機(jī)電一體化技術(shù)在機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用

李紹煬

（遼寧省大連市博鋒智能科技（大連）有限公司，遼寧 大連 116601）

引言

機(jī)電一體化技術(shù)是在微電子技術(shù)和信息技術(shù)一定程度發(fā)展的基礎(chǔ)上，逐漸進(jìn)入機(jī)械制造工業(yè)并與機(jī)械電子技術(shù)相融合，綜合了機(jī)械本體、傳感測試技術(shù)、控制單元、動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)、信息通信技術(shù)、軟件與硬件等，并應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)發(fā)展中去的綜合技術(shù)。機(jī)電一體化從20 世紀(jì)60 年代發(fā)展到現(xiàn)在，是有規(guī)律、有體系的學(xué)科。近年來，機(jī)械、電力電子、自動(dòng)控制、信息通信等技術(shù)發(fā)展迅速且應(yīng)用廣泛，以此為契機(jī)機(jī)電一體化技術(shù)也在不斷地改進(jìn)。21 世紀(jì)的機(jī)電一體化技術(shù)，與機(jī)械、電子、信息通訊等技術(shù)密不可分，該技術(shù)的應(yīng)用使工廠和機(jī)器有了“智能”，也會(huì)在未來的實(shí)踐發(fā)展過程里產(chǎn)生越來越大的影響。

1 機(jī)電一體化技術(shù)的核心要素

機(jī)電一體化系統(tǒng)由結(jié)構(gòu)、動(dòng)力、運(yùn)動(dòng)、感知和職能五個(gè)要素構(gòu)成，缺一不可。在它們之間，又有四個(gè)原則相互結(jié)合和制約，在工作時(shí)才能按照一定次序高效率地完成一系列的指示或操作。除了上述五個(gè)核心要素以外，筆者認(rèn)為軟件技術(shù)對于機(jī)電一體化技術(shù)也比較重要。在軟件技術(shù)的支持下，機(jī)電一體化系統(tǒng)能夠更加高效和精確地完成運(yùn)動(dòng)。在外部輸出的一系列數(shù)據(jù)指引著各部件操作，使系統(tǒng)有目的地進(jìn)行運(yùn)作[1-2]。而軟件技術(shù)的優(yōu)化也關(guān)系到信息處理的速度和穩(wěn)定性，所以，軟件技術(shù)對機(jī)電一體化系統(tǒng)也有重要意義。

1.1 機(jī)械本體

機(jī)械本體是系統(tǒng)的實(shí)體本體，即系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各功能所需要的物理機(jī)械實(shí)體結(jié)構(gòu)，通常含有框架，支架，聯(lián)結(jié)的轉(zhuǎn)軸等。如果把整個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)看做是一個(gè)人的話，機(jī)械本體好比人體的骨骼部分。這個(gè)部分構(gòu)成了系統(tǒng)本身，有框架、有關(guān)節(jié)、有支撐。當(dāng)需要生產(chǎn)或加工時(shí)，信息處理即職能部分的處理結(jié)果就以實(shí)體化的形式最終反映在機(jī)械本體的運(yùn)動(dòng)上。所以，機(jī)械本體的質(zhì)量同樣關(guān)系到被加工部件的質(zhì)量，效率等。為了提高系統(tǒng)執(zhí)行的效率，響應(yīng)速度，精度和穩(wěn)定性等，機(jī)械本體的材料性能應(yīng)滿足輕便，不易發(fā)生形變，節(jié)能美觀等要求。以此來改善其綜合性能和減少能耗。

1.2 傳感測試

通過各種測試部件和傳感器的檢測，獲取所需要的系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種數(shù)據(jù)。然后把這些數(shù)據(jù)加工翻譯成信息處理部分可以識(shí)別的信息，再傳輸給信息處理部分。傳感測試部分就像人體的眼睛、鼻子、耳朵、皮膚，它們分別使人類具有了視覺、嗅覺、聽覺和觸覺，把人們所看到的、聞到的、聽到的、摸到的反饋給大腦。傳感測試部分所提供的數(shù)據(jù)也直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，只有提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的執(zhí)行結(jié)果才會(huì)如預(yù)設(shè)的可靠。對于傳感測試而言，應(yīng)該利用現(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)一步提升其精度。比如，鏡頭的更高光感度，更靈敏的方向感知等。

