機電一體化技術在機械領域的應用

李紹煬

（遼寧省大連市博鋒智能科技（大連）有限公司，遼寧 大連 116601）

引言

機電一體化技術是在微電子技術和信息技術一定程度發展的基礎上，逐漸進入機械制造工業并與機械電子技術相融合，綜合了機械本體、傳感測試技術、控制單元、動力與驅動、信息通信技術、軟件與硬件等，并應用到實際生產發展中去的綜合技術。機電一體化從20 世紀60 年代發展到現在，是有規律、有體系的學科。近年來，機械、電力電子、自動控制、信息通信等技術發展迅速且應用廣泛，以此為契機機電一體化技術也在不斷地改進。21 世紀的機電一體化技術，與機械、電子、信息通訊等技術密不可分，該技術的應用使工廠和機器有了“智能”，也會在未來的實踐發展過程里產生越來越大的影響。

1 機電一體化技術的核心要素

機電一體化系統由結構、動力、運動、感知和職能五個要素構成，缺一不可。在它們之間，又有四個原則相互結合和制約，在工作時才能按照一定次序高效率地完成一系列的指示或操作。除了上述五個核心要素以外，筆者認為軟件技術對于機電一體化技術也比較重要。在軟件技術的支持下，機電一體化系統能夠更加高效和精確地完成運動。在外部輸出的一系列數據指引著各部件操作，使系統有目的地進行運作[1-2]。而軟件技術的優化也關系到信息處理的速度和穩定性，所以，軟件技術對機電一體化系統也有重要意義。

1.1 機械本體

機械本體是系統的實體本體，即系統實現各功能所需要的物理機械實體結構，通常含有框架，支架，聯結的轉軸等。如果把整個機電一體化系統看做是一個人的話，機械本體好比人體的骨骼部分。這個部分構成了系統本身，有框架、有關節、有支撐。當需要生產或加工時，信息處理即職能部分的處理結果就以實體化的形式最終反映在機械本體的運動上。所以，機械本體的質量同樣關系到被加工部件的質量，效率等。為了提高系統執行的效率，響應速度，精度和穩定性等，機械本體的材料性能應滿足輕便，不易發生形變，節能美觀等要求。以此來改善其綜合性能和減少能耗。

1.2 傳感測試

通過各種測試部件和傳感器的檢測，獲取所需要的系統內部和外部的各種數據。然后把這些數據加工翻譯成信息處理部分可以識別的信息，再傳輸給信息處理部分。傳感測試部分就像人體的眼睛、鼻子、耳朵、皮膚，它們分別使人類具有了視覺、嗅覺、聽覺和觸覺，把人們所看到的、聞到的、聽到的、摸到的反饋給大腦。傳感測試部分所提供的數據也直接關系到整個系統的運行，只有提供準確可靠的數據，系統的執行結果才會如預設的可靠。對于傳感測試而言，應該利用現有的技術進一步提升其精度。比如，鏡頭的更高光感度，更靈敏的方向感知等。

1.3 控制及信息單元

控制及信息單元部分可以把來自各種測試部件、傳感器收集的數據和來自機器外部的指令信息進行存儲和分析。對這些信息分析加工并產生結果，最后再按這些分析的結果發出行動指令，從而使系統有序地運轉。如果沒有控制及信息處理，那整個系統就如同一堆生硬的機械，和傳統機械沒有太大區別。正因為有該部分對內部和外部的各種數據進行計算分析，再把結果轉換成指令分配給各部分才使傳統機械化向自動化和智能化方靠攏。當人體的大腦接收到一些信息后，根據信息進行思考，最后得出結論，再把這個結論轉化控制人們的行為。

該部分所做出的處理和判斷也會影響到整個系統，其運行速率，在傳輸過程中是否會受到干擾等。因此，要提高數據處理的速度，統一接口和數據格式，增強抗干擾能力等，做到高速、標準、可靠。

1.4 動力與驅動

這一部分是系統的動力源，根據系統的需求，滿足整個系統可以維持正常運轉所需要的動力和能耗供給。就如人體的心臟，給系統提供了所需要的動力。驅動就是在上級指示的命令下，使各部分完成指示的運作。考慮到是否綠色環保，應該盡量使用較小的能量完成比較大的輸出，使能量利用效率更高[3]。

