机电技术与计算机技术的整合研究

2021-01-02杨宏

科教导刊·电子版 2021年31期

杨宏

（武汉铁路职业技术学院湖北·武汉 430205）

0 引言

步入21世纪，我国的经济、科技发展水平已逐步持平于许多发达国家。而多领域的融合与发展，使得工业生产、设计技术不断革新，实现新一轮的产业革命。加之计算机技术的引入，使得生产全面机械化、自动化、智能化，形成计算机与自动化的双向发展，各企业实现设计、生产以及管理的一体化，有效提升了我国实体制造行业的综合竞争力。

1 机电技术概述

机电技术的发展建立在计算机技术飞速发展，并迅速渗透至机械工业领域的基础之上。机电技术综合应用机械技术、计算机与信息技术、系统工程技术、传感检测技术、伺服传动技术、微电子技术、电力电子技术、接口技术以及软件编程技术等，以系统理论为基础，根据系统功能的目标和优化智能组织的目标，从智能、动力、结构以及感觉这四个方面的组成要素以及信息的传递与处理出发，对接口耦合、传动、能量与信号的转换、信息通道等进行研究，使得整个系统形成一个“有机综合体”；“综合体”在硬件电路以及软件程序对电子信号流的控制下，形成机电设备的有规则运动，并拥有高性能、高质量、高精度、高可靠性、低能耗等众多优点，有着非常高的经济效益。

2 机电技术与计算机技术整合的意义与可能性

通常，一门新技术的诞生需要两个条件——科技进步以及社会的需求。没有科技上的突破，任何设计都成了幻想；没有社会需求，科研也就失去了其价值。这项定律也同样适用于机电一体化技术，机械技术、电子技术、微电子技术、集成电路技术等，为机电一体化技术奠定了坚实的基础；而在生产、生活中，人们对产品的质量、品种的需求也为机电一体化技术的诞生提供了实践条件。

从科技的角度来看，计算机技术的发展极为迅速，下属分支方向众多，有着许多可以应用于机电一体化技术的类别，例如人工智能算法、物联网技术、计算机辅助设计、集成制造系统等。由于硬件的限制，机电设备与计算机相比存在着很多的不足，而计算机技术则可以弥补生产设备的不足，为机电一体化技术注入活力。此外，作为一种沟通桥梁，通讯技术、驱动技术的成熟以及大规模集成电路、微芯片计算能力的发展，也使得机电技术与计算机技术的整合成为可能。以图像识别来说，对于复杂图像的识别通常需要较新的算法以及超大规模的算力，而机电设备本身并不带计算功能，或是计算能力难以满足实际需求。对此，与其开发具有更高新算法、算力的机电设备，不如结合一台性价比较高的计算机；并且计算机技术也可以拓展大数据系统、开发相应的软件来支撑识别系统，系统也更加稳定、灵活。对于通信方面，采用I2C、SPI协议或其他串口，也能很好地解决机电设备和计算机的通讯问题，并且这种通讯技术还在不断革新，应用物联网技术、5G技术，数据传输速度、信息流量也会不断增大，甚至永无止境。

3 机电技术与计算机技术整合所要解决的两个技术问题

3.1 系统框架设计

当前，从大型工业生产到小户型智能家居，机电一体化产品的种类十分丰富，尽管其应用方向不同，但是计算机和机电一体化产品的特性决定了它们在系统集成中的地位和功能是一致的。机电一体化产品都是以机械设备、传感设备等操作性设备为执行机构，以电子设备为控制机构。而计算机技术和机电一体化技术整合后，机电产品则应具有一定的独立执行能力，另外引入计算机系统为整个集成系统的调度、检测、控制机构。在集成系统中，机电产品只需要接收向下指令、完成自身的任务并反馈自身状态；计算机系统收发各个执行系统的调度指令和反馈信息，规划整个生产系统的资源进行规划。这样的系统模块化程度较高，降低了维修与保养的工作量。首先，在复杂的集成系统中，对单个机电产品的要求进一步降低，这些设备不再需要协同作业，不需要与其他设备的通信功能，完成自身的任务即可。其次，在机电设备发生故障后，只需更换具体的故障部件，对整体生产系统的影响很小，不必因单设备损坏就导致整个工厂停工，维修成本低，也降低了停工损失。此外，模块化的另一个好处是便于进行后期的升级处理，可以对系统中的任何老旧、技术落后的机电产品进行更换；更换新机电产品只需连上接口即可，对于机电产品的更新或是升级整个系统的控制模式都十分地方便、快捷。

