機(jī)械設(shè)計制造中機(jī)電一體化的應(yīng)用研究

王健，孫遠(yuǎn)

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司，無錫 江陰 212400）

作為世界上的制造業(yè)大國，工業(yè)是我國支柱型產(chǎn)業(yè)，其整體的發(fā)展水平對于國家整體經(jīng)濟(jì)實力有著關(guān)鍵性的決定作用，在當(dāng)代社會條件下，得益科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對于機(jī)械設(shè)計制造行業(yè)的綜合能力提出了更高要求。而機(jī)電一體化是一種集成了微型計算機(jī)和規(guī)?；呻娐返默F(xiàn)代化微電子技術(shù)，其具有兼容性強(qiáng)、穩(wěn)定性高等諸多優(yōu)點，因而被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域中。在機(jī)械設(shè)計制造行業(yè)中引入機(jī)電一體化技術(shù)，可以大幅度提升對機(jī)械設(shè)備的利用率，進(jìn)而全面提升機(jī)械設(shè)計制造的綜合實力，助推我國工業(yè)化進(jìn)程快速發(fā)展。

1 機(jī)電一體化概述

機(jī)電一體化是一種綜合性技術(shù)，它融合了信息化技術(shù)、自動化控制技術(shù)、軟件編程、傳感器技術(shù)以及電力電子技術(shù)等眾多現(xiàn)代化技術(shù)的優(yōu)勢，并整合了大規(guī)模集成電路和微型計算機(jī)，屬于新興技術(shù)。在機(jī)械設(shè)計制造領(lǐng)域內(nèi)，應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)能夠大幅度提升機(jī)械制造的效率，并憑借著其精準(zhǔn)的自動控制系統(tǒng)可以生產(chǎn)出高質(zhì)量、高精度的產(chǎn)品，從而能夠大大提升機(jī)械制造企業(yè)的市場競爭力。將機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計制造的最大優(yōu)勢在于，其可以改變機(jī)械設(shè)備的驅(qū)動方式以及傳感器等組織結(jié)構(gòu)的工作方式，從本質(zhì)上來講，就是將對機(jī)械設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化和升級，并使用自動化系統(tǒng)對機(jī)械設(shè)計制造系統(tǒng)中每個零部件進(jìn)行集成，從而改變了傳統(tǒng)機(jī)械制造的模式，實現(xiàn)了機(jī)械加工質(zhì)量和效率質(zhì)的提升。

2 機(jī)電設(shè)計制造領(lǐng)域機(jī)電一體化技術(shù)分析

2.1 集成制造技術(shù)

在機(jī)械設(shè)計制造零領(lǐng)域內(nèi)，機(jī)電一體化技術(shù)的一個重要應(yīng)用就是在集成制造方面，其能夠?qū)崿F(xiàn)對機(jī)械設(shè)計制造過程中進(jìn)行自動化、集約化處理。在實際的機(jī)械設(shè)計和制造過程中，應(yīng)首先在前期設(shè)計階段就從原材料準(zhǔn)備、生產(chǎn)流程規(guī)劃以及產(chǎn)品質(zhì)量把控等各個方面做好充足準(zhǔn)備，以便能夠制定出切實可行的集成制造生產(chǎn)方案。引入機(jī)電一體化的機(jī)械制造行業(yè)，其整體自動化水平將會有很大提升，因而在前期設(shè)計階段，就可以利用微型計算機(jī)系統(tǒng)來對整個生產(chǎn)流程進(jìn)行模擬演示，并從中找出流程中的漏洞以不斷進(jìn)行優(yōu)化，以不斷提高生產(chǎn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，進(jìn)而構(gòu)建起機(jī)械設(shè)計制造的集成化模式，為實現(xiàn)機(jī)械制造全過程自動化做好鋪墊。

2.2 總線技術(shù)

