機電一體化技術在智能機械裝備上的應用及發展趨勢

謝偉麗

摘 要：機電一體化技術是機械裝備進步的基礎，能夠有效保證機械裝備向自動化和智能化方向發展，通過介紹機電一體化技術的主要內容，說明了機電一體化技術的應用方式及應用范圍，并總結了機電一體化技術未來的發展方向。

關鍵詞：機電一體化；智能機械；應用；發展趨勢

中圖分類號：TH-39 文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.05.002

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，各行各業對工作效率和工作質量的要求越來越高，機械設備作為眾多行業運行和實施的基礎，其需求量仍在不斷提升。在各學科互相融合的大背景下，機械裝備在原始形態的基礎上，通過計算機技術、傳感技術、控制技術、網絡技術的結合，逐漸向智能化方向發展，這促使機械工程在技術體系、工作方式、運行模式以及管理上都產生了很大的變化，這需要更多的綜合性學科人才參與新產品的研究和新設備的使用與維護。機電一體化技術作為一項機械類的綜合性學科，結合了機械、電控及計算機等眾多知識，并向著更深層次的融合與應用發展，這使機電一體化技術在智能機械裝備領域得到了更廣泛地使用。

1 機電一體化技術的內涵

機電一體化主要由動力裝置、傳動裝置、執行裝置、傳感裝置、控制處理裝置共同組成。動力裝置主要是為整個系統的運轉提供能量，為傳動裝置提供動力，以保證整個機械系統的正常運轉。傳動裝置可通過金屬零件、皮帶、鏈條或其他形式實現動力的轉移與傳遞，在最初的機械結構約束下，能夠完成指定的動作或功能。執行裝置主要是通過動力支持和處理器控制，來準確完成機械裝置要求的動力及功能，執行機構的形式具有多樣化特點，可通過機械、氣動、電液等方式來實現。傳感裝置主要用來檢測機械系統的運行情況和外部環境的變化情況，并將檢測結果通過電信號傳遞給處理裝置。處理裝置可將信息直接進行處理，或將其顯示至儀表，由操作人員進行控制和調整。控制處理裝置能夠將來自各傳感器的檢測信號進行集中存儲以及分析和轉換，再根據信息處理后的結果，按固定的程序輸出相應指令，來控制整個系統的有序運行。控制處理裝置通常由計算機、可編程序控制器、數控裝置、邏輯電路、A/D和D/A轉換、輸入輸出接口以及其他外部設備等構成。

2 機電一體化的應用方式

2.1 實時監控與檢測

機械裝置通常是一個復雜的系統，機電一體化技術通過傳感裝置和控制裝置實現對機械設備及輔助系統的全程動態檢測，通過傳感器自動檢測機械裝備的各個子系統，并有效反應關鍵機械結構的運行狀態，若發現機械使用中的異常狀況，將會在第一時間發出警示，并幫助工作人員確定故障位置，部分先進裝置甚至能夠自行處理故障問題，保證機械裝置的正常運行。這也就顯著提高了機械裝備的工作效率，同時減輕工作人員在檢測方面的精力投入，還可減少因故障造成的停機維修損失，提高機械使用的可靠性。

2.2 提高機械裝置執行精度

機電一體化技術能夠利用傳感器技術提高系統工作過程的精確度，由于使用了機械技術和電子控制系統相結合的方式，自動化的控制模式顯著可靠于人工操作，不僅增加了機械工作的準確性，還使機械裝置更加貼近智能化，有效避免及降低了人工操作誤差的產生，電子控制系統的應用還有效減少人力資源的投入，減輕機械操作者的工作強度，有效提高機械裝備的現代化水平。以現代化自動生產線為例，通過機電一體化技術對產品重量、外觀及其他標準化要求進行檢測，能夠獲得更低的廢品率，并自動將不合格產品剔除，工作人員只需觀測機械運行狀態即可。

2.3 實現最佳運行能耗

傳統的工程機械在運轉過程中，由于采用人工控制的方式，為保證機械設備的正常運轉，通常難以保證機械始終在最佳的能耗點上運轉，這是由于大多數的機械設備存在超載運行或者未達到額定功率運行的情況，導致能源被無端消耗。機電一體化技術的使用有效改善了能源利用的問題，通過實時的調節施工功率，有效節約能源消耗，降低了機械的使用成本。

3 機電一體化的應用范圍

3.1 現代化機械加工設備

數控技術在機械加工領域應用了較長時間，促使機械加工設備在結構、功能、操作和控制精度等方面都顯著提高，現代化的機械加工設備在機電一體化技術的支持下具有以下功能應用：

