机电一体化技术在机械工程领域的应用

2023-01-15厉广彬

农机使用与维修 2023年1期

厉广彬

(江苏省沛县中等专业学校，江苏沛县 221600)

0 引言

机电一体化又称机械电子工程，是机械技术与电子信息技术的有机结合，主要包括机械技术、电工电子技术、微电子技术、信息技术、传感器技术、接口技术、信号变换技术等[1]，在目前机械生产、医疗保健、航空航天、军事领域等方面得到了广泛应用，还用于柔性制造系统、计算机集成制造系统、工厂自动化、办公自动化、家庭自动化等方面[2]。

机电一体化技术在机械工程领域应用广泛，如数控机床、加工中心、工业机器人等。机电一体化技术在机械工程领域的应用可以简化机械生产流程，减少驱动部件，减少机械磨损与生产误差，提高工作精度[3]；另一方面，机电一体化技术在实际生产应用中具有实时监控、自动报警、诊断分析及安全联锁等功能。极大地提高了机械生产的安全性与可靠性，提高机械工程生产领域的生产效率与工作质量[4]。

1 机电一体化技术概述及设计要点

1.1 基本概念

机电一体化技术属于一种优化机电产品设计过程的方法，包括电学、机械学、计算机科学及信息技术，是指将信息系统添加到物理系统中，基本设计思路即应用新的控制技术与方法获得更高的机械性能。机电一体化技术不是一个单纯的机械电子系统，而是一个复杂的控制系统，主要包括机械、电气技术及计算机信息技术组成。

1.2 设计要点

机电一体化产品的建模与仿真主要是基于工作需求与原理进行基本结构优化，将各个模块连接在一起形成一个复杂的结构模型；随后按照基本建模技术进行产品开发与应用部署。机电一体化设计方案不仅要符合生产高质量的机械产品需求，还要定期进行产品维护，其设计过程主要考虑可交付性、可靠性、可维修性、可服务性、可升级性、可回收性六个重要因素。

在进行机械产品设计时，不需详细描述产品生命周期的各项要素，只是指出设计方法，从机械产品设计开始，直到设计并制造出该产品。因此，在机电一体化产品设计中，从概念设计直至产品报废都要考虑上述因素，机电一体化产品设计过程主要包括建模和仿真、样机原型设计及样品部署三个阶段(图2)。

图1 机电一体化技术基本组成要素示意图

图2 机电一体化产品的设计过程示意图

1.3 机电一体化关键技术

1.3.1 信息系统

信息系统主要包括通信技术、信号处理、控制系统及控制方法，实现信号控制与分析，是机电一体化技术的核心组成部分。

1.3.2 机械系统

机械系统主要包括机身、框架、联接等，机械系统的设计直接影响产品的技术性能与功能发挥，主要涉及内容包括机械结构、材料选择、工艺要求及几何尺寸等，应该满足高效率、高可靠性、多功能、轻量等要求。

1.3.3 控制单元

控制系统主要是将各个功能的传感器的检测信息和外部输入信息进行集中、储存、分析与加工，根据信息处理结果给出相应的指令，控制整个系统有序运行。主要包括计算机、可编程控制器、数控装置及逻辑电路等组成。控制单元直接影响信息处理速度。

2 应用

2.1 现代计算机集成技术

计算机集成系统代表了目前机械工程发展领域最先进水平，也是未来工业生产的主要发展方向，在航空航天、冶金、化工及纺织等各个领域得到了广泛的应用与发展，最终目标是实现无人化机械生产与制造。

2.2 数控技术

数控技术是机械生产制造的基础技术之一，目前，数控技术正在向高精度、高速化、智能化、高可靠性及高安全性方向发展，为了满足数控技术的发展需求，应不断提升数控机械的工作效率及切削精度。随着机电一体化技术的不断发展，在数控机床中逐渐取消了传统的传动机构，开始使用电子信息控制技术，随着技术的不断发展，数控加工技术精度已经达到纳米级(1～1.5 μm)，极大地提高了机械产品的生产性能。

2.3 工业机器人

随着劳动力逐渐短缺，人工成本逐渐增加，见机电一体化技术的不断发展及工业机器人的逐渐应用，部分企业已经相继斥巨资引进先进的工业机器人生产线，采用先进的控制技术、编程技术，相关配套产品不断发展，目前，在部分行业工业机器人完全可以替代传统的人工生产。我国机械研发生产线已经有30%依靠工业机器人完成，随着各种功能机器人的生产，将逐渐缓解我国劳动力短缺的局面。

3 发展趋势

机电一体化技术是一种跨学科且综合性较强的技术领域，机电一体化的发展同时促进电子技术、机械工程、光电学、控制技术及计算机信息技术的发展。未来，机电一体化技术也逐渐向微型化、网络化、高性能化及智能化方向发展。

3.1 微型化

微型化泛指几何尺寸不超过1 cm3的机电一体化产品，具有体积小、耗能少、运动灵活等应用优势。随着机电一体化技术与微电子技术逐渐结合与发展，可以保证机电一体化控制器体积更小，控制范围更加广泛，可以进入小型控件实现高精度的控制，如半导体技术可以实现机电一体化技术在医疗行业、生物技术、军事控制、航空航天等方面的广泛应用。

3.2 网络化

随着计算机网络技术的逐渐发展，网络技术为工业领域、军事领域、教育行业及人们的日常生活都带来了巨大的改变，随着网络技术的发展，远程控制技术也逐渐应用于各项控制技术中，因此，机电一体化产品未来也逐渐向网络化方向发展。

3.3 高性能化

提高机电一体化技术的性能可以极大地提高信息控制效率，进一步优化操作指令，提高整体应用效率与响应速度。

3.4 智能化

智能化技术融合了人工智能技术、模糊控制技术、混沌力学及心理学等技术，保证提高机电一体化技术在实际应用中具有一定的判断力、逻辑思考能力、信息处理能力及决策能力等，可以逐渐代替人力进行复杂的思考与运算，是机电一体化技术发展的重要方向。

3.5 模块化

模块化生产是一项复杂的系统工程，由于机电一体化产品类型及生产企业较多，各种产品型号较为复杂，因此，为了提高机电一体化相关产品的研发速度与通用性，扩大机电一体化产品的生产规模，应该制定相关的生产标准，如电气接口、机械接口等，促进机电一体化产品的标准化、科学化及规模化发展，这些产品可以在设计过程中替代各种子系统模块实现重构。开发一款高效的计算机辅助原型开发环境十分重要，其主要特征包括以下几方面。

1)建立模型。利用框图或可视化界面创造一些物理或者抽象模型，这些模型具有简单、直观和易于理解等特点，对于复杂性的机械产品子系统非常有用。

2)仿真。求解模型的数学方法主要包括微分方程、离散化方程和混合方程等，因此，仿真必须要有一个执行实际操作的锁存器，便于机械产品仿真更快地执行。

3)项目管理。维护项目信息和子系统模型的数据库。

4)实时接口。用一种插入式的实际硬件卡替代部分模型，使用驱动器和传感器与之交互，一般称为“硬件半实物仿真”或者“快速模型”。

5)编码生成器。从框图或者可视化建模界面生成有效的高级源代码，并用于嵌入式处理器，通常使用C语言。

6)设计。基于模型参数和信号对性能函数进行约束优化的数学方法，如蒙特卡罗计算方法。

7)分析。关于频域、时域和复数域的设计。