沈陽
摘 要:機(jī)電一體化技術(shù)作為一項(xiàng)信息技術(shù)與機(jī)械技術(shù)的深度融合的新興技術(shù),其在我國現(xiàn)代化建設(shè)當(dāng)中發(fā)揮了巨大的作用。將機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械設(shè)計(jì)制造當(dāng)中,不但能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品小型化,同時(shí)也有助于生產(chǎn)力和生產(chǎn)效率的提升,在加工精度和產(chǎn)品安全性能方面也有著明顯的優(yōu)勢和效果。為此,本篇文章首先介紹機(jī)電一體化技術(shù)及其應(yīng)用優(yōu)勢,再明確機(jī)電一體化基礎(chǔ)技術(shù)分類,最后針對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中應(yīng)用進(jìn)行簡要論述,并簡單討論機(jī)電一體化未來的發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞:機(jī)電一體化 機(jī)械設(shè)計(jì)制造 集成制造技術(shù) 數(shù)控設(shè)計(jì)
1 引言
目前我國制造業(yè)整體生產(chǎn)技術(shù)水平相比以往提升了一大截,其生產(chǎn)模式在信息技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用下也實(shí)現(xiàn)了升級(jí)改進(jìn),但其仍然存在材料利用率低、生產(chǎn)污染較大、智能化水平不足等諸多問題,在生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率上相比發(fā)達(dá)國家仍存在一定差距。而集合機(jī)械技術(shù)與信息技術(shù)優(yōu)勢并不斷完善創(chuàng)新的機(jī)電一體化技術(shù),在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用成為當(dāng)前階段促進(jìn)制造行業(yè)發(fā)展的必然選擇。為此,各制造企業(yè)需掌握機(jī)電一體化技術(shù)概念和應(yīng)用優(yōu)勢,明確機(jī)電一體化基礎(chǔ)技術(shù)分類,結(jié)合自身生產(chǎn)實(shí)際,尋找到更為符合自身實(shí)際需求的機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用方法,從而為機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)的發(fā)展提供有力的技術(shù)支持。
2 機(jī)電一體化技術(shù)概述
事實(shí)上,我國相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域?qū)C(jī)電一體化技術(shù)并不陌生,其是屬于一種綜合了機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)的新型技術(shù),其融合了信息技術(shù)、微電子技術(shù)、傳感技術(shù)、信號(hào)變換技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)與編程技術(shù),集成了大規(guī)模電路和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)功能優(yōu)勢,很多現(xiàn)代化的生產(chǎn)設(shè)備都在不同程度上應(yīng)用了機(jī)電一體化技術(shù),最早提及機(jī)電一體化技術(shù)是在上世紀(jì)七十年代初期一家日本雜志《機(jī)械設(shè)計(jì)》中所刊登的一篇文章當(dāng)中,一經(jīng)出現(xiàn)就引起了各界的關(guān)注,并在計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展下,機(jī)電一體化技術(shù)不斷改進(jìn)和完善,如今的機(jī)電一體化技術(shù)已經(jīng)成為集合機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)優(yōu)勢為一身的新型綜合技術(shù)[1]。如圖1所示:
3 機(jī)電一體化基礎(chǔ)技術(shù)分類
3.1 集成制造技術(shù)
機(jī)電一體化技術(shù)當(dāng)中,集成制造技術(shù)主要是指借助計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來進(jìn)行人力。生產(chǎn)控制與各項(xiàng)生產(chǎn)管理的集成化,使之形成整體,針對(duì)原材料、生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品出貨全流程進(jìn)行一體化控制。目前,在機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域已基本實(shí)現(xiàn)了信息化與自動(dòng)化發(fā)展,但其中仍然存在一部分自動(dòng)化孤島的問題[2]。
3.2 變流傳動(dòng)技術(shù)
交流傳動(dòng)技術(shù)有著較為明顯的高承載性、高適應(yīng)性以及高穩(wěn)定性特點(diǎn),其能夠有效抑制外界信號(hào)所產(chǎn)生的干擾影響。而且借助于電力電子與微電子技術(shù)的有效應(yīng)用,能夠提高交流傳動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用效果,從而整體上提高機(jī)械設(shè)計(jì)制造相關(guān)設(shè)備運(yùn)行的安全性[3]。
3.3 現(xiàn)場總線技術(shù)
