楊洪朋 東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院

淺談機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù)及設(shè)計(jì)方法

楊洪朋 東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院

機(jī)械技術(shù)是一門相對(duì)較古老的學(xué)科，人類對(duì)自然規(guī)律的認(rèn)知，在各個(gè)時(shí)期不斷地賦予機(jī)械不同內(nèi)涵。機(jī)械設(shè)備以及產(chǎn)品發(fā)展到今天，僅僅從機(jī)械角度對(duì)其進(jìn)行改動(dòng)升級(jí)不太現(xiàn)實(shí)。伴隨科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一個(gè)年輕的學(xué)科——電子技術(shù)飛速發(fā)展，從獨(dú)立簡(jiǎn)單的電子元件到集成電路，以及后期的超大規(guī)模的集成電路，尤其是出現(xiàn)微型計(jì)算機(jī)，使電子信息技術(shù)與其他學(xué)科滲透結(jié)合。自此，古老的機(jī)械青春煥發(fā)，機(jī)電一體化技術(shù)也因此應(yīng)運(yùn)而生。為此，對(duì)當(dāng)下常見(jiàn)一體化產(chǎn)品進(jìn)行了調(diào)查分析，以此為基礎(chǔ)，簡(jiǎn)述了機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù)和設(shè)計(jì)方法。

機(jī)電一體化 相關(guān)技術(shù) 設(shè)計(jì)方法

1 前言

二十世紀(jì)后期以來(lái)，我國(guó)制造業(yè)在眾方面都取得了長(zhǎng)足發(fā)展，成就斐然。然而，機(jī)電一體化技術(shù)依然沒(méi)有國(guó)外成熟。當(dāng)前，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展急速轉(zhuǎn)型，國(guó)內(nèi)外大環(huán)境為我國(guó)機(jī)電一體化行業(yè)帶來(lái)巨大機(jī)遇。相關(guān)企業(yè)應(yīng)該積極的不斷創(chuàng)新完成轉(zhuǎn)型，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出積極的貢獻(xiàn)。本文參考大量文獻(xiàn)后，分析了機(jī)電一體化當(dāng)前的相關(guān)技術(shù)和設(shè)計(jì)方法。

2 機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù)

目前業(yè)界普遍認(rèn)為，機(jī)電一體化是由四大基礎(chǔ)學(xué)科組成的新學(xué)科，即包含了機(jī)械、控制、電子和計(jì)算機(jī)這幾門科學(xué)。機(jī)電一體化技術(shù)既有硬件方面的技術(shù)，又含軟件技術(shù)。硬件通常由傳感器、機(jī)械設(shè)備本身組成，處理信息和分析數(shù)據(jù)的窗口單元同樣不可或缺。模塊標(biāo)準(zhǔn)化和模塊功能不同化共同組成了軟件系統(tǒng)。因此機(jī)電一體化相關(guān)的技術(shù)種類繁多，不僅僅有傳統(tǒng)的工業(yè)技術(shù)，還包含近年發(fā)展飛速的信息行業(yè)技術(shù)，甚至涉及系統(tǒng)整體及接口技術(shù)。

2.1 機(jī)械技術(shù)

機(jī)械技術(shù)的范疇很廣，包含許多方面，典型的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造就屬于這一門類。在這方面，要做到傳統(tǒng)的機(jī)械技術(shù)和現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法有機(jī)結(jié)合，大力推進(jìn)精密加工技術(shù)的發(fā)展，在設(shè)計(jì)方法中探尋結(jié)構(gòu)優(yōu)化、動(dòng)態(tài)、虛擬等方式的相互補(bǔ)充和交叉滲透；通過(guò)對(duì)新型復(fù)合材料的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)輕量化，改良以往響應(yīng)緩慢的情況；關(guān)于關(guān)鍵零部件的精度和可靠性要求，軌道、滾軸絲杠、齒輪和軸承的高精度研究尤為重要。總之，為了適應(yīng)機(jī)電一體化的發(fā)展需要，要充分利用一切先進(jìn)的制造、設(shè)計(jì)技術(shù)，使機(jī)械結(jié)構(gòu)擁有小體積、輕重量、高精度，以及價(jià)格低廉、安全、方便、可靠等特點(diǎn)。

2.2 傳感技術(shù)

傳感技術(shù)以傳感器技術(shù)為核心。傳感器以一定的精度將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成等價(jià)關(guān)系的電信號(hào)，完整的傳感器通常包括敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路這幾部分。傳感器的種類很多，分類方式同樣很多。按照其工作原理的不同，改變電阻實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量信號(hào)輸出反饋的傳感器為電阻式傳感器，同理，運(yùn)用電感、磁電、壓電、光電、熱電和氣電等原理的傳感器均有其對(duì)應(yīng)的傳感器類型，除此之外，對(duì)位置、壓力、溫度、聲音、亮度等信息進(jìn)行測(cè)量所用傳感器則是按用途分類的。

