機(jī)械設(shè)計(jì)制造中機(jī)電一體化的應(yīng)用★

劉萬村，雍麗英，郝雙雙

（哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000）

引言

近年來，隨著機(jī)械電子工程的蓬勃發(fā)展，機(jī)電一體化概念被提出，在機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域中展露出廣泛應(yīng)用前景，被業(yè)界一致視為創(chuàng)新舊有機(jī)械設(shè)計(jì)制造模式、實(shí)現(xiàn)智慧制造目標(biāo)的關(guān)鍵。與此同時(shí)，機(jī)電一體化概念與相應(yīng)技術(shù)的問世時(shí)間較晚，雖然得到大規(guī)模應(yīng)用推廣，但機(jī)電一體化技術(shù)價(jià)值仍舊存在深度挖掘的空間，本文就此開展研究。

1 機(jī)電一體化在機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域中的應(yīng)用價(jià)值

1.1 提高機(jī)械制造精度

機(jī)電一體化系統(tǒng)的應(yīng)用，逐漸取代了舊有的人工生產(chǎn)與控制方式，由系統(tǒng)自動執(zhí)行預(yù)先導(dǎo)入的控制方案，隨著時(shí)間推移來逐項(xiàng)下達(dá)預(yù)控指令，或是在滿足觸發(fā)條件后執(zhí)行對應(yīng)控制指令，操縱機(jī)械手按特定軌跡、姿態(tài)進(jìn)行運(yùn)動，極大程度提高了機(jī)械制造精度。同時(shí)，機(jī)電一體化系統(tǒng)還具備修正功能，由傳感器跟蹤檢測機(jī)械臂的運(yùn)動軌跡、位置與姿態(tài)等參數(shù)，對比輸出值與輸出值，根據(jù)二者偏差值來下達(dá)糾偏指令，始終維持較高的制造精度，避免參數(shù)誤差持續(xù)積累[1]。

1.2 減輕生產(chǎn)成本

在機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域中，對機(jī)電一體化系統(tǒng)的應(yīng)用，要求制造企業(yè)投入一定的前期成本，用于配置PLC 控制器、工業(yè)攝像頭、傳感器等硬件設(shè)備，以及開發(fā)軟件程序與操作系統(tǒng)。然而，從長遠(yuǎn)發(fā)展角度來看，機(jī)電一體化系統(tǒng)將逐漸取代原有的人工生產(chǎn)方式，顯著減小勞動力成本占比，將機(jī)械制造成本控制在合理范圍內(nèi)。同時(shí)，依托機(jī)電一體化系統(tǒng)，機(jī)械產(chǎn)品制造質(zhì)量、總體生產(chǎn)能力將得到明顯提升，降低產(chǎn)品壞品率，加強(qiáng)產(chǎn)品的市場競爭力。

1.3 保證生產(chǎn)安全

在傳統(tǒng)機(jī)械制造模式中，由于現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜、生產(chǎn)條件惡劣，如果出現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行故障，或是工作人員采取錯(cuò)誤操作行為，都有可能引發(fā)機(jī)械傷害、物體打擊等安全事故的出現(xiàn)，造成不必要的人員傷亡。而對機(jī)電一體化系統(tǒng)的應(yīng)用，徹底改變了機(jī)械制造方式，在生產(chǎn)線上配備大量工業(yè)機(jī)器人，工作人員僅需提前編寫程序、導(dǎo)入控制方案與設(shè)定參數(shù)，持續(xù)監(jiān)督機(jī)械制造情況，系統(tǒng)將通過自動控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)開展動作的方式，徹底取代人工生產(chǎn)方式，盡管出現(xiàn)機(jī)械設(shè)備故障、失控問題，也不會造成人員傷亡。

1.4 適應(yīng)不同作業(yè)要求

在傳統(tǒng)機(jī)械制造模式中，如果作業(yè)條件、要求和制造產(chǎn)品種類發(fā)生變化，需要重復(fù)開展人員調(diào)整、機(jī)具設(shè)備切換調(diào)試等準(zhǔn)備工作，方可繼續(xù)開展生產(chǎn)作業(yè)，對生產(chǎn)效率造成明顯影響，生產(chǎn)線在一段時(shí)間內(nèi)處于閑置狀態(tài)。與此同時(shí)，對機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用，憑借集成制造、伺服控制等技術(shù)手段，具備了實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)目標(biāo)的前提條件。例如，提前編寫控制程序，配備具有較多運(yùn)動自由度的工業(yè)機(jī)器人，在現(xiàn)場準(zhǔn)備多種工具設(shè)備，在生產(chǎn)條件與產(chǎn)品種類發(fā)生改變時(shí)，自動調(diào)整工業(yè)機(jī)器人手爪運(yùn)動軌跡與姿態(tài)，必要時(shí)換取對應(yīng)種類工具，即可滿足實(shí)際作業(yè)需要，無須停止生產(chǎn)線[2]。

