機電一體化技術在機械設計制造中的應用研究

王寶玉

（通號工程局集團天津裝備技術有限公司，天津 300380）

制造業的飛速發展使得對產品質量與生產效率的要求也在逐漸提高，對所應用的制造技術進行持續更新與靈活應用，應作為制造業發展的首要工作。但由于傳統制造業的發展模式表現出了污染大與材料利用率過于低下等特點，使得最終所生產出的產品逐漸無法滿足實際的市場需求。而機電一體化技術的出現突破了以往的傳統制造業在生產效率、人力資源以及質量控制方面的諸多限制，并逐漸成為了機械設計制造環節不可或缺的重要技術類型。

1 國內外機電一體化發展現狀

國外工業化發達國家，其數控機床占總機床數比例的30%~40%，且在未來的10 年內會有25%~30%的增長。從整體發展情況來看，我國的機電一體化已經逐漸完成了單機至整個機械設計制造行業的集成化過渡任務。經由多年發展，我國在機電一體化技術的發展方面，相較國外已經“不落下風”，普通級數控機床的加工精度由10 mm提高到了5 mm，精密級的加工中心甚至已經開始承接1~1.5 mm 精度的機械設計制造任務，并明確了納米級的超精密加工發展方向。

2 機電一體化技術應用優勢

2.1 產品小型化

作為當下機械設計制造流程的優化方向，產品小型化由于其占地面積更小使得其未來規模化使用成為可能，是充分反映不同生產階段制造技術水平的突出表現。在融合應用機電一體化技術后，從機械設備應用的角度來看，控制系統與人為干預等部分功能的加入獲得了足夠的空間條件，體積小、重量輕的機械產品特征，為其充分發揮應用優勢奠定了基礎[1]。伴隨電子技術的更新與進步，電路芯片制造取得了極大突破，超高規模的制造方案為全面施行機械產品小型化方案提供了完備條件。如此一來，對應的機械設備結構獲得了進一步優化的機會，無論是其自身重量還是體積，均達到了有效控制目的，進而預留出大量機械協同工作空間，是促進大規模生產制造的重要基礎。

2.2 生產力增強

操作人員的自身水平決定了傳統機械設備的應用效率與實際工作能力，對人力操作依賴較大且過程中所耗費的操作時間過多。而若將機電一體化技術融入機械設備，則將表現出其超高的自動化程度，并根據預先設定程序執行對應操作任務，原本的人力操作環節代替為計算機控制，能夠根據材料特性與環境變化情況作出迅速反應[2]。不僅將整體生產效率加快，同樣保證了性能指標與生產環境和制造標準之間的匹配度，消除了以往由于人為操作所帶來的產品差異隱患，是提升整體生產力的關鍵因素。

3 機械設計制造環節中機電一體化技術的實際應用

3.1 信號控制

傳統信號控制技術無法滿足當下對于信號傳遞的實際要求，是機械設計制造過程中會經常發現的問題，諸多機械功能所帶來的新需求與現行的信號控制方案并不匹配。因此，建議將機電一體化總線技術融入設計環節，將多個元器件通信干路進行連接，以實現不同機械設備的同步管理，繼而將設備整體運行效率與能力予以提升[3]。總線技術同樣可以應用在不同環節的協同參與過程中，為機械設備生產效率的提升與產品質量提供保障條件。再加上總線技術的應用打通了不同設備部位之間的信息傳輸渠道，在將整體運行能力增強的同時，也同樣保證了設備維護保養環節問題解決的及時性。

3.2 數控技術

數控技術在現代化工業制造體系中具有重要的現實應用價值，例如常見的數控機床、數控火焰切機床等，這些設備在逐步更新的數控技術的應用條件下，能夠根據實際需要做出軸頭旋轉、自動換刀等動作，是提升工業制造效率的關鍵因素[4]。而在融入機電一體化技術后，將徹底消除原本數控技術的應用缺陷，無論是在編程還是在實際操作過程中，均獲得了漏洞修復條件，并為操作人員提供了更多的有效操控條件。自動化的運行環境，使得設備在運行、保養過程中為產品各個生產環節的服務質量提升奠定了基礎，將產品的整體制造難度進一步提升，為計算機輔助技術的后續更新與發展提供了完備條件，實現了基于機電一體化技術的系統未來發展目標。

我國機床擁有量始終占據世界前列，但智能數控機床的保有量卻僅僅只有8%左右，現如今各大中小型工廠仍以普通數控機床為主。而伴隨近些年來機電一體化技術的更新與發展，在聯系實際加工需求后，其在以下幾個技術領域均體現出了極大的進步。

