機(jī)電技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的整合研究

楊 宏

（武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北·武漢 430205）

0 引言

步入21世紀(jì)，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)、科技發(fā)展水平已逐步持平于許多發(fā)達(dá)國(guó)家。而多領(lǐng)域的融合與發(fā)展，使得工業(yè)生產(chǎn)、設(shè)計(jì)技術(shù)不斷革新，實(shí)現(xiàn)新一輪的產(chǎn)業(yè)革命。加之計(jì)算機(jī)技術(shù)的引入，使得生產(chǎn)全面機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化，形成計(jì)算機(jī)與自動(dòng)化的雙向發(fā)展，各企業(yè)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)以及管理的一體化，有效提升了我國(guó)實(shí)體制造行業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)力。

1 機(jī)電技術(shù)概述

機(jī)電技術(shù)的發(fā)展建立在計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，并迅速滲透至機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)之上。機(jī)電技術(shù)綜合應(yīng)用機(jī)械技術(shù)、計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)、傳感檢測(cè)技術(shù)、伺服傳動(dòng)技術(shù)、微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)以及軟件編程技術(shù)等，以系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)，根據(jù)系統(tǒng)功能的目標(biāo)和優(yōu)化智能組織的目標(biāo)，從智能、動(dòng)力、結(jié)構(gòu)以及感覺(jué)這四個(gè)方面的組成要素以及信息的傳遞與處理出發(fā)，對(duì)接口耦合、傳動(dòng)、能量與信號(hào)的轉(zhuǎn)換、信息通道等進(jìn)行研究，使得整個(gè)系統(tǒng)形成一個(gè)“有機(jī)綜合體”；“綜合體”在硬件電路以及軟件程序?qū)﹄娮有盘?hào)流的控制下，形成機(jī)電設(shè)備的有規(guī)則運(yùn)動(dòng)，并擁有高性能、高質(zhì)量、高精度、高可靠性、低能耗等眾多優(yōu)點(diǎn)，有著非常高的經(jīng)濟(jì)效益。

2 機(jī)電技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)整合的意義與可能性

通常，一門新技術(shù)的誕生需要兩個(gè)條件——科技進(jìn)步以及社會(huì)的需求。沒(méi)有科技上的突破，任何設(shè)計(jì)都成了幻想；沒(méi)有社會(huì)需求，科研也就失去了其價(jià)值。這項(xiàng)定律也同樣適用于機(jī)電一體化技術(shù)，機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、微電子技術(shù)、集成電路技術(shù)等，為機(jī)電一體化技術(shù)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；而在生產(chǎn)、生活中，人們對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量、品種的需求也為機(jī)電一體化技術(shù)的誕生提供了實(shí)踐條件。

從科技的角度來(lái)看，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展極為迅速，下屬分支方向眾多，有著許多可以應(yīng)用于機(jī)電一體化技術(shù)的類別，例如人工智能算法、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、集成制造系統(tǒng)等。由于硬件的限制，機(jī)電設(shè)備與計(jì)算機(jī)相比存在著很多的不足，而計(jì)算機(jī)技術(shù)則可以彌補(bǔ)生產(chǎn)設(shè)備的不足，為機(jī)電一體化技術(shù)注入活力。此外，作為一種溝通橋梁，通訊技術(shù)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)的成熟以及大規(guī)模集成電路、微芯片計(jì)算能力的發(fā)展，也使得機(jī)電技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的整合成為可能。以圖像識(shí)別來(lái)說(shuō)，對(duì)于復(fù)雜圖像的識(shí)別通常需要較新的算法以及超大規(guī)模的算力，而機(jī)電設(shè)備本身并不帶計(jì)算功能，或是計(jì)算能力難以滿足實(shí)際需求。對(duì)此，與其開發(fā)具有更高新算法、算力的機(jī)電設(shè)備，不如結(jié)合一臺(tái)性價(jià)比較高的計(jì)算機(jī)；并且計(jì)算機(jī)技術(shù)也可以拓展大數(shù)據(jù)系統(tǒng)、開發(fā)相應(yīng)的軟件來(lái)支撐識(shí)別系統(tǒng)，系統(tǒng)也更加穩(wěn)定、靈活。對(duì)于通信方面，采用I2C、SPI協(xié)議或其他串口，也能很好地解決機(jī)電設(shè)備和計(jì)算機(jī)的通訊問(wèn)題，并且這種通訊技術(shù)還在不斷革新，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、5G技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸速度、信息流量也會(huì)不斷增大，甚至永無(wú)止境。

