機電一體化技術(shù)在機械設(shè)計制造中的應(yīng)用研究

沈陽

摘 要：機電一體化技術(shù)作為一項信息技術(shù)與機械技術(shù)的深度融合的新興技術(shù)，其在我國現(xiàn)代化建設(shè)當(dāng)中發(fā)揮了巨大的作用。將機電一體化技術(shù)應(yīng)用到機械設(shè)計制造當(dāng)中，不但能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品小型化，同時也有助于生產(chǎn)力和生產(chǎn)效率的提升，在加工精度和產(chǎn)品安全性能方面也有著明顯的優(yōu)勢和效果。為此，本篇文章首先介紹機電一體化技術(shù)及其應(yīng)用優(yōu)勢，再明確機電一體化基礎(chǔ)技術(shù)分類，最后針對機電一體化技術(shù)在機械設(shè)計制造中應(yīng)用進行簡要論述，并簡單討論機電一體化未來的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：機電一體化 機械設(shè)計制造 集成制造技術(shù) 數(shù)控設(shè)計

1 引言

目前我國制造業(yè)整體生產(chǎn)技術(shù)水平相比以往提升了一大截，其生產(chǎn)模式在信息技術(shù)與自動化技術(shù)的應(yīng)用下也實現(xiàn)了升級改進，但其仍然存在材料利用率低、生產(chǎn)污染較大、智能化水平不足等諸多問題，在生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率上相比發(fā)達國家仍存在一定差距。而集合機械技術(shù)與信息技術(shù)優(yōu)勢并不斷完善創(chuàng)新的機電一體化技術(shù)，在機械設(shè)計制造中的應(yīng)用成為當(dāng)前階段促進制造行業(yè)發(fā)展的必然選擇。為此，各制造企業(yè)需掌握機電一體化技術(shù)概念和應(yīng)用優(yōu)勢，明確機電一體化基礎(chǔ)技術(shù)分類，結(jié)合自身生產(chǎn)實際，尋找到更為符合自身實際需求的機電一體化技術(shù)應(yīng)用方法，從而為機械設(shè)計制造行業(yè)的發(fā)展提供有力的技術(shù)支持。

2 機電一體化技術(shù)概述

事實上，我國相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域?qū)C電一體化技術(shù)并不陌生，其是屬于一種綜合了機械技術(shù)與電子技術(shù)的新型技術(shù)，其融合了信息技術(shù)、微電子技術(shù)、傳感技術(shù)、信號變換技術(shù)、自動控制技術(shù)與編程技術(shù)，集成了大規(guī)模電路和計算機系統(tǒng)功能優(yōu)勢，很多現(xiàn)代化的生產(chǎn)設(shè)備都在不同程度上應(yīng)用了機電一體化技術(shù)，最早提及機電一體化技術(shù)是在上世紀七十年代初期一家日本雜志《機械設(shè)計》中所刊登的一篇文章當(dāng)中，一經(jīng)出現(xiàn)就引起了各界的關(guān)注，并在計算機技術(shù)的快速發(fā)展下，機電一體化技術(shù)不斷改進和完善，如今的機電一體化技術(shù)已經(jīng)成為集合機械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)優(yōu)勢為一身的新型綜合技術(shù)[1]。如圖1所示：

3 機電一體化基礎(chǔ)技術(shù)分類

3.1 集成制造技術(shù)

機電一體化技術(shù)當(dāng)中，集成制造技術(shù)主要是指借助計算機系統(tǒng)來進行人力。生產(chǎn)控制與各項生產(chǎn)管理的集成化，使之形成整體，針對原材料、生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品出貨全流程進行一體化控制。目前，在機械設(shè)計制造領(lǐng)域已基本實現(xiàn)了信息化與自動化發(fā)展，但其中仍然存在一部分自動化孤島的問題[2]。

3.2 變流傳動技術(shù)

交流傳動技術(shù)有著較為明顯的高承載性、高適應(yīng)性以及高穩(wěn)定性特點，其能夠有效抑制外界信號所產(chǎn)生的干擾影響。而且借助于電力電子與微電子技術(shù)的有效應(yīng)用，能夠提高交流傳動技術(shù)的應(yīng)用效果，從而整體上提高機械設(shè)計制造相關(guān)設(shè)備運行的安全性[3]。

3.3 現(xiàn)場總線技術(shù)

