機(jī)電一體化系統(tǒng)在機(jī)械工程中的應(yīng)用

蘇偉

摘 要：針對機(jī)電一體化系統(tǒng)在機(jī)械工程中的運(yùn)用，進(jìn)行了分析和研究，并結(jié)合機(jī)電一體化系統(tǒng)在機(jī)械工程中的應(yīng)用優(yōu)勢及原則提出了一些措施建議，以期促進(jìn)我國機(jī)電一體化系統(tǒng)在機(jī)械工程中的良好應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化系統(tǒng)；機(jī)械工程；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TG659? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-6903（2023）04-0055-03

0 引言

機(jī)電一體化系統(tǒng)是一種將機(jī)械工程和計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行有機(jī)融合的綜合系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用過程中，通過機(jī)械工程中的電子信息技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)以及計(jì)算機(jī)等技術(shù)的有效融合，實(shí)現(xiàn)了對傳統(tǒng)機(jī)械工程系統(tǒng)的改進(jìn)，進(jìn)而推動(dòng)了我國機(jī)械工程的進(jìn)一步發(fā)展。目前，機(jī)電一體化系統(tǒng)已經(jīng)在我國的機(jī)械工程中得到了廣泛應(yīng)用，極大地提高了我國機(jī)械工程行業(yè)的工作效率和質(zhì)量。

隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，機(jī)電一體化系統(tǒng)已經(jīng)逐漸成為了機(jī)械工程中不可或缺的一部分。機(jī)電一體化系統(tǒng)在機(jī)械工程中的應(yīng)用，為機(jī)械工程領(lǐng)域帶來了新的技術(shù)理念和技術(shù)手段，使機(jī)械工程的發(fā)展前景變得更加廣闊。本文從機(jī)電一體化系統(tǒng)在機(jī)械工程中的應(yīng)用出發(fā)，探討了機(jī)電一體化系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢以及發(fā)展前景，旨在推動(dòng)機(jī)械工程領(lǐng)域和機(jī)電一體化系統(tǒng)的快速發(fā)展，為我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供可靠保障。

1 機(jī)電一體化系統(tǒng)概述

機(jī)電一體化系統(tǒng)是集機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)等技術(shù)于一體的綜合性技術(shù)，它的核心是信息技術(shù)。機(jī)電一體化系統(tǒng)綜合了機(jī)械技術(shù)、信息技術(shù)和控制技術(shù)等多學(xué)科的先進(jìn)技術(shù)，它是一種將機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、信息等技術(shù)集成于一體，可實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化產(chǎn)品的各種功能的系統(tǒng)。

機(jī)電一體化系統(tǒng)是由一個(gè)完整的系統(tǒng)組成，主要包括3個(gè)部分：執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信息處理裝置和控制裝置。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由機(jī)械、電子裝置和控制裝置組成，用來完成一定功能的機(jī)械部件。信息處理裝置是由傳感器和其他元件組成，通過傳感器把測量到的信號(hào)傳遞給控制裝置，然后由控制裝置處理信號(hào)并產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作?？刂蒲b置是由電子元件組成，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制[1]。

2 機(jī)電一體化系統(tǒng)的應(yīng)用原則及優(yōu)勢

2.1 機(jī)電一體化系統(tǒng)的應(yīng)用原則

2.1.1 可靠性與安全性

可靠性是指系統(tǒng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，按規(guī)定的方式、按規(guī)定的質(zhì)量完成預(yù)定功能的能力。安全性是指系統(tǒng)在安全性能上應(yīng)能滿足人或人類的操作與管理要求。穩(wěn)定性是指系統(tǒng)運(yùn)行過程中性能保持穩(wěn)定，不發(fā)生突變或劇烈波動(dòng)。

2.1.2 高效率和高精度

高效率是指系統(tǒng)的綜合效率高，即在滿足一定性能指標(biāo)前提下，系統(tǒng)本身所消耗的能量越少越好。高精度是指系統(tǒng)加工精度高，即系統(tǒng)中各組成部分之間相互配合合理，加工精度保持一致。

