機(jī)電一體化技術(shù)在機(jī)械工程中的應(yīng)用分析

孟娜

(陜西工商職業(yè)學(xué)院 陜西西安 710121)

機(jī)械工程是綜合運(yùn)用自然科學(xué)、技術(shù)科學(xué)等現(xiàn)代理論以及生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)各種機(jī)械在開發(fā)設(shè)計(jì)、制造安裝、運(yùn)用維修等方面的理論與實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行解決。機(jī)械工程的主要任務(wù)是將一系列新的機(jī)械產(chǎn)品研制出來(lái)，促使勞動(dòng)生產(chǎn)率得到提高，生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性得到改善。在機(jī)械工程發(fā)展過(guò)程中，面臨著資源消耗較大、環(huán)境污染嚴(yán)重以及加工效率不高等問(wèn)題。因此，機(jī)電一體化等一系列先進(jìn)技術(shù)被引入機(jī)械工程中，顯著改變了機(jī)械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)以及生產(chǎn)方式等各個(gè)方面，對(duì)機(jī)械工程的整體發(fā)展起到了明顯推動(dòng)作用。為進(jìn)一步提高機(jī)械工程發(fā)展質(zhì)量，需深化對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)的研究，探討機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用模式與策略。

1 機(jī)電一體化技術(shù)概述

1.1 基本概念

機(jī)電一體化技術(shù)有機(jī)結(jié)合了機(jī)械技術(shù)、信息技術(shù)、微電子技術(shù)等一系列先進(jìn)技術(shù)，且在生產(chǎn)實(shí)踐中綜合應(yīng)用?，F(xiàn)階段的現(xiàn)代化自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備，皆采用了機(jī)電一體化技術(shù)。通過(guò)將機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械工程生產(chǎn)中，可促使機(jī)械的智能化、高效化得到實(shí)現(xiàn)，機(jī)械生產(chǎn)與運(yùn)行能耗也可得到顯著降低[1]。

1.2 優(yōu)勢(shì)特征

和普通機(jī)電技術(shù)相比，機(jī)電一體化技術(shù)具有較大的優(yōu)勢(shì)：第一，功能增強(qiáng)。傳統(tǒng)機(jī)電產(chǎn)品只有單項(xiàng)技術(shù)與功能，而機(jī)電一體化則集成了多種技術(shù)與功能，使得機(jī)電產(chǎn)品具有更加強(qiáng)大的功能，且可以在不同場(chǎng)合、領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用，促使用戶的多元化需求得到滿足。第二，精度提高。通過(guò)應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)，能夠?qū)C(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，傳動(dòng)部件明顯減少，這樣可大幅度減少機(jī)械磨損、受力變形等因素造成的誤差。同時(shí)，干擾因素造成的動(dòng)態(tài)誤差能夠被計(jì)算機(jī)檢測(cè)與控制技術(shù)有效補(bǔ)償與校正，促使機(jī)械設(shè)備的工作精度得到顯著提高。第三，安全性提升。基于機(jī)電一體化技術(shù)的支持，自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)診斷、自動(dòng)保護(hù)以及自動(dòng)報(bào)警等一系列自動(dòng)化功能可以實(shí)現(xiàn)，機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的安全性、可靠性得到增強(qiáng)，可以避免發(fā)生運(yùn)行事故，保護(hù)生產(chǎn)作業(yè)人員的人身安全。第四，操作改善。通過(guò)應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)，可將傳統(tǒng)的操作按鈕與手柄發(fā)展為計(jì)算機(jī)程序控制和數(shù)字顯示，設(shè)備操作性能得到明顯改善，整體操作難度大幅度降低[2]。第五，柔性提高。結(jié)合具體的生產(chǎn)需求，借助于計(jì)算機(jī)軟件能夠?qū)C(jī)器設(shè)備的工作程序進(jìn)行有效改變，有效提高了機(jī)械設(shè)備的柔性。以應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人為例，其運(yùn)動(dòng)自由度較高，通過(guò)對(duì)控制程序進(jìn)行改變，運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)即可隨之發(fā)生變化，促使不同的作業(yè)要求得到滿足。