機(jī)械設(shè)計制造領(lǐng)域內(nèi)的總線技術(shù)指的是將系統(tǒng)中的儀器儀表設(shè)備組合起來，對其實行統(tǒng)一管理和應(yīng)用。尤其是對于同一類別的儀器設(shè)備，還可以對它們采取總控和分控兩種不同的模式進(jìn)行管理，已達(dá)到對系統(tǒng)中具有相同功能設(shè)備進(jìn)行高效管理的目標(biāo)，構(gòu)建起閉環(huán)式的機(jī)械設(shè)計制造管理模式?？偩€技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)υO(shè)備在技術(shù)層面上進(jìn)行優(yōu)化和升級，大大提升了機(jī)械制造系統(tǒng)化控制效率。由于在傳統(tǒng)的機(jī)械加工模式中，對設(shè)備的管理都是采用人工模式，因此整體效率不高，而總線技術(shù)的應(yīng)用，是在機(jī)電一體化引入機(jī)械設(shè)計制造領(lǐng)域內(nèi)的一次創(chuàng)新，它可以對整個生產(chǎn)流程設(shè)備運行狀況進(jìn)行監(jiān)控，實現(xiàn)了對設(shè)備的統(tǒng)一管理，并且還能夠同時降低生產(chǎn)成本，提升產(chǎn)品競爭力?？偩€技術(shù)可以實現(xiàn)將機(jī)械制造過程中的指令傳遞、信息采集等功能融于一體，在生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)交互下，完成對系統(tǒng)中設(shè)備進(jìn)行實時監(jiān)測和控制任務(wù)。通過對總線技術(shù)的應(yīng)用，使得機(jī)械設(shè)備和計算機(jī)控制系統(tǒng)之間的融合程度有了大幅提升。

2.3 交流傳動技術(shù)

機(jī)械設(shè)計制造領(lǐng)域內(nèi)的交流傳動技術(shù)是指對系統(tǒng)信息的雙向傳動，在機(jī)電一體化技術(shù)支撐下的機(jī)械設(shè)計制造對電力設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸功能有了更高要求。而為了實現(xiàn)對機(jī)械制造產(chǎn)能和質(zhì)量的升級，就需要在系統(tǒng)中使用雙向傳動技術(shù)，以提升機(jī)械制造整體布局，強(qiáng)化信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎唾|(zhì)量。例如，機(jī)械制造常用的內(nèi)燃機(jī)，只有同時和系統(tǒng)中的多個模塊進(jìn)行協(xié)作作業(yè)，才能完成對機(jī)械產(chǎn)品加工工作，而這需要機(jī)械制造企業(yè)內(nèi)部多個部門之間進(jìn)行良好溝通和合作，才能確保內(nèi)燃機(jī)具有較高的生產(chǎn)能效。微型計算機(jī)和電力電子技術(shù)的應(yīng)用，提升了機(jī)械設(shè)計制造的操控能力，而交流傳統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用則有效強(qiáng)化了制造企業(yè)內(nèi)部的溝通交流效果，提高了機(jī)電一體化整體水平。

3 機(jī)電一體化在機(jī)械設(shè)計制造中的應(yīng)用

3.1 數(shù)控設(shè)計

在數(shù)據(jù)機(jī)床的設(shè)計和生產(chǎn)過程中引入機(jī)電一體化技術(shù)，可以大幅優(yōu)化機(jī)械加工流程，并同時對數(shù)控機(jī)床加工流程進(jìn)行簡化，對數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行智能化的整合和升級，從而提升數(shù)控設(shè)計的整體水準(zhǔn)。例如，在常規(guī)機(jī)械產(chǎn)品加工過程中，可以采用自動換刀技術(shù)，以提升數(shù)控機(jī)床的作業(yè)效率。此外，數(shù)控技術(shù)的開發(fā)和利用還有利于明確CAD/CAM技術(shù)的目標(biāo)指向性，使得可視化作業(yè)被應(yīng)用至機(jī)械制造管過程中，進(jìn)而起到延展數(shù)據(jù)模型的作用。在機(jī)電一體化技術(shù)的支撐下，微型計算機(jī)系統(tǒng)可以實現(xiàn)對數(shù)控技術(shù)更為精準(zhǔn)的操控，并對CAD/CAM技術(shù)進(jìn)行不斷的整合優(yōu)化，以推動數(shù)控技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展。