2.1.3 自適應(yīng)能力和自診斷能力

自適應(yīng)能力是根據(jù)輸入信號(hào)的變化，調(diào)節(jié)自身工作參數(shù)，使之與要求保持一致。自診斷能力是系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，對系統(tǒng)內(nèi)部的工作狀態(tài)能作出正確的判斷，并能及時(shí)地發(fā)出報(bào)警信號(hào)，對可能發(fā)生的故障能迅速地作出反應(yīng)，避免事故發(fā)生。

2.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢

機(jī)電一體化技術(shù)在機(jī)械工程中的應(yīng)用，能夠有效地促進(jìn)機(jī)械產(chǎn)品向著智能化、柔性化方向發(fā)展。在現(xiàn)在社會(huì)不斷發(fā)展的過程中，機(jī)電一體化技術(shù)已經(jīng)滲透到各個(gè)行業(yè)中。機(jī)電一體化技術(shù)不僅是現(xiàn)代機(jī)械工程發(fā)展的趨勢，而且也是我國今后工業(yè)發(fā)展和制造行業(yè)發(fā)展的主要方向。

2.2.1 減少能源消耗

機(jī)電一體化系統(tǒng)的應(yīng)用能夠在很大程度上減少能源的消耗，將機(jī)械工程中的能源浪費(fèi)問題有效解決。由于我國人口眾多，因而在能源方面的需求量非常大，而且隨著我國經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，能源消耗量也在不斷增加。

當(dāng)前，我國是世界上最大的能源消耗國之一，每年大約消耗了全球30%的石油和天然氣[2]。如果能源消耗量得不到有效控制，那么就會(huì)影響我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步。因此，要想實(shí)現(xiàn)對能源資源的合理利用和節(jié)約，就必須采取有效措施對機(jī)械工程中的能源消耗進(jìn)行控制。比如在進(jìn)行機(jī)床加工過程中，由于機(jī)床加工速度很快，所以需要消耗大量的電能。機(jī)電一體化系統(tǒng)應(yīng)用之后，能夠在很大程度上減少機(jī)床加工過程中消耗的電能數(shù)量，從而降低能耗。由于機(jī)電一體化系統(tǒng)具有非常高的智能化水平，在很大程度上提高了工作效率，能夠有效降低機(jī)械設(shè)備使用過程中產(chǎn)生的噪聲問題和資源浪費(fèi)。

2.2.2 提高工作效率

在機(jī)械工程領(lǐng)域，傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備存在著許多問題，例如生產(chǎn)效率低、故障頻發(fā)等。而機(jī)電一體化系統(tǒng)則可以在很大程度上解決這些問題。其主要原因在于：①機(jī)電一體化系統(tǒng)能夠根據(jù)機(jī)械設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況，及時(shí)做出相應(yīng)的調(diào)整，保證其運(yùn)行狀態(tài)符合預(yù)期。②機(jī)電一體化系統(tǒng)能夠通過數(shù)據(jù)采集和信息分析等手段，及時(shí)掌握設(shè)備的運(yùn)行情況，并及時(shí)做出調(diào)整。③機(jī)電一體化系統(tǒng)能夠通過智能化控制技術(shù)對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理，從而有效地提高了機(jī)械設(shè)備的工作效率。機(jī)電一體化系統(tǒng)在機(jī)械工程中的應(yīng)用，能夠有效地提升生產(chǎn)效率。

以自動(dòng)包裝流水線為例，該流水線在實(shí)際應(yīng)用過程中的主要優(yōu)勢在于：第一，自動(dòng)化水平高。與傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備相比，機(jī)電一體化系統(tǒng)能夠根據(jù)不同企業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況，不斷優(yōu)化生產(chǎn)流程和工藝，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率的提升。第二，智能化水平高。由于自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用，該生產(chǎn)線能夠?qū)Ξa(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和管理。第三，自動(dòng)化程度高。自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)在機(jī)械工程中的應(yīng)用使得機(jī)械設(shè)備的操作變得更加簡單、便捷。