2 機(jī)電一體化概述

2.1 涵義

機(jī)電一體化由傳感檢測、交流傳動、伺服控制等組成，是具備環(huán)境感知、信息處理、遠(yuǎn)程控制與決策分析等多項(xiàng)使用功能的控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)運(yùn)行期間，基于程序運(yùn)行準(zhǔn)則與環(huán)境感知結(jié)果，在無人工干預(yù)條件下采取步進(jìn)、時(shí)序等方式來執(zhí)行控制方案中設(shè)定的控制指令，操縱工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等終端設(shè)備開展動作。

2.2 組成要素

機(jī)電一體化系統(tǒng)主要由結(jié)構(gòu)、動力、感知、運(yùn)動和職能五項(xiàng)核心要素組成。第一，結(jié)構(gòu)要素是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能與搭建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的硬件設(shè)施，包括機(jī)械本體、控制器、機(jī)械軸等。第二，動力要素由動力驅(qū)動機(jī)構(gòu)組成，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。第三，感知要素由多種類傳感器和攝像頭組成，幫助系統(tǒng)感知現(xiàn)場環(huán)境、檢測產(chǎn)品質(zhì)量。第四，運(yùn)動要素由機(jī)械臂等執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，負(fù)責(zé)執(zhí)行系統(tǒng)下達(dá)的控制指令，在限定時(shí)間內(nèi)開展規(guī)定動作。第五，職能要素由控制器與信息處理模塊組成，負(fù)責(zé)對所采集監(jiān)測信號進(jìn)行分析處理，根據(jù)分析結(jié)果來輸出對應(yīng)控制指令，發(fā)揮自動控制、狀態(tài)監(jiān)測等使用功能。

3 機(jī)電一體化在機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域中的主要應(yīng)用場景

3.1 數(shù)控機(jī)床

早期數(shù)控機(jī)床設(shè)備普遍存在功能單一、自動化程度低下、操作繁瑣的問題，要求工作人員手動完成排屑、更換刀具、主軸轉(zhuǎn)速參數(shù)調(diào)節(jié)等操作，數(shù)控機(jī)床使用效率低下，生產(chǎn)能力存在進(jìn)一步提升的空間。對此，需要在數(shù)控機(jī)床場景中應(yīng)用機(jī)電一體化系統(tǒng)，從技術(shù)層面上滿足數(shù)控機(jī)床自動化生產(chǎn)的前提條件，并在數(shù)控機(jī)床上加裝相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由系統(tǒng)直接向各處執(zhí)行機(jī)構(gòu)下達(dá)控制指令，替代人工完成操作，把普通級數(shù)控機(jī)床加工精度提升至5 μm 水準(zhǔn)，超精密級數(shù)控機(jī)床的加工精度更是提升至0.01 μm 水準(zhǔn)。

例如，某制造企業(yè)在推行機(jī)電一體化系統(tǒng)的前提下，對老舊型號數(shù)控機(jī)床進(jìn)行升級改造，加裝自動排屑裝置、變頻電動機(jī)、自動回轉(zhuǎn)刀架、伺服電機(jī)、編程控制器等硬件設(shè)備，由工作人員在編程控制器中設(shè)定加工信息，信息提交至邏輯電路中進(jìn)行整合處理，轉(zhuǎn)換為控制信號。隨后，再將信號發(fā)送至自動回轉(zhuǎn)刀架、自動排屑裝置等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，自動控制數(shù)控機(jī)床執(zhí)行排屑、回轉(zhuǎn)刀架、更換刀具等操作，確保數(shù)控機(jī)床在無人工直接干預(yù)條件下可以連續(xù)完成工件的多道加工任務(wù)，這對提升機(jī)床數(shù)控化率、核心零部件加工效率乃至機(jī)械制造精度都有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[3]。

3.2 運(yùn)動控制

在運(yùn)動控制場景中，機(jī)電一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中加裝PLC 可編程邏輯控制器與傳感器，由傳感器上傳實(shí)時(shí)監(jiān)測信號，對信號進(jìn)行掃描讀取并存入I/O 映象區(qū)，獲取邏輯運(yùn)算結(jié)果，準(zhǔn)確描述機(jī)械設(shè)備執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)位置，再由PLC 控制器下達(dá)對應(yīng)的控制指令，控制信號經(jīng)由鎖存電路驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成點(diǎn)對點(diǎn)運(yùn)動、補(bǔ)間運(yùn)動、多軸聯(lián)動或是螺線型運(yùn)動的控制過程，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)以平穩(wěn)狀態(tài)運(yùn)行到指定位置。例如，由PLC 控制器同時(shí)向多個(gè)機(jī)械軸下達(dá)運(yùn)動控制指令，控制一定數(shù)量的機(jī)械臂按預(yù)定軌跡移動至特定位置，保持各機(jī)械臂的協(xié)作狀態(tài)，避免機(jī)械臂相互碰撞、卡位，還可以通過調(diào)整運(yùn)動速度等參數(shù)，確保各機(jī)械臂在同一時(shí)間抵達(dá)預(yù)定位置。