現(xiàn)場總線技術(shù)主要是指利用集中化控制系統(tǒng)來進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)制造當(dāng)中所應(yīng)用各項(xiàng)設(shè)備、儀器儀表的信息采集和傳遞,其能夠應(yīng)用在機(jī)械設(shè)計(jì)制造自動(dòng)化與過程自動(dòng)化等多個(gè)領(lǐng)域的現(xiàn)場智能儀器設(shè)備,屬于一項(xiàng)良好的通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。以往信號(hào)傳輸方式主要是采用有線電纜傳輸,不但需要提前進(jìn)行大量纜線的敷設(shè),同時(shí)也存在很高的安全隱患。而現(xiàn)場總線技術(shù)則可以借助于無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)制造相關(guān)設(shè)備信息的雙向快速傳遞,提高了信號(hào)的傳輸速度和利用率[4]。
4 機(jī)電一體化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用
4.1 傳感設(shè)備中的應(yīng)用
機(jī)電一體化系統(tǒng)當(dāng)中所應(yīng)用的傳感器擔(dān)負(fù)的是進(jìn)行信息傳遞的功能作用,其不但能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)當(dāng)中多類信號(hào)的采集和輸送,同時(shí)還能確保不同元件都能夠按照正常的程序來運(yùn)行。所以,機(jī)電一體化技術(shù)在傳感器當(dāng)中的應(yīng)用,可做到機(jī)械設(shè)備、通信系統(tǒng)與執(zhí)行系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)配合,提高信息的傳輸速度和信息傳輸安全,提升訊息傳輸?shù)臏?zhǔn)確率。如圖2所示:
例如,在進(jìn)行汽車零部件加工切削過程當(dāng)中,對(duì)于其切削設(shè)備,很多汽車零部件生產(chǎn)質(zhì)量和整體機(jī)械設(shè)備運(yùn)行精準(zhǔn)度有著直接的關(guān)系,需要同時(shí)考慮能力水平和工作狀態(tài)等人為主觀因素對(duì)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行所產(chǎn)生的影響[5]。如果以傳統(tǒng)人工操作控制方式來進(jìn)行設(shè)備精度的操控和調(diào)整,往往容易出現(xiàn)一些失誤,導(dǎo)致所加工零部件無法滿足汽車生產(chǎn)制造的相關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。而應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù),則可以借助具備更強(qiáng)靈敏度的傳感器來執(zhí)行設(shè)備回轉(zhuǎn)系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及溫度系統(tǒng)的檢測功能,同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)不同工作參數(shù)數(shù)據(jù)在機(jī)械控制系統(tǒng)當(dāng)中的傳輸,從而做到對(duì)相關(guān)加工機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化控制,既能夠有效提升其自動(dòng)化水平,減少人為因素而導(dǎo)致出現(xiàn)誤差的概率,同時(shí)還可以提高機(jī)械設(shè)備在實(shí)際操作當(dāng)中的生產(chǎn)精度,對(duì)汽車零部件的加工品質(zhì)有著良好的促進(jìn)作用[6]。
4.2 動(dòng)力部件中的應(yīng)用
機(jī)械設(shè)計(jì)制造過程當(dāng)中所應(yīng)用的機(jī)械設(shè)備往往需要借助大量的能源來保持穩(wěn)定的動(dòng)能,這就意味著傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備往往能耗較大,但其生產(chǎn)效率較低。所以,在機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與制造時(shí),需注重控制設(shè)備能源的消耗問題。例如汽車制造生產(chǎn)過程當(dāng)中,所使用的液壓機(jī)是一種相對(duì)較為傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備,液壓機(jī)主要是以液體來做為介質(zhì)進(jìn)行動(dòng)能傳遞,從而實(shí)現(xiàn)壓制工藝的運(yùn)行,但液壓機(jī)運(yùn)行過程中有近30%的能量利用率限制了整體生產(chǎn)的效率,而采用機(jī)電一體化技術(shù)進(jìn)行壓機(jī)操控則能夠?qū)崿F(xiàn)利用額外電子調(diào)速器來提高設(shè)備的轉(zhuǎn)速與壓力值等相關(guān)參數(shù)的控制精度,從而最大程度上降低設(shè)備運(yùn)行的能耗,而且對(duì)汽車部件的加工效果,以及整體效率都有著大幅度的增長[7]。
4.3 數(shù)控設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