除此之外，機(jī)電一體化系統(tǒng)還能夠?yàn)闄C(jī)械設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的安全保障。因此，在未來機(jī)械工程領(lǐng)域中機(jī)電一體化系統(tǒng)將會(huì)得到廣泛地應(yīng)用。

3 機(jī)電一體化系統(tǒng)在機(jī)械工程中的運(yùn)用

3.1 在機(jī)械制造自動(dòng)化中的運(yùn)用

機(jī)械制造自動(dòng)化是指機(jī)械制造過程中，利用自動(dòng)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對機(jī)械設(shè)備的全過程控制，在整個(gè)生產(chǎn)過程中，通過計(jì)算機(jī)來對各種因素進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的全面監(jiān)測和控制。由于機(jī)械制造自動(dòng)化具有高精度、高效率的特點(diǎn)，因此其被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代機(jī)械工程領(lǐng)域中。

目前，機(jī)械制造自動(dòng)化主要包括柔性制造系統(tǒng)、數(shù)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)集成制造技術(shù)和工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)。其中，柔性制造系統(tǒng)是在自動(dòng)化的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型制造系統(tǒng)，其主要功能是在多品種小批量的生產(chǎn)環(huán)境下進(jìn)行各種零部件和產(chǎn)品的加工。數(shù)控技術(shù)則是一種自動(dòng)控制技術(shù)，其能夠?qū)Ξa(chǎn)品加工過程進(jìn)行優(yōu)化控制，能夠有效提高產(chǎn)品加工質(zhì)量。工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)則是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，其可以利用計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代控制技術(shù)來對各種因素進(jìn)行全面控制。

3.2 智能化的運(yùn)用

機(jī)電一體化系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)和其他技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果。智能化是機(jī)電一體化系統(tǒng)的重要特點(diǎn)之一，主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

3.2.1 智能化控制

智能化控制指的是在機(jī)械工程中利用傳感器和執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行檢測和控制，從而使機(jī)械設(shè)備具備自我檢測和自我控制功能。例如，利用自動(dòng)檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對各種機(jī)械設(shè)備的故障診斷；利用故障診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對機(jī)械設(shè)備的故障自動(dòng)診斷；利用自適應(yīng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對機(jī)械設(shè)備的智能化控制。機(jī)電一體化系統(tǒng)具備智能控制功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對機(jī)械設(shè)備的智能管理和智能操作，從而使機(jī)電一體化系統(tǒng)更加完善。

3.2.2 智能化設(shè)計(jì)

智能化設(shè)計(jì)指的是在機(jī)械工程中應(yīng)用智能化技術(shù)，使其能夠根據(jù)用戶需求對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改和完善，從而滿足用戶需求。例如，在機(jī)電一體化系統(tǒng)中應(yīng)用智能化技術(shù)能夠提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率；在機(jī)電一體化系統(tǒng)中應(yīng)用智能化技術(shù)能夠降低設(shè)計(jì)成本；在機(jī)電一體化系統(tǒng)中應(yīng)用智能化技術(shù)可以提高設(shè)計(jì)的可靠性和安全性。

3.2.3 智能化制造

智能制造是機(jī)電一體化系統(tǒng)的重要功能之一，它指的是將工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、微型計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化裝置等集成到一個(gè)生產(chǎn)環(huán)境中，通過計(jì)算機(jī)對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制。因此，機(jī)械工程領(lǐng)域和機(jī)電一體化系統(tǒng)在今后一段時(shí)間內(nèi)將會(huì)進(jìn)一步發(fā)展，為我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供可靠保障。