1.3 控制及信息單元

控制及信息單元部分可以把來自各種測試部件、傳感器收集的數(shù)據(jù)和來自機(jī)器外部的指令信息進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。對這些信息分析加工并產(chǎn)生結(jié)果，最后再按這些分析的結(jié)果發(fā)出行動(dòng)指令，從而使系統(tǒng)有序地運(yùn)轉(zhuǎn)。如果沒有控制及信息處理，那整個(gè)系統(tǒng)就如同一堆生硬的機(jī)械，和傳統(tǒng)機(jī)械沒有太大區(qū)別。正因?yàn)橛性摬糠謱?nèi)部和外部的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，再把結(jié)果轉(zhuǎn)換成指令分配給各部分才使傳統(tǒng)機(jī)械化向自動(dòng)化和智能化方靠攏。當(dāng)人體的大腦接收到一些信息后，根據(jù)信息進(jìn)行思考，最后得出結(jié)論，再把這個(gè)結(jié)論轉(zhuǎn)化控制人們的行為。

該部分所做出的處理和判斷也會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)，其運(yùn)行速率，在傳輸過程中是否會(huì)受到干擾等。因此，要提高數(shù)據(jù)處理的速度，統(tǒng)一接口和數(shù)據(jù)格式，增強(qiáng)抗干擾能力等，做到高速、標(biāo)準(zhǔn)、可靠。

1.4 動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)

這一部分是系統(tǒng)的動(dòng)力源，根據(jù)系統(tǒng)的需求，滿足整個(gè)系統(tǒng)可以維持正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的動(dòng)力和能耗供給。就如人體的心臟，給系統(tǒng)提供了所需要的動(dòng)力。驅(qū)動(dòng)就是在上級指示的命令下，使各部分完成指示的運(yùn)作?？紤]到是否綠色環(huán)保，應(yīng)該盡量使用較小的能量完成比較大的輸出，使能量利用效率更高[3]。

1.5 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

在職能組成要素中處理的輸出結(jié)果發(fā)出相應(yīng)指示，執(zhí)行機(jī)構(gòu)則依據(jù)該指示來完成指定的內(nèi)容。這個(gè)部分如人體的手腳等身體部位，在接收到大腦做出的指示后，通過靈活的配合來完成指示的動(dòng)作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)在選材上，應(yīng)該考慮不易發(fā)生形變，質(zhì)量較小的。而在和部件的聯(lián)結(jié)軸處，也應(yīng)該使用阻尼合適的。以此來進(jìn)一步提高整體穩(wěn)定性。

2 機(jī)電一體化技術(shù)在機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用

機(jī)電一體化技術(shù)問世以來，跟隨著機(jī)械、電子、信息通信、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的崛起而得到了不斷地改進(jìn)與優(yōu)化。從最初為戰(zhàn)爭而誕生，服務(wù)于軍事，逐漸轉(zhuǎn)變向民用化發(fā)展。在民用化后，從最開始的工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用、變形、改進(jìn)、推廣到更廣的適用范圍，經(jīng)過幾次重大的變化發(fā)展后，機(jī)電一體化技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)。其中最具有代表性的當(dāng)屬數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用，它的出現(xiàn)解決了傳統(tǒng)機(jī)床難以加工復(fù)雜程度較高的工件，并且在精度和效率方面有較大的提升。工業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn)和使用同樣是機(jī)電一體化技術(shù)的典型代表，跟隨著科技的進(jìn)步，工業(yè)機(jī)器人前后經(jīng)歷了三次大變化，同樣為工業(yè)的生產(chǎn)發(fā)展間接創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)價(jià)值。除此以外，還有計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)和柔性制造的發(fā)展。在現(xiàn)代社會(huì)中，更是充滿了機(jī)電一體化技術(shù)的產(chǎn)品，除了數(shù)控機(jī)床，工業(yè)機(jī)器人等工業(yè)方面的應(yīng)用，在生活中也很常見。家用抽油煙機(jī)，汽車的動(dòng)力與制動(dòng)系統(tǒng)，復(fù)印機(jī)和打印機(jī)等，都有機(jī)電一體化技術(shù)的身影。