第一是高速化。高速加工技術的應用與普及，使得數控機床的加工速度相較以往有了明顯提升。首先是車床的主軸轉速，由原本的每分鐘3 000~4 000 轉提升到了每分鐘8 000~10 000 轉左右，銑床、加工中心等數控機床的主軸轉速甚至達到了40 000 轉，且移動速度也有不同程度的明顯提升，大大減少了加工時間。速度的提升促使運動部件啟動加速度也將同時提升，最高達到了15 g。與此同時，大量的直線電機開始在數控機床中大批量使用，當下主軸所使用的多數為具有內裝式特點的主軸電機。第二是高精度化。傳統數控機床的加工精度僅僅只有0.01~0.02 mm 左右，經由多年發展已經提升到了0.008 mm 左右，部分亞微米級機床達到了0.000 5 mm，并在此基礎上發展出了納米級機床，并配備有整合計算機技術與機電一體化技術的控制單元與專業系統。此外，數控過程中若有兩軸以上插補技術的應用需求，納米級插補促使聯動圓弧能夠達到1 U，并在多程序預讀這一功能的配合下將插補質量予以提升，且在自動拐角處理方面凸顯出了極佳的技術應用優勢。

3.3 產品制造精度

機械類的產品不僅需要滿足其在功能方面的應用要求，同時也應確保其制造精度符合預期設計標準。當下的工程機械不僅種類繁多，且自身結構過于復雜，不同零部件之間的配合對精度的要求極大，若依舊沿用傳統制造方案必然會影響到實際的制造精度，并會使所生產出的產品遭受極大的負面影響[5]。而在融入機電一體化技術后，各類參考數據均將獲得有效控制，消除精度控制隱患。以原材料重量稱量環節、材料加工進尺等環節為例，在電子控制與機械運行的巧妙配合下，無論是從加工制造還是部件裝配角度，均提供了科學有效的精度控制條件，實現了零部件生產狀態實時把控的關鍵目標。

3.4 設備運行監控

基于機電一體化技術，能夠建立起針對設備運行過程的狀態監控體系，若將其應用于機械設計與測試階段的初期，將達到不同零部件運行狀況確認的目的。例如，部分廠家將設備狀態監控應用于關鍵技術的保密環節，由于監控效果獲得強化繼而避免降低了關鍵技術泄密的發生風險。近些年來，隨著社會的進步與發展，設備運行狀態監控相關技術的應用普及率也逐漸提升，為保證設備應用效果與使用安全性能提供了完備條件。但需要注意的是，設備運行環節極有可能由于遭遇到復雜工況繼而導致出現突發事件，部分設備若預先并沒有設定防備方案，將導致出現較大故障甚至只得做報廢處理[6]。而在融入機電一體化技術后，機械設備的關鍵部位可增加大量傳感器，并為其配備一系列的控制措施，從而實現緊急情況下機械設備的自動報警與根據環境變化情況自主停機的目標。且能夠在短時間內自動定位故障位置，判斷故障類型并賦予機械設備簡單的故障自動修復能力。

3.5 生產線

3.5.1 仿真應用

機電一體化技術由于其自身特殊性，如將其融入到建模過程中，即可實現針對整個生產過程的智能管控目標，且具有一定的仿真延伸參考價值，此外，即使是在后期工作與管理環節，機電一體化技術的應用同樣能夠在綜合調控、管理以及實際操縱等諸多過程中，起到順序整合作用。從生產角度來看，機電一體化技術的最大應用優勢就是計算工作工期與能耗等數據，模擬計算后聯合使用信息技術，針對計算結果予以深度優化，最終獲取到匹配工作展開特征的生產模式。此外，機電一體化技術的應用也為制造業、方針技術之間做深度結合提供了完備條件。如此一來，原有的生產工作獲得了拓展的基本條件，且呈現出了仿真化與可視化的工作效果，促使每個處于生產線的操作人員，均加深了對于機械設計制造環節的認識，為實現生產效率與生產質量的雙提升目標奠定了基礎。

3.5.2 機械應用

在機電一體化技術的應用背景下，光電技術融入到其他機械設計制造環節更為方便，并在結合具有多元化應用特征的制造技術后，促使整個生產流程得到了進一步的優化與完善，維持了機械設計制造工作順利推進的穩定狀態。以食品加工生產線為例，若能夠在過程中科學融入機電一體化技術，整個操作流程與生產流程將呈現出可視化特征，以此作為將企業流程化競爭優勢予以提升的關鍵條件，加速企業發展，并在可視化、產業化的生產狀態下，促使企業獲得更多的市場份額，獨特的競爭優勢為企業的未來發展奠定基礎。此外，在使用機電一體化技術的過程中，需要強調其與各類先進技術配合使用的重要意義，例如自動化、智能化等技術的科學結合，讓整個生產流程不斷朝向自動化的發展方向前進。這一過程中機電一體化技術的有效應用，同樣是積累機械設計制造經驗的關鍵環節，起到了豐富制造流程，提供優化條件的作用，為達到機械應用效果與質量進一步提升的目標奠定了堅實基礎。

