機械設計制造中機電一體化的應用★

劉萬村，雍麗英，郝雙雙

（哈爾濱職業技術學院，黑龍江 哈爾濱 150000）

引言

近年來，隨著機械電子工程的蓬勃發展，機電一體化概念被提出，在機械設計制造領域中展露出廣泛應用前景，被業界一致視為創新舊有機械設計制造模式、實現智慧制造目標的關鍵。與此同時，機電一體化概念與相應技術的問世時間較晚，雖然得到大規模應用推廣，但機電一體化技術價值仍舊存在深度挖掘的空間，本文就此開展研究。

1 機電一體化在機械設計制造領域中的應用價值

1.1 提高機械制造精度

機電一體化系統的應用，逐漸取代了舊有的人工生產與控制方式，由系統自動執行預先導入的控制方案，隨著時間推移來逐項下達預控指令，或是在滿足觸發條件后執行對應控制指令，操縱機械手按特定軌跡、姿態進行運動，極大程度提高了機械制造精度。同時，機電一體化系統還具備修正功能，由傳感器跟蹤檢測機械臂的運動軌跡、位置與姿態等參數，對比輸出值與輸出值，根據二者偏差值來下達糾偏指令，始終維持較高的制造精度，避免參數誤差持續積累[1]。

1.2 減輕生產成本

在機械設計制造領域中，對機電一體化系統的應用，要求制造企業投入一定的前期成本，用于配置PLC 控制器、工業攝像頭、傳感器等硬件設備，以及開發軟件程序與操作系統。然而，從長遠發展角度來看，機電一體化系統將逐漸取代原有的人工生產方式，顯著減小勞動力成本占比，將機械制造成本控制在合理范圍內。同時，依托機電一體化系統，機械產品制造質量、總體生產能力將得到明顯提升，降低產品壞品率，加強產品的市場競爭力。

1.3 保證生產安全

在傳統機械制造模式中，由于現場環境復雜、生產條件惡劣，如果出現設備運行故障，或是工作人員采取錯誤操作行為，都有可能引發機械傷害、物體打擊等安全事故的出現，造成不必要的人員傷亡。而對機電一體化系統的應用，徹底改變了機械制造方式，在生產線上配備大量工業機器人，工作人員僅需提前編寫程序、導入控制方案與設定參數，持續監督機械制造情況，系統將通過自動控制執行機構開展動作的方式，徹底取代人工生產方式，盡管出現機械設備故障、失控問題，也不會造成人員傷亡。

1.4 適應不同作業要求

在傳統機械制造模式中，如果作業條件、要求和制造產品種類發生變化，需要重復開展人員調整、機具設備切換調試等準備工作，方可繼續開展生產作業，對生產效率造成明顯影響，生產線在一段時間內處于閑置狀態。與此同時，對機電一體化技術的應用，憑借集成制造、伺服控制等技術手段，具備了實現柔性生產目標的前提條件。例如，提前編寫控制程序，配備具有較多運動自由度的工業機器人，在現場準備多種工具設備，在生產條件與產品種類發生改變時，自動調整工業機器人手爪運動軌跡與姿態，必要時換取對應種類工具，即可滿足實際作業需要，無須停止生產線[2]。

2 機電一體化概述

2.1 涵義

機電一體化由傳感檢測、交流傳動、伺服控制等組成，是具備環境感知、信息處理、遠程控制與決策分析等多項使用功能的控制系統。在系統運行期間，基于程序運行準則與環境感知結果，在無人工干預條件下采取步進、時序等方式來執行控制方案中設定的控制指令，操縱工業機器人、數控機床等終端設備開展動作。

2.2 組成要素

機電一體化系統主要由結構、動力、感知、運動和職能五項核心要素組成。第一，結構要素是實現系統功能與搭建系統結構的硬件設施，包括機械本體、控制器、機械軸等。第二，動力要素由動力驅動機構組成，保證系統穩定運行。第三，感知要素由多種類傳感器和攝像頭組成，幫助系統感知現場環境、檢測產品質量。第四，運動要素由機械臂等執行機構組成，負責執行系統下達的控制指令，在限定時間內開展規定動作。第五，職能要素由控制器與信息處理模塊組成，負責對所采集監測信號進行分析處理，根據分析結果來輸出對應控制指令，發揮自動控制、狀態監測等使用功能。

