機電一體化技術(shù)在機械設計制造中應用

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摘要：作為融合信息技術(shù)與機械技術(shù)的常用技術(shù)類型，機電一體化技術(shù)的應用重要性毋庸置疑，是促進我國現(xiàn)代化工業(yè)進程的關(guān)鍵因素。文章簡述機電一體化技術(shù)的應用優(yōu)勢，并就其在機械設計制造過程中的具體應用進行深入分析，闡述機電一體化技術(shù)的未來發(fā)展方向，希望能夠為同行業(yè)工作者提供一些幫助。

關(guān)鍵詞：機電一體化技術(shù)；機械設計制造；應用

制造業(yè)的飛速發(fā)展使得對產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率的要求也在逐漸提高，對所應用的制造技術(shù)進行持續(xù)更新與靈活應用，應作為制造業(yè)發(fā)展的首要工作。但由于傳統(tǒng)制造業(yè)的發(fā)展模式表現(xiàn)出了污染大與材料利用率過于低下等特點，使得最終所生產(chǎn)出的產(chǎn)品逐漸無法滿足實際的市場需求。而機電一體化技術(shù)的出現(xiàn)突破了以往的傳統(tǒng)制造業(yè)在生產(chǎn)效率、人力資源以及質(zhì)量控制方面的諸多限制，并逐漸成為了機械設計制造環(huán)節(jié)不可或缺的重要技術(shù)類型。

1國內(nèi)外機電一體化發(fā)展現(xiàn)狀

國外工業(yè)化發(fā)達國家，其數(shù)控機床占總機床數(shù)比例的30%~40%，且在未來的10年內(nèi)會有25%~30%的增長。從整體發(fā)展情況來看，我國的機電一體化已經(jīng)逐漸完成了單機至整個機械設計制造行業(yè)的集成化過渡任務。經(jīng)由多年發(fā)展，我國在機電一體化技術(shù)的發(fā)展方面，相較國外已經(jīng)“不落下風”，普通級數(shù)控機床的加工精度由10mm提高到了5mm，精密級的加工中心甚至已經(jīng)開始承接1~1.5mm精度的機械設計制造任務，并明確了納米級的超精密加工發(fā)展方向。

2機電一體化技術(shù)應用優(yōu)勢

2.1產(chǎn)品小型化

作為當下機械設計制造流程的優(yōu)化方向，產(chǎn)品小型化由于其占地面積更小使得其未來規(guī)模化使用成為可能，是充分反映不同生產(chǎn)階段制造技術(shù)水平的突出表現(xiàn)。在融合應用機電一體化技術(shù)后，從機械設備應用的角度來看，控制系統(tǒng)與人為干預等部分功能的加入獲得了足夠的空間條件，體積小、重量輕的機械產(chǎn)品特征，為其充分發(fā)揮應用優(yōu)勢奠定了基礎(chǔ)[1]。伴隨電子技術(shù)的更新與進步，電路芯片制造取得了極大突破，超高規(guī)模的制造方案為全面施行機械產(chǎn)品小型化方案提供了完備條件。如此一來，對應的機械設備結(jié)構(gòu)獲得了進一步優(yōu)化的機會，無論是其自身重量還是體積，均達到了有效控制目的，進而預留出大量機械協(xié)同工作空間，是促進大規(guī)模生產(chǎn)制造的重要基礎(chǔ)。

2.2生產(chǎn)力增強

操作人員的自身水平?jīng)Q定了傳統(tǒng)機械設備的應用效率與實際工作能力，對人力操作依賴較大且過程中所耗費的操作時間過多。而若將機電一體化技術(shù)融入機械設備，則將表現(xiàn)出其超高的自動化程度，并根據(jù)預先設定程序執(zhí)行對應操作任務，原本的人力操作環(huán)節(jié)代替為計算機控制，能夠根據(jù)材料特性與環(huán)境變化情況作出迅速反應[2]。不僅將整體生產(chǎn)效率加快，同樣保證了性能指標與生產(chǎn)環(huán)境和制造標準之間的匹配度，消除了以往由于人為操作所帶來的產(chǎn)品差異隱患，是提升整體生產(chǎn)力的關(guān)鍵因素。