3.2 通信协议的选择

计算机技术和机电一体化技术的整合与计算机和机电设备之间的相互交流是密不可分的，是首先需要解决的问题。例如，一个计算机集成制造系统，计算机需要了解各个机电一体化设备的运转状态、性能以及参数等，或者对机电产品的运行进行控制；在大规模生产中，有时还会要求这种监测、控制有一定的即时性。因此，就要根据实际需要来选择何种通信协议，从两个角度对此问题展开思考。一方面是标准化通讯协议，即采用标准通信协议。其优点是可以保持高度的兼容性，能与大多数的机电设备很好地连接。具体是将机电设备做成较小规模的可替换模块，提供满足这些模块支持的接口。只要符合这个接口，安装相应的驱动程序，就能将任意一个模块接入到整个集成系统中。同时，这也使得用户有了更多的选择，维护成本也更加低廉。例如，空调暖风系统、灯具系统，这些智能产品都可以集成到企业的服务器主机上，实现系统控制。另一方面是个性化通讯协议，采用适合企业自身的通讯协议，创建一个封闭的系统。个性化协议有着较强的针对性，机电设备设计、制造乃至应用企业都可以更加专注于优化产品的性能，而不必考虑兼容性、协议升级等问题等。另外，如果机电设备的制造商想要获得更高的竞争力，那么这样的封闭系统可以保证产品的独特性，其他厂商难以复制相同的技术，从而获得更高的利润。

4 计算机技术对机电一体化产品设计与生产的作用

4.1 计算机辅助技术的应用

随着IT的发展，计算机辅助技术被越来越多的应用于机电设备，在机电一体化中的发展已较为综合、全面。计算机辅助技术包括计算机辅助设计（CAD）、辅助制造技术（CAM）以及辅助工艺设计（CAPP）等应用，在生产过程中主要作为机电设备运行的辅助技术而存在：（1）CAD技术即在工程和产品的设计阶段，设计人员利用计算机进行计算、比较与分析，绘图、模型制作，信息管理与储存等工作。（2）CAM指利用计算机通过各种信息、数值来控制生产、加工机床和设备，实现全自动的制造过程；作为CAD的制造技术支撑的CAM，能够保证在机电一体化的设计与制造过程中的自动化和信息化水平，显著提升企业产品质量，提升生产效率，降低管理成本。（3）CAPP是机电一体化设计环节的重要组成部分。在设计过程中，工艺设计主要是关于制造过程的工艺、技术等进行管理、优化以及合理配置；CAPP就是完成产品设计信息向制造信息传递的过程，通过计算机系统对生产规划以及实际的生产情况进行工艺分析，合理地配置原材料、生产设备、工艺顺序等生产工艺方面的因素，在达到技术指标的前提下，实现工艺效益的最大化。

4.2 计算机集成系统的开发与设计

在计算机集成系统的开发与设计中，计算机集成制造系统（CIMS）是计算机技术与机电一体化技术整合的主要应用；CIMS即综合利用多种计算机辅助技术的优势，将辅助设计、辅助制造以及辅助工艺设计技术有机地结合起来，形成适用于多品种、大规模或小批量产品生产的智能化制造系统，保证了一体化设计的技术含量。柔性制造系统是当前集成系统发展的一大趋势，这一模式对促进集成制造系统的灵活性和智能化程度的提升起着重要作用，其主要原因在于柔性制造系统就是利用信息化分析处理技术，来处理各种设备生产过程中的实际信息与数据，掌握生产过程中的各项柔性因素，提升柔性系数，实现初步的智能化生产。在机电一体化应用领域，技术人员常常将集成系统与柔性制造系统相结合，形成柔性集成制造系统，以此来发展自动化生产设备的控制技术，完成计算机辅助一体化生产系统的开发、研究与应用，实现从产品设计、制造到成型全过程的信息化，充分发挥计算机技术对机电一体化技术的优势。