機電技術(shù)與計算機技術(shù)的整合研究

楊 宏

（武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學院 湖北·武漢 430205）

0 引言

步入21世紀，我國的經(jīng)濟、科技發(fā)展水平已逐步持平于許多發(fā)達國家。而多領(lǐng)域的融合與發(fā)展，使得工業(yè)生產(chǎn)、設(shè)計技術(shù)不斷革新，實現(xiàn)新一輪的產(chǎn)業(yè)革命。加之計算機技術(shù)的引入，使得生產(chǎn)全面機械化、自動化、智能化，形成計算機與自動化的雙向發(fā)展，各企業(yè)實現(xiàn)設(shè)計、生產(chǎn)以及管理的一體化，有效提升了我國實體制造行業(yè)的綜合競爭力。

1 機電技術(shù)概述

機電技術(shù)的發(fā)展建立在計算機技術(shù)飛速發(fā)展，并迅速滲透至機械工業(yè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)之上。機電技術(shù)綜合應用機械技術(shù)、計算機與信息技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)、傳感檢測技術(shù)、伺服傳動技術(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)功能的目標和優(yōu)化智能組織的目標，從智能、動力、結(jié)構(gòu)以及感覺這四個方面的組成要素以及信息的傳遞與處理出發(fā)，對接口耦合、傳動、能量與信號的轉(zhuǎn)換、信息通道等進行研究，使得整個系統(tǒng)形成一個“有機綜合體”；“綜合體”在硬件電路以及軟件程序?qū)﹄娮有盘柫鞯目刂葡拢纬蓹C電設(shè)備的有規(guī)則運動，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，有著非常高的經(jīng)濟效益。

2 機電技術(shù)與計算機技術(shù)整合的意義與可能性

通常，一門新技術(shù)的誕生需要兩個條件——科技進步以及社會的需求。沒有科技上的突破，任何設(shè)計都成了幻想；沒有社會需求，科研也就失去了其價值。這項定律也同樣適用于機電一體化技術(shù)，機械技術(shù)、電子技術(shù)、微電子技術(shù)、集成電路技術(shù)等，為機電一體化技術(shù)奠定了堅實的基礎(chǔ)；而在生產(chǎn)、生活中，人們對產(chǎn)品的質(zhì)量、品種的需求也為機電一體化技術(shù)的誕生提供了實踐條件。

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

3 機電技術(shù)與計算機技術(shù)整合所要解決的兩個技術(shù)問題

3.1 系統(tǒng)框架設(shè)計

當前，從大型工業(yè)生產(chǎn)到小戶型智能家居，機電一體化產(chǎn)品的種類十分豐富，盡管其應用方向不同，但是計算機和機電一體化產(chǎn)品的特性決定了它們在系統(tǒng)集成中的地位和功能是一致的。機電一體化產(chǎn)品都是以機械設(shè)備、傳感設(shè)備等操作性設(shè)備為執(zhí)行機構(gòu)，以電子設(shè)備為控制機構(gòu)。而計算機技術(shù)和機電一體化技術(shù)整合后，機電產(chǎn)品則應具有一定的獨立執(zhí)行能力，另外引入計算機系統(tǒng)為整個集成系統(tǒng)的調(diào)度、檢測、控制機構(gòu)。在集成系統(tǒng)中，機電產(chǎn)品只需要接收向下指令、完成自身的任務(wù)并反饋自身狀態(tài)；計算機系統(tǒng)收發(fā)各個執(zhí)行系統(tǒng)的調(diào)度指令和反饋信息，規(guī)劃整個生產(chǎn)系統(tǒng)的資源進行規(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，在復雜的集成系統(tǒng)中，對單個機電產(chǎn)品的要求進一步降低，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，在機電設(shè)備發(fā)生故障后，只需更換具體的故障部件，對整體生產(chǎn)系統(tǒng)的影響很小，不必因單設(shè)備損壞就導致整個工廠停工，維修成本低，也降低了停工損失。此外，模塊化的另一個好處是便于進行后期的升級處理，可以對系統(tǒng)中的任何老舊、技術(shù)落后的機電產(chǎn)品進行更換；更換新機電產(chǎn)品只需連上接口即可，對于機電產(chǎn)品的更新或是升級整個系統(tǒng)的控制模式都十分地方便、快捷。

