機電一體化技術在機械工程領域的應用

厲廣彬

(江蘇省沛縣中等專業學校，江蘇 沛縣 221600)

0 引言

機電一體化又稱機械電子工程，是機械技術與電子信息技術的有機結合，主要包括機械技術、電工電子技術、微電子技術、信息技術、傳感器技術、接口技術、信號變換技術等[1]，在目前機械生產、醫療保健、航空航天、軍事領域等方面得到了廣泛應用，還用于柔性制造系統、計算機集成制造系統、工廠自動化、辦公自動化、家庭自動化等方面[2]。

機電一體化技術在機械工程領域應用廣泛，如數控機床、加工中心、工業機器人等。機電一體化技術在機械工程領域的應用可以簡化機械生產流程，減少驅動部件，減少機械磨損與生產誤差，提高工作精度[3]；另一方面，機電一體化技術在實際生產應用中具有實時監控、自動報警、診斷分析及安全聯鎖等功能。極大地提高了機械生產的安全性與可靠性，提高機械工程生產領域的生產效率與工作質量[4]。

1 機電一體化技術概述及設計要點

1.1 基本概念

機電一體化技術屬于一種優化機電產品設計過程的方法，包括電學、機械學、計算機科學及信息技術，是指將信息系統添加到物理系統中，基本設計思路即應用新的控制技術與方法獲得更高的機械性能。機電一體化技術不是一個單純的機械電子系統，而是一個復雜的控制系統，主要包括機械、電氣技術及計算機信息技術組成。

1.2 設計要點

機電一體化產品的建模與仿真主要是基于工作需求與原理進行基本結構優化，將各個模塊連接在一起形成一個復雜的結構模型；隨后按照基本建模技術進行產品開發與應用部署。機電一體化設計方案不僅要符合生產高質量的機械產品需求，還要定期進行產品維護，其設計過程主要考慮可交付性、可靠性、可維修性、可服務性、可升級性、可回收性六個重要因素。

在進行機械產品設計時，不需詳細描述產品生命周期的各項要素，只是指出設計方法，從機械產品設計開始，直到設計并制造出該產品。因此，在機電一體化產品設計中，從概念設計直至產品報廢都要考慮上述因素，機電一體化產品設計過程主要包括建模和仿真、樣機原型設計及樣品部署三個階段(圖2)。

圖1 機電一體化技術基本組成要素示意圖

圖2 機電一體化產品的設計過程示意圖

1.3 機電一體化關鍵技術

1.3.1 信息系統

信息系統主要包括通信技術、信號處理、控制系統及控制方法，實現信號控制與分析，是機電一體化技術的核心組成部分。

1.3.2 機械系統

機械系統主要包括機身、框架、聯接等，機械系統的設計直接影響產品的技術性能與功能發揮，主要涉及內容包括機械結構、材料選擇、工藝要求及幾何尺寸等，應該滿足高效率、高可靠性、多功能、輕量等要求。

1.3.3 控制單元

控制系統主要是將各個功能的傳感器的檢測信息和外部輸入信息進行集中、儲存、分析與加工，根據信息處理結果給出相應的指令，控制整個系統有序運行。主要包括計算機、可編程控制器、數控裝置及邏輯電路等組成。控制單元直接影響信息處理速度。

2 應用

2.1 現代計算機集成技術

計算機集成系統代表了目前機械工程發展領域最先進水平，也是未來工業生產的主要發展方向，在航空航天、冶金、化工及紡織等各個領域得到了廣泛的應用與發展，最終目標是實現無人化機械生產與制造。

2.2 數控技術

數控技術是機械生產制造的基礎技術之一，目前，數控技術正在向高精度、高速化、智能化、高可靠性及高安全性方向發展，為了滿足數控技術的發展需求，應不斷提升數控機械的工作效率及切削精度。隨著機電一體化技術的不斷發展，在數控機床中逐漸取消了傳統的傳動機構，開始使用電子信息控制技術，隨著技術的不斷發展，數控加工技術精度已經達到納米級(1～1.5 μm)，極大地提高了機械產品的生產性能。