2 機(jī)電一體化技術(shù)在機(jī)械工程中的具體應(yīng)用

2.1 機(jī)械工程監(jiān)控中的應(yīng)用

在機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)用過(guò)程中，難免會(huì)有多種多樣的故障出現(xiàn)。如果機(jī)械設(shè)備具備自行監(jiān)測(cè)功能，就可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處理各種故障異常，促使機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行效率、運(yùn)行安全性得到提升。而通過(guò)在機(jī)械工程中應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)，就可有效實(shí)現(xiàn)這一功能。基于機(jī)電一體化、電子監(jiān)控等技術(shù)的支持，操作人員可遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，一旦有異常故障出現(xiàn)，能夠第一時(shí)間進(jìn)行檢測(cè)、判斷與處理。同時(shí)，機(jī)械設(shè)備也可以向人員自動(dòng)發(fā)出故障預(yù)警信息，避免異常故障的嚴(yán)重化與擴(kuò)大化。通過(guò)實(shí)現(xiàn)機(jī)械工程自動(dòng)監(jiān)控，人為監(jiān)控成本得到降低，有助于機(jī)械工程整體效益的提升。需注意的是，相關(guān)技術(shù)操作人員要對(duì)機(jī)械設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行充分了解，包括液壓系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)等，當(dāng)故障發(fā)生后，工作人員方可以對(duì)故障位置準(zhǔn)確定位，采取針對(duì)性的故障處理措施。

2.2 包裝機(jī)械中的應(yīng)用

相較于其他類型的機(jī)械設(shè)備，包裝機(jī)械的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，凸輪制造、控制連桿具有較大的控制難度，且容易有異常故障發(fā)生，難以高效維修和處理。面對(duì)這種情況，可將模塊化技術(shù)應(yīng)用過(guò)來(lái)，一旦有問(wèn)題故障出現(xiàn)，工作人員能夠劃分故障模塊，對(duì)故障部位、故障原因等進(jìn)行準(zhǔn)確分析，促使異常故障的得到高效解決，機(jī)械工程運(yùn)行的穩(wěn)定性得到保證[3]。此外，通過(guò)應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)，還能夠?qū)崿F(xiàn)包裝機(jī)械的自動(dòng)化管控。工作人員要利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)定設(shè)備工作流程，輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)，傳動(dòng)帶、機(jī)械臂等各部分結(jié)構(gòu)即可自動(dòng)運(yùn)行。通過(guò)在包裝機(jī)械中應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)，產(chǎn)品的自動(dòng)化生產(chǎn)速度能夠得到大幅度提升，良品率、合格率也可得到有效保證。

2.3 機(jī)械精度控制中的應(yīng)用

機(jī)電一體化技術(shù)具有良好的精度控制功能，通過(guò)在機(jī)械工程中應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)，可以促使機(jī)械精度得到大幅度提高?；跈C(jī)電一體化技術(shù)的支持，機(jī)械設(shè)備的傳統(tǒng)部件得到精簡(jiǎn)，這樣機(jī)械運(yùn)行中各類部件所造成的誤差能夠有效減小，促使精度控制得到實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，操作人員還可以借助于計(jì)算機(jī)檢測(cè)技術(shù)等有效補(bǔ)償、校正其他因素所導(dǎo)致的誤差，促使機(jī)械工程的精度控制水平得到提高。需特別注意的是，人員的操作規(guī)范化會(huì)在很大程度上影響到機(jī)械設(shè)備運(yùn)行精度。部分人員由于缺乏良好的技術(shù)能力和規(guī)范生產(chǎn)意識(shí)，容易有不規(guī)范操作行為出現(xiàn)，這樣機(jī)械設(shè)備精度將難以保證，機(jī)電一體化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)也無(wú)法得到體現(xiàn)。面對(duì)這種情況，在應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)的基礎(chǔ)上，還需要大力培訓(xùn)機(jī)械設(shè)備操作人員，引導(dǎo)其充分掌握機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行原理、操作技巧以及規(guī)范要點(diǎn)，嚴(yán)格遵循相應(yīng)的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)開展各項(xiàng)操作，避免有錯(cuò)誤操作、異常操作等情況出現(xiàn)，可以更加高效地控制工程機(jī)械的精度。