3.3 運(yùn)行狀態(tài)及故障監(jiān)控的運(yùn)用

現(xiàn)代工程裝備是一種具有多種功能的組合體，其組成十分復(fù)雜。在工程實(shí)踐中，各部件應(yīng)相互配合，相互配合，以確保機(jī)械裝置的正常運(yùn)行。這些系統(tǒng)中的任意一個(gè)環(huán)節(jié)或部分出現(xiàn)了問題，都將影響到整體系統(tǒng)的高效運(yùn)行。所以，需要對系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并在出現(xiàn)問題時(shí)進(jìn)行診斷。對這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度較高的大型工程設(shè)備，僅依靠人工進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，難以做到實(shí)時(shí)監(jiān)測與故障診斷。在將機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用到工程機(jī)械中之后，它可以24 h實(shí)時(shí)地監(jiān)測自己的運(yùn)行狀況，并對其進(jìn)行故障診斷。這種機(jī)電一體化的監(jiān)測系統(tǒng)，在檢測到問題或者其他會(huì)對設(shè)備造成影響的風(fēng)險(xiǎn)之后，它會(huì)自動(dòng)地向工作人員發(fā)出警告，工作人員可以通過監(jiān)測系統(tǒng)所給出的信息來詢問并解決問題，這樣既節(jié)約了維修時(shí)間，又可以提升工作效率，還可以改善駕駛員的工作環(huán)境，減少了停機(jī)維修的時(shí)間。

3.4 確保機(jī)械工程精度中的應(yīng)用

將該系統(tǒng)運(yùn)用到機(jī)械工程中，也能有效地保證工程的準(zhǔn)確性，對工程的總體質(zhì)量有著很大的影響。在傳統(tǒng)的機(jī)械工程中，通常由人工完成，在相關(guān)的數(shù)據(jù)計(jì)算和工程測量中極易產(chǎn)生錯(cuò)誤，從而對工程的總體質(zhì)量造成不利的影響。在機(jī)械工程領(lǐng)域中使用機(jī)電一體化系統(tǒng)，能夠有效地提升與其有關(guān)的數(shù)據(jù)測量的特定精度，并能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械工程中的測量等過程的自動(dòng)化。通過這種方式，機(jī)電一體化能夠使用現(xiàn)代科技對其進(jìn)行測量和分析，從而避免了人工計(jì)算所產(chǎn)生的誤差，保證了機(jī)械施工的總體質(zhì)量和相應(yīng)的精度。

在機(jī)械項(xiàng)目中，若能正確地確保項(xiàng)目的準(zhǔn)確性，則項(xiàng)目的具體工作效率將會(huì)大大提高，而建筑工人的工作強(qiáng)度將會(huì)進(jìn)一步地下降。因此，將機(jī)電一體化技術(shù)運(yùn)用于機(jī)械工程，既保證了項(xiàng)目的準(zhǔn)確性，又增強(qiáng)了機(jī)器建設(shè)的現(xiàn)代性，高效性和快速性，使得機(jī)電一體化技術(shù)在今后的發(fā)展具有更為廣泛的前景。

3.5 在改造機(jī)床中的應(yīng)用

在機(jī)械行業(yè)中，數(shù)控機(jī)床是一種常用的工具，通常用于模具制造。目前，數(shù)控機(jī)床在操作過程中，對產(chǎn)品的精度有較高的要求，一旦出現(xiàn)了錯(cuò)誤，必然會(huì)對生產(chǎn)產(chǎn)品的效率和質(zhì)量造成不利的影響。所以，大部分的 CNC機(jī)床都會(huì)借助于機(jī)械一機(jī)體的技術(shù)來改善其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，以提高其加工精度和生產(chǎn)率。經(jīng)過改造后的 CNC，不只是縮短了加工速度，也提高了加工質(zhì)量。

