基于機(jī)電一體化技術(shù)的機(jī)械設(shè)計(jì)制造與應(yīng)用

張盼盼，王宇，藍(lán)建華

（ 浙江金象科技有限公司，浙江 東陽(yáng) 322100 ）

0 引言

隨著科技水平不斷提高和信息時(shí)代迅猛發(fā)展，機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械制造領(lǐng)域，取得了良好的應(yīng)用效果，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)模式的改革與創(chuàng)新，提升了機(jī)械設(shè)計(jì)制造整體效率。本文提出基于機(jī)電一體化技術(shù)的機(jī)械設(shè)計(jì)制造方案，確保其可靠性和可行性，旨在提高機(jī)械設(shè)計(jì)制造水平。

1 概述

機(jī)電一體化技術(shù)主要是指在應(yīng)用傳統(tǒng)機(jī)械技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、伺服傳動(dòng)技術(shù)和傳感器檢測(cè)技術(shù)，進(jìn)行綜合應(yīng)用后而出現(xiàn)的一種新型、先進(jìn)的智能化生產(chǎn)技術(shù)[1]。該技術(shù)在具體的運(yùn)用中，可以促進(jìn)傳統(tǒng)生產(chǎn)模式向智能化生產(chǎn)模式的轉(zhuǎn)變和發(fā)展。目前，機(jī)電一體化技術(shù)主要應(yīng)用于工業(yè)制造企業(yè)以及大型生產(chǎn)領(lǐng)域中，能夠?qū)θ四X思維模式進(jìn)行真實(shí)化模擬和利用，為促進(jìn)企業(yè)生產(chǎn)流程的動(dòng)態(tài)化、智能化、信息化監(jiān)測(cè)和判斷提供了重要的技術(shù)支持。

機(jī)電一體化技術(shù)將電子技術(shù)、機(jī)械技術(shù)和相關(guān)軟硬件設(shè)備有效結(jié)合，為促進(jìn)整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)向信息化、最優(yōu)化方向發(fā)展提供了重要的技術(shù)支持，因此，結(jié)構(gòu)最優(yōu)化逐漸成為了機(jī)電一體化技術(shù)的重要特征[2]。近年來(lái)，機(jī)械制造系統(tǒng)在具體的應(yīng)用中，逐漸改變和淘汰了人工操作方式，最大化地降低了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度[3]，為進(jìn)一步提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率和效果創(chuàng)造了良好的條件。此外，通過(guò)將機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械制造領(lǐng)域中，可事先根據(jù)系統(tǒng)使用需求，采用智能化操作方式，對(duì)整個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)流程進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)整和控制，以發(fā)揮出系統(tǒng)多種自動(dòng)化控制功能，如信息自動(dòng)化處理功能、信息自動(dòng)化修改功能、故障信息自動(dòng)化監(jiān)測(cè)功能等[4]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原理

將電子技術(shù)與機(jī)械控制充分融合的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)原理，如圖1所示。在這個(gè)過(guò)程中，利用傳感器對(duì)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行檢測(cè)[5]，將檢測(cè)到的信息數(shù)據(jù)安全可靠地傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，獲得相應(yīng)控制信號(hào)，智能化控制執(zhí)行裝置。

圖1 機(jī)電一體化設(shè)計(jì)原理圖

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)電一體化系統(tǒng)構(gòu)成圖如圖2所示，從圖2中可以看到，系統(tǒng)由受控對(duì)象和控制器組成。為確保系統(tǒng)運(yùn)行性能，需要從多方面入手，加強(qiáng)各功能模塊的科學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

圖2 機(jī)電一體化系統(tǒng)構(gòu)成圖

1）機(jī)械本體。機(jī)械本體作為受控對(duì)象的重要組成部分，主要由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)機(jī)械本體組成。機(jī)械本體利用電子技術(shù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械的智能化功能和柔性化功能，同時(shí)，充分利用了新型材料和復(fù)合材料[6]，確保機(jī)電一體化產(chǎn)品向小型化、智能化、數(shù)字化方向發(fā)展，提高產(chǎn)品的硬度和剛性，以保證產(chǎn)品的可靠性和安全性。

2）驅(qū)動(dòng)部分。針對(duì)新型處理相關(guān)指令信息，嚴(yán)格按照驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的相關(guān)規(guī)范操作。驅(qū)動(dòng)方式包含氣動(dòng)、液壓和電動(dòng)。根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需求，選用合適的驅(qū)動(dòng)方式可提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率。

3）檢測(cè)部分。對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果傳輸至信息處理及控制部分，為后期處理相關(guān)控制信息提供重要依據(jù)和參考[7]。該部分設(shè)計(jì)可保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和安全性。

4）信息處理與控制部分。作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，其功能設(shè)計(jì)水平直接影響系統(tǒng)運(yùn)行性能。該部分在具體的運(yùn)用中，需要采用機(jī)械運(yùn)動(dòng)方式，借助傳感器應(yīng)用優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)相關(guān)信號(hào)的檢測(cè)，做好信息數(shù)據(jù)的整理和存儲(chǔ)。利用相關(guān)接口，將執(zhí)行命令發(fā)送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，按照機(jī)械運(yùn)動(dòng)相關(guān)規(guī)范和要求，完成一系列的機(jī)械運(yùn)動(dòng)[8]。

5）能源部分。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行需求，持續(xù)提供動(dòng)力能量，如電動(dòng)能量、氣動(dòng)能量和液壓能量，確保系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定、安全運(yùn)行。