2.4 數(shù)控機(jī)床技術(shù)的應(yīng)用

數(shù)控機(jī)床技術(shù)融合了電子計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字化模塊技術(shù)等一系列先進(jìn)技術(shù)，能夠有效提升機(jī)械工程領(lǐng)域生產(chǎn)線設(shè)備的加工運(yùn)行效率和精準(zhǔn)性，快速生產(chǎn)相應(yīng)的機(jī)械產(chǎn)品。以汽車制造企業(yè)為例，通過(guò)將數(shù)控機(jī)床技術(shù)應(yīng)用過(guò)來(lái)，可以完成快速組裝、拆卸汽車制造的各項(xiàng)零部件，有效提高汽車部件的生產(chǎn)制造效率[4]。近年來(lái)，我國(guó)數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展迅速，利用機(jī)電一體化技術(shù)改造與強(qiáng)化機(jī)床設(shè)備，可促使我國(guó)高端機(jī)床應(yīng)用不足等問(wèn)題得到根本性解決。但要注意的是，由于我國(guó)數(shù)控機(jī)床技術(shù)起步較晚，還具有較大的發(fā)展提升空間。因此，未來(lái)要進(jìn)一步深度應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)，促使數(shù)控機(jī)床的核心競(jìng)爭(zhēng)力得到提高。

2.5 機(jī)械臂技術(shù)的應(yīng)用

在現(xiàn)代機(jī)械工程生產(chǎn)制造過(guò)程中，機(jī)械臂技術(shù)發(fā)揮著十分重要的作用，其也是機(jī)電一體化技術(shù)的典型代表。機(jī)械臂能夠精準(zhǔn)布控加工設(shè)備，動(dòng)態(tài)、精準(zhǔn)調(diào)整設(shè)備加工速度、加工流程等，促使24 h流水線加工得到實(shí)現(xiàn)。進(jìn)入新時(shí)期后，隨著機(jī)電一體化技術(shù)的日趨成熟，機(jī)械臂具有更加強(qiáng)大的功能和廣泛的作用范圍，目前已經(jīng)在汽車制造、發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)等諸多領(lǐng)域得到深度應(yīng)用。相較于傳統(tǒng)人工操作模式，機(jī)械臂技術(shù)在精準(zhǔn)性、高效性方面具有較大的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，機(jī)械臂技術(shù)能夠在高溫環(huán)境、強(qiáng)堿強(qiáng)酸環(huán)境中應(yīng)用，可克服不良環(huán)境條件的干擾與影響。

3 機(jī)電一體化技術(shù)在機(jī)械工程中的發(fā)展趨勢(shì)

由于機(jī)電一體化融合了較多的學(xué)科與技術(shù)，如機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)等，隨著這些學(xué)科與技術(shù)的發(fā)展，機(jī)電一體化技術(shù)將會(huì)更加成熟。

3.1 智能化

近年來(lái)，人工智能與機(jī)電一體化技術(shù)的融合受到充分重視，逐漸產(chǎn)生了數(shù)控機(jī)床智能化與機(jī)器人等。具體來(lái)講，就是將計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能、模糊數(shù)學(xué)等先進(jìn)思想與方法綜合運(yùn)用，對(duì)人類智能進(jìn)行模擬，以便進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)械設(shè)備的判斷推理、決策控制等功能。通過(guò)在機(jī)械設(shè)備中應(yīng)用高性能、高速的微處理器，促使其具備一些低級(jí)智能，可以進(jìn)一步推動(dòng)機(jī)械工程的發(fā)展。就目前來(lái)講，人工智能與機(jī)電一體化技術(shù)的融合還處于初步發(fā)展階段，相關(guān)工作者要深化研究工作，逐步拓展二者的融合深度，提升機(jī)械工程的智能化水平。