3機械設計制造環(huán)節(jié)中機電一體化技術(shù)的實際應用

3.1信號控制

傳統(tǒng)信號控制技術(shù)無法滿足當下對于信號傳遞的實際要求，是機械設計制造過程中會經(jīng)常發(fā)現(xiàn)的問題，諸多機械功能所帶來的新需求與現(xiàn)行的信號控制方案并不匹配。因此，建議將機電一體化總線技術(shù)融入設計環(huán)節(jié)，將多個元器件通信干路進行連接，以實現(xiàn)不同機械設備的同步管理，繼而將設備整體運行效率與能力予以提升[3]。總線技術(shù)同樣可以應用在不同環(huán)節(jié)的協(xié)同參與過程中，為機械設備生產(chǎn)效率的提升與產(chǎn)品質(zhì)量提供保障條件。再加上總線技術(shù)的應用打通了不同設備部位之間的信息傳輸渠道，在將整體運行能力增強的同時，也同樣保證了設備維護保養(yǎng)環(huán)節(jié)問題解決的及時性。

3.2數(shù)控技術(shù)

數(shù)控技術(shù)在現(xiàn)代化工業(yè)制造體系中具有重要的現(xiàn)實應用價值，例如常見的數(shù)控機床、數(shù)控火焰切機床等，這些設備在逐步更新的數(shù)控技術(shù)的應用條件下，能夠根據(jù)實際需要做出軸頭旋轉(zhuǎn)、自動換刀等動作，是提升工業(yè)制造效率的關(guān)鍵因素[4]。而在融入機電一體化技術(shù)后，將徹底消除原本數(shù)控技術(shù)的應用缺陷，無論是在編程還是在實際操作過程中，均獲得了漏洞修復條件，并為操作人員提供了更多的有效操控條件。自動化的運行環(huán)境，使得設備在運行、保養(yǎng)過程中為產(chǎn)品各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的服務質(zhì)量提升奠定了基礎(chǔ)，將產(chǎn)品的整體制造難度進一步提升，為計算機輔助技術(shù)的后續(xù)更新與發(fā)展提供了完備條件，實現(xiàn)了基于機電一體化技術(shù)的系統(tǒng)未來發(fā)展目標。我國機床擁有量始終占據(jù)世界前列，但智能數(shù)控機床的保有量卻僅僅只有8%左右，現(xiàn)如今各大中小型工廠仍以普通數(shù)控機床為主。而伴隨近些年來機電一體化技術(shù)的更新與發(fā)展，在聯(lián)系實際加工需求后，其在以下幾個技術(shù)領(lǐng)域均體現(xiàn)出了極大的進步。第一是高速化。高速加工技術(shù)的應用與普及，使得數(shù)控機床的加工速度相較以往有了明顯提升。首先是車床的主軸轉(zhuǎn)速，由原本的每分鐘3000~4000轉(zhuǎn)提升到了每分鐘8000~10000轉(zhuǎn)左右，銑床、加工中心等數(shù)控機床的主軸轉(zhuǎn)速甚至達到了40000轉(zhuǎn)，且移動速度也有不同程度的明顯提升，大大減少了加工時間。速度的提升促使運動部件啟動加速度也將同時提升，最高達到了15g。與此同時，大量的直線電機開始在數(shù)控機床中大批量使用，當下主軸所使用的多數(shù)為具有內(nèi)裝式特點的主軸電機。第二是高精度化。傳統(tǒng)數(shù)控機床的加工精度僅僅只有0.01~0.02mm左右，經(jīng)由多年發(fā)展已經(jīng)提升到了0.008mm左右，部分亞微米級機床達到了0.0005mm，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展出了納米級機床，并配備有整合計算機技術(shù)與機電一體化技術(shù)的控制單元與專業(yè)系統(tǒng)。此外，數(shù)控過程中若有兩軸以上插補技術(shù)的應用需求，納米級插補促使聯(lián)動圓弧能夠達到1U，并在多程序預讀這一功能的配合下將插補質(zhì)量予以提升，且在自動拐角處理方面凸顯出了極佳的技術(shù)應用優(yōu)勢。

