浅谈机电一体化的相关技术及设计方法

杨洪朋 东北大学机械工程与自动化学院

浅谈机电一体化的相关技术及设计方法

杨洪朋 东北大学机械工程与自动化学院

机械技术是一门相对较古老的学科，人类对自然规律的认知，在各个时期不断地赋予机械不同内涵。机械设备以及产品发展到今天，仅仅从机械角度对其进行改动升级不太现实。伴随科学技术的发展，一个年轻的学科——电子技术飞速发展，从独立简单的电子元件到集成电路，以及后期的超大规模的集成电路，尤其是出现微型计算机，使电子信息技术与其他学科渗透结合。自此，古老的机械青春焕发，机电一体化技术也因此应运而生。为此，对当下常见一体化产品进行了调查分析，以此为基础，简述了机电一体化的相关技术和设计方法。

机电一体化 相关技术 设计方法

1 前言

二十世纪后期以来，我国制造业在众方面都取得了长足发展，成就斐然。然而，机电一体化技术依然没有国外成熟。当前，我国的经济发展急速转型，国内外大环境为我国机电一体化行业带来巨大机遇。相关企业应该积极的不断创新完成转型，为我国经济发展做出积极的贡献。本文参考大量文献后，分析了机电一体化当前的相关技术和设计方法。

2 机电一体化的相关技术

目前业界普遍认为，机电一体化是由四大基础学科组成的新学科，即包含了机械、控制、电子和计算机这几门科学。机电一体化技术既有硬件方面的技术，又含软件技术。硬件通常由传感器、机械设备本身组成，处理信息和分析数据的窗口单元同样不可或缺。模块标准化和模块功能不同化共同组成了软件系统。因此机电一体化相关的技术种类繁多，不仅仅有传统的工业技术，还包含近年发展飞速的信息行业技术，甚至涉及系统整体及接口技术。

2.1 机械技术

机械技术的范畴很广，包含许多方面，典型的机构设计和制造就属于这一门类。在这方面，要做到传统的机械技术和现代设计方法有机结合，大力推进精密加工技术的发展，在设计方法中探寻结构优化、动态、虚拟等方式的相互补充和交叉渗透；通过对新型复合材料的研发，实现机械结构轻量化，改良以往响应缓慢的情况；关于关键零部件的精度和可靠性要求，轨道、滚轴丝杠、齿轮和轴承的高精度研究尤为重要。总之，为了适应机电一体化的发展需要，要充分利用一切先进的制造、设计技术，使机械结构拥有小体积、轻重量、高精度，以及价格低廉、安全、方便、可靠等特点。

2.2 传感技术

传感技术以传感器技术为核心。传感器以一定的精度将被测信号转换为模拟信号，进而转换成等价关系的电信号，完整的传感器通常包括敏感元件、转换元件和转换电路这几部分。传感器的种类很多，分类方式同样很多。按照其工作原理的不同，改变电阻实现对测量信号输出反馈的传感器为电阻式传感器，同理，运用电感、磁电、压电、光电、热电和气电等原理的传感器均有其对应的传感器类型，除此之外，对位置、压力、温度、声音、亮度等信息进行测量所用传感器则是按用途分类的。

目前，传感器的发展方向一方面是提高灵敏度、提高精度和可靠性设计，另一方面是实现集成化、微型化和智能化。集成化就是指把信息的处理单元和传感器集成于一体，使传感器和信息处理能够同地进行；智能化是让传感器可以自我判断错误和漏洞并可自我修复。微型化则是使传感器在不影响功能的前提下做得足够小，使之不对被测物的质量刚度等条件产生干扰影响，这也将有利于微系统的高度集成。

2.3 信息处理技术

工控机和单片机以及可编程控制器等属于电子计算机的一类，信息处理技术就是利用这一类电子计算机和它连带的外部设备完成对信息的输入输出、运算转换以及存储的技术。

通过不断地提高集成度，电子计算机连带其外部设备的运算速度大大提高，这样一来嵌入机械本体则更为方便；通过自我诊断修复及容错来提高其可靠性；对人工智能的使用可加速其智能化的进程。通过这些措施，可以使计算机的适应性更强，应对复杂环境的工作更加可靠。目前，用于机电一体化行业的电子计算机可以数万小时无故障地工作。

3 机电一体化的设计方法

机电一体化有机地结合了机械、信息、电子等多种先进技术。为了实现其功能的全面，机电液的有机配合，将使系统的整体方案有别于传统机电产品，此举必将使其优越性充分发挥。

3.1 模块化设计方法

在机械产品研发设计时，不仅要考虑如何使设计研制周期缩短，还要从经济的角度尽量节约成本经费，更不能忽略生产管理的便利性和使用维护的易操作性，因此，机电一体化产品或设备经过长期发展，逐步形成了一个新的体系和方法，即把不同功能的若干要素单独做成一个模块，对于不同功能不同型号的模块逐步标准化。现实的例子中，电动机和传感器等都是功能模块取得成功活生生的例子。

3.2 柔性化设计方法

一体化技术中实现特定功能的某一个功能模块中，如果它的控制器可以编程，那么该模块可称之为柔性模块。比如，凸轮机构若想完成不同的运动情况，则可以仅仅变化程序，用计算机来控制驱动的伺服电动机，这样就不用对凸轮的外部形状进行改动了，可见，此法要省时省力的多。

3.3 取代设计方法

取代设计方法则是运用了机电互补的思想。该法是用专用的电子器件来取代以往传统的机械结构，这样不仅简化了结构，还获得了更好的特性，即可应用于改造传统的旧产品，也可用于开发新的有特色的产品和设备。例如，传统变速机构多是纯机械结构，如果采用PLC对其进行编程控制，在精简结构的同时还提高了系统的准确性和安全。

机电一体化技术的发展不仅带动我国制造业向更高层次迈进，也丰富着人类的生产生活。作为从业中的一员，我们有责任深入认识其应用的技术和方法。

[1]梁淼,姜明.数字电子技术[M].北京：机械工业出版社,2008

[2]刘杰,等.机电一体化系统设计[M].沈阳；东北大学出版社,1997