3.2 模塊化

就現(xiàn)階段而言，機(jī)電一體化產(chǎn)品具有繁多的種類，不同產(chǎn)品在接口方面存在著較大的差異，對(duì)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大以及機(jī)械工程的發(fā)展造成了不利影響。面對(duì)這種情況，需堅(jiān)持模塊化發(fā)展理念，逐步對(duì)各類機(jī)電一體化產(chǎn)品的機(jī)械接口、電氣接口、動(dòng)力接口等進(jìn)行統(tǒng)一。通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)單元進(jìn)行研發(fā)，可促使機(jī)械新產(chǎn)品的開發(fā)速度得到加快，機(jī)械生產(chǎn)規(guī)模也能夠顯著擴(kuò)大。在具體實(shí)踐中，要與機(jī)械工程領(lǐng)域的大企業(yè)聯(lián)合起來(lái)，統(tǒng)一制定各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，促使機(jī)電一體化技術(shù)的模塊化得到實(shí)現(xiàn)[5-8]。

3.3 網(wǎng)絡(luò)化

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)的重要分支，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，深刻影響到科學(xué)技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)及人們的生產(chǎn)生活。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有效連接了全球經(jīng)濟(jì)與生產(chǎn)，當(dāng)研制出具有可靠質(zhì)量、獨(dú)特功能的機(jī)電一體化新產(chǎn)品后，將會(huì)在短時(shí)間內(nèi)向全球范圍內(nèi)普及。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也催生了遠(yuǎn)程控制及監(jiān)控技術(shù)，而機(jī)電一體化產(chǎn)品則是遠(yuǎn)程控制的終端設(shè)備?；诰W(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持，能夠利用現(xiàn)場(chǎng)總線、局域網(wǎng)等連接生產(chǎn)設(shè)備，將計(jì)算機(jī)集成設(shè)備系統(tǒng)建設(shè)起來(lái)，有助于提高設(shè)備運(yùn)行效率。在未來(lái)發(fā)展過(guò)程中，機(jī)電一體化技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展趨勢(shì)將會(huì)明顯增強(qiáng)。

3.4 微型化

過(guò)去機(jī)電一體化產(chǎn)品的體積較大，對(duì)其在機(jī)械工程中的應(yīng)用造成了嚴(yán)重的限制。面對(duì)這種情況，20世紀(jì)80年代開始研究機(jī)電一體化技術(shù)的微型化，開始朝著微型機(jī)器、微觀領(lǐng)域等方向發(fā)展。相較于傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品，微機(jī)電一體化產(chǎn)品具有較小體積、較少耗能等優(yōu)勢(shì)，并得到了廣泛應(yīng)用。就現(xiàn)階段而言，微機(jī)械技術(shù)是微機(jī)電一體化發(fā)展的主要瓶頸，通常利用光刻技術(shù)、蝕客技術(shù)等超精密技術(shù)加工微機(jī)電一體化產(chǎn)品。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，一方面，機(jī)電一體化技術(shù)日趨成熟，在機(jī)械工程領(lǐng)域的應(yīng)用廣度、深度也在持續(xù)拓展。另一方面，由于其自身功能強(qiáng)大，優(yōu)勢(shì)眾多的特點(diǎn)，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于機(jī)械工程領(lǐng)域，顯著推動(dòng)了機(jī)械工程行業(yè)的發(fā)展。近年來(lái)，為進(jìn)一步加快機(jī)械工程行業(yè)的發(fā)展步伐，需結(jié)合現(xiàn)階段機(jī)械工程發(fā)展中面臨的問(wèn)題，持續(xù)創(chuàng)新與發(fā)展機(jī)電一體化技術(shù)，逐步提升機(jī)電一體化技術(shù)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化以及微型化等，促使機(jī)電一體化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)、作用得到有效加強(qiáng)。