3 機(jī)電技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)整合所要解決的兩個(gè)技術(shù)問(wèn)題

3.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

當(dāng)前，從大型工業(yè)生產(chǎn)到小戶型智能家居，機(jī)電一體化產(chǎn)品的種類十分豐富，盡管其應(yīng)用方向不同，但是計(jì)算機(jī)和機(jī)電一體化產(chǎn)品的特性決定了它們?cè)谙到y(tǒng)集成中的地位和功能是一致的。機(jī)電一體化產(chǎn)品都是以機(jī)械設(shè)備、傳感設(shè)備等操作性設(shè)備為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以電子設(shè)備為控制機(jī)構(gòu)。而計(jì)算機(jī)技術(shù)和機(jī)電一體化技術(shù)整合后，機(jī)電產(chǎn)品則應(yīng)具有一定的獨(dú)立執(zhí)行能力，另外引入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為整個(gè)集成系統(tǒng)的調(diào)度、檢測(cè)、控制機(jī)構(gòu)。在集成系統(tǒng)中，機(jī)電產(chǎn)品只需要接收向下指令、完成自身的任務(wù)并反饋?zhàn)陨頎顟B(tài)；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)收發(fā)各個(gè)執(zhí)行系統(tǒng)的調(diào)度指令和反饋信息，規(guī)劃整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的資源進(jìn)行規(guī)劃。這樣的系統(tǒng)模塊化程度較高，降低了維修與保養(yǎng)的工作量。首先，在復(fù)雜的集成系統(tǒng)中，對(duì)單個(gè)機(jī)電產(chǎn)品的要求進(jìn)一步降低，這些設(shè)備不再需要協(xié)同作業(yè)，不需要與其他設(shè)備的通信功能，完成自身的任務(wù)即可。其次，在機(jī)電設(shè)備發(fā)生故障后，只需更換具體的故障部件，對(duì)整體生產(chǎn)系統(tǒng)的影響很小，不必因單設(shè)備損壞就導(dǎo)致整個(gè)工廠停工，維修成本低，也降低了停工損失。此外，模塊化的另一個(gè)好處是便于進(jìn)行后期的升級(jí)處理，可以對(duì)系統(tǒng)中的任何老舊、技術(shù)落后的機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)行更換；更換新機(jī)電產(chǎn)品只需連上接口即可，對(duì)于機(jī)電產(chǎn)品的更新或是升級(jí)整個(gè)系統(tǒng)的控制模式都十分地方便、快捷。

3.2 通信協(xié)議的選擇

計(jì)算機(jī)技術(shù)和機(jī)電一體化技術(shù)的整合與計(jì)算機(jī)和機(jī)電設(shè)備之間的相互交流是密不可分的，是首先需要解決的問(wèn)題。例如，一個(gè)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)需要了解各個(gè)機(jī)電一體化設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、性能以及參數(shù)等，或者對(duì)機(jī)電產(chǎn)品的運(yùn)行進(jìn)行控制；在大規(guī)模生產(chǎn)中，有時(shí)還會(huì)要求這種監(jiān)測(cè)、控制有一定的即時(shí)性。因此，就要根據(jù)實(shí)際需要來(lái)選擇何種通信協(xié)議，從兩個(gè)角度對(duì)此問(wèn)題展開思考。一方面是標(biāo)準(zhǔn)化通訊協(xié)議，即采用標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。其優(yōu)點(diǎn)是可以保持高度的兼容性，能與大多數(shù)的機(jī)電設(shè)備很好地連接。具體是將機(jī)電設(shè)備做成較小規(guī)模的可替換模塊，提供滿足這些模塊支持的接口。只要符合這個(gè)接口，安裝相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，就能將任意一個(gè)模塊接入到整個(gè)集成系統(tǒng)中。同時(shí)，這也使得用戶有了更多的選擇，維護(hù)成本也更加低廉。例如，空調(diào)暖風(fēng)系統(tǒng)、燈具系統(tǒng)，這些智能產(chǎn)品都可以集成到企業(yè)的服務(wù)器主機(jī)上，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制。另一方面是個(gè)性化通訊協(xié)議，采用適合企業(yè)自身的通訊協(xié)議，創(chuàng)建一個(gè)封閉的系統(tǒng)。個(gè)性化協(xié)議有著較強(qiáng)的針對(duì)性，機(jī)電設(shè)備設(shè)計(jì)、制造乃至應(yīng)用企業(yè)都可以更加專注于優(yōu)化產(chǎn)品的性能，而不必考慮兼容性、協(xié)議升級(jí)等問(wèn)題等。另外，如果機(jī)電設(shè)備的制造商想要獲得更高的競(jìng)爭(zhēng)力，那么這樣的封閉系統(tǒng)可以保證產(chǎn)品的獨(dú)特性，其他廠商難以復(fù)制相同的技術(shù)，從而獲得更高的利潤(rùn)。