4 機(jī)電一體化系統(tǒng)在機(jī)械工程中的發(fā)展

4.1 自律分配化

在一定水平下，其執(zhí)行器與控制系統(tǒng)會(huì)有充分的自由，具有較大的“柔性”，可以應(yīng)對各種突發(fā)情況，因此被稱為“自我配置系統(tǒng)”。該系統(tǒng)在工作過程中，各個(gè)子系統(tǒng)相互獨(dú)立，相互不干涉，但又有充分的自律性，在外部環(huán)境改變時(shí)，它們也會(huì)做出相應(yīng)的調(diào)整，以應(yīng)對外部環(huán)境的改變。該系統(tǒng)的特征在于各子系統(tǒng)能夠自行生成和添加被賦予的信息，各子系統(tǒng)的“行動(dòng)”能夠在一定的指導(dǎo)下發(fā)生變化。這種特性不僅可以防止由于某個(gè)子系統(tǒng)的失效而造成整體的失靈，還可以極大地提高系統(tǒng)的靈活性。

4.2 全息系統(tǒng)化

在未來的電子機(jī)械系統(tǒng)的發(fā)展中，它的“全息”特征將會(huì)變得更加突出，電子機(jī)械系統(tǒng)將會(huì)從多個(gè)方面保證“指令”的精確執(zhí)行，向智能化發(fā)展將會(huì)是一個(gè)重要方向，而這一方向的發(fā)展，很大程度上是由于信息技術(shù)和模糊性技術(shù)的進(jìn)步。

4.3 光機(jī)電一體化

光機(jī)電一體化是機(jī)械工程和自動(dòng)化的一種，與傳統(tǒng)的機(jī)電一體化技術(shù)相比，光機(jī)電一體化引入了光學(xué)技術(shù)，充分利用了光學(xué)技術(shù)的特點(diǎn)，進(jìn)一步改變和優(yōu)化了機(jī)電一體化系統(tǒng)中的傳感系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、能源系統(tǒng)等子系統(tǒng)[3]。

4.4 微型化發(fā)展

從當(dāng)前的電子技術(shù)發(fā)展趨勢來看，小型化的電子技術(shù)正在逐步向一個(gè)新的方向發(fā)展。這一技術(shù)在納米級范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，并與力學(xué)技術(shù)良好融合。對于Micro-Electro-Integrated產(chǎn)品來說，這僅僅是指其幾何尺寸朝著微或納米的發(fā)展。在很多情況下，某些設(shè)備的體積甚至不到1 mL，而這種小尺寸、低能耗、高靈活性等也會(huì)因此而異。

4.5 模塊化發(fā)展

在我國的機(jī)電技術(shù)發(fā)展歷程中，模塊化一直是一個(gè)長期而艱難的課題。隨著機(jī)電一體化的發(fā)展，其產(chǎn)品的類型和制造商五花八門，實(shí)現(xiàn)了具有標(biāo)準(zhǔn)化的電氣界面、機(jī)械界面、動(dòng)力界面、環(huán)境界面的機(jī)電一體化的產(chǎn)品，是一項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)。但是，對機(jī)電一體化的模塊化生產(chǎn)來說，它具有非常重大的意義，它可以減少機(jī)電一體化的生產(chǎn)、維修和維護(hù)的成本，還可以為培養(yǎng)相應(yīng)的技術(shù)人員提供便利。

5 結(jié)語

將機(jī)電一體化技術(shù)廣泛運(yùn)用于工程機(jī)械，既是現(xiàn)代工程機(jī)械進(jìn)行革新的必然趨勢，又能滿足現(xiàn)代化工程施工的各項(xiàng)需求，順應(yīng)未來發(fā)展方向。傳統(tǒng)的工程機(jī)械與水利科技的發(fā)展已不能適應(yīng)現(xiàn)代工程發(fā)展的需求，隨著機(jī)電一體化技術(shù)的迅速發(fā)展，工程機(jī)械在技術(shù)結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)上都取得了巨大的突破，從而推動(dòng)了工業(yè)生產(chǎn)向科技化、自動(dòng)化、穩(wěn)定化的方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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