3 機電一體化在機械設計制造領域中的主要應用場景

3.1 數控機床

早期數控機床設備普遍存在功能單一、自動化程度低下、操作繁瑣的問題，要求工作人員手動完成排屑、更換刀具、主軸轉速參數調節等操作，數控機床使用效率低下，生產能力存在進一步提升的空間。對此，需要在數控機床場景中應用機電一體化系統，從技術層面上滿足數控機床自動化生產的前提條件，并在數控機床上加裝相應執行機構，由系統直接向各處執行機構下達控制指令，替代人工完成操作，把普通級數控機床加工精度提升至5 μm 水準，超精密級數控機床的加工精度更是提升至0.01 μm 水準。

例如，某制造企業在推行機電一體化系統的前提下，對老舊型號數控機床進行升級改造，加裝自動排屑裝置、變頻電動機、自動回轉刀架、伺服電機、編程控制器等硬件設備，由工作人員在編程控制器中設定加工信息，信息提交至邏輯電路中進行整合處理，轉換為控制信號。隨后，再將信號發送至自動回轉刀架、自動排屑裝置等執行機構，自動控制數控機床執行排屑、回轉刀架、更換刀具等操作，確保數控機床在無人工直接干預條件下可以連續完成工件的多道加工任務，這對提升機床數控化率、核心零部件加工效率乃至機械制造精度都有著十分重要的現實意義[3]。

3.2 運動控制

在運動控制場景中，機電一體化系統結構中加裝PLC 可編程邏輯控制器與傳感器，由傳感器上傳實時監測信號，對信號進行掃描讀取并存入I/O 映象區，獲取邏輯運算結果，準確描述機械設備執行機構的實時位置，再由PLC 控制器下達對應的控制指令，控制信號經由鎖存電路驅動執行機構，完成點對點運動、補間運動、多軸聯動或是螺線型運動的控制過程，控制執行機構以平穩狀態運行到指定位置。例如，由PLC 控制器同時向多個機械軸下達運動控制指令，控制一定數量的機械臂按預定軌跡移動至特定位置，保持各機械臂的協作狀態，避免機械臂相互碰撞、卡位，還可以通過調整運動速度等參數，確保各機械臂在同一時間抵達預定位置。

此外，機電一體化還可用于機械設計領域的運動控制場景中，在機械產品上加裝PLC 裝置，控制器在接收電信號后，再進入用戶程序執行和輸出刷新階段。例如，在研制某款垃圾壓縮車產品中，在車輛刮板部位加裝感應開關，在車輛控制系統加裝PLC 控制器，在刮板部位安裝壓力傳感器。在垃圾壓縮車使用期間，如果開關感應刮板到位，自動向控制器發送電信號，由控制器輸出刷新，經由鎖存電路控制滑板開展下行運動，并在滑板下行就位后反饋電信號，控制滑板正轉。同時，由壓力傳感器持續檢測刮板壓力，在刮板承受壓力未達到額定值時不采取控制動作，繼續保持刮板正轉狀態，而在刮板壓力值達到額定值后，再輸出電信號，由PLC 裝置輸出指令，控制滑板上行裝填垃圾[4]。

3.3 機械節能

在傳統機械制造模式中，采取人工控制方式，由工作人員根據自身工作經驗來主觀判斷現場環境、機械設備運行需要，對壓力、電流、電機轉速等運行參數進行調節，或是對機械設備運行模式進行切換。根據實際制造情況來看，受人為因素影響，部分運行參數沒有被調節至最佳數值，機械設備長時間處于滿載、超載運行狀態，設備實際運行能耗遠超過標準能耗，造成不必要的電力浪費，也在間接上增加了機械制造成本。

對此，需要應用到機電一體化技術，系統憑借傳感檢測、邏輯分析控制等功能，持續感知外部環境與設備運行狀態，自動下達控制指令來調節運行模式及參數量，實現能量調配、功率調節等目的，在不影響機械制造活動正常開展的前提下，將機械設備運行能耗控制在合理范圍內。與此同時，在機械設計期間，也可依托機電一體化系統來改善所研制機械產品的節能效果。例如，韓國大宇公司在所研制大宇工程機械上普遍搭載EPOS 電子動力優化系統，安裝微處理器，由處理器采集、處理實時監測信號，自動切換至恰當的動力模式，極大減少了工程機械油耗。