3.2 動力設(shè)計

機(jī)電一體化技術(shù)在機(jī)械設(shè)備動力裝置中的應(yīng)用，其主要目的是對動力設(shè)備生產(chǎn)效率進(jìn)行管控，已實現(xiàn)節(jié)約成本、降低能耗。由于傳統(tǒng)機(jī)械制造領(lǐng)域內(nèi)的動力設(shè)備往往都具有較大的功耗，且生產(chǎn)效率較低，因而其綜合生產(chǎn)能效不高。而隨著社會的進(jìn)步，對機(jī)械設(shè)計制造過程中所消耗能源進(jìn)行管控已經(jīng)成為當(dāng)下的發(fā)展趨勢，其不僅關(guān)系著企業(yè)的生產(chǎn)成本，同時，也和生態(tài)環(huán)境保護(hù)密切相關(guān)，而在進(jìn)行動力設(shè)計時，應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)就可以有效地解決能源消耗管控問題，并提升設(shè)備的動力效率。例如，傳統(tǒng)的液壓機(jī)，諸如此類設(shè)備工作期間所產(chǎn)生的能耗就很大，但其能量利用率卻僅僅維持在30%左右，大部分能量都白白浪費掉了，而在液壓機(jī)中引入機(jī)電一體化技術(shù)，就可以對其安裝電子調(diào)速器，以便對液壓機(jī)工作過程中的壓力、轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行實時控制，以便大大降低液壓機(jī)的能耗。

3.3 傳感器設(shè)計

在機(jī)械設(shè)計制造中，傳感器一般用于對系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集和傳輸，因此，其在自動化控制系統(tǒng)中發(fā)揮著十分重要的作用。根據(jù)機(jī)械設(shè)計應(yīng)用領(lǐng)域的不同，其所使用的傳感器型號也不盡相同，它們的差異主要表現(xiàn)在對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳輸?shù)男屎唾|(zhì)量方面。由于傳統(tǒng)意義上的傳感器裝置整體技術(shù)水準(zhǔn)不高，在實際使用過程中常常無法滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，這也大大影響了自動化系統(tǒng)的整體運行狀態(tài)，甚至導(dǎo)致生產(chǎn)出來的產(chǎn)品出現(xiàn)較大誤差。而在機(jī)電一體化技術(shù)加持下，微型計算機(jī)能夠?qū)鞲衅髟O(shè)計進(jìn)行全面升級和優(yōu)化，從正提升傳感器的工作質(zhì)量和效率。機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用還可以對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實時監(jiān)控，并保證將這些數(shù)據(jù)信息直接輸入至系統(tǒng)軟件中，從而為傳感器設(shè)計提供了可靠保障。

3.4 監(jiān)控系統(tǒng)

在機(jī)械設(shè)計制造過程中，監(jiān)控系統(tǒng)主要用于對車間連續(xù)性生產(chǎn)進(jìn)行實時監(jiān)控，以保證設(shè)備正常運行。由于在實際生產(chǎn)過程中，機(jī)械設(shè)備不可避免會出現(xiàn)各種問題，而監(jiān)控系統(tǒng)的存在則可以有效應(yīng)對設(shè)備出現(xiàn)的故障，以將對生產(chǎn)所造成損失降低最低。而機(jī)電一體化由于其先進(jìn)的性能，在對設(shè)備故障進(jìn)行診斷和設(shè)備監(jiān)測方面都具有明顯優(yōu)勢，它能夠做到對設(shè)備故障進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，并具有故障預(yù)警和排查功能，以方便人們在第一時間對出現(xiàn)故障進(jìn)行排除。

3.5 生產(chǎn)線

在機(jī)械設(shè)計制造過程中，應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)還能夠?qū)崿F(xiàn)對生產(chǎn)線的優(yōu)化和升級，尤其是在科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展的現(xiàn)代，將機(jī)電一體化技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)進(jìn)行深度融合，應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計制造生產(chǎn)線上，可以大大提升生產(chǎn)線效率，并同時簡化機(jī)械制造的生產(chǎn)流程。例如，機(jī)械制造設(shè)計人員可以利用先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)對機(jī)械制造生產(chǎn)過程進(jìn)行科學(xué)、合理的安排，以實現(xiàn)同時對多個加工過程進(jìn)行控制，以便提升生產(chǎn)效率和質(zhì)量，充分發(fā)揮出生產(chǎn)線的潛能。此外，隨著光電技術(shù)、電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)械制造生產(chǎn)線所擁有的功能將會更加全面和強(qiáng)大，從而為企業(yè)進(jìn)行精細(xì)化管理提供技術(shù)層面的支撐。因此，企業(yè)要想獲得可持續(xù)化發(fā)展，就應(yīng)重視對諸如機(jī)電一體化等先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，以便提升機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量和效率，進(jìn)而提升企業(yè)的綜合競爭力。

