機電技術與計算機技術的整合研究

楊 宏

（武漢鐵路職業技術學院 湖北·武漢 430205）

0 引言

步入21世紀，我國的經濟、科技發展水平已逐步持平于許多發達國家。而多領域的融合與發展，使得工業生產、設計技術不斷革新，實現新一輪的產業革命。加之計算機技術的引入，使得生產全面機械化、自動化、智能化，形成計算機與自動化的雙向發展，各企業實現設計、生產以及管理的一體化，有效提升了我國實體制造行業的綜合競爭力。

1 機電技術概述

機電技術的發展建立在計算機技術飛速發展，并迅速滲透至機械工業領域的基礎之上。機電技術綜合應用機械技術、計算機與信息技術、系統工程技術、傳感檢測技術、伺服傳動技術、微電子技術、電力電子技術、接口技術以及軟件編程技術等，以系統理論為基礎，根據系統功能的目標和優化智能組織的目標，從智能、動力、結構以及感覺這四個方面的組成要素以及信息的傳遞與處理出發，對接口耦合、傳動、能量與信號的轉換、信息通道等進行研究，使得整個系統形成一個“有機綜合體”；“綜合體”在硬件電路以及軟件程序對電子信號流的控制下，形成機電設備的有規則運動，并擁有高性能、高質量、高精度、高可靠性、低能耗等眾多優點，有著非常高的經濟效益。

2 機電技術與計算機技術整合的意義與可能性

通常，一門新技術的誕生需要兩個條件——科技進步以及社會的需求。沒有科技上的突破，任何設計都成了幻想；沒有社會需求，科研也就失去了其價值。這項定律也同樣適用于機電一體化技術，機械技術、電子技術、微電子技術、集成電路技術等，為機電一體化技術奠定了堅實的基礎；而在生產、生活中，人們對產品的質量、品種的需求也為機電一體化技術的誕生提供了實踐條件。

從科技的角度來看，計算機技術的發展極為迅速，下屬分支方向眾多，有著許多可以應用于機電一體化技術的類別，例如人工智能算法、物聯網技術、計算機輔助設計、集成制造系統等。由于硬件的限制，機電設備與計算機相比存在著很多的不足，而計算機技術則可以彌補生產設備的不足，為機電一體化技術注入活力。此外，作為一種溝通橋梁，通訊技術、驅動技術的成熟以及大規模集成電路、微芯片計算能力的發展，也使得機電技術與計算機技術的整合成為可能。以圖像識別來說，對于復雜圖像的識別通常需要較新的算法以及超大規模的算力，而機電設備本身并不帶計算功能，或是計算能力難以滿足實際需求。對此，與其開發具有更高新算法、算力的機電設備，不如結合一臺性價比較高的計算機；并且計算機技術也可以拓展大數據系統、開發相應的軟件來支撐識別系統，系統也更加穩定、靈活。對于通信方面，采用I2C、SPI協議或其他串口，也能很好地解決機電設備和計算機的通訊問題，并且這種通訊技術還在不斷革新，應用物聯網技術、5G技術，數據傳輸速度、信息流量也會不斷增大，甚至永無止境。

3 機電技術與計算機技術整合所要解決的兩個技術問題

3.1 系統框架設計

當前，從大型工業生產到小戶型智能家居，機電一體化產品的種類十分豐富，盡管其應用方向不同，但是計算機和機電一體化產品的特性決定了它們在系統集成中的地位和功能是一致的。機電一體化產品都是以機械設備、傳感設備等操作性設備為執行機構，以電子設備為控制機構。而計算機技術和機電一體化技術整合后，機電產品則應具有一定的獨立執行能力，另外引入計算機系統為整個集成系統的調度、檢測、控制機構。在集成系統中，機電產品只需要接收向下指令、完成自身的任務并反饋自身狀態；計算機系統收發各個執行系統的調度指令和反饋信息，規劃整個生產系統的資源進行規劃。這樣的系統模塊化程度較高，降低了維修與保養的工作量。首先，在復雜的集成系統中，對單個機電產品的要求進一步降低，這些設備不再需要協同作業，不需要與其他設備的通信功能，完成自身的任務即可。其次，在機電設備發生故障后，只需更換具體的故障部件，對整體生產系統的影響很小，不必因單設備損壞就導致整個工廠停工，維修成本低，也降低了停工損失。此外，模塊化的另一個好處是便于進行后期的升級處理，可以對系統中的任何老舊、技術落后的機電產品進行更換；更換新機電產品只需連上接口即可，對于機電產品的更新或是升級整個系統的控制模式都十分地方便、快捷。