4 機電一體化技術融入機械設計制造環節的未來融合發展方向

4.1 智能化

作為計算機技術發展環節的新學科，人工智能儼然已經成為智能制造未來的主要發展方向。如此一來，機械設計制造的全過程將表現出智能化的發展特征，進而模擬出與實際機械操作相關的操作者行為邏輯，并逐漸形成信息自助獲取與決策判斷的能力。智能化的機械制造發展方向，是我國機械設計制造行業獲得可持續性發展的重要基礎。

4.2 網絡化

當前我國正處于信息技術爆炸與行業快速發展的重要階段，5G 技術的低延時與配套技術的不斷完善，使得萬物互聯、生活優化發展目標的實現成為可能。機械設計制造行業在當下已經明顯表現出了對網絡化發展技術的迫切需要，例如“無人工廠”“黑燈工廠”的出現，大大提升了設備的自動運行效率，且不同設備之間實現了遠程實時通信目標。不僅如此，由于部分設備有著故障遠程檢修、功能實時監測以及遠程功能控制等實際需求，因此對于機械設備來說，需要具備對應的網絡能力，以達到充分發揮機電一體化技術應用優勢的最終目的。

4.3 模塊化

作為綜合了多種功能的基礎設備類型，機械設備的設計制造往往會根據其功能需求做集成化訂制，此環節在將機械設備設計制造難度提高的同時，也將會帶來諸多與機械設備相關的應用成本。若將模塊化思維融入其中，機械設備將獲得按需組合應用的基本條件，繼而將設計開發成本予以降低，并為后續機械設備的使用、檢修以及模塊更換奠定基礎，并根據其對功能需求予以調整轉產，省去了新開模、圖紙設計等諸多流程。針對不同產品自身的性能差異，可依照對功能的不同需要混合廠家的不同品牌，繼而形成具有綜合性能的完善整體，滿足對機械設備的功能所需。但需要注意的是，對于機械設備來說其模塊化的方向確定與相應功能組合目標的實現，需要得到來自國家與行業的政策、標準的條件支持，為解決不同廠家對產品進行設計制造的接口、功能適配等問題提供完備條件。

4.4 綠色化

機電一體化技術的應用促使機械設備將其功能優勢進一步發揮，但其并不代表已經完成了綠色化的發展目標。在未來，基于機電一體化技術所制造的各類機械設備，將凸顯其應用層面強大性能與智能化的應用優勢，在實現材料節約目標的同時也為能源耗費量的縮減提供了必需條件。機械設備的設計制造環節，應加大新材料與新技術的應用比例，以具有環保與可回收特征的材料為設計制造的基礎，避免在設計制造過程中對環境造成較大破壞，減少材料浪費以凸顯資源的利用與環境修復優勢。例如大規模應用復合材料、3D打印技術的諸多機械設備，均是當下機電一體化技術在機械設備中的綠色化發展方向的探索表現。

4.5 微型化

微型化所指的是基于機電一體化技術的微型機械設備與朝著微觀領域探索的機械設備發展趨勢，其中的典型代表就是現今已經發展較為成熟且在各個行業有著廣泛應用的微電子機械系統。該系統通常體積不超過1 cm3，且伴隨時間的推移各類機械設備產品明確了其微米、納米級的發展方向。體積小、耗能少以及運轉靈活是微機電一體化機械設備產品的主要應用優勢，也正是由于這一特點使得其無論是在信息、軍事，還是在生物醫療領域均凸顯出了無可替代的重要優勢。對于微機電一體化的發展方向來說，限制其發展的重點在于微機械技術，其也是未來行業需要重點研究的機械設備發展領域。精細加工技術是當下微機電一體化產品在加工環節所應用的主要技術類型，也就是超精密技術，目前在諸多領域均有著突出的應用優勢，常見的包括蝕刻技術、光刻技術等。

4.6 系統化

基于機電一體化技術的系統化機械設備應用本質，就是綜合了開放式與模塊式的總線結構，繼而使得系統能夠獲得靈活組態的基本條件，并對系統做隨意的結構剪裁與功能組合，為探尋到具有多子系統協調控制的基本方向、制定綜合管理方案提供了完備條件。通信功能的增強也是系統化機械設備發展方向所表現出的又一特點，強調產品與人之間關系的重要意義。機電一體化產品的使用者為人，因此探尋出對機電一體化機械設備賦予獨屬于人的情感、人性以及智能道路，是當下努力的具體方向，其中最為亮眼的技術應用表現就是家用機器人，從這一層面來看人機一體化是系統化技術發展的最終特征。而另一方面則是對生物機理的模仿，基于這一目標可研制出多種類型與包含多種功能的機電一體化產品，為減少人力與物力資源的耗費、加速生產進程奠定堅實基礎。

5 結束語

綜上所述，機電一體化技術的出現，為機械設備發揮其功能優勢奠定了基礎。相信在未來，隨著機電一體化技術應用流程與方案的不斷更新，其必然能夠在材料應用、資源節約以及環境保護等領域，發揮出更大的應用價值，繼而實現我國機械設計制造行業的可持續性綠色化發展目標。