機(jī)電一體化技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用

周加良 方永剛 宣燕紅

（杭州鴻世電器股份有限公司，浙江 杭州 311400）

在工業(yè)領(lǐng)域中，自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，例如汽車(chē)的裝配、機(jī)械制造等。在農(nóng)業(yè)方面，由于農(nóng)作物的種植、節(jié)能環(huán)保需要，所以就要求其能夠?qū)崿F(xiàn)智能自動(dòng)培育和作業(yè)。而在建筑行業(yè)，則是對(duì)機(jī)電一體化的產(chǎn)物進(jìn)行應(yīng)用。機(jī)電一體化為的產(chǎn)物可以說(shuō)是現(xiàn)代的一種新型的高科技產(chǎn)業(yè)，它不僅僅具有傳統(tǒng)的功能而且還具備其他的一些特點(diǎn)。

1 機(jī)電一體化技術(shù)基礎(chǔ)理論

1.1 機(jī)電一體化技術(shù)的概念

機(jī)電一體化是指將機(jī)械設(shè)備、傳感器、電氣系統(tǒng)等集成在一個(gè)大的整體上，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種信息的采集、評(píng)估和處理，以達(dá)到智能控制的目的[1]；機(jī)電一體化的主要特點(diǎn)是：（1）采用微電腦控制系統(tǒng)。（2）運(yùn)用現(xiàn)代的通信網(wǎng)絡(luò)。（3）利用數(shù)字信號(hào)。（4）用智能的儀表顯示。機(jī)電一體化的發(fā)展過(guò)程中，最重要的兩個(gè)方面為：一是在設(shè)備原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)改造；二是對(duì)原來(lái)的產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)，使其更加適應(yīng)市場(chǎng)需求。隨著時(shí)代的進(jìn)步與科技的飛速發(fā)展，人們已經(jīng)逐漸認(rèn)識(shí)到了機(jī)電一體的重要性以及必要性，并且也開(kāi)始著手于機(jī)電一體的研究與開(kāi)發(fā)。目前國(guó)內(nèi)的許多企業(yè)都在積極地探索，并取得了一定的成果和經(jīng)驗(yàn)。例如：華為公司，它是一家專注于工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)與生產(chǎn)的公司；海爾公司，它致力于家用電器的設(shè)計(jì)制造，其產(chǎn)品涉及電子產(chǎn)品的各個(gè)領(lǐng)域，包括洗衣機(jī)、冰箱等等。這些都為企業(yè)的生產(chǎn)和人們的生活帶來(lái)了極大的便利性。

1.2 機(jī)電一體化技術(shù)的分類(lèi)

（1）按使用對(duì)象劃分，機(jī)電一體化系統(tǒng)可分為單工機(jī)械和多工種的機(jī)電產(chǎn)品，其中主要有數(shù)控機(jī)床、數(shù)控車(chē)床、加工中心等。（2）按功能可將其劃為裝配型和控制型兩大類(lèi)。（3）按照應(yīng)用范圍其包括工業(yè)型，如航天航空等。（4）根據(jù)作用其包括工業(yè)生產(chǎn)的機(jī)電一體化設(shè)備，如光纜、電致變色器、激光測(cè)距儀、自動(dòng)駕駛儀、導(dǎo)航燈、電子計(jì)算機(jī)、信息交換機(jī)、汽車(chē)?yán)走_(dá)、飛機(jī)上的各種傳感器、衛(wèi)星通訊、航空航天工程、海洋運(yùn)輸、電力傳輸、石油化工、鐵路調(diào)度、公路隧道、碼頭設(shè)施、港口裝卸船、污水處理、橋梁涵洞、地下排水、道路維護(hù)、水利水電、交通安全、城市建設(shè)、環(huán)境保護(hù)等方面。

1.3 機(jī)電一體化技術(shù)的構(gòu)成

（1）機(jī)電一體化裝置機(jī)電一體化的核心是機(jī)械部件，它由各種傳感器、控制器、伺服電機(jī)和執(zhí)行器等組成。（2）控制系統(tǒng)控制部分主要由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)等構(gòu)成。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的作用是將動(dòng)力傳遞到驅(qū)動(dòng)軸上，使其能夠帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的抓取。減速機(jī)的功能在于，將動(dòng)力傳輸?shù)焦ぷ髋_(tái)，并對(duì)其進(jìn)行一系列的操作，以完成指定的任務(wù)；而制動(dòng)器則負(fù)責(zé)對(duì)車(chē)輛的緊急安全保護(hù)。這些子系統(tǒng)的共同特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、使用方便、便于維修、性能穩(wěn)定、可控性強(qiáng)、可維護(hù)性好。

