機(jī)電一體化技術(shù)在機(jī)械工程領(lǐng)域的應(yīng)用

厲廣彬

(江蘇省沛縣中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 沛縣 221600)

0 引言

機(jī)電一體化又稱機(jī)械電子工程，是機(jī)械技術(shù)與電子信息技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，主要包括機(jī)械技術(shù)、電工電子技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、傳感器技術(shù)、接口技術(shù)、信號(hào)變換技術(shù)等[1]，在目前機(jī)械生產(chǎn)、醫(yī)療保健、航空航天、軍事領(lǐng)域等方面得到了廣泛應(yīng)用，還用于柔性制造系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)、工廠自動(dòng)化、辦公自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化等方面[2]。

機(jī)電一體化技術(shù)在機(jī)械工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如數(shù)控機(jī)床、加工中心、工業(yè)機(jī)器人等。機(jī)電一體化技術(shù)在機(jī)械工程領(lǐng)域的應(yīng)用可以簡(jiǎn)化機(jī)械生產(chǎn)流程，減少驅(qū)動(dòng)部件，減少機(jī)械磨損與生產(chǎn)誤差，提高工作精度[3]；另一方面，機(jī)電一體化技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中具有實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)報(bào)警、診斷分析及安全聯(lián)鎖等功能。極大地提高了機(jī)械生產(chǎn)的安全性與可靠性，提高機(jī)械工程生產(chǎn)領(lǐng)域的生產(chǎn)效率與工作質(zhì)量[4]。

1 機(jī)電一體化技術(shù)概述及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1 基本概念

機(jī)電一體化技術(shù)屬于一種優(yōu)化機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程的方法，包括電學(xué)、機(jī)械學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)及信息技術(shù)，是指將信息系統(tǒng)添加到物理系統(tǒng)中，基本設(shè)計(jì)思路即應(yīng)用新的控制技術(shù)與方法獲得更高的機(jī)械性能。機(jī)電一體化技術(shù)不是一個(gè)單純的機(jī)械電子系統(tǒng)，而是一個(gè)復(fù)雜的控制系統(tǒng)，主要包括機(jī)械、電氣技術(shù)及計(jì)算機(jī)信息技術(shù)組成。

1.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

機(jī)電一體化產(chǎn)品的建模與仿真主要是基于工作需求與原理進(jìn)行基本結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將各個(gè)模塊連接在一起形成一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)模型；隨后按照基本建模技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)與應(yīng)用部署。機(jī)電一體化設(shè)計(jì)方案不僅要符合生產(chǎn)高質(zhì)量的機(jī)械產(chǎn)品需求，還要定期進(jìn)行產(chǎn)品維護(hù)，其設(shè)計(jì)過(guò)程主要考慮可交付性、可靠性、可維修性、可服務(wù)性、可升級(jí)性、可回收性六個(gè)重要因素。

在進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，不需詳細(xì)描述產(chǎn)品生命周期的各項(xiàng)要素，只是指出設(shè)計(jì)方法，從機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)開始，直到設(shè)計(jì)并制造出該產(chǎn)品。因此，在機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，從概念設(shè)計(jì)直至產(chǎn)品報(bào)廢都要考慮上述因素，機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程主要包括建模和仿真、樣機(jī)原型設(shè)計(jì)及樣品部署三個(gè)階段(圖2)。

圖1 機(jī)電一體化技術(shù)基本組成要素示意圖

圖2 機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程示意圖

1.3 機(jī)電一體化關(guān)鍵技術(shù)

1.3.1 信息系統(tǒng)

信息系統(tǒng)主要包括通信技術(shù)、信號(hào)處理、控制系統(tǒng)及控制方法，實(shí)現(xiàn)信號(hào)控制與分析，是機(jī)電一體化技術(shù)的核心組成部分。

1.3.2 機(jī)械系統(tǒng)

機(jī)械系統(tǒng)主要包括機(jī)身、框架、聯(lián)接等，機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)直接影響產(chǎn)品的技術(shù)性能與功能發(fā)揮，主要涉及內(nèi)容包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、材料選擇、工藝要求及幾何尺寸等，應(yīng)該滿足高效率、高可靠性、多功能、輕量等要求。