3.3產(chǎn)品制造精度

機械類的產(chǎn)品不僅需要滿足其在功能方面的應用要求，同時也應確保其制造精度符合預期設計標準。當下的工程機械不僅種類繁多，且自身結(jié)構(gòu)過于復雜，不同零部件之間的配合對精度的要求極大，若依舊沿用傳統(tǒng)制造方案必然會影響到實際的制造精度，并會使所生產(chǎn)出的產(chǎn)品遭受極大的負面影響[5]。而在融入機電一體化技術(shù)后，各類參考數(shù)據(jù)均將獲得有效控制，消除精度控制隱患。以原材料重量稱量環(huán)節(jié)、材料加工進尺等環(huán)節(jié)為例，在電子控制與機械運行的巧妙配合下，無論是從加工制造還是部件裝配角度，均提供了科學有效的精度控制條件，實現(xiàn)了零部件生產(chǎn)狀態(tài)實時把控的關(guān)鍵目標。

3.4設備運行監(jiān)控

基于機電一體化技術(shù)，能夠建立起針對設備運行過程的狀態(tài)監(jiān)控體系，若將其應用于機械設計與測試階段的初期，將達到不同零部件運行狀況確認的目的。例如，部分廠家將設備狀態(tài)監(jiān)控應用于關(guān)鍵技術(shù)的保密環(huán)節(jié)，由于監(jiān)控效果獲得強化繼而避免降低了關(guān)鍵技術(shù)泄密的發(fā)生風險。近些年來，隨著社會的進步與發(fā)展，設備運行狀態(tài)監(jiān)控相關(guān)技術(shù)的應用普及率也逐漸提升，為保證設備應用效果與使用安全性能提供了完備條件。但需要注意的是，設備運行環(huán)節(jié)極有可能由于遭遇到復雜工況繼而導致出現(xiàn)突發(fā)事件，部分設備若預先并沒有設定防備方案，將導致出現(xiàn)較大故障甚至只得做報廢處理[6]。而在融入機電一體化技術(shù)后，機械設備的關(guān)鍵部位可增加大量傳感器，并為其配備一系列的控制措施，從而實現(xiàn)緊急情況下機械設備的自動報警與根據(jù)環(huán)境變化情況自主停機的目標。且能夠在短時間內(nèi)自動定位故障位置，判斷故障類型并賦予機械設備簡單的故障自動修復能力。

3.5生產(chǎn)線

3.5.1仿真應用。機電一體化技術(shù)由于其自身特殊性，如將其融入到建模過程中，即可實現(xiàn)針對整個生產(chǎn)過程的智能管控目標，且具有一定的仿真延伸參考價值，此外，即使是在后期工作與管理環(huán)節(jié)，機電一體化技術(shù)的應用同樣能夠在綜合調(diào)控、管理以及實際操縱等諸多過程中，起到順序整合作用。從生產(chǎn)角度來看，機電一體化技術(shù)的最大應用優(yōu)勢就是計算工作工期與能耗等數(shù)據(jù)，模擬計算后聯(lián)合使用信息技術(shù)，針對計算結(jié)果予以深度優(yōu)化，最終獲取到匹配工作展開特征的生產(chǎn)模式。此外，機電一體化技術(shù)的應用也為制造業(yè)、方針技術(shù)之間做深度結(jié)合提供了完備條件。如此一來，原有的生產(chǎn)工作獲得了拓展的基本條件，且呈現(xiàn)出了仿真化與可視化的工作效果，促使每個處于生產(chǎn)線的操作人員，均加深了對于機械設計制造環(huán)節(jié)的認識，為實現(xiàn)生產(chǎn)效率與生產(chǎn)質(zhì)量的雙提升目標奠定了基礎(chǔ)。3.5.2機械應用。在機電一體化技術(shù)的應用背景下，光電技術(shù)融入到其他機械設計制造環(huán)節(jié)更為方便，并在結(jié)合具有多元化應用特征的制造技術(shù)后，促使整個生產(chǎn)流程得到了進一步的優(yōu)化與完善，維持了機械設計制造工作順利推進的穩(wěn)定狀態(tài)。以食品加工生產(chǎn)線為例，若能夠在過程中科學融入機電一體化技術(shù)，整個操作流程與生產(chǎn)流程將呈現(xiàn)出可視化特征，以此作為將企業(yè)流程化競爭優(yōu)勢予以提升的關(guān)鍵條件，加速企業(yè)發(fā)展，并在可視化、產(chǎn)業(yè)化的生產(chǎn)狀態(tài)下，促使企業(yè)獲得更多的市場份額，獨特的競爭優(yōu)勢為企業(yè)的未來發(fā)展奠定基礎(chǔ)。此外，在使用機電一體化技術(shù)的過程中，需要強調(diào)其與各類先進技術(shù)配合使用的重要意義，例如自動化、智能化等技術(shù)的科學結(jié)合，讓整個生產(chǎn)流程不斷朝向自動化的發(fā)展方向前進。這一過程中機電一體化技術(shù)的有效應用，同樣是積累機械設計制造經(jīng)驗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，起到了豐富制造流程，提供優(yōu)化條件的作用，為達到機械應用效果與質(zhì)量進一步提升的目標奠定了堅實基礎(chǔ)。