2 機(jī)電一體化技術(shù)在智能制造中的特點(diǎn)

2.1 智能化

智能化是指通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將機(jī)械設(shè)備進(jìn)行智能控制，使之成為一個(gè)完整的自動(dòng)化系統(tǒng)。

2.2 可控性

可控性是指利用傳感器，對(duì)物體的各種物理參數(shù)，如溫度、濕度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并根據(jù)檢測(cè)的數(shù)據(jù)自動(dòng)做出相應(yīng)的調(diào)整和處理，以保證機(jī)器的正常運(yùn)行。

2.3 柔性化

可控性是指在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，能夠?qū)Σ煌漠a(chǎn)品實(shí)現(xiàn)靈活的調(diào)節(jié)功能，以滿足用戶的需求變化。

2.4 小而精

在生產(chǎn)中，可以充分地發(fā)揮出其作用，從而提高效率，減少成本。

2.5 信息化

信息化就是把人的思想和信息的收集與分析結(jié)合起來(lái)，使其達(dá)到最優(yōu)的狀態(tài)來(lái)并且可以具備自學(xué)習(xí)功能。在現(xiàn)代的制造業(yè)中，由于電子信息技術(shù)的發(fā)展迅速，所以企業(yè)也應(yīng)該順應(yīng)時(shí)代的潮流來(lái)建立屬于自己的信息系統(tǒng)平臺(tái)。同時(shí)，也要加強(qiáng)員工的專業(yè)技能，讓他們能更好地為客戶服務(wù)。這樣才能更快地適應(yīng)市場(chǎng)的要求并獲得更多的利潤(rùn)空間。

3 機(jī)電一體化技術(shù)

3.1 機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用

（1）智能化。智能化是指利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，將人從繁雜的勞動(dòng)中解放出來(lái)，使人們的生活更加便捷，提高工作效率。（2）網(wǎng)絡(luò)信息化。在信息時(shí)代，智能系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)的一種潮流，它可以為我們提供大量的數(shù)據(jù)和資料，方便了企業(yè)的管理與決策。（3）集成自動(dòng)化。機(jī)電一體化的主要特點(diǎn)是：一是采用模塊的設(shè)計(jì)方法，使各個(gè)子系統(tǒng)之間的聯(lián)系更緊密；二是使用電子元器件，減少了設(shè)備的體積；三是運(yùn)用數(shù)字電路，實(shí)現(xiàn)集成化，降低成本。（4）柔性生產(chǎn)。通過(guò)對(duì)機(jī)電一體化的改造與創(chuàng)新使得產(chǎn)品具有較高的可靠性、安全性、節(jié)能性以及靈活性等。（5）柔性化。在機(jī)械加工過(guò)程中，為了適應(yīng)不同的加工環(huán)境，需要對(duì)其進(jìn)行柔性的調(diào)整來(lái)達(dá)到最佳的工藝效果。因此要根據(jù)實(shí)際情況，選擇合適的機(jī)床，從而保證機(jī)床的高精度、低消耗、低噪聲、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)簡(jiǎn)便。

3.2 機(jī)電一體化原理

計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得機(jī)電一體化技術(shù)得到了廣泛的運(yùn)用和普及。在智能制造領(lǐng)域中，主要是通過(guò)傳感器、微電子電路、控制器等部分實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的控制和檢測(cè)。（1）傳感器。傳感器是指能感知外界信息并把感應(yīng)到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電脈沖的裝置或設(shè)備。它包括各種敏感元件，如電阻應(yīng)變片、電容式、光電管等。傳感器可以將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化量，然后輸出。（2）微機(jī)處理器。微機(jī)處理器的功能就是處理這些數(shù)據(jù)，將采集的模擬量進(jìn)行數(shù)字化，并根據(jù)一定的算法計(jì)算出相應(yīng)的結(jié)果；同時(shí)，微型CPU 也可對(duì)輸入的指令作出響應(yīng)，以達(dá)到自動(dòng)識(shí)別，判斷和執(zhí)行命令的目的；它還能對(duì)存儲(chǔ)器的內(nèi)存空間做出有效的管理與調(diào)節(jié)。因此微機(jī)處理器的性能直接決定了智能制造的質(zhì)量與效率。（3）控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)是指能夠完成預(yù)定的任務(wù)并且具有較高可靠性的一套自動(dòng)化體系。