1.3.3 控制單元

控制系統(tǒng)主要是將各個(gè)功能的傳感器的檢測(cè)信息和外部輸入信息進(jìn)行集中、儲(chǔ)存、分析與加工，根據(jù)信息處理結(jié)果給出相應(yīng)的指令，控制整個(gè)系統(tǒng)有序運(yùn)行。主要包括計(jì)算機(jī)、可編程控制器、數(shù)控裝置及邏輯電路等組成?？刂茊卧苯佑绊懶畔⑻幚硭俣?。

2 應(yīng)用

2.1 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)集成技術(shù)

計(jì)算機(jī)集成系統(tǒng)代表了目前機(jī)械工程發(fā)展領(lǐng)域最先進(jìn)水平，也是未來(lái)工業(yè)生產(chǎn)的主要發(fā)展方向，在航空航天、冶金、化工及紡織等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用與發(fā)展，最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)無(wú)人化機(jī)械生產(chǎn)與制造。

2.2 數(shù)控技術(shù)

數(shù)控技術(shù)是機(jī)械生產(chǎn)制造的基礎(chǔ)技術(shù)之一，目前，數(shù)控技術(shù)正在向高精度、高速化、智能化、高可靠性及高安全性方向發(fā)展，為了滿足數(shù)控技術(shù)的發(fā)展需求，應(yīng)不斷提升數(shù)控機(jī)械的工作效率及切削精度。隨著機(jī)電一體化技術(shù)的不斷發(fā)展，在數(shù)控機(jī)床中逐漸取消了傳統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，開始使用電子信息控制技術(shù)，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控加工技術(shù)精度已經(jīng)達(dá)到納米級(jí)(1～1.5 μm)，極大地提高了機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)性能。

2.3 工業(yè)機(jī)器人

隨著勞動(dòng)力逐漸短缺，人工成本逐漸增加，見機(jī)電一體化技術(shù)的不斷發(fā)展及工業(yè)機(jī)器人的逐漸應(yīng)用，部分企業(yè)已經(jīng)相繼斥巨資引進(jìn)先進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)線，采用先進(jìn)的控制技術(shù)、編程技術(shù)，相關(guān)配套產(chǎn)品不斷發(fā)展，目前，在部分行業(yè)工業(yè)機(jī)器人完全可以替代傳統(tǒng)的人工生產(chǎn)。我國(guó)機(jī)械研發(fā)生產(chǎn)線已經(jīng)有30%依靠工業(yè)機(jī)器人完成，隨著各種功能機(jī)器人的生產(chǎn)，將逐漸緩解我國(guó)勞動(dòng)力短缺的局面。

3 發(fā)展趨勢(shì)

機(jī)電一體化技術(shù)是一種跨學(xué)科且綜合性較強(qiáng)的技術(shù)領(lǐng)域，機(jī)電一體化的發(fā)展同時(shí)促進(jìn)電子技術(shù)、機(jī)械工程、光電學(xué)、控制技術(shù)及計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展。未來(lái)，機(jī)電一體化技術(shù)也逐漸向微型化、網(wǎng)絡(luò)化、高性能化及智能化方向發(fā)展。

3.1 微型化

微型化泛指幾何尺寸不超過(guò)1 cm3的機(jī)電一體化產(chǎn)品，具有體積小、耗能少、運(yùn)動(dòng)靈活等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。隨著機(jī)電一體化技術(shù)與微電子技術(shù)逐漸結(jié)合與發(fā)展，可以保證機(jī)電一體化控制器體積更小，控制范圍更加廣泛，可以進(jìn)入小型控件實(shí)現(xiàn)高精度的控制，如半導(dǎo)體技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)、生物技術(shù)、軍事控制、航空航天等方面的廣泛應(yīng)用。

3.2 網(wǎng)絡(luò)化

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的逐漸發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為工業(yè)領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域、教育行業(yè)及人們的日常生活都帶來(lái)了巨大的改變，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程控制技術(shù)也逐漸應(yīng)用于各項(xiàng)控制技術(shù)中，因此，機(jī)電一體化產(chǎn)品未來(lái)也逐漸向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。