3.2 通信協議的選擇

計算機技術和機電一體化技術的整合與計算機和機電設備之間的相互交流是密不可分的，是首先需要解決的問題。例如，一個計算機集成制造系統，計算機需要了解各個機電一體化設備的運轉狀態、性能以及參數等，或者對機電產品的運行進行控制；在大規模生產中，有時還會要求這種監測、控制有一定的即時性。因此，就要根據實際需要來選擇何種通信協議，從兩個角度對此問題展開思考。一方面是標準化通訊協議，即采用標準通信協議。其優點是可以保持高度的兼容性，能與大多數的機電設備很好地連接。具體是將機電設備做成較小規模的可替換模塊，提供滿足這些模塊支持的接口。只要符合這個接口，安裝相應的驅動程序，就能將任意一個模塊接入到整個集成系統中。同時，這也使得用戶有了更多的選擇，維護成本也更加低廉。例如，空調暖風系統、燈具系統，這些智能產品都可以集成到企業的服務器主機上，實現系統控制。另一方面是個性化通訊協議，采用適合企業自身的通訊協議，創建一個封閉的系統。個性化協議有著較強的針對性，機電設備設計、制造乃至應用企業都可以更加專注于優化產品的性能，而不必考慮兼容性、協議升級等問題等。另外，如果機電設備的制造商想要獲得更高的競爭力，那么這樣的封閉系統可以保證產品的獨特性，其他廠商難以復制相同的技術，從而獲得更高的利潤。

4 計算機技術對機電一體化產品設計與生產的作用

4.1 計算機輔助技術的應用

隨著IT的發展，計算機輔助技術被越來越多的應用于機電設備，在機電一體化中的發展已較為綜合、全面。計算機輔助技術包括計算機輔助設計（CAD）、輔助制造技術（CAM）以及輔助工藝設計（CAPP）等應用，在生產過程中主要作為機電設備運行的輔助技術而存在：（1）CAD技術即在工程和產品的設計階段，設計人員利用計算機進行計算、比較與分析，繪圖、模型制作，信息管理與儲存等工作。（2）CAM指利用計算機通過各種信息、數值來控制生產、加工機床和設備，實現全自動的制造過程；作為CAD的制造技術支撐的CAM，能夠保證在機電一體化的設計與制造過程中的自動化和信息化水平，顯著提升企業產品質量，提升生產效率，降低管理成本。（3）CAPP是機電一體化設計環節的重要組成部分。在設計過程中，工藝設計主要是關于制造過程的工藝、技術等進行管理、優化以及合理配置；CAPP就是完成產品設計信息向制造信息傳遞的過程，通過計算機系統對生產規劃以及實際的生產情況進行工藝分析，合理地配置原材料、生產設備、工藝順序等生產工藝方面的因素，在達到技術指標的前提下，實現工藝效益的最大化。

4.2 計算機集成系統的開發與設計

在計算機集成系統的開發與設計中，計算機集成制造系統（CIMS）是計算機技術與機電一體化技術整合的主要應用；CIMS即綜合利用多種計算機輔助技術的優勢，將輔助設計、輔助制造以及輔助工藝設計技術有機地結合起來，形成適用于多品種、大規模或小批量產品生產的智能化制造系統，保證了一體化設計的技術含量。柔性制造系統是當前集成系統發展的一大趨勢，這一模式對促進集成制造系統的靈活性和智能化程度的提升起著重要作用，其主要原因在于柔性制造系統就是利用信息化分析處理技術，來處理各種設備生產過程中的實際信息與數據，掌握生產過程中的各項柔性因素，提升柔性系數，實現初步的智能化生產。在機電一體化應用領域，技術人員常常將集成系統與柔性制造系統相結合，形成柔性集成制造系統，以此來發展自動化生產設備的控制技術，完成計算機輔助一體化生產系統的開發、研究與應用，實現從產品設計、制造到成型全過程的信息化，充分發揮計算機技術對機電一體化技術的優勢。

5 結束語

在供給側結構性改革的新時期背景下，如果提升產品質量是我國實體制造業的主要研究問題之一。機電一體化技術的革新與發展便是解決這個問題的最好途徑。因此，要做好計算機技術與機電一體化技術的整合研究，開發生產更高效、更高質量的機電產品，從而提升“中國制造”的形象地位。