4機電一體化技術(shù)融入機械設計制造環(huán)節(jié)的未來融合發(fā)展方向

4.1智能化

作為計算機技術(shù)發(fā)展環(huán)節(jié)的新學科，人工智能儼然已經(jīng)成為智能制造未來的主要發(fā)展方向。如此一來，機械設計制造的全過程將表現(xiàn)出智能化的發(fā)展特征，進而模擬出與實際機械操作相關(guān)的操作者行為邏輯，并逐漸形成信息自助獲取與決策判斷的能力。智能化的機械制造發(fā)展方向，是我國機械設計制造行業(yè)獲得可持續(xù)性發(fā)展的重要基礎(chǔ)。

4.2網(wǎng)絡化

當前我國正處于信息技術(shù)爆炸與行業(yè)快速發(fā)展的重要階段，5G技術(shù)的低延時與配套技術(shù)的不斷完善，使得萬物互聯(lián)、生活優(yōu)化發(fā)展目標的實現(xiàn)成為可能。機械設計制造行業(yè)在當下已經(jīng)明顯表現(xiàn)出了對網(wǎng)絡化發(fā)展技術(shù)的迫切需要，例如“無人工廠”“黑燈工廠”的出現(xiàn)，大大提升了設備的自動運行效率，且不同設備之間實現(xiàn)了遠程實時通信目標。不僅如此，由于部分設備有著故障遠程檢修、功能實時監(jiān)測以及遠程功能控制等實際需求，因此對于機械設備來說，需要具備對應的網(wǎng)絡能力，以達到充分發(fā)揮機電一體化技術(shù)應用優(yōu)勢的最終目的。

4.3模塊化

作為綜合了多種功能的基礎(chǔ)設備類型，機械設備的設計制造往往會根據(jù)其功能需求做集成化訂制，此環(huán)節(jié)在將機械設備設計制造難度提高的同時，也將會帶來諸多與機械設備相關(guān)的應用成本。若將模塊化思維融入其中，機械設備將獲得按需組合應用的基本條件，繼而將設計開發(fā)成本予以降低，并為后續(xù)機械設備的使用、檢修以及模塊更換奠定基礎(chǔ)，并根據(jù)其對功能需求予以調(diào)整轉(zhuǎn)產(chǎn)，省去了新開模、圖紙設計等諸多流程。針對不同產(chǎn)品自身的性能差異，可依照對功能的不同需要混合廠家的不同品牌，繼而形成具有綜合性能的完善整體，滿足對機械設備的功能所需。但需要注意的是，對于機械設備來說其模塊化的方向確定與相應功能組合目標的實現(xiàn)，需要得到來自國家與行業(yè)的政策、標準的條件支持，為解決不同廠家對產(chǎn)品進行設計制造的接口、功能適配等問題提供完備條件。