3.3 高性能化

提高機(jī)電一體化技術(shù)的性能可以極大地提高信息控制效率，進(jìn)一步優(yōu)化操作指令，提高整體應(yīng)用效率與響應(yīng)速度。

3.4 智能化

智能化技術(shù)融合了人工智能技術(shù)、模糊控制技術(shù)、混沌力學(xué)及心理學(xué)等技術(shù)，保證提高機(jī)電一體化技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的判斷力、邏輯思考能力、信息處理能力及決策能力等，可以逐漸代替人力進(jìn)行復(fù)雜的思考與運(yùn)算，是機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展的重要方向。

3.5 模塊化

模塊化生產(chǎn)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，由于機(jī)電一體化產(chǎn)品類型及生產(chǎn)企業(yè)較多，各種產(chǎn)品型號(hào)較為復(fù)雜，因此，為了提高機(jī)電一體化相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)速度與通用性，擴(kuò)大機(jī)電一體化產(chǎn)品的生產(chǎn)規(guī)模，應(yīng)該制定相關(guān)的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，如電氣接口、機(jī)械接口等，促進(jìn)機(jī)電一體化產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、科學(xué)化及規(guī)?；l(fā)展，這些產(chǎn)品可以在設(shè)計(jì)過(guò)程中替代各種子系統(tǒng)模塊實(shí)現(xiàn)重構(gòu)。開發(fā)一款高效的計(jì)算機(jī)輔助原型開發(fā)環(huán)境十分重要，其主要特征包括以下幾方面。

1)建立模型。利用框圖或可視化界面創(chuàng)造一些物理或者抽象模型，這些模型具有簡(jiǎn)單、直觀和易于理解等特點(diǎn)，對(duì)于復(fù)雜性的機(jī)械產(chǎn)品子系統(tǒng)非常有用。

2)仿真。求解模型的數(shù)學(xué)方法主要包括微分方程、離散化方程和混合方程等，因此，仿真必須要有一個(gè)執(zhí)行實(shí)際操作的鎖存器，便于機(jī)械產(chǎn)品仿真更快地執(zhí)行。

3)項(xiàng)目管理。維護(hù)項(xiàng)目信息和子系統(tǒng)模型的數(shù)據(jù)庫(kù)。

4)實(shí)時(shí)接口。用一種插入式的實(shí)際硬件卡替代部分模型，使用驅(qū)動(dòng)器和傳感器與之交互，一般稱為“硬件半實(shí)物仿真”或者“快速模型”。

5)編碼生成器。從框圖或者可視化建模界面生成有效的高級(jí)源代碼，并用于嵌入式處理器，通常使用C語(yǔ)言。

6)設(shè)計(jì)。基于模型參數(shù)和信號(hào)對(duì)性能函數(shù)進(jìn)行約束優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法，如蒙特卡羅計(jì)算方法。

7)分析。關(guān)于頻域、時(shí)域和復(fù)數(shù)域的設(shè)計(jì)。

3.6 綠色化

工業(yè)化的迅速發(fā)展可以提高工業(yè)生產(chǎn)效率，方便人們的日常生活，但是工業(yè)的快速發(fā)展也帶來(lái)了一定的生態(tài)環(huán)境污染與資源浪費(fèi)，隨著綠色生產(chǎn)技術(shù)的逐漸發(fā)展，要求機(jī)電一體化技術(shù)在使用過(guò)程中不能產(chǎn)生環(huán)境污染，相關(guān)產(chǎn)品報(bào)廢后還可以進(jìn)行二次回收利用。

4 結(jié)論

目前，工業(yè)生產(chǎn)及現(xiàn)代化機(jī)械設(shè)備都離不開機(jī)電一體化技術(shù)的支撐。隨著機(jī)電一體化技術(shù)在機(jī)械工程中的逐漸應(yīng)用與發(fā)展，促進(jìn)了機(jī)械產(chǎn)品的更新?lián)Q代，促進(jìn)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)更加人性化、功能增強(qiáng)、應(yīng)用廣泛，極大地提高了機(jī)械生產(chǎn)的安全性與可靠性。機(jī)電一體化技術(shù)在機(jī)械工程領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及未來(lái)的方向發(fā)展是非常有必要的。