此外，機(jī)電一體化還可用于機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的運(yùn)動控制場景中，在機(jī)械產(chǎn)品上加裝PLC 裝置，控制器在接收電信號后，再進(jìn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。例如，在研制某款垃圾壓縮車產(chǎn)品中，在車輛刮板部位加裝感應(yīng)開關(guān)，在車輛控制系統(tǒng)加裝PLC 控制器，在刮板部位安裝壓力傳感器。在垃圾壓縮車使用期間，如果開關(guān)感應(yīng)刮板到位，自動向控制器發(fā)送電信號，由控制器輸出刷新，經(jīng)由鎖存電路控制滑板開展下行運(yùn)動，并在滑板下行就位后反饋電信號，控制滑板正轉(zhuǎn)。同時(shí)，由壓力傳感器持續(xù)檢測刮板壓力，在刮板承受壓力未達(dá)到額定值時(shí)不采取控制動作，繼續(xù)保持刮板正轉(zhuǎn)狀態(tài)，而在刮板壓力值達(dá)到額定值后，再輸出電信號，由PLC 裝置輸出指令，控制滑板上行裝填垃圾[4]。

3.3 機(jī)械節(jié)能

在傳統(tǒng)機(jī)械制造模式中，采取人工控制方式，由工作人員根據(jù)自身工作經(jīng)驗(yàn)來主觀判斷現(xiàn)場環(huán)境、機(jī)械設(shè)備運(yùn)行需要，對壓力、電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速等運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，或是對機(jī)械設(shè)備運(yùn)行模式進(jìn)行切換。根據(jù)實(shí)際制造情況來看，受人為因素影響，部分運(yùn)行參數(shù)沒有被調(diào)節(jié)至最佳數(shù)值，機(jī)械設(shè)備長時(shí)間處于滿載、超載運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)備實(shí)際運(yùn)行能耗遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)能耗，造成不必要的電力浪費(fèi)，也在間接上增加了機(jī)械制造成本。

對此，需要應(yīng)用到機(jī)電一體化技術(shù)，系統(tǒng)憑借傳感檢測、邏輯分析控制等功能，持續(xù)感知外部環(huán)境與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，自動下達(dá)控制指令來調(diào)節(jié)運(yùn)行模式及參數(shù)量，實(shí)現(xiàn)能量調(diào)配、功率調(diào)節(jié)等目的，在不影響機(jī)械制造活動正常開展的前提下，將機(jī)械設(shè)備運(yùn)行能耗控制在合理范圍內(nèi)。與此同時(shí)，在機(jī)械設(shè)計(jì)期間，也可依托機(jī)電一體化系統(tǒng)來改善所研制機(jī)械產(chǎn)品的節(jié)能效果。例如，韓國大宇公司在所研制大宇工程機(jī)械上普遍搭載EPOS 電子動力優(yōu)化系統(tǒng)，安裝微處理器，由處理器采集、處理實(shí)時(shí)監(jiān)測信號，自動切換至恰當(dāng)?shù)膭恿δＪ?，極大減少了工程機(jī)械油耗。

3.4 質(zhì)量檢測

在機(jī)電一體化系統(tǒng)中搭載傳感器、工業(yè)攝像機(jī)、圖像采集卡等裝置，依托機(jī)器視覺與傳感檢測技術(shù)來實(shí)現(xiàn)自動檢測功能。在機(jī)械加工制造過程中，此類裝置持續(xù)對加工件與機(jī)械產(chǎn)品成品的幾何參數(shù)、外觀質(zhì)量、色澤亮度進(jìn)行全面檢測，對比拍攝圖像和標(biāo)準(zhǔn)圖像中的特征參數(shù)，根據(jù)對比結(jié)果，判斷產(chǎn)品質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)，生成質(zhì)量檢測報(bào)告，在報(bào)告中配合圖像來描述具體存在的質(zhì)量問題，如工件表面疵點(diǎn)、工件幾何參數(shù)偏差等。

相比之下，傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品檢測方法以電子檢測儀檢測、游標(biāo)卡尺檢測為主，由工作人員使用此類工具，逐項(xiàng)對加工件和機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行測量讀數(shù)，判斷質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)，有著檢測效率低下、檢測精度受人為主觀影響、肉眼難以發(fā)現(xiàn)全部工件疵點(diǎn)的局限性。

