chǔ)上，再融合機電一體化技術(shù)，對它們進行綜合管理，并形成一個從產(chǎn)品設(shè)計、仿真以及分析的復(fù)雜開發(fā)模式。利用虛擬原型技術(shù)可以解決傳統(tǒng)機械產(chǎn)品中所遇到的瓶頸問題，該技術(shù)與傳統(tǒng)的設(shè)計思想相比，最大的優(yōu)勢就是可以將多領(lǐng)域技術(shù)進行融合，通過一定關(guān)系形成動態(tài)系統(tǒng)。借助CAD模型、外觀模型以及仿真模型等模型聯(lián)合體，在虛擬工況環(huán)境下，對產(chǎn)品關(guān)鍵性能指標進行可視化分析。其優(yōu)勢是縮短開發(fā)時間，降低開發(fā)成本，提高產(chǎn)品競爭。設(shè)計原理如圖2所示。

3.2 虛擬原型技術(shù)在機電一體化產(chǎn)品中的應(yīng)用

3.2.1 設(shè)計思想

傳統(tǒng)的機電一體化設(shè)計是一種相對簡單的串行開發(fā)，其設(shè)計思想針對于復(fù)雜的開發(fā)活動可管理，但是沒有將產(chǎn)品之間的各個環(huán)境進行并行開發(fā)，導(dǎo)致產(chǎn)品開發(fā)時間久、成本高。前期的設(shè)計環(huán)節(jié)考慮較少，導(dǎo)致設(shè)計出現(xiàn)修改次數(shù)過多，沒有將產(chǎn)品的可制造性充分發(fā)揮出來，無法及早發(fā)現(xiàn)問題并解決。因此，機電一體化產(chǎn)品的設(shè)計需要一種先進的設(shè)計思想指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計與開發(fā)，虛擬原型技術(shù)具有并行開發(fā)的功能，可以彌補傳統(tǒng)設(shè)計中存在的不足，解決設(shè)計過程中遇到的瓶頸問題[5]。

3.2.2 發(fā)展趨勢

機電一體化產(chǎn)品設(shè)計過程中，涉及到多種技術(shù)領(lǐng)域，多種技術(shù)之間進行相互融合、交互，為數(shù)字化、虛擬化發(fā)展提供助力。將虛擬原型技術(shù)應(yīng)用到機電一體化產(chǎn)品設(shè)計中，可以加快推進數(shù)字化、虛擬化的產(chǎn)品設(shè)計發(fā)展。

3.2.3 兩者關(guān)系

虛擬原型技術(shù)與機電一體化產(chǎn)品相輔相成，互相成就。虛擬原型技術(shù)為設(shè)計人員提供了開發(fā)助力，讓產(chǎn)品設(shè)計可以更加簡單方便。隨著機電一體化產(chǎn)品的不斷發(fā)展，對設(shè)計技術(shù)、設(shè)計思想會有更高的要求。因此，對于虛擬原型技術(shù)而言，也需要作進一步的發(fā)展。

4 ?結(jié)語

機電一體化相關(guān)技術(shù)可應(yīng)用在多種領(lǐng)域中，尤其在機械工程制造領(lǐng)域的應(yīng)用，更能凸顯機電一體化技術(shù)的優(yōu)勢。不僅能夠提高生產(chǎn)效率，還能夠便利人們的生活。近年來，工業(yè)快速發(fā)展階段對機電一體化產(chǎn)品的要求越來越高，智能化成為了主要發(fā)展趨勢，同時也為綠色化的機電一體化產(chǎn)品設(shè)計提供平臺，讓產(chǎn)品的壽命得到延長，保證產(chǎn)品的殘存部分可以得到分解和可再生利用。

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