4 應(yīng)用案例

機(jī)械手是一種由操作本體、控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)以及檢測傳感器四大部分組成的機(jī)電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備，其具有自動控制、可編程以及能夠完成各種復(fù)雜操作等諸多優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造行業(yè)的柔性生產(chǎn)中，大大提升機(jī)械制造的質(zhì)量和效率。機(jī)械手各個系統(tǒng)之間的作用關(guān)系，如圖1所示。

圖1 機(jī)械手各組成部分作用關(guān)系

4.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是由手部、手腕、手臂以及立柱等部件構(gòu)成，在執(zhí)行特殊生產(chǎn)任務(wù)的機(jī)械手臂上還安裝有行走機(jī)構(gòu)。手部是和產(chǎn)品接觸的主要部件，根據(jù)生產(chǎn)產(chǎn)品的不同，手臂又可以細(xì)分為夾持式和吸附式兩種；手腕是連接手部和手臂的部件，其主要被用來對機(jī)械手抓取物件的姿勢進(jìn)行調(diào)整；手臂是支撐機(jī)械手部、手腕的重要部件，其主要作用是通過動力傳動帶動機(jī)械手指抓取物件，并將其放至指定位置；立柱則是支撐手臂的重要部件，機(jī)械手臂的升降和回旋都與立柱密切相關(guān)。

4.2 驅(qū)動系統(tǒng)

驅(qū)動系統(tǒng)是機(jī)械手動作的動力裝置，能夠支配機(jī)械手臂依照設(shè)定好的程序進(jìn)行運動，在實際生產(chǎn)中，我們常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動系統(tǒng)、氣壓傳動系統(tǒng)、機(jī)械傳動系統(tǒng)以及電力傳動系統(tǒng)等。液壓傳動機(jī)械手具有傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏等優(yōu)點，但同時對密封要求較為嚴(yán)格；氣動傳動機(jī)械手具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點，但同時也具有穩(wěn)定性較差的缺點；機(jī)械傳動機(jī)械手具有動作精準(zhǔn)可靠的優(yōu)點，但同時也有著動作頻率較大，程序不可變的缺點；電力傳動機(jī)械手因不需要中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，因此，其機(jī)械結(jié)構(gòu)也較為簡單，日常維護(hù)和使用也較為方便，但目前還未被廣泛應(yīng)用。

4.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要是對機(jī)械手的動作起著支配作用的一個自動化系統(tǒng)。在當(dāng)前階段，常用的機(jī)械手控制系統(tǒng)一般是由軟件程序控制系統(tǒng)以及電氣定位系統(tǒng)兩大部分組成，而控制方式主要有電氣控制和射流控制2種?？刂葡到y(tǒng)還能夠?qū)θ藗冊O(shè)定的動作順序、運動軌跡以及運動速度等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行記憶，并依照數(shù)據(jù)信息來對機(jī)械手發(fā)出對應(yīng)指令，如有必要，還可以對機(jī)械手所做動作依照設(shè)定參數(shù)信息進(jìn)行比對，從而起到監(jiān)視作用，一旦出現(xiàn)動作誤差，便能夠發(fā)出警報。

5 結(jié)語

綜上所述，在現(xiàn)代科學(xué)快速發(fā)展的背景下，機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用能夠大幅度提升機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)效率和質(zhì)量，并同時節(jié)約生產(chǎn)的成本，因此，在機(jī)械設(shè)計制造領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)已成為機(jī)械設(shè)備向著自動化、智能化方向發(fā)展的主要趨勢。從大的方向上來看，我國機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展水平還處在初級階段，在未來仍有很長的路要走，只有不斷對其進(jìn)行創(chuàng)新和優(yōu)化，才能夠加快機(jī)電一體化的發(fā)展步伐，進(jìn)而助推我國制造業(yè)由中國制造向著中國智造快速轉(zhuǎn)變。