現(xiàn)場總線技術(shù)主要是指利用集中化控制系統(tǒng)來進行機械設(shè)計制造當(dāng)中所應(yīng)用各項設(shè)備、儀器儀表的信息采集和傳遞，其能夠應(yīng)用在機械設(shè)計制造自動化與過程自動化等多個領(lǐng)域的現(xiàn)場智能儀器設(shè)備，屬于一項良好的通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。以往信號傳輸方式主要是采用有線電纜傳輸，不但需要提前進行大量纜線的敷設(shè)，同時也存在很高的安全隱患。而現(xiàn)場總線技術(shù)則可以借助于無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)機械設(shè)計制造相關(guān)設(shè)備信息的雙向快速傳遞，提高了信號的傳輸速度和利用率[4]。

4 機電一體化技術(shù)在機械設(shè)計制造中的應(yīng)用

4.1 傳感設(shè)備中的應(yīng)用

機電一體化系統(tǒng)當(dāng)中所應(yīng)用的傳感器擔(dān)負的是進行信息傳遞的功能作用，其不但能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)當(dāng)中多類信號的采集和輸送，同時還能確保不同元件都能夠按照正常的程序來運行。所以，機電一體化技術(shù)在傳感器當(dāng)中的應(yīng)用，可做到機械設(shè)備、通信系統(tǒng)與執(zhí)行系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)配合，提高信息的傳輸速度和信息傳輸安全，提升訊息傳輸?shù)臏?zhǔn)確率。如圖2所示：

例如，在進行汽車零部件加工切削過程當(dāng)中，對于其切削設(shè)備，很多汽車零部件生產(chǎn)質(zhì)量和整體機械設(shè)備運行精準(zhǔn)度有著直接的關(guān)系，需要同時考慮能力水平和工作狀態(tài)等人為主觀因素對機械設(shè)備運行所產(chǎn)生的影響[5]。如果以傳統(tǒng)人工操作控制方式來進行設(shè)備精度的操控和調(diào)整，往往容易出現(xiàn)一些失誤，導(dǎo)致所加工零部件無法滿足汽車生產(chǎn)制造的相關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。而應(yīng)用機電一體化技術(shù)，則可以借助具備更強靈敏度的傳感器來執(zhí)行設(shè)備回轉(zhuǎn)系統(tǒng)與驅(qū)動系統(tǒng)以及溫度系統(tǒng)的檢測功能，同時還可實現(xiàn)不同工作參數(shù)數(shù)據(jù)在機械控制系統(tǒng)當(dāng)中的傳輸，從而做到對相關(guān)加工機械設(shè)備的自動化控制，既能夠有效提升其自動化水平，減少人為因素而導(dǎo)致出現(xiàn)誤差的概率，同時還可以提高機械設(shè)備在實際操作當(dāng)中的生產(chǎn)精度，對汽車零部件的加工品質(zhì)有著良好的促進作用[6]。

4.2 動力部件中的應(yīng)用

機械設(shè)計制造過程當(dāng)中所應(yīng)用的機械設(shè)備往往需要借助大量的能源來保持穩(wěn)定的動能，這就意味著傳統(tǒng)機械設(shè)備往往能耗較大，但其生產(chǎn)效率較低。所以，在機械設(shè)備設(shè)計與制造時，需注重控制設(shè)備能源的消耗問題。例如汽車制造生產(chǎn)過程當(dāng)中，所使用的液壓機是一種相對較為傳統(tǒng)的機械設(shè)備，液壓機主要是以液體來做為介質(zhì)進行動能傳遞，從而實現(xiàn)壓制工藝的運行，但液壓機運行過程中有近30%的能量利用率限制了整體生產(chǎn)的效率，而采用機電一體化技術(shù)進行壓機操控則能夠?qū)崿F(xiàn)利用額外電子調(diào)速器來提高設(shè)備的轉(zhuǎn)速與壓力值等相關(guān)參數(shù)的控制精度，從而最大程度上降低設(shè)備運行的能耗，而且對汽車部件的加工效果，以及整體效率都有著大幅度的增長[7]。