4.4綠色化

機電一體化技術(shù)的應用促使機械設備將其功能優(yōu)勢進一步發(fā)揮，但其并不代表已經(jīng)完成了綠色化的發(fā)展目標。在未來，基于機電一體化技術(shù)所制造的各類機械設備，將凸顯其應用層面強大性能與智能化的應用優(yōu)勢，在實現(xiàn)材料節(jié)約目標的同時也為能源耗費量的縮減提供了必需條件。機械設備的設計制造環(huán)節(jié)，應加大新材料與新技術(shù)的應用比例，以具有環(huán)保與可回收特征的材料為設計制造的基礎(chǔ)，避免在設計制造過程中對環(huán)境造成較大破壞，減少材料浪費以凸顯資源的利用與環(huán)境修復優(yōu)勢。例如大規(guī)模應用復合材料、3D打印技術(shù)的諸多機械設備，均是當下機電一體化技術(shù)在機械設備中的綠色化發(fā)展方向的探索表現(xiàn)。

4.5微型化

微型化所指的是基于機電一體化技術(shù)的微型機械設備與朝著微觀領(lǐng)域探索的機械設備發(fā)展趨勢，其中的典型代表就是現(xiàn)今已經(jīng)發(fā)展較為成熟且在各個行業(yè)有著廣泛應用的微電子機械系統(tǒng)。該系統(tǒng)通常體積不超過1cm3，且伴隨時間的推移各類機械設備產(chǎn)品明確了其微米、納米級的發(fā)展方向。體積小、耗能少以及運轉(zhuǎn)靈活是微機電一體化機械設備產(chǎn)品的主要應用優(yōu)勢，也正是由于這一特點使得其無論是在信息、軍事，還是在生物醫(yī)療領(lǐng)域均凸顯出了無可替代的重要優(yōu)勢。對于微機電一體化的發(fā)展方向來說，限制其發(fā)展的重點在于微機械技術(shù)，其也是未來行業(yè)需要重點研究的機械設備發(fā)展領(lǐng)域。精細加工技術(shù)是當下微機電一體化產(chǎn)品在加工環(huán)節(jié)所應用的主要技術(shù)類型，也就是超精密技術(shù)，目前在諸多領(lǐng)域均有著突出的應用優(yōu)勢，常見的包括蝕刻技術(shù)、光刻技術(shù)等。

4.6系統(tǒng)化

基于機電一體化技術(shù)的系統(tǒng)化機械設備應用本質(zhì)，就是綜合了開放式與模塊式的總線結(jié)構(gòu)，繼而使得系統(tǒng)能夠獲得靈活組態(tài)的基本條件，并對系統(tǒng)做隨意的結(jié)構(gòu)剪裁與功能組合，為探尋到具有多子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的基本方向、制定綜合管理方案提供了完備條件。通信功能的增強也是系統(tǒng)化機械設備發(fā)展方向所表現(xiàn)出的又一特點，強調(diào)產(chǎn)品與人之間關(guān)系的重要意義。機電一體化產(chǎn)品的使用者為人，因此探尋出對機電一體化機械設備賦予獨屬于人的情感、人性以及智能道路，是當下努力的具體方向，其中最為亮眼的技術(shù)應用表現(xiàn)就是家用機器人，從這一層面來看人機一體化是系統(tǒng)化技術(shù)發(fā)展的最終特征。而另一方面則是對生物機理的模仿，基于這一目標可研制出多種類型與包含多種功能的機電一體化產(chǎn)品，為減少人力與物力資源的耗費、加速生產(chǎn)進程奠定堅實基礎(chǔ)。

5結(jié)束語

綜上所述，機電一體化技術(shù)的出現(xiàn)，為機械設備發(fā)揮其功能優(yōu)勢奠定了基礎(chǔ)。相信在未來，隨著機電一體化技術(shù)應用流程與方案的不斷更新，其必然能夠在材料應用、資源節(jié)約以及環(huán)境保護等領(lǐng)域，發(fā)揮出更大的應用價值，繼而實現(xiàn)我國機械設計制造行業(yè)的可持續(xù)性綠色化發(fā)展目標。

作者:王寶玉 單位:通號工程局集團天津裝備技術(shù)有限公司