數(shù)控設(shè)計(jì)大多數(shù)是應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床等機(jī)械設(shè)計(jì)當(dāng)中,能夠從技術(shù)層面促進(jìn)機(jī)械制造領(lǐng)域的創(chuàng)新改革,但其整體工藝流程相對(duì)較為繁瑣,執(zhí)行效率較低,這也對(duì)數(shù)控技術(shù)整體發(fā)展和技術(shù)水平的提升產(chǎn)生了一定的限制。所以,利用機(jī)電一體化技術(shù)在數(shù)控設(shè)計(jì)當(dāng)中的應(yīng)用,能夠有效解決部分?jǐn)?shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)所存在的缺陷問題,從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)的智能化處理。例如,在汽車零部件加工過程當(dāng)中,其所使用的數(shù)控機(jī)床在切削精度和換刀方面有著一定的缺陷,而利用機(jī)電一體化技術(shù)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀功能的應(yīng)用,從而提高設(shè)備的使用率[8]。
4.4 監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用
機(jī)電一體化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域當(dāng)中的應(yīng)用,除能夠發(fā)揮其提高生產(chǎn)制造精度優(yōu)勢之外,還可以針對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造相關(guān)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以及生產(chǎn)加工實(shí)際進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。借助于監(jiān)控設(shè)備,能夠仔細(xì)監(jiān)測整個(gè)生產(chǎn)制造過程當(dāng)中機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)和參數(shù)數(shù)據(jù),并及時(shí)發(fā)現(xiàn)其中異常狀態(tài),將所采集的故障信息快速傳遞給操控系統(tǒng),并對(duì)技術(shù)人員發(fā)出預(yù)警,使技術(shù)人員能夠在最短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行故障問題的診斷和排除,降低故障發(fā)生率,同時(shí)也能夠減少由于故障而引發(fā)的不良影響。其主要發(fā)揮功能作用的部分是自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)以及故障排查系統(tǒng),自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)針對(duì)機(jī)械內(nèi)部系統(tǒng)的運(yùn)行,一旦發(fā)現(xiàn)故障隱患,可快速做出反應(yīng)。而故障排查功能則需要技術(shù)人員提前輸入相關(guān)程序指令,利用高效化與標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)運(yùn)行來充分提高運(yùn)行問題的處理效率[9]。
4.5 產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用
在現(xiàn)代信息技術(shù)、智能化技術(shù)與先進(jìn)科技智能化設(shè)備的廣泛應(yīng)用下,人們的生活方式逐漸發(fā)生了巨大的變化,其現(xiàn)代化功能越來越完善,而在這個(gè)過程當(dāng)中,傳統(tǒng)工程機(jī)械設(shè)計(jì)制造產(chǎn)品已經(jīng)逐漸無法滿足當(dāng)前人們的消費(fèi)需求,對(duì)于工程機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā),也逐漸向著智能化方向邁進(jìn)。而通過機(jī)電一體化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造產(chǎn)品開發(fā)當(dāng)中的應(yīng)用,能夠有效提高這些產(chǎn)品種類和性能以及功能的豐富化,結(jié)合當(dāng)前市場實(shí)際、發(fā)展動(dòng)態(tài)和具體要求,設(shè)計(jì)和開發(fā)出具備特定性能與功能的現(xiàn)代化產(chǎn)品。
例如,在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中運(yùn)用機(jī)電一體化技術(shù),可設(shè)計(jì)出用于降低燃料成本的發(fā)動(dòng)機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng)原理圖,發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元核心主要是利用微處理器或?qū)iT進(jìn)行汽車發(fā)動(dòng)機(jī)專用大規(guī)模集成線路設(shè)計(jì),利用多個(gè)傳感器來獲取模擬電壓信號(hào),并從發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸得到準(zhǔn)確的脈沖信號(hào),將其輸入ECU當(dāng)中進(jìn)行模擬,信號(hào)通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),以此相關(guān)信號(hào)為基礎(chǔ)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣燃料比、排氣循環(huán)率、點(diǎn)火時(shí)間的準(zhǔn)確計(jì)算,并以計(jì)算結(jié)果為依據(jù)進(jìn)行燃料噴射閥與點(diǎn)火裝置驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出控制,達(dá)到合理進(jìn)行空氣燃料比控制的效果。在空氣燃料比控制最佳狀態(tài)當(dāng)中,對(duì)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、預(yù)熱、加速、減速、制動(dòng)、空轉(zhuǎn)等多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)保持正常負(fù)荷有著良好的效果。