4.3 數(shù)控設(shè)計中的應(yīng)用

數(shù)控設(shè)計大多數(shù)是應(yīng)用于數(shù)控機床等機械設(shè)計當(dāng)中，能夠從技術(shù)層面促進機械制造領(lǐng)域的創(chuàng)新改革，但其整體工藝流程相對較為繁瑣，執(zhí)行效率較低，這也對數(shù)控技術(shù)整體發(fā)展和技術(shù)水平的提升產(chǎn)生了一定的限制。所以，利用機電一體化技術(shù)在數(shù)控設(shè)計當(dāng)中的應(yīng)用，能夠有效解決部分數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計所存在的缺陷問題，從而實現(xiàn)機械設(shè)計的智能化處理。例如，在汽車零部件加工過程當(dāng)中，其所使用的數(shù)控機床在切削精度和換刀方面有著一定的缺陷，而利用機電一體化技術(shù)可實現(xiàn)自動換刀功能的應(yīng)用，從而提高設(shè)備的使用率[8]。

4.4 監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

機電一體化技術(shù)在機械設(shè)計制造領(lǐng)域當(dāng)中的應(yīng)用，除能夠發(fā)揮其提高生產(chǎn)制造精度優(yōu)勢之外，還可以針對機械設(shè)計制造相關(guān)設(shè)備運行狀態(tài)以及生產(chǎn)加工實際進行實時的監(jiān)控。借助于監(jiān)控設(shè)備，能夠仔細監(jiān)測整個生產(chǎn)制造過程當(dāng)中機械設(shè)備運行的狀態(tài)和參數(shù)數(shù)據(jù)，并及時發(fā)現(xiàn)其中異常狀態(tài)，將所采集的故障信息快速傳遞給操控系統(tǒng)，并對技術(shù)人員發(fā)出預(yù)警，使技術(shù)人員能夠在最短時間內(nèi)進行故障問題的診斷和排除，降低故障發(fā)生率，同時也能夠減少由于故障而引發(fā)的不良影響。其主要發(fā)揮功能作用的部分是自動報警系統(tǒng)以及故障排查系統(tǒng)，自動預(yù)警系統(tǒng)可實現(xiàn)針對機械內(nèi)部系統(tǒng)的運行，一旦發(fā)現(xiàn)故障隱患，可快速做出反應(yīng)。而故障排查功能則需要技術(shù)人員提前輸入相關(guān)程序指令，利用高效化與標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)運行來充分提高運行問題的處理效率[9]。

4.5 產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用

在現(xiàn)代信息技術(shù)、智能化技術(shù)與先進科技智能化設(shè)備的廣泛應(yīng)用下，人們的生活方式逐漸發(fā)生了巨大的變化，其現(xiàn)代化功能越來越完善，而在這個過程當(dāng)中，傳統(tǒng)工程機械設(shè)計制造產(chǎn)品已經(jīng)逐漸無法滿足當(dāng)前人們的消費需求，對于工程機械產(chǎn)品的開發(fā)，也逐漸向著智能化方向邁進。而通過機電一體化技術(shù)在機械設(shè)計制造產(chǎn)品開發(fā)當(dāng)中的應(yīng)用，能夠有效提高這些產(chǎn)品種類和性能以及功能的豐富化，結(jié)合當(dāng)前市場實際、發(fā)展動態(tài)和具體要求，設(shè)計和開發(fā)出具備特定性能與功能的現(xiàn)代化產(chǎn)品。

例如，在汽車發(fā)動機微機控制系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中運用機電一體化技術(shù)，可設(shè)計出用于降低燃料成本的發(fā)動機微機控制系統(tǒng)原理圖，發(fā)動機控制單元核心主要是利用微處理器或?qū)ｉT進行汽車發(fā)動機專用大規(guī)模集成線路設(shè)計，利用多個傳感器來獲取模擬電壓信號，并從發(fā)動機輸出軸得到準(zhǔn)確的脈沖信號，將其輸入ECU當(dāng)中進行模擬，信號通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以此相關(guān)信號為基礎(chǔ)從而實現(xiàn)對空氣燃料比、排氣循環(huán)率、點火時間的準(zhǔn)確計算，并以計算結(jié)果為依據(jù)進行燃料噴射閥與點火裝置驅(qū)動信號輸出控制，達到合理進行空氣燃料比控制的效果。在空氣燃料比控制最佳狀態(tài)當(dāng)中，對于汽車發(fā)動機的起動、預(yù)熱、加速、減速、制動、空轉(zhuǎn)等多種運動狀態(tài)保持正常負荷有著良好的效果。