3.3 機(jī)電一體化的主要方法

（1）將傳感器、控制器和機(jī)械設(shè)備集成在一起，實(shí)現(xiàn)信息的收集和處理。（2）將智能化的機(jī)電一體化系統(tǒng)與人機(jī)交互，使其具有一定的靈活性。（3）在工業(yè)生產(chǎn)中，可以利用計(jì)算機(jī)的智能控制技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接，對(duì)數(shù)據(jù)的分析和整理，提高了自動(dòng)化水平。（4）將智能的機(jī)電一體化控制系統(tǒng)與人機(jī)交互，使其具備了實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，從而達(dá)到對(duì)故障的診斷能力，降低事故發(fā)生率。（5）采用先進(jìn)的電子技術(shù)，如數(shù)字濾波技術(shù)、超聲波測(cè)距儀等，來(lái)完成機(jī)電一體的設(shè)計(jì)工作。同時(shí)也能為使用者提供更多的方便條件。（6）在機(jī)電一體的應(yīng)用中，還應(yīng)考慮到環(huán)境的影響因素，例如：溫度、濕度等。這些都會(huì)造成誤差，所以我們要不斷地改善工藝，以確保產(chǎn)品的質(zhì)量安全。此外，還應(yīng)注意的是，在使用過(guò)程中，要定期的檢查儀器的性能參數(shù)，以保證其穩(wěn)定運(yùn)行。如果出現(xiàn)問(wèn)題，應(yīng)該及時(shí)的糾正錯(cuò)誤，避免不必要的損失。

4 機(jī)電一體化技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用策略

4.1 機(jī)電一體化技術(shù)在智能制造系統(tǒng)中的需求

傳統(tǒng)的機(jī)械制造系統(tǒng)中，由于信息傳遞的方式比較單一，在生產(chǎn)過(guò)程中，需要對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和處理，并且在加工的時(shí)候，也會(huì)浪費(fèi)很多的人力物力，而且在產(chǎn)品的質(zhì)量方面也沒(méi)有辦法保證，所以，這種自動(dòng)化的系統(tǒng)是無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展要求的。

機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)智能的控制和檢測(cè)，通過(guò)傳感器的監(jiān)測(cè)來(lái)對(duì)產(chǎn)品的性能、外觀等做出判斷，并及時(shí)地反饋給設(shè)計(jì)部門(mén)，以便能夠更好地滿足消費(fèi)者的需求；機(jī)電一體化的智能控制系統(tǒng)還能為企業(yè)提供更多的便利性，例如：（1）自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)。（2）遠(yuǎn)程操控。（3）智能的管理信息系統(tǒng)。（4）智能的監(jiān)控設(shè)備。如：溫度、濕度等。這些都能為用戶帶來(lái)更多的便捷性。比如：溫度的實(shí)時(shí)調(diào)控，環(huán)境溫差的有效調(diào)節(jié)以及各種突發(fā)情況的應(yīng)急方案等等，都能幫助使用者提高工作效率，減少人工成本，讓人們的生活更加舒適。

4.2 機(jī)電一體化技術(shù)體系架構(gòu)

現(xiàn)代機(jī)電一體化系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的集成控制系統(tǒng)，它具有高精度、高可靠性、低能耗等特點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。

（1）智能控制技術(shù)的應(yīng)用。智能控制技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在智能的設(shè)備上，如機(jī)器人、自動(dòng)生產(chǎn)線、儀表盤(pán)、儀器儀表，以及各種通信和通訊網(wǎng)絡(luò)。在這些方面，可以通過(guò)使用先進(jìn)的傳感器來(lái)感知不同的環(huán)境中的信息并進(jìn)行分析，然后做出相應(yīng)的處理措施。例如：利用紅外線對(duì)射器來(lái)檢測(cè)物體的位置；用紅外對(duì)射器來(lái)測(cè)量被測(cè)物的距離；用激光或數(shù)字相機(jī)來(lái)跟蹤被測(cè)物的表面情況。（2）機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用。隨著電子信息技術(shù)的飛速進(jìn)步，機(jī)電一體化也越來(lái)越受到人們的重視與青睞。它是將機(jī)械的功能與微機(jī)的結(jié)合而產(chǎn)生的一種新型的產(chǎn)品——單片機(jī)。這種單片機(jī)的出現(xiàn)使得其成為智能的控制器之一，并且能夠完成許多傳統(tǒng)的模擬電路的組裝工作。

4.3 機(jī)電一體化技術(shù)的模塊

對(duì)于智能制造系統(tǒng)而言，其主要是通過(guò)傳感器、微機(jī)、計(jì)算機(jī)等設(shè)備來(lái)完成的信息處理和分析的工作[2]；而在進(jìn)行智能化的過(guò)程中，則是對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。在智能制造的領(lǐng)域中，其最重要的部分就是智能控制系統(tǒng)，它能夠?qū)C(jī)械的生產(chǎn)能力轉(zhuǎn)化成自動(dòng)化的產(chǎn)品數(shù)量，從而提高勞動(dòng)的效率以及質(zhì)量。目前，我國(guó)已經(jīng)有很多企業(yè)都開(kāi)始使用了這一系統(tǒng)，比如杭州的“智慧工廠”，該公司的“智慧物流”，利用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)物品的運(yùn)輸管理，同時(shí)也為消費(fèi)者提供更加便捷的服務(wù)。機(jī)電一體化模塊主要有以下幾類(lèi)：