1.5 執行機構

在職能組成要素中處理的輸出結果發出相應指示，執行機構則依據該指示來完成指定的內容。這個部分如人體的手腳等身體部位，在接收到大腦做出的指示后，通過靈活的配合來完成指示的動作。執行機構在選材上，應該考慮不易發生形變，質量較小的。而在和部件的聯結軸處，也應該使用阻尼合適的。以此來進一步提高整體穩定性。

2 機電一體化技術在機械領域的應用

機電一體化技術問世以來，跟隨著機械、電子、信息通信、計算機等技術的崛起而得到了不斷地改進與優化。從最初為戰爭而誕生，服務于軍事，逐漸轉變向民用化發展。在民用化后，從最開始的工業生產應用、變形、改進、推廣到更廣的適用范圍，經過幾次重大的變化發展后，機電一體化技術已經廣泛地應用于各行各業。其中最具有代表性的當屬數控機床的應用，它的出現解決了傳統機床難以加工復雜程度較高的工件，并且在精度和效率方面有較大的提升。工業機器人的出現和使用同樣是機電一體化技術的典型代表，跟隨著科技的進步，工業機器人前后經歷了三次大變化，同樣為工業的生產發展間接創造了經濟價值。除此以外，還有計算機集成制造系統和柔性制造的發展。在現代社會中，更是充滿了機電一體化技術的產品，除了數控機床，工業機器人等工業方面的應用，在生活中也很常見。家用抽油煙機，汽車的動力與制動系統，復印機和打印機等，都有機電一體化技術的身影。

2.1 數控機床

數控機床是機電一體化技術的典型代表產品之一。在機械制造工業里，小批量和單件加工占比比較大。在大型機械設備中的一些零部件，航空事業，國防事業用品，小型設備如復印機、光刻機等需要用到的一些零件。要求具有很高的精度，形狀復雜，加工難度較大，普通技術已經不能滿足這樣的需求。數控機床的出現給這些問題的解決帶來了希望，它能夠做到高精度，高效率的加工零件。而且具有很高的靈活性，可以加工結構復雜的精密零件。

數控機床根據預先設計的圖紙和數據，可這些數據編寫成程序輸入到機床，用數字化信號來控制機床各部件的運動和加工過程。數控機床由控制介質、數控裝置、伺服裝置、輔助控制裝置、檢測裝置和機床本體組成。

控制介質是把需要加工的零件數據傳輸到數控裝置的載體，如磁盤、U 盤等。

數控裝置包含控制運算和顯示等，是數控機床的核心部件之一。伺服機構是數控機床的運動組成和動力組成要素，有執行部件和驅動裝置。輔助控制裝置主要是PLC，具有靈活，快速響應，修改程序的特點和功能。檢測裝置可以把機床各個軸的位移量和運動參數檢測，并反饋給數控裝置。機床本體是機床的主體，即機械本體，可以完成對工件的各種加工操作，還包括床身，支撐部分等。

2.2 工業機器人

工業機器人是應用在工業生產中，使機械設備自動完成預定的操作，或實現預定目標，在整個過程中沒有人工的輔助。工業機器人的出現和使用，使生產效率和質量有了很大提高，節省了人工成本。通過這些手段實現間接地創造了經濟價值。

第一階段的工業機器人比較簡單，只是簡單地實現某一個預設的動作。它不具有對外界信息做出一定反饋的能力，只是根據預設的指令機械地重復完成某一個動作。雖然是第一代機器人，但使生產效率得到提高和生產質量得到提升，還有良好的穩定性，節省人工成本等特點，因此得到了認同，在社會生產發展中應用廣泛。

第二階段的機器人相比較第一階段而言，有了較大變化。從死板的發生變化到有知覺的，研究人員賦予了這一代機器人“知覺”。它們能夠對外界信息有一定的反饋，比如，對外部環境的檢測，并作出反應。這一代機器人目前也已經在工業生產中使用。

第三階段的機器人則更為先進，它具有一定的思考學習能力，人類賦予了這一代機器人“智慧”。它可以通過獲取到的各種數據加以分析，作出決策。

3 結語

機電一體化技術由各種技術和學科相結合，為人類的生產發展帶來了極大的便利。尤其在機械制造生產領域，改變了傳統的制造生產方式，極大地提高了制造生產的效率和精度。它的出現，是社會發展和各學科技術發展結合的必然產物。在未來的發展中，機電一體化技術會更加智能化，系統化，也會更便捷。隨之而來的將是更強大的功能和更高的效率，為社會的生產發展帶來更多效益，也將帶來生產制造的變革。