机电一体化技术在机械领域的应用

李绍炀

（辽宁省大连市博锋智能科技（大连）有限公司，辽宁 大连 116601）

引言

机电一体化技术是在微电子技术和信息技术一定程度发展的基础上，逐渐进入机械制造工业并与机械电子技术相融合，综合了机械本体、传感测试技术、控制单元、动力与驱动、信息通信技术、软件与硬件等，并应用到实际生产发展中去的综合技术。机电一体化从20 世纪60 年代发展到现在，是有规律、有体系的学科。近年来，机械、电力电子、自动控制、信息通信等技术发展迅速且应用广泛，以此为契机机电一体化技术也在不断地改进。21 世纪的机电一体化技术，与机械、电子、信息通讯等技术密不可分，该技术的应用使工厂和机器有了“智能”，也会在未来的实践发展过程里产生越来越大的影响。

1 机电一体化技术的核心要素

机电一体化系统由结构、动力、运动、感知和职能五个要素构成，缺一不可。在它们之间，又有四个原则相互结合和制约，在工作时才能按照一定次序高效率地完成一系列的指示或操作。除了上述五个核心要素以外，笔者认为软件技术对于机电一体化技术也比较重要。在软件技术的支持下，机电一体化系统能够更加高效和精确地完成运动。在外部输出的一系列数据指引着各部件操作，使系统有目的地进行运作[1-2]。而软件技术的优化也关系到信息处理的速度和稳定性，所以，软件技术对机电一体化系统也有重要意义。

1.1 机械本体

机械本体是系统的实体本体，即系统实现各功能所需要的物理机械实体结构，通常含有框架，支架，联结的转轴等。如果把整个机电一体化系统看做是一个人的话，机械本体好比人体的骨骼部分。这个部分构成了系统本身，有框架、有关节、有支撑。当需要生产或加工时，信息处理即职能部分的处理结果就以实体化的形式最终反映在机械本体的运动上。所以，机械本体的质量同样关系到被加工部件的质量，效率等。为了提高系统执行的效率，响应速度，精度和稳定性等，机械本体的材料性能应满足轻便，不易发生形变，节能美观等要求。以此来改善其综合性能和减少能耗。

1.2 传感测试

通过各种测试部件和传感器的检测，获取所需要的系统内部和外部的各种数据。然后把这些数据加工翻译成信息处理部分可以识别的信息，再传输给信息处理部分。传感测试部分就像人体的眼睛、鼻子、耳朵、皮肤，它们分别使人类具有了视觉、嗅觉、听觉和触觉，把人们所看到的、闻到的、听到的、摸到的反馈给大脑。传感测试部分所提供的数据也直接关系到整个系统的运行，只有提供准确可靠的数据，系统的执行结果才会如预设的可靠。对于传感测试而言，应该利用现有的技术进一步提升其精度。比如，镜头的更高光感度，更灵敏的方向感知等。

1.3 控制及信息单元

控制及信息单元部分可以把来自各种测试部件、传感器收集的数据和来自机器外部的指令信息进行存储和分析。对这些信息分析加工并产生结果，最后再按这些分析的结果发出行动指令，从而使系统有序地运转。如果没有控制及信息处理，那整个系统就如同一堆生硬的机械，和传统机械没有太大区别。正因为有该部分对内部和外部的各种数据进行计算分析，再把结果转换成指令分配给各部分才使传统机械化向自动化和智能化方靠拢。当人体的大脑接收到一些信息后，根据信息进行思考，最后得出结论，再把这个结论转化控制人们的行为。

该部分所做出的处理和判断也会影响到整个系统，其运行速率，在传输过程中是否会受到干扰等。因此，要提高数据处理的速度，统一接口和数据格式，增强抗干扰能力等，做到高速、标准、可靠。

1.4 动力与驱动

这一部分是系统的动力源，根据系统的需求，满足整个系统可以维持正常运转所需要的动力和能耗供给。就如人体的心脏，给系统提供了所需要的动力。驱动就是在上级指示的命令下，使各部分完成指示的运作。考虑到是否绿色环保，应该尽量使用较小的能量完成比较大的输出，使能量利用效率更高[3]。