（1） 機床設備的硬件體系結構和功能具備標準化特點，數控機床具有更高的兼容性，并符合通用接口標準（如圖1），以保證最大限度地提高機床的使用效率和功能優化。

（2） 使機械加工設備實現了多過程及多通道控制的功能，保證機床能夠同時完成多個獨立加工任務，或實現多臺機床的協同工作能力，同時能夠通過傳感器技術實現刀具位置檢測、刀具破損檢測、物料移動等控制功能。

（3） 機床設備能夠通過導入繪圖文件實現自動轉換程序，減少人工編程的時間消耗，并能在實際加工之前進行二維和三維的加工過程虛擬仿真，有效減少加工零件的廢品率，并通過在線診斷、模糊控制等功能實現零件加工方式的優化。

（4） 機床以單板或單片機作為控制機，配合專用芯片和模板構成合理化的數控裝置，能有效實現軟件功能的擴展與機械執行過程的優化，且系統具備了多級網絡功能，通過智能聯網有效提升加工復雜零件的能力。

（5） 現代化的機械加工設備采用了大容量存儲器，且系統內部程序和軟件具有模塊化特點，有效豐富了數字控制功能。

3.2 智能機器人裝備

機電一體化是機器人技術發展的基礎，機器人技術在發展的過程中體現了機械技術與電子控制、傳感器技術、網絡技術和計算機技術不斷融合的過程。最初的機器人只能完成預定的重復運動，無法感知環境及作業對象的變化，因此適應能力和靈活性均不足。隨著時代發展，傳感器技術和控制技術應用于機器人領域，機器人能夠獲取環境信息并進行簡單的判斷與處置，但智能化程度仍不足，因此，計算機技術賦予了新型機器人更強大的邏輯思維和判斷能力，配合多種感知功能，能實現更高難度的作業要求，體現出了強大的智能性和適應能力。

3.3 智能化生產線及物流分選系統

智能化生產線是現代化批量生產的代表，它集成了大量的機械設備、監測裝置和分析處理及控制裝置，能夠實現產品從原材料到成品包裝的一條龍作業模式，現代化的生產線包括了加工、輸送、篩選、稱重、分流、包裝、碼垛等全部功能，基本消除了人工的體力勞動。近年來，機電一體化技術也逐漸應用于物流領域，先進的無人分揀車間能夠實現貨物的自動分揀、包裝、信息粘貼及校對，圖2為天貓超市的無人分揀線，其工作準確性和效率優勢明顯。

3.4 工程機械的功能優化

近年來，隨著機電一體化技術的發展，其逐漸向工程機械領域延伸，例如建筑行業使用的混凝土攪拌機，通過傳感器的檢測和控制系統的調整，有效提升了混凝土的均勻程度，提高了鋪裝效率及質量。此外，對于煤炭行業，機電一體化技術不僅保證了機械裝置的可靠運行，同時還能實時監測危險氣體及其他周圍環境的變化，降低安全事故的發生概率。

4 機電一體化技術的發展趨勢

4.1 向模塊化方向發展

我國自主生產的機電產品具有種類多、功能各異的特點，缺乏統一的標準約束，導致不同品牌的產品之間通用性較差，很多先進零件的更換只能采用原廠零件，增加了產品維護的復雜性及成本。現階段，通過管理部門的指導，應盡快推進機電產品統一標準的實施，以保證機電產品的規范化和模塊化，便于減少機械裝備的設計成本，保證先進裝備維修的便捷性。

4.2 向輕量化方向發展

現代化的機電一體化產品，除了必要的機械功能結構外，監測系統與控制系統等電子專業內容均開始向著輕量化方向轉變。得益于片式元器件技術的進步，組裝技術正逐漸取代傳統的通孔插裝技術，成為電子組裝的主要方式，使機電設備中的電子元件更加的小型、輕便，同時降低與機械結構的影響關系。

4.3 向環保化方向發展

由于資源和環境問題的日益嚴重，人們的環保意識和節能意識逐漸加深，綠色低碳的機電產品將成為未來發展的必然趨勢，機械設備在設計、制造、使用和廢棄的過程中，必須要達到環境保護和人類健康的相關要求，保證對生態環境無害或危害輕微，保證資源的高效利用。

5 結語

機電一體化技術作為未來機械產品必不可少的重要組成部分，其對智能機械的實現具有顯著的意義，現階段我國的機電一體化技術與發達國家相比仍存在較大差距，各行各業使用的機械設備在智能化與先進化程度上仍不足，需要相關研究人員和機械廠商共同努力，才能保證我國的機械裝備早日實現全面的智能化要求。

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