3.4 質量檢測

在機電一體化系統中搭載傳感器、工業攝像機、圖像采集卡等裝置，依托機器視覺與傳感檢測技術來實現自動檢測功能。在機械加工制造過程中，此類裝置持續對加工件與機械產品成品的幾何參數、外觀質量、色澤亮度進行全面檢測，對比拍攝圖像和標準圖像中的特征參數，根據對比結果，判斷產品質量是否達標，生成質量檢測報告，在報告中配合圖像來描述具體存在的質量問題，如工件表面疵點、工件幾何參數偏差等。

相比之下，傳統機械產品檢測方法以電子檢測儀檢測、游標卡尺檢測為主，由工作人員使用此類工具，逐項對加工件和機械產品進行測量讀數，判斷質量是否達標，有著檢測效率低下、檢測精度受人為主觀影響、肉眼難以發現全部工件疵點的局限性。

4 機電一體化在機械設計制造中的未來應用趨勢

4.1 智能化

推動機電一體化技術向智能化方向發展，應用到人工智能技術，以及BP 神經網絡、模糊邏輯推理、專家智庫等算法，把傳感器所采集監測信號上傳至數據分析模型當中，根據模型輸出結果，描述變量因素對系統運行狀態、控制效果和機械制造情況造成的具體影響，從專家智庫中調取同類型案例進行分析，在其基礎上由系統對原有機械制造方案內容進行調整，下達相應控制指令[5]。例如，在機電一體化系統中，列裝新型的PLC 可編程邏輯控制器來取代微處理器，PLC裝置具備強大的邏輯運算功能，既可以采取順序控制、步進控制等方式執行預先導入控制方案，還可以根據邏輯運算結果進行判斷推理、自主決策。

4.2 模塊化

制造企業應推動機電一體化技術向模塊化方向發展，統一各企業所開發機電一體化系統的規格標準，優先使用標準化與通用型號的機械本體、電子元件、零部件，企業可根據機械設計制造需要，選擇相應的機械本體、電子元件和現有軟件程序，將三者進行拼接組裝，即可搭建一套功能完善、運行穩定、具備良好擴展性能的機電一體化系統。同時，在所制造機械產品種類型號發生改變時，僅需對軟件程序和系統功能結構進行一定程度的調整，或是在系統中更換其他款式的電子元件、軟件程序，即可重新組裝成一套滿足實際制造需要的機電一體化系統。

4.3 電機綜合保護化

電機是機電一體化系統中的重要組成部分，電機運行狀況穩定與否，決定著系統使用功能能否得以正常發揮。根據系統實際運行情況來看，受到復雜作業條件和現場環境等多方面因素影響，偶爾出現短路、電源過載、失壓、欠壓等故障問題，干擾到機電一體化系統的整體運行狀況。對此，為保障系統安全、穩定運行，避免電機故障問題頻繁出現，需要推動技術朝向電機綜合保護化方向發展，同時采取短路保護、欠壓/失壓保護、過電流保護、過載保護等多項保護措施。

1）短路保護是加裝熔斷器裝置，在流通短路電流時，因工作溫度升高而觸發熔斷器，快速熔斷熔體來切斷電流。

2）欠壓保護是搭載電壓繼電器，在電壓檢測值超標時，裝置切斷動合/閉合觸點，即可切斷電源。

3）失壓保護是加裝繼電器以及接觸器，在出現市電停電、主電源故障等突發情況時，裝置在短時間內執行切斷電源、鎖定起重機、電動機停轉等操作，避免電機嚴重受損。

4）過電流保護是串接電流繼電器，預設安全電流值，對比實時電流值和額定值，在電流超標時執行保護動作，快速切斷電流。

5）過載保護是加裝熱繼電器，根據工作溫度來判斷電機是否過載，在溫度超標時切斷電源[6]。

5 結語

機電一體化技術的問世，推動我國從制造大國邁向制造強國，也為制造業產業結構升級轉型提供了新的契機。制造企業務必對機電一體化技術予以高度重視，深入了解機電一體化基礎技術及應用價值等各個地方的技術，對機電一體化技術有著全面、直觀且清晰的認識，在數控機床、運動控制、機械節能、質量檢測等場景中做到對技術的落地應用，依托技術打造一套全新的機械設計制造體系。