4 計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的作用

4.1 計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的應(yīng)用

隨著IT的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)被越來(lái)越多的應(yīng)用于機(jī)電設(shè)備，在機(jī)電一體化中的發(fā)展已較為綜合、全面。計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、輔助制造技術(shù)（CAM）以及輔助工藝設(shè)計(jì)（CAPP）等應(yīng)用，在生產(chǎn)過(guò)程中主要作為機(jī)電設(shè)備運(yùn)行的輔助技術(shù)而存在：（1）CAD技術(shù)即在工程和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算、比較與分析，繪圖、模型制作，信息管理與儲(chǔ)存等工作。（2）CAM指利用計(jì)算機(jī)通過(guò)各種信息、數(shù)值來(lái)控制生產(chǎn)、加工機(jī)床和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的制造過(guò)程；作為CAD的制造技術(shù)支撐的CAM，能夠保證在機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中的自動(dòng)化和信息化水平，顯著提升企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量，提升生產(chǎn)效率，降低管理成本。（3）CAPP是機(jī)電一體化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的重要組成部分。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，工藝設(shè)計(jì)主要是關(guān)于制造過(guò)程的工藝、技術(shù)等進(jìn)行管理、優(yōu)化以及合理配置；CAPP就是完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息向制造信息傳遞的過(guò)程，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)規(guī)劃以及實(shí)際的生產(chǎn)情況進(jìn)行工藝分析，合理地配置原材料、生產(chǎn)設(shè)備、工藝順序等生產(chǎn)工藝方面的因素，在達(dá)到技術(shù)指標(biāo)的前提下，實(shí)現(xiàn)工藝效益的最大化。

4.2 計(jì)算機(jī)集成系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì)

在計(jì)算機(jī)集成系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì)中，計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）是計(jì)算機(jī)技術(shù)與機(jī)電一體化技術(shù)整合的主要應(yīng)用；CIMS即綜合利用多種計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，將輔助設(shè)計(jì)、輔助制造以及輔助工藝設(shè)計(jì)技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，形成適用于多品種、大規(guī)模或小批量產(chǎn)品生產(chǎn)的智能化制造系統(tǒng)，保證了一體化設(shè)計(jì)的技術(shù)含量。柔性制造系統(tǒng)是當(dāng)前集成系統(tǒng)發(fā)展的一大趨勢(shì)，這一模式對(duì)促進(jìn)集成制造系統(tǒng)的靈活性和智能化程度的提升起著重要作用，其主要原因在于柔性制造系統(tǒng)就是利用信息化分析處理技術(shù)，來(lái)處理各種設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程中的實(shí)際信息與數(shù)據(jù)，掌握生產(chǎn)過(guò)程中的各項(xiàng)柔性因素，提升柔性系數(shù)，實(shí)現(xiàn)初步的智能化生產(chǎn)。在機(jī)電一體化應(yīng)用領(lǐng)域，技術(shù)人員常常將集成系統(tǒng)與柔性制造系統(tǒng)相結(jié)合，形成柔性集成制造系統(tǒng)，以此來(lái)發(fā)展自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備的控制技術(shù)，完成計(jì)算機(jī)輔助一體化生產(chǎn)系統(tǒng)的開發(fā)、研究與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造到成型全過(guò)程的信息化，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

在供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的新時(shí)期背景下，如果提升產(chǎn)品質(zhì)量是我國(guó)實(shí)體制造業(yè)的主要研究問(wèn)題之一。機(jī)電一體化技術(shù)的革新與發(fā)展便是解決這個(gè)問(wèn)題的最好途徑。因此，要做好計(jì)算機(jī)技術(shù)與機(jī)電一體化技術(shù)的整合研究，開發(fā)生產(chǎn)更高效、更高質(zhì)量的機(jī)電產(chǎn)品，從而提升“中國(guó)制造”的形象地位。