3.2 通信協(xié)議的選擇

計算機技術(shù)和機電一體化技術(shù)的整合與計算機和機電設(shè)備之間的相互交流是密不可分的，是首先需要解決的問題。例如，一個計算機集成制造系統(tǒng)，計算機需要了解各個機電一體化設(shè)備的運轉(zhuǎn)狀態(tài)、性能以及參數(shù)等，或者對機電產(chǎn)品的運行進行控制；在大規(guī)模生產(chǎn)中，有時還會要求這種監(jiān)測、控制有一定的即時性。因此，就要根據(jù)實際需要來選擇何種通信協(xié)議，從兩個角度對此問題展開思考。一方面是標準化通訊協(xié)議，即采用標準通信協(xié)議。其優(yōu)點是可以保持高度的兼容性，能與大多數(shù)的機電設(shè)備很好地連接。具體是將機電設(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。只要符合這個接口，安裝相應的驅(qū)動程序，就能將任意一個模塊接入到整個集成系統(tǒng)中。同時，這也使得用戶有了更多的選擇，維護成本也更加低廉。例如，空調(diào)暖風系統(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)器主機上，實現(xiàn)系統(tǒng)控制。另一方面是個性化通訊協(xié)議，采用適合企業(yè)自身的通訊協(xié)議，創(chuàng)建一個封閉的系統(tǒng)。個性化協(xié)議有著較強的針對性，機電設(shè)備設(shè)計、制造乃至應用企業(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)議升級等問題等。另外，如果機電設(shè)備的制造商想要獲得更高的競爭力，那么這樣的封閉系統(tǒng)可以保證產(chǎn)品的獨特性，其他廠商難以復制相同的技術(shù)，從而獲得更高的利潤。

4 計算機技術(shù)對機電一體化產(chǎn)品設(shè)計與生產(chǎn)的作用

4.1 計算機輔助技術(shù)的應用

隨著IT的發(fā)展，計算機輔助技術(shù)被越來越多的應用于機電設(shè)備，在機電一體化中的發(fā)展已較為綜合、全面。計算機輔助技術(shù)包括計算機輔助設(shè)計（CAD）、輔助制造技術(shù)（CAM）以及輔助工藝設(shè)計（CAPP）等應用，在生產(chǎn)過程中主要作為機電設(shè)備運行的輔助技術(shù)而存在：（1）CAD技術(shù)即在工程和產(chǎn)品的設(shè)計階段，設(shè)計人員利用計算機進行計算、比較與分析，繪圖、模型制作，信息管理與儲存等工作。（2）CAM指利用計算機通過各種信息、數(shù)值來控制生產(chǎn)、加工機床和設(shè)備，實現(xiàn)全自動的制造過程；作為CAD的制造技術(shù)支撐的CAM，能夠保證在機電一體化的設(shè)計與制造過程中的自動化和信息化水平，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是機電一體化設(shè)計環(huán)節(jié)的重要組成部分。在設(shè)計過程中，工藝設(shè)計主要是關(guān)于制造過程的工藝、技術(shù)等進行管理、優(yōu)化以及合理配置；CAPP就是完成產(chǎn)品設(shè)計信息向制造信息傳遞的過程，通過計算機系統(tǒng)對生產(chǎn)規(guī)劃以及實際的生產(chǎn)情況進行工藝分析，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，在達到技術(shù)指標的前提下，實現(xiàn)工藝效益的最大化。

4.2 計算機集成系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計

在計算機集成系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計中，計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）是計算機技術(shù)與機電一體化技術(shù)整合的主要應用；CIMS即綜合利用多種計算機輔助技術(shù)的優(yōu)勢，將輔助設(shè)計、輔助制造以及輔助工藝設(shè)計技術(shù)有機地結(jié)合起來，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)計的技術(shù)含量。柔性制造系統(tǒng)是當前集成系統(tǒng)發(fā)展的一大趨勢，這一模式對促進集成制造系統(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)，來處理各種設(shè)備生產(chǎn)過程中的實際信息與數(shù)據(jù)，掌握生產(chǎn)過程中的各項柔性因素，提升柔性系數(shù)，實現(xiàn)初步的智能化生產(chǎn)。在機電一體化應用領(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)，以此來發(fā)展自動化生產(chǎn)設(shè)備的控制技術(shù)，完成計算機輔助一體化生產(chǎn)系統(tǒng)的開發(fā)、研究與應用，實現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計、制造到成型全過程的信息化，充分發(fā)揮計算機技術(shù)對機電一體化技術(shù)的優(yōu)勢。

5 結(jié)束語

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