5 機電一體化技術(shù)未來發(fā)展趨勢

5.1 智能化

對于計算機未來的發(fā)展而言，人工智能必然是其新的研究領(lǐng)域，同時也是智能制造未來的發(fā)展趨勢之一。機械設(shè)計制造智能化水平也會越來越高，從而能夠根據(jù)機械設(shè)計制造相關(guān)操作需求，融合人工智能技術(shù)來實現(xiàn)操作者思維和操作邏輯的模擬，實現(xiàn)智能化操控。我國部分經(jīng)濟較為發(fā)達地區(qū)的機械設(shè)計制造企業(yè)已經(jīng)逐步開始著手進行生產(chǎn)線智能化技術(shù)的應(yīng)用實驗。例如。廣東省部分機械制造企業(yè)在進行汽車零部件加工過程當(dāng)中，已經(jīng)實現(xiàn)了部分流水線的人工智能操作，如圖3所示：

其引進了智能操作臂來進行配件的組裝，這種人工智能技術(shù)能夠具備一定的自主獲取信息、分析信息和邏輯判斷信息，以及自主決策并生成操作指令的功能，甚至可以具備自主學(xué)習(xí)的功能，能夠大大提升機械設(shè)計制造產(chǎn)品生產(chǎn)效率。而且可以針對設(shè)計圖紙當(dāng)中所存在的一些錯誤進行自動修正，從而提高機械設(shè)計制造的精度，這對于中國制造恢弘目標(biāo)的制定來講，智能化必然是其未來發(fā)展的趨勢和方向之一[10]。

5.2 綠色化

經(jīng)濟與技術(shù)水平的不斷進步下，對能源與資源的消耗量也急劇增長，同時對生態(tài)環(huán)境也產(chǎn)生了一定的污染影響。為此，國家積極提出節(jié)能、降耗、減排等環(huán)保理念，并大力提倡節(jié)能技術(shù)的研究，如今，節(jié)能降耗已經(jīng)成為我國工業(yè)制造業(yè)未來發(fā)展當(dāng)中必不可少的一項重點考慮因素。而機械設(shè)備當(dāng)中對于機電一體化技術(shù)的應(yīng)用也得到了一些節(jié)能效果，但其并不意味著機電一體化已經(jīng)是綠色化發(fā)展方向的全部，未來機電一體化技術(shù)應(yīng)用下的機械設(shè)計與制造相關(guān)設(shè)備，不但能夠發(fā)揮其強大性能以及智能化優(yōu)勢，幫助企業(yè)實現(xiàn)材料的最大化利用和能源與資源的節(jié)約，同時還能夠借助其強大的自動化功能來解放大量的人力資源和經(jīng)濟成本。但要想達到這一效果，還需要在設(shè)計環(huán)節(jié)充分運用新材料、新工藝，加大環(huán)保材料的應(yīng)用和可回收與可再利用材料的使用研究，這也是機械設(shè)備未來發(fā)展的方向之一。

6 結(jié)束語

結(jié)合上述文章內(nèi)容所述，制造業(yè)的快速發(fā)展能夠為人們體驗到現(xiàn)代化、智能化生活提供有力的物質(zhì)支持，而機電一體化技術(shù)則是能夠促進制造業(yè)實現(xiàn)現(xiàn)代化、自動化與機械化的關(guān)鍵技術(shù)，可以說，在現(xiàn)代尖端科技快速進步的新時代，機電一體化技術(shù)在機械設(shè)計制造中的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的自動化，未來必然也會實現(xiàn)智能化，這也是科技文明不斷發(fā)展的必然結(jié)果。一方面，機電一體化技術(shù)能夠有效提高機械設(shè)計與制造的生產(chǎn)效率，在生產(chǎn)技術(shù)水平方面有著巨大的提升空間。另一方面，還能夠有效節(jié)省社會與自然資源，提高其綠色化生產(chǎn)水平。目前我國對于機電一體化技術(shù)的應(yīng)用仍處在初期階段，雖然已經(jīng)積累了一定的經(jīng)驗，但仍需在不斷實踐中予以改進，從而充分發(fā)揮機電一體化技術(shù)優(yōu)勢，使其成為推動我國制造業(yè)向著智能化、現(xiàn)代化方向發(fā)展的基石。

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