（1）傳感器：傳感器是一種檢測(cè)裝置，它能把被測(cè)量的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后傳送給控制器，從而使控制系統(tǒng)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。（2）控制單元：它是機(jī)電一體化中的核心部分，其作用在于實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械的狀態(tài)和參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)。（3）顯示系統(tǒng)：通過(guò)顯示器，能夠清晰地了解到當(dāng)前的工作狀況，并能根據(jù)所需的數(shù)值來(lái)決定是否調(diào)整設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。（4）報(bào)警器：當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障或發(fā)生事故時(shí)，可及時(shí)發(fā)出警報(bào)，提醒工作人員，防止造成更大的損失和傷害。同時(shí)，還可在無(wú)人看管的情況下，將設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)告知值班人員，減少人與人之間的安全隱患。該設(shè)計(jì)還可以在某些場(chǎng)合使用，如工廠、車(chē)間等。也可用于其他的領(lǐng)域中。如工業(yè)機(jī)器人的智能化。該產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)有：體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、抗振動(dòng)、靈敏度高、性價(jià)比高等。

4.4 機(jī)電一體化技術(shù)在智能制造中的界面

界面是智能系統(tǒng)中最基本的要素之一，它決定了智能化設(shè)備的功能和性能。在智能制造中，界面主要包括了傳感器、顯示、控制和通信等部分。

其中，傳感器是指能夠感知到的外界信息，而顯示屏則是指能通過(guò)顯示器來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)展示。在機(jī)電一體化的過(guò)程中，界面設(shè)計(jì)的好壞會(huì)直接影響用戶的使用體驗(yàn)感；而液晶屏則需要良好的亮度以及清晰的色彩搭配，同時(shí)還應(yīng)該具備較高的可靠性和抗干擾能力，這樣才可以讓使用者的體驗(yàn)得到提高。目前，市場(chǎng)上的智能機(jī)器大多是采用機(jī)械原理來(lái)實(shí)現(xiàn)的工作方式，這種操作方法雖然簡(jiǎn)單，但由于其成本較高，并且不容易被廣大的消費(fèi)者所接受，所以很多的企業(yè)都選擇了將其淘汰，這就導(dǎo)致其生產(chǎn)的效率不高，而且還存在著安全隱患。隨著社會(huì)的發(fā)展與科技的進(jìn)步，越來(lái)越多的人開(kāi)始關(guān)注起機(jī)電一體化的未來(lái)前景，并將目光投向機(jī)電一體的研究領(lǐng)域。

4.5 硬件電路

將智能制造中的硬件設(shè)備進(jìn)行集成，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械的自動(dòng)化控制，提高工作效率，降低成本。在智能制造中，硬件電路主要包括傳感器、控制器、顯示系統(tǒng)等[3]。

（1）傳感器。傳感器是智能制造的核心器件，它能夠采集外界的信息并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后傳輸給計(jì)算機(jī)，再由電腦處理。傳感器是一種檢測(cè)裝置，它能感知外部的變化和環(huán)境的影響，從而自動(dòng)的改變自身的狀態(tài)或調(diào)整生產(chǎn)工藝。傳感器在機(jī)電一體化的過(guò)程中起著重要的作用：一是對(duì)各種被測(cè)物體的參數(shù)作出判斷；二是根據(jù)所獲取的數(shù)據(jù)，分析出被測(cè)對(duì)象的優(yōu)缺點(diǎn)；三是通過(guò)計(jì)算出的結(jié)果來(lái)確定測(cè)量的目的和程度。（2）顯示器。顯示屏作為智能制造的關(guān)鍵部分，其功能的發(fā)揮直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量與性能。因此，為了保證機(jī)電一體化的可靠性及穩(wěn)定性，應(yīng)選用數(shù)字式LED 數(shù)碼管，同時(shí)使用液晶屏。此外，還應(yīng)考慮到美觀性，使之具有一定的觀賞性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文的研究對(duì)象是機(jī)電一體化技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用和分析，通過(guò)對(duì)智能制造的概念和特點(diǎn)的了解與認(rèn)識(shí)，以及對(duì)機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了深入的探討；結(jié)合機(jī)電一體化的相關(guān)理論知識(shí)，并將其應(yīng)用于實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，從而使其具有一定的實(shí)用性。