3 應(yīng)用方向

為促使機(jī)電一體化技術(shù)與機(jī)械設(shè)計(jì)制造有效融合，保證機(jī)械設(shè)計(jì)制造水平，本文開(kāi)展以智能機(jī)器人、柔性制造系統(tǒng)、自動(dòng)化生產(chǎn)控制、數(shù)控機(jī)床為對(duì)象的應(yīng)用方向探討。

3.1 智能機(jī)器人設(shè)計(jì)制造

智能機(jī)器人設(shè)計(jì)和制造的過(guò)程中，應(yīng)用各領(lǐng)域知識(shí)如電子技術(shù)、機(jī)械技術(shù)以及仿生學(xué)技術(shù)等，借助機(jī)電一體化技術(shù)，不斷提高設(shè)備的智能化、自動(dòng)化特征。此外，智能機(jī)器人具體的設(shè)計(jì)制造中，還將傳感技術(shù)、信息技術(shù)和控制技術(shù)進(jìn)行了充分整合和利用，不僅實(shí)現(xiàn)了人們思維活動(dòng)的有效模仿和學(xué)習(xí)，也完成了對(duì)相關(guān)信息數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)識(shí)別和科學(xué)判斷。同時(shí)，借助人類行為特征，發(fā)出相關(guān)操作指令以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)流程的科學(xué)把控。在機(jī)械制造領(lǐng)域中，利用智能機(jī)器人，可以最大限度地簡(jiǎn)化工作人員的手工操作流程，從而降低工作人員的工作強(qiáng)度，將時(shí)間和精力投入到信息化操作工作中。此外，在智能機(jī)器人的應(yīng)用背景下，可以促進(jìn)產(chǎn)品生產(chǎn)流程向智能化、規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化方向不斷發(fā)展，避免因人工操作不規(guī)范而影響產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量和效率。

3.2 柔性制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造

對(duì)于柔性制造系統(tǒng)而言，主要由數(shù)字控制子系統(tǒng)、物料儲(chǔ)運(yùn)子系統(tǒng)和信息控制子系統(tǒng)組成，具有功能強(qiáng)大、實(shí)用性強(qiáng)等特征。該系統(tǒng)在具體的運(yùn)用中，以操作加工對(duì)象為手段，突出系統(tǒng)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換特征，納入智能化機(jī)械系統(tǒng)的領(lǐng)域和范疇。將柔性制造系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)械制造領(lǐng)域，可以確保相關(guān)作業(yè)人員在充分了解和掌握產(chǎn)品生產(chǎn)流程的基礎(chǔ)上，科學(xué)合理地選用合適的物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)。借助計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)產(chǎn)品生產(chǎn)流程向自動(dòng)化、智能化、信息化方向不斷發(fā)展。同時(shí)，在柔性制造系統(tǒng)的應(yīng)用背景下，技術(shù)人員可以實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)流程的改進(jìn)和優(yōu)化，提高生產(chǎn)資源的利用率。

3.3 自動(dòng)化生產(chǎn)控制設(shè)計(jì)制造

該技術(shù)在具體運(yùn)用中，需要借助機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，以促進(jìn)機(jī)械制造的自動(dòng)化、智能化發(fā)展。利用各個(gè)控制裝置，完成對(duì)企業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)流程的優(yōu)化和完善，如人機(jī)交互控制裝置、可編程序控制裝置等。在機(jī)械制造中，任何產(chǎn)品的生產(chǎn)線都離不開(kāi)對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)控制技術(shù)的應(yīng)用。此外，如圖3所示的生產(chǎn)過(guò)程跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程中，也充分利用了自動(dòng)化生產(chǎn)控制技術(shù)，從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)入手，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品制造流程的優(yōu)化和完善，利用系統(tǒng)龐大的管理功能，為促進(jìn)制造行業(yè)向智能化、自動(dòng)化和信息化方向不斷發(fā)展提供有力保障。

圖3 生產(chǎn)過(guò)程跟蹤控制系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.4 數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)制造

數(shù)控技術(shù)屬于機(jī)械設(shè)計(jì)制造最早應(yīng)用的技術(shù)之一。對(duì)于數(shù)控機(jī)床而言，在具體生產(chǎn)中借助機(jī)電一體化系統(tǒng)，加強(qiáng)對(duì)數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用，以達(dá)到智能化控制數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)環(huán)節(jié)的目的。此外，利用總主線模式的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)整個(gè)生產(chǎn)向智能化、自動(dòng)化、數(shù)字化方向不斷發(fā)展。同時(shí)，采用模擬控制技術(shù)與三維控制技術(shù)相結(jié)合的方式，對(duì)數(shù)控生產(chǎn)流程進(jìn)行動(dòng)態(tài)化、標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化控制，利于技術(shù)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決制造工藝中出現(xiàn)的問(wèn)題和不足，為促進(jìn)制造工藝的不斷修改、優(yōu)化和完善提供正確的指導(dǎo)和方向。

4 結(jié)語(yǔ)

機(jī)電一體化技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用，促使機(jī)械技術(shù)和其他高科技技術(shù)進(jìn)行充分融合，促使機(jī)械技術(shù)得以不斷發(fā)展，極大程度提高了機(jī)械設(shè)計(jì)制造水平。由此可見(jiàn)，機(jī)械設(shè)計(jì)制造應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)已為必然趨勢(shì)，相關(guān)制造企業(yè)應(yīng)及時(shí)順應(yīng)相關(guān)變化，促使機(jī)械設(shè)計(jì)制造技術(shù)持續(xù)發(fā)展。