目前，傳感器的發(fā)展方向一方面是提高靈敏度、提高精度和可靠性設(shè)計(jì)，另一方面是實(shí)現(xiàn)集成化、微型化和智能化。集成化就是指把信息的處理單元和傳感器集成于一體，使傳感器和信息處理能夠同地進(jìn)行；智能化是讓傳感器可以自我判斷錯(cuò)誤和漏洞并可自我修復(fù)。微型化則是使傳感器在不影響功能的前提下做得足夠小，使之不對(duì)被測(cè)物的質(zhì)量剛度等條件產(chǎn)生干擾影響，這也將有利于微系統(tǒng)的高度集成。

2.3 信息處理技術(shù)

工控機(jī)和單片機(jī)以及可編程控制器等屬于電子計(jì)算機(jī)的一類，信息處理技術(shù)就是利用這一類電子計(jì)算機(jī)和它連帶的外部設(shè)備完成對(duì)信息的輸入輸出、運(yùn)算轉(zhuǎn)換以及存儲(chǔ)的技術(shù)。

通過(guò)不斷地提高集成度，電子計(jì)算機(jī)連帶其外部設(shè)備的運(yùn)算速度大大提高，這樣一來(lái)嵌入機(jī)械本體則更為方便；通過(guò)自我診斷修復(fù)及容錯(cuò)來(lái)提高其可靠性；對(duì)人工智能的使用可加速其智能化的進(jìn)程。通過(guò)這些措施，可以使計(jì)算機(jī)的適應(yīng)性更強(qiáng)，應(yīng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境的工作更加可靠。目前，用于機(jī)電一體化行業(yè)的電子計(jì)算機(jī)可以數(shù)萬(wàn)小時(shí)無(wú)故障地工作。

3 機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)方法

機(jī)電一體化有機(jī)地結(jié)合了機(jī)械、信息、電子等多種先進(jìn)技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)其功能的全面，機(jī)電液的有機(jī)配合，將使系統(tǒng)的整體方案有別于傳統(tǒng)機(jī)電產(chǎn)品，此舉必將使其優(yōu)越性充分發(fā)揮。

3.1 模塊化設(shè)計(jì)方法

在機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮如何使設(shè)計(jì)研制周期縮短，還要從經(jīng)濟(jì)的角度盡量節(jié)約成本經(jīng)費(fèi)，更不能忽略生產(chǎn)管理的便利性和使用維護(hù)的易操作性，因此，機(jī)電一體化產(chǎn)品或設(shè)備經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期發(fā)展，逐步形成了一個(gè)新的體系和方法，即把不同功能的若干要素單獨(dú)做成一個(gè)模塊，對(duì)于不同功能不同型號(hào)的模塊逐步標(biāo)準(zhǔn)化。現(xiàn)實(shí)的例子中，電動(dòng)機(jī)和傳感器等都是功能模塊取得成功活生生的例子。

3.2 柔性化設(shè)計(jì)方法

一體化技術(shù)中實(shí)現(xiàn)特定功能的某一個(gè)功能模塊中，如果它的控制器可以編程，那么該模塊可稱之為柔性模塊。比如，凸輪機(jī)構(gòu)若想完成不同的運(yùn)動(dòng)情況，則可以僅僅變化程序，用計(jì)算機(jī)來(lái)控制驅(qū)動(dòng)的伺服電動(dòng)機(jī)，這樣就不用對(duì)凸輪的外部形狀進(jìn)行改動(dòng)了，可見(jiàn)，此法要省時(shí)省力的多。

3.3 取代設(shè)計(jì)方法

取代設(shè)計(jì)方法則是運(yùn)用了機(jī)電互補(bǔ)的思想。該法是用專用的電子器件來(lái)取代以往傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，這樣不僅簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，還獲得了更好的特性，即可應(yīng)用于改造傳統(tǒng)的舊產(chǎn)品，也可用于開(kāi)發(fā)新的有特色的產(chǎn)品和設(shè)備。例如，傳統(tǒng)變速機(jī)構(gòu)多是純機(jī)械結(jié)構(gòu)，如果采用PLC對(duì)其進(jìn)行編程控制，在精簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)的同時(shí)還提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和安全。

機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展不僅帶動(dòng)我國(guó)制造業(yè)向更高層次邁進(jìn)，也豐富著人類的生產(chǎn)生活。作為從業(yè)中的一員，我們有責(zé)任深入認(rèn)識(shí)其應(yīng)用的技術(shù)和方法。

[1]梁淼,姜明.數(shù)字電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2008

[2]劉杰,等.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].沈陽(yáng)；東北大學(xué)出版社,1997