2.1 數(shù)控機(jī)床

數(shù)控機(jī)床是機(jī)電一體化技術(shù)的典型代表產(chǎn)品之一。在機(jī)械制造工業(yè)里，小批量和單件加工占比比較大。在大型機(jī)械設(shè)備中的一些零部件，航空事業(yè)，國防事業(yè)用品，小型設(shè)備如復(fù)印機(jī)、光刻機(jī)等需要用到的一些零件。要求具有很高的精度，形狀復(fù)雜，加工難度較大，普通技術(shù)已經(jīng)不能滿足這樣的需求。數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)給這些問題的解決帶來了希望，它能夠做到高精度，高效率的加工零件。而且具有很高的靈活性，可以加工結(jié)構(gòu)復(fù)雜的精密零件。

數(shù)控機(jī)床根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的圖紙和數(shù)據(jù)，可這些數(shù)據(jù)編寫成程序輸入到機(jī)床，用數(shù)字化信號(hào)來控制機(jī)床各部件的運(yùn)動(dòng)和加工過程。數(shù)控機(jī)床由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服裝置、輔助控制裝置、檢測裝置和機(jī)床本體組成。

控制介質(zhì)是把需要加工的零件數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)控裝置的載體，如磁盤、U 盤等。

數(shù)控裝置包含控制運(yùn)算和顯示等，是數(shù)控機(jī)床的核心部件之一。伺服機(jī)構(gòu)是數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)組成和動(dòng)力組成要素，有執(zhí)行部件和驅(qū)動(dòng)裝置。輔助控制裝置主要是PLC，具有靈活，快速響應(yīng)，修改程序的特點(diǎn)和功能。檢測裝置可以把機(jī)床各個(gè)軸的位移量和運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測，并反饋給數(shù)控裝置。機(jī)床本體是機(jī)床的主體，即機(jī)械本體，可以完成對工件的各種加工操作，還包括床身，支撐部分等。

2.2 工業(yè)機(jī)器人

工業(yè)機(jī)器人是應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中，使機(jī)械設(shè)備自動(dòng)完成預(yù)定的操作，或?qū)崿F(xiàn)預(yù)定目標(biāo)，在整個(gè)過程中沒有人工的輔助。工業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn)和使用，使生產(chǎn)效率和質(zhì)量有了很大提高，節(jié)省了人工成本。通過這些手段實(shí)現(xiàn)間接地創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

第一階段的工業(yè)機(jī)器人比較簡單，只是簡單地實(shí)現(xiàn)某一個(gè)預(yù)設(shè)的動(dòng)作。它不具有對外界信息做出一定反饋的能力，只是根據(jù)預(yù)設(shè)的指令機(jī)械地重復(fù)完成某一個(gè)動(dòng)作。雖然是第一代機(jī)器人，但使生產(chǎn)效率得到提高和生產(chǎn)質(zhì)量得到提升，還有良好的穩(wěn)定性，節(jié)省人工成本等特點(diǎn)，因此得到了認(rèn)同，在社會(huì)生產(chǎn)發(fā)展中應(yīng)用廣泛。

第二階段的機(jī)器人相比較第一階段而言，有了較大變化。從死板的發(fā)生變化到有知覺的，研究人員賦予了這一代機(jī)器人“知覺”。它們能夠?qū)ν饨缧畔⒂幸欢ǖ姆答?，比如，對外部環(huán)境的檢測，并作出反應(yīng)。這一代機(jī)器人目前也已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中使用。

第三階段的機(jī)器人則更為先進(jìn)，它具有一定的思考學(xué)習(xí)能力，人類賦予了這一代機(jī)器人“智慧”。它可以通過獲取到的各種數(shù)據(jù)加以分析，作出決策。

3 結(jié)語

機(jī)電一體化技術(shù)由各種技術(shù)和學(xué)科相結(jié)合，為人類的生產(chǎn)發(fā)展帶來了極大的便利。尤其在機(jī)械制造生產(chǎn)領(lǐng)域，改變了傳統(tǒng)的制造生產(chǎn)方式，極大地提高了制造生產(chǎn)的效率和精度。它的出現(xiàn)，是社會(huì)發(fā)展和各學(xué)科技術(shù)發(fā)展結(jié)合的必然產(chǎn)物。在未來的發(fā)展中，機(jī)電一體化技術(shù)會(huì)更加智能化，系統(tǒng)化，也會(huì)更便捷。隨之而來的將是更強(qiáng)大的功能和更高的效率，為社會(huì)的生產(chǎn)發(fā)展帶來更多效益，也將帶來生產(chǎn)制造的變革。