淺談機電一體化的相關技術及設計方法

楊洪朋 東北大學機械工程與自動化學院

淺談機電一體化的相關技術及設計方法

楊洪朋 東北大學機械工程與自動化學院

機械技術是一門相對較古老的學科，人類對自然規律的認知，在各個時期不斷地賦予機械不同內涵。機械設備以及產品發展到今天，僅僅從機械角度對其進行改動升級不太現實。伴隨科學技術的發展，一個年輕的學科——電子技術飛速發展，從獨立簡單的電子元件到集成電路，以及后期的超大規模的集成電路，尤其是出現微型計算機，使電子信息技術與其他學科滲透結合。自此，古老的機械青春煥發，機電一體化技術也因此應運而生。為此，對當下常見一體化產品進行了調查分析，以此為基礎，簡述了機電一體化的相關技術和設計方法。

機電一體化 相關技術 設計方法

1 前言

二十世紀后期以來，我國制造業在眾方面都取得了長足發展，成就斐然。然而，機電一體化技術依然沒有國外成熟。當前，我國的經濟發展急速轉型，國內外大環境為我國機電一體化行業帶來巨大機遇。相關企業應該積極的不斷創新完成轉型，為我國經濟發展做出積極的貢獻。本文參考大量文獻后，分析了機電一體化當前的相關技術和設計方法。

2 機電一體化的相關技術

目前業界普遍認為，機電一體化是由四大基礎學科組成的新學科，即包含了機械、控制、電子和計算機這幾門科學。機電一體化技術既有硬件方面的技術，又含軟件技術。硬件通常由傳感器、機械設備本身組成，處理信息和分析數據的窗口單元同樣不可或缺。模塊標準化和模塊功能不同化共同組成了軟件系統。因此機電一體化相關的技術種類繁多，不僅僅有傳統的工業技術，還包含近年發展飛速的信息行業技術，甚至涉及系統整體及接口技術。

2.1 機械技術

機械技術的范疇很廣，包含許多方面，典型的機構設計和制造就屬于這一門類。在這方面，要做到傳統的機械技術和現代設計方法有機結合，大力推進精密加工技術的發展，在設計方法中探尋結構優化、動態、虛擬等方式的相互補充和交叉滲透；通過對新型復合材料的研發，實現機械結構輕量化，改良以往響應緩慢的情況；關于關鍵零部件的精度和可靠性要求，軌道、滾軸絲杠、齒輪和軸承的高精度研究尤為重要。總之，為了適應機電一體化的發展需要，要充分利用一切先進的制造、設計技術，使機械結構擁有小體積、輕重量、高精度，以及價格低廉、安全、方便、可靠等特點。

2.2 傳感技術

傳感技術以傳感器技術為核心。傳感器以一定的精度將被測信號轉換為模擬信號，進而轉換成等價關系的電信號，完整的傳感器通常包括敏感元件、轉換元件和轉換電路這幾部分。傳感器的種類很多，分類方式同樣很多。按照其工作原理的不同，改變電阻實現對測量信號輸出反饋的傳感器為電阻式傳感器，同理，運用電感、磁電、壓電、光電、熱電和氣電等原理的傳感器均有其對應的傳感器類型，除此之外，對位置、壓力、溫度、聲音、亮度等信息進行測量所用傳感器則是按用途分類的。

目前，傳感器的發展方向一方面是提高靈敏度、提高精度和可靠性設計，另一方面是實現集成化、微型化和智能化。集成化就是指把信息的處理單元和傳感器集成于一體，使傳感器和信息處理能夠同地進行；智能化是讓傳感器可以自我判斷錯誤和漏洞并可自我修復。微型化則是使傳感器在不影響功能的前提下做得足夠小，使之不對被測物的質量剛度等條件產生干擾影響，這也將有利于微系統的高度集成。

2.3 信息處理技術

工控機和單片機以及可編程控制器等屬于電子計算機的一類，信息處理技術就是利用這一類電子計算機和它連帶的外部設備完成對信息的輸入輸出、運算轉換以及存儲的技術。

通過不斷地提高集成度，電子計算機連帶其外部設備的運算速度大大提高，這樣一來嵌入機械本體則更為方便；通過自我診斷修復及容錯來提高其可靠性；對人工智能的使用可加速其智能化的進程。通過這些措施，可以使計算機的適應性更強，應對復雜環境的工作更加可靠。目前，用于機電一體化行業的電子計算機可以數萬小時無故障地工作。

3 機電一體化的設計方法

機電一體化有機地結合了機械、信息、電子等多種先進技術。為了實現其功能的全面，機電液的有機配合，將使系統的整體方案有別于傳統機電產品，此舉必將使其優越性充分發揮。

3.1 模塊化設計方法

在機械產品研發設計時，不僅要考慮如何使設計研制周期縮短，還要從經濟的角度盡量節約成本經費，更不能忽略生產管理的便利性和使用維護的易操作性，因此，機電一體化產品或設備經過長期發展，逐步形成了一個新的體系和方法，即把不同功能的若干要素單獨做成一個模塊，對于不同功能不同型號的模塊逐步標準化。現實的例子中，電動機和傳感器等都是功能模塊取得成功活生生的例子。

3.2 柔性化設計方法

一體化技術中實現特定功能的某一個功能模塊中，如果它的控制器可以編程，那么該模塊可稱之為柔性模塊。比如，凸輪機構若想完成不同的運動情況，則可以僅僅變化程序，用計算機來控制驅動的伺服電動機，這樣就不用對凸輪的外部形狀進行改動了，可見，此法要省時省力的多。

3.3 取代設計方法

取代設計方法則是運用了機電互補的思想。該法是用專用的電子器件來取代以往傳統的機械結構，這樣不僅簡化了結構，還獲得了更好的特性，即可應用于改造傳統的舊產品，也可用于開發新的有特色的產品和設備。例如，傳統變速機構多是純機械結構，如果采用PLC對其進行編程控制，在精簡結構的同時還提高了系統的準確性和安全。

機電一體化技術的發展不僅帶動我國制造業向更高層次邁進，也豐富著人類的生產生活。作為從業中的一員，我們有責任深入認識其應用的技術和方法。

[1]梁淼,姜明.數字電子技術[M].北京：機械工業出版社,2008

[2]劉杰,等.機電一體化系統設計[M].沈陽；東北大學出版社,1997