5 機(jī)電一體化技術(shù)未來發(fā)展趨勢
5.1 智能化
對(duì)于計(jì)算機(jī)未來的發(fā)展而言,人工智能必然是其新的研究領(lǐng)域,同時(shí)也是智能制造未來的發(fā)展趨勢之一。機(jī)械設(shè)計(jì)制造智能化水平也會(huì)越來越高,從而能夠根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)制造相關(guān)操作需求,融合人工智能技術(shù)來實(shí)現(xiàn)操作者思維和操作邏輯的模擬,實(shí)現(xiàn)智能化操控。我國部分經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)地區(qū)的機(jī)械設(shè)計(jì)制造企業(yè)已經(jīng)逐步開始著手進(jìn)行生產(chǎn)線智能化技術(shù)的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。例如。廣東省部分機(jī)械制造企業(yè)在進(jìn)行汽車零部件加工過程當(dāng)中,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了部分流水線的人工智能操作,如圖3所示:
其引進(jìn)了智能操作臂來進(jìn)行配件的組裝,這種人工智能技術(shù)能夠具備一定的自主獲取信息、分析信息和邏輯判斷信息,以及自主決策并生成操作指令的功能,甚至可以具備自主學(xué)習(xí)的功能,能夠大大提升機(jī)械設(shè)計(jì)制造產(chǎn)品生產(chǎn)效率。而且可以針對(duì)設(shè)計(jì)圖紙當(dāng)中所存在的一些錯(cuò)誤進(jìn)行自動(dòng)修正,從而提高機(jī)械設(shè)計(jì)制造的精度,這對(duì)于中國制造恢弘目標(biāo)的制定來講,智能化必然是其未來發(fā)展的趨勢和方向之一[10]。
5.2 綠色化
經(jīng)濟(jì)與技術(shù)水平的不斷進(jìn)步下,對(duì)能源與資源的消耗量也急劇增長,同時(shí)對(duì)生態(tài)環(huán)境也產(chǎn)生了一定的污染影響。為此,國家積極提出節(jié)能、降耗、減排等環(huán)保理念,并大力提倡節(jié)能技術(shù)的研究,如今,節(jié)能降耗已經(jīng)成為我國工業(yè)制造業(yè)未來發(fā)展當(dāng)中必不可少的一項(xiàng)重點(diǎn)考慮因素。而機(jī)械設(shè)備當(dāng)中對(duì)于機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用也得到了一些節(jié)能效果,但其并不意味著機(jī)電一體化已經(jīng)是綠色化發(fā)展方向的全部,未來機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用下的機(jī)械設(shè)計(jì)與制造相關(guān)設(shè)備,不但能夠發(fā)揮其強(qiáng)大性能以及智能化優(yōu)勢,幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)材料的最大化利用和能源與資源的節(jié)約,同時(shí)還能夠借助其強(qiáng)大的自動(dòng)化功能來解放大量的人力資源和經(jīng)濟(jì)成本。但要想達(dá)到這一效果,還需要在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)充分運(yùn)用新材料、新工藝,加大環(huán)保材料的應(yīng)用和可回收與可再利用材料的使用研究,這也是機(jī)械設(shè)備未來發(fā)展的方向之一。
6 結(jié)束語
結(jié)合上述文章內(nèi)容所述,制造業(yè)的快速發(fā)展能夠?yàn)槿藗凅w驗(yàn)到現(xiàn)代化、智能化生活提供有力的物質(zhì)支持,而機(jī)電一體化技術(shù)則是能夠促進(jìn)制造業(yè)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化、自動(dòng)化與機(jī)械化的關(guān)鍵技術(shù),可以說,在現(xiàn)代尖端科技快速進(jìn)步的新時(shí)代,機(jī)電一體化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化,未來必然也會(huì)實(shí)現(xiàn)智能化,這也是科技文明不斷發(fā)展的必然結(jié)果。一方面,機(jī)電一體化技術(shù)能夠有效提高機(jī)械設(shè)計(jì)與制造的生產(chǎn)效率,在生產(chǎn)技術(shù)水平方面有著巨大的提升空間。另一方面,還能夠有效節(jié)省社會(huì)與自然資源,提高其綠色化生產(chǎn)水平。目前我國對(duì)于機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用仍處在初期階段,雖然已經(jīng)積累了一定的經(jīng)驗(yàn),但仍需在不斷實(shí)踐中予以改進(jìn),從而充分發(fā)揮機(jī)電一體化技術(shù)優(yōu)勢,使其成為推動(dòng)我國制造業(yè)向著智能化、現(xiàn)代化方向發(fā)展的基石。
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