1.5 执行机构

在职能组成要素中处理的输出结果发出相应指示，执行机构则依据该指示来完成指定的内容。这个部分如人体的手脚等身体部位，在接收到大脑做出的指示后，通过灵活的配合来完成指示的动作。执行机构在选材上，应该考虑不易发生形变，质量较小的。而在和部件的联结轴处，也应该使用阻尼合适的。以此来进一步提高整体稳定性。

2 机电一体化技术在机械领域的应用

机电一体化技术问世以来，跟随着机械、电子、信息通信、计算机等技术的崛起而得到了不断地改进与优化。从最初为战争而诞生，服务于军事，逐渐转变向民用化发展。在民用化后，从最开始的工业生产应用、变形、改进、推广到更广的适用范围，经过几次重大的变化发展后，机电一体化技术已经广泛地应用于各行各业。其中最具有代表性的当属数控机床的应用，它的出现解决了传统机床难以加工复杂程度较高的工件，并且在精度和效率方面有较大的提升。工业机器人的出现和使用同样是机电一体化技术的典型代表，跟随着科技的进步，工业机器人前后经历了三次大变化，同样为工业的生产发展间接创造了经济价值。除此以外，还有计算机集成制造系统和柔性制造的发展。在现代社会中，更是充满了机电一体化技术的产品，除了数控机床，工业机器人等工业方面的应用，在生活中也很常见。家用抽油烟机，汽车的动力与制动系统，复印机和打印机等，都有机电一体化技术的身影。

2.1 数控机床

数控机床是机电一体化技术的典型代表产品之一。在机械制造工业里，小批量和单件加工占比比较大。在大型机械设备中的一些零部件，航空事业，国防事业用品，小型设备如复印机、光刻机等需要用到的一些零件。要求具有很高的精度，形状复杂，加工难度较大，普通技术已经不能满足这样的需求。数控机床的出现给这些问题的解决带来了希望，它能够做到高精度，高效率的加工零件。而且具有很高的灵活性，可以加工结构复杂的精密零件。

数控机床根据预先设计的图纸和数据，可这些数据编写成程序输入到机床，用数字化信号来控制机床各部件的运动和加工过程。数控机床由控制介质、数控装置、伺服装置、辅助控制装置、检测装置和机床本体组成。

控制介质是把需要加工的零件数据传输到数控装置的载体，如磁盘、U 盘等。

数控装置包含控制运算和显示等，是数控机床的核心部件之一。伺服机构是数控机床的运动组成和动力组成要素，有执行部件和驱动装置。辅助控制装置主要是PLC，具有灵活，快速响应，修改程序的特点和功能。检测装置可以把机床各个轴的位移量和运动参数检测，并反馈给数控装置。机床本体是机床的主体，即机械本体，可以完成对工件的各种加工操作，还包括床身，支撑部分等。

2.2 工业机器人

工业机器人是应用在工业生产中，使机械设备自动完成预定的操作，或实现预定目标，在整个过程中没有人工的辅助。工业机器人的出现和使用，使生产效率和质量有了很大提高，节省了人工成本。通过这些手段实现间接地创造了经济价值。

第一阶段的工业机器人比较简单，只是简单地实现某一个预设的动作。它不具有对外界信息做出一定反馈的能力，只是根据预设的指令机械地重复完成某一个动作。虽然是第一代机器人，但使生产效率得到提高和生产质量得到提升，还有良好的稳定性，节省人工成本等特点，因此得到了认同，在社会生产发展中应用广泛。

第二阶段的机器人相比较第一阶段而言，有了较大变化。从死板的发生变化到有知觉的，研究人员赋予了这一代机器人“知觉”。它们能够对外界信息有一定的反馈，比如，对外部环境的检测，并作出反应。这一代机器人目前也已经在工业生产中使用。

第三阶段的机器人则更为先进，它具有一定的思考学习能力，人类赋予了这一代机器人“智慧”。它可以通过获取到的各种数据加以分析，作出决策。

3 结语

机电一体化技术由各种技术和学科相结合，为人类的生产发展带来了极大的便利。尤其在机械制造生产领域，改变了传统的制造生产方式，极大地提高了制造生产的效率和精度。它的出现，是社会发展和各学科技术发展结合的必然产物。在未来的发展中，机电一体化技术会更加智能化，系统化，也会更便捷。随之而来的将是更强大的功能和更高的效率，为社会的生产发展带来更多效益，也将带来生产制造的变革。