機電一體化技術在機械設計制造中的應用研究

沈陽

摘 要：機電一體化技術作為一項信息技術與機械技術的深度融合的新興技術，其在我國現代化建設當中發揮了巨大的作用。將機電一體化技術應用到機械設計制造當中，不但能夠實現產品小型化，同時也有助于生產力和生產效率的提升，在加工精度和產品安全性能方面也有著明顯的優勢和效果。為此，本篇文章首先介紹機電一體化技術及其應用優勢，再明確機電一體化基礎技術分類，最后針對機電一體化技術在機械設計制造中應用進行簡要論述，并簡單討論機電一體化未來的發展趨勢。

關鍵詞：機電一體化 機械設計制造 集成制造技術 數控設計

1 引言

目前我國制造業整體生產技術水平相比以往提升了一大截，其生產模式在信息技術與自動化技術的應用下也實現了升級改進，但其仍然存在材料利用率低、生產污染較大、智能化水平不足等諸多問題，在生產質量和生產效率上相比發達國家仍存在一定差距。而集合機械技術與信息技術優勢并不斷完善創新的機電一體化技術，在機械設計制造中的應用成為當前階段促進制造行業發展的必然選擇。為此，各制造企業需掌握機電一體化技術概念和應用優勢，明確機電一體化基礎技術分類，結合自身生產實際，尋找到更為符合自身實際需求的機電一體化技術應用方法，從而為機械設計制造行業的發展提供有力的技術支持。

2 機電一體化技術概述

事實上，我國相關技術領域對機電一體化技術并不陌生，其是屬于一種綜合了機械技術與電子技術的新型技術，其融合了信息技術、微電子技術、傳感技術、信號變換技術、自動控制技術與編程技術，集成了大規模電路和計算機系統功能優勢，很多現代化的生產設備都在不同程度上應用了機電一體化技術，最早提及機電一體化技術是在上世紀七十年代初期一家日本雜志《機械設計》中所刊登的一篇文章當中，一經出現就引起了各界的關注，并在計算機技術的快速發展下，機電一體化技術不斷改進和完善，如今的機電一體化技術已經成為集合機械技術、微電子技術、信息技術優勢為一身的新型綜合技術[1]。如圖1所示：

3 機電一體化基礎技術分類

3.1 集成制造技術

機電一體化技術當中，集成制造技術主要是指借助計算機系統來進行人力。生產控制與各項生產管理的集成化，使之形成整體，針對原材料、生產工藝、產品出貨全流程進行一體化控制。目前，在機械設計制造領域已基本實現了信息化與自動化發展，但其中仍然存在一部分自動化孤島的問題[2]。

3.2 變流傳動技術

交流傳動技術有著較為明顯的高承載性、高適應性以及高穩定性特點，其能夠有效抑制外界信號所產生的干擾影響。而且借助于電力電子與微電子技術的有效應用，能夠提高交流傳動技術的應用效果，從而整體上提高機械設計制造相關設備運行的安全性[3]。

3.3 現場總線技術

現場總線技術主要是指利用集中化控制系統來進行機械設計制造當中所應用各項設備、儀器儀表的信息采集和傳遞，其能夠應用在機械設計制造自動化與過程自動化等多個領域的現場智能儀器設備，屬于一項良好的通訊網絡技術。以往信號傳輸方式主要是采用有線電纜傳輸，不但需要提前進行大量纜線的敷設，同時也存在很高的安全隱患。而現場總線技術則可以借助于無線網絡實現機械設計制造相關設備信息的雙向快速傳遞，提高了信號的傳輸速度和利用率[4]。

4 機電一體化技術在機械設計制造中的應用

4.1 傳感設備中的應用

機電一體化系統當中所應用的傳感器擔負的是進行信息傳遞的功能作用，其不但能夠實現系統當中多類信號的采集和輸送，同時還能確保不同元件都能夠按照正常的程序來運行。所以，機電一體化技術在傳感器當中的應用，可做到機械設備、通信系統與執行系統之間的協調配合，提高信息的傳輸速度和信息傳輸安全，提升訊息傳輸的準確率。如圖2所示：