2.3 工業機器人

隨著勞動力逐漸短缺，人工成本逐漸增加，見機電一體化技術的不斷發展及工業機器人的逐漸應用，部分企業已經相繼斥巨資引進先進的工業機器人生產線，采用先進的控制技術、編程技術，相關配套產品不斷發展，目前，在部分行業工業機器人完全可以替代傳統的人工生產。我國機械研發生產線已經有30%依靠工業機器人完成，隨著各種功能機器人的生產，將逐漸緩解我國勞動力短缺的局面。

3 發展趨勢

機電一體化技術是一種跨學科且綜合性較強的技術領域，機電一體化的發展同時促進電子技術、機械工程、光電學、控制技術及計算機信息技術的發展。未來，機電一體化技術也逐漸向微型化、網絡化、高性能化及智能化方向發展。

3.1 微型化

微型化泛指幾何尺寸不超過1 cm3的機電一體化產品，具有體積小、耗能少、運動靈活等應用優勢。隨著機電一體化技術與微電子技術逐漸結合與發展，可以保證機電一體化控制器體積更小，控制范圍更加廣泛，可以進入小型控件實現高精度的控制，如半導體技術可以實現機電一體化技術在醫療行業、生物技術、軍事控制、航空航天等方面的廣泛應用。

3.2 網絡化

隨著計算機網絡技術的逐漸發展，網絡技術為工業領域、軍事領域、教育行業及人們的日常生活都帶來了巨大的改變，隨著網絡技術的發展，遠程控制技術也逐漸應用于各項控制技術中，因此，機電一體化產品未來也逐漸向網絡化方向發展。

3.3 高性能化

提高機電一體化技術的性能可以極大地提高信息控制效率，進一步優化操作指令，提高整體應用效率與響應速度。

3.4 智能化

智能化技術融合了人工智能技術、模糊控制技術、混沌力學及心理學等技術，保證提高機電一體化技術在實際應用中具有一定的判斷力、邏輯思考能力、信息處理能力及決策能力等，可以逐漸代替人力進行復雜的思考與運算，是機電一體化技術發展的重要方向。

3.5 模塊化

模塊化生產是一項復雜的系統工程，由于機電一體化產品類型及生產企業較多，各種產品型號較為復雜，因此，為了提高機電一體化相關產品的研發速度與通用性，擴大機電一體化產品的生產規模，應該制定相關的生產標準，如電氣接口、機械接口等，促進機電一體化產品的標準化、科學化及規模化發展，這些產品可以在設計過程中替代各種子系統模塊實現重構。開發一款高效的計算機輔助原型開發環境十分重要，其主要特征包括以下幾方面。

1)建立模型。利用框圖或可視化界面創造一些物理或者抽象模型，這些模型具有簡單、直觀和易于理解等特點，對于復雜性的機械產品子系統非常有用。

2)仿真。求解模型的數學方法主要包括微分方程、離散化方程和混合方程等，因此，仿真必須要有一個執行實際操作的鎖存器，便于機械產品仿真更快地執行。

3)項目管理。維護項目信息和子系統模型的數據庫。

4)實時接口。用一種插入式的實際硬件卡替代部分模型，使用驅動器和傳感器與之交互，一般稱為“硬件半實物仿真”或者“快速模型”。

5)編碼生成器。從框圖或者可視化建模界面生成有效的高級源代碼，并用于嵌入式處理器，通常使用C語言。

6)設計。基于模型參數和信號對性能函數進行約束優化的數學方法，如蒙特卡羅計算方法。

7)分析。關于頻域、時域和復數域的設計。

3.6 綠色化

工業化的迅速發展可以提高工業生產效率，方便人們的日常生活，但是工業的快速發展也帶來了一定的生態環境污染與資源浪費，隨著綠色生產技術的逐漸發展，要求機電一體化技術在使用過程中不能產生環境污染，相關產品報廢后還可以進行二次回收利用。

4 結論

目前，工業生產及現代化機械設備都離不開機電一體化技術的支撐。隨著機電一體化技術在機械工程中的逐漸應用與發展，促進了機械產品的更新換代，促進機械產品的設計更加人性化、功能增強、應用廣泛，極大地提高了機械生產的安全性與可靠性。機電一體化技術在機械工程領域的應用現狀及未來的方向發展是非常有必要的。