4 機(jī)電一體化在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的未來應(yīng)用趨勢

4.1 智能化

推動機(jī)電一體化技術(shù)向智能化方向發(fā)展，應(yīng)用到人工智能技術(shù)，以及BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯推理、專家智庫等算法，把傳感器所采集監(jiān)測信號上傳至數(shù)據(jù)分析模型當(dāng)中，根據(jù)模型輸出結(jié)果，描述變量因素對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、控制效果和機(jī)械制造情況造成的具體影響，從專家智庫中調(diào)取同類型案例進(jìn)行分析，在其基礎(chǔ)上由系統(tǒng)對原有機(jī)械制造方案內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，下達(dá)相應(yīng)控制指令[5]。例如，在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，列裝新型的PLC 可編程邏輯控制器來取代微處理器，PLC裝置具備強(qiáng)大的邏輯運(yùn)算功能，既可以采取順序控制、步進(jìn)控制等方式執(zhí)行預(yù)先導(dǎo)入控制方案，還可以根據(jù)邏輯運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行判斷推理、自主決策。

4.2 模塊化

制造企業(yè)應(yīng)推動機(jī)電一體化技術(shù)向模塊化方向發(fā)展，統(tǒng)一各企業(yè)所開發(fā)機(jī)電一體化系統(tǒng)的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)先使用標(biāo)準(zhǔn)化與通用型號的機(jī)械本體、電子元件、零部件，企業(yè)可根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)制造需要，選擇相應(yīng)的機(jī)械本體、電子元件和現(xiàn)有軟件程序，將三者進(jìn)行拼接組裝，即可搭建一套功能完善、運(yùn)行穩(wěn)定、具備良好擴(kuò)展性能的機(jī)電一體化系統(tǒng)。同時(shí)，在所制造機(jī)械產(chǎn)品種類型號發(fā)生改變時(shí)，僅需對軟件程序和系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定程度的調(diào)整，或是在系統(tǒng)中更換其他款式的電子元件、軟件程序，即可重新組裝成一套滿足實(shí)際制造需要的機(jī)電一體化系統(tǒng)。

4.3 電機(jī)綜合保護(hù)化

電機(jī)是機(jī)電一體化系統(tǒng)中的重要組成部分，電機(jī)運(yùn)行狀況穩(wěn)定與否，決定著系統(tǒng)使用功能能否得以正常發(fā)揮。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況來看，受到復(fù)雜作業(yè)條件和現(xiàn)場環(huán)境等多方面因素影響，偶爾出現(xiàn)短路、電源過載、失壓、欠壓等故障問題，干擾到機(jī)電一體化系統(tǒng)的整體運(yùn)行狀況。對此，為保障系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行，避免電機(jī)故障問題頻繁出現(xiàn)，需要推動技術(shù)朝向電機(jī)綜合保護(hù)化方向發(fā)展，同時(shí)采取短路保護(hù)、欠壓/失壓保護(hù)、過電流保護(hù)、過載保護(hù)等多項(xiàng)保護(hù)措施。

1）短路保護(hù)是加裝熔斷器裝置，在流通短路電流時(shí)，因工作溫度升高而觸發(fā)熔斷器，快速熔斷熔體來切斷電流。

2）欠壓保護(hù)是搭載電壓繼電器，在電壓檢測值超標(biāo)時(shí)，裝置切斷動合/閉合觸點(diǎn)，即可切斷電源。

3）失壓保護(hù)是加裝繼電器以及接觸器，在出現(xiàn)市電停電、主電源故障等突發(fā)情況時(shí)，裝置在短時(shí)間內(nèi)執(zhí)行切斷電源、鎖定起重機(jī)、電動機(jī)停轉(zhuǎn)等操作，避免電機(jī)嚴(yán)重受損。

4）過電流保護(hù)是串接電流繼電器，預(yù)設(shè)安全電流值，對比實(shí)時(shí)電流值和額定值，在電流超標(biāo)時(shí)執(zhí)行保護(hù)動作，快速切斷電流。

5）過載保護(hù)是加裝熱繼電器，根據(jù)工作溫度來判斷電機(jī)是否過載，在溫度超標(biāo)時(shí)切斷電源[6]。

5 結(jié)語

機(jī)電一體化技術(shù)的問世，推動我國從制造大國邁向制造強(qiáng)國，也為制造業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級轉(zhuǎn)型提供了新的契機(jī)。制造企業(yè)務(wù)必對機(jī)電一體化技術(shù)予以高度重視，深入了解機(jī)電一體化基礎(chǔ)技術(shù)及應(yīng)用價(jià)值等各個(gè)地方的技術(shù)，對機(jī)電一體化技術(shù)有著全面、直觀且清晰的認(rèn)識，在數(shù)控機(jī)床、運(yùn)動控制、機(jī)械節(jié)能、質(zhì)量檢測等場景中做到對技術(shù)的落地應(yīng)用，依托技術(shù)打造一套全新的機(jī)械設(shè)計(jì)制造體系。