例如，在進行汽車零部件加工切削過程當中，對于其切削設備，很多汽車零部件生產質量和整體機械設備運行精準度有著直接的關系，需要同時考慮能力水平和工作狀態等人為主觀因素對機械設備運行所產生的影響[5]。如果以傳統人工操作控制方式來進行設備精度的操控和調整，往往容易出現一些失誤，導致所加工零部件無法滿足汽車生產制造的相關質量標準。而應用機電一體化技術，則可以借助具備更強靈敏度的傳感器來執行設備回轉系統與驅動系統以及溫度系統的檢測功能，同時還可實現不同工作參數數據在機械控制系統當中的傳輸，從而做到對相關加工機械設備的自動化控制，既能夠有效提升其自動化水平，減少人為因素而導致出現誤差的概率，同時還可以提高機械設備在實際操作當中的生產精度，對汽車零部件的加工品質有著良好的促進作用[6]。

4.2 動力部件中的應用

機械設計制造過程當中所應用的機械設備往往需要借助大量的能源來保持穩定的動能，這就意味著傳統機械設備往往能耗較大，但其生產效率較低。所以，在機械設備設計與制造時，需注重控制設備能源的消耗問題。例如汽車制造生產過程當中，所使用的液壓機是一種相對較為傳統的機械設備，液壓機主要是以液體來做為介質進行動能傳遞，從而實現壓制工藝的運行，但液壓機運行過程中有近30%的能量利用率限制了整體生產的效率，而采用機電一體化技術進行壓機操控則能夠實現利用額外電子調速器來提高設備的轉速與壓力值等相關參數的控制精度，從而最大程度上降低設備運行的能耗，而且對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 數控設計中的應用

數控設計大多數是應用于數控機床等機械設計當中，能夠從技術層面促進機械制造領域的創新改革，但其整體工藝流程相對較為繁瑣，執行效率較低，這也對數控技術整體發展和技術水平的提升產生了一定的限制。所以，利用機電一體化技術在數控設計當中的應用，能夠有效解決部分數控系統設計所存在的缺陷問題，從而實現機械設計的智能化處理。例如，在汽車零部件加工過程當中，其所使用的數控機床在切削精度和換刀方面有著一定的缺陷，而利用機電一體化技術可實現自動換刀功能的應用，從而提高設備的使用率[8]。

4.4 監控系統中的應用

機電一體化技術在機械設計制造領域當中的應用，除能夠發揮其提高生產制造精度優勢之外，還可以針對機械設計制造相關設備運行狀態以及生產加工實際進行實時的監控。借助于監控設備，能夠仔細監測整個生產制造過程當中機械設備運行的狀態和參數數據，并及時發現其中異常狀態，將所采集的故障信息快速傳遞給操控系統，并對技術人員發出預警，使技術人員能夠在最短時間內進行故障問題的診斷和排除，降低故障發生率，同時也能夠減少由于故障而引發的不良影響。其主要發揮功能作用的部分是自動報警系統以及故障排查系統，自動預警系統可實現針對機械內部系統的運行，一旦發現故障隱患，可快速做出反應。而故障排查功能則需要技術人員提前輸入相關程序指令，利用高效化與標準化的系統運行來充分提高運行問題的處理效率[9]。

4.5 產品開發中的應用

在現代信息技術、智能化技術與先進科技智能化設備的廣泛應用下，人們的生活方式逐漸發生了巨大的變化，其現代化功能越來越完善，而在這個過程當中，傳統工程機械設計制造產品已經逐漸無法滿足當前人們的消費需求，對于工程機械產品的開發，也逐漸向著智能化方向邁進。而通過機電一體化技術在機械設計制造產品開發當中的應用，能夠有效提高這些產品種類和性能以及功能的豐富化，結合當前市場實際、發展動態和具體要求，設計和開發出具備特定性能與功能的現代化產品。

例如，在汽車發動機微機控制系統設計當中運用機電一體化技術，可設計出用于降低燃料成本的發動機微機控制系統原理圖，發動機控制單元核心主要是利用微處理器或專門進行汽車發動機專用大規模集成線路設計，利用多個傳感器來獲取模擬電壓信號，并從發動機輸出軸得到準確的脈沖信號，將其輸入ECU當中進行模擬，信號通過模擬數字轉換器轉換為數字信號，以此相關信號為基礎從而實現對空氣燃料比、排氣循環率、點火時間的準確計算，并以計算結果為依據進行燃料噴射閥與點火裝置驅動信號輸出控制，達到合理進行空氣燃料比控制的效果。在空氣燃料比控制最佳狀態當中，對于汽車發動機的起動、預熱、加速、減速、制動、空轉等多種運動狀態保持正常負荷有著良好的效果。

5 機電一體化技術未來發展趨勢

5.1 智能化

對于計算機未來的發展而言，人工智能必然是其新的研究領域，同時也是智能制造未來的發展趨勢之一。機械設計制造智能化水平也會越來越高，從而能夠根據機械設計制造相關操作需求，融合人工智能技術來實現操作者思維和操作邏輯的模擬，實現智能化操控。我國部分經濟較為發達地區的機械設計制造企業已經逐步開始著手進行生產線智能化技術的應用實驗。例如。廣東省部分機械制造企業在進行汽車零部件加工過程當中，已經實現了部分流水線的人工智能操作，如圖3所示：

其引進了智能操作臂來進行配件的組裝，這種人工智能技術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習的功能，能夠大大提升機械設計制造產品生產效率。而且可以針對設計圖紙當中所存在的一些錯誤進行自動修正，從而提高機械設計制造的精度，這對于中國制造恢弘目標的制定來講，智能化必然是其未來發展的趨勢和方向之一[10]。

5.2 綠色化

經濟與技術水平的不斷進步下，對能源與資源的消耗量也急劇增長，同時對生態環境也產生了一定的污染影響。為此，國家積極提出節能、降耗、減排等環保理念，并大力提倡節能技術的研究，如今，節能降耗已經成為我國工業制造業未來發展當中必不可少的一項重點考慮因素。而機械設備當中對于機電一體化技術的應用也得到了一些節能效果，但其并不意味著機電一體化已經是綠色化發展方向的全部，未來機電一體化技術應用下的機械設計與制造相關設備，不但能夠發揮其強大性能以及智能化優勢，幫助企業實現材料的最大化利用和能源與資源的節約，同時還能夠借助其強大的自動化功能來解放大量的人力資源和經濟成本。但要想達到這一效果，還需要在設計環節充分運用新材料、新工藝，加大環保材料的應用和可回收與可再利用材料的使用研究，這也是機械設備未來發展的方向之一。

6 結束語

結合上述文章內容所述，制造業的快速發展能夠為人們體驗到現代化、智能化生活提供有力的物質支持，而機電一體化技術則是能夠促進制造業實現現代化、自動化與機械化的關鍵技術，可以說，在現代尖端科技快速進步的新時代，機電一體化技術在機械設計制造中的應用能夠實現生產設備的自動化，未來必然也會實現智能化，這也是科技文明不斷發展的必然結果。一方面，機電一體化技術能夠有效提高機械設計與制造的生產效率，在生產技術水平方面有著巨大的提升空間。另一方面，還能夠有效節省社會與自然資源，提高其綠色化生產水平。目前我國對于機電一體化技術的應用仍處在初期階段，雖然已經積累了一定的經驗，但仍需在不斷實踐中予以改進，從而充分發揮機電一體化技術優勢，使其成為推動我國制造業向著智能化、現代化方向發展的基石。

參考文獻：

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