机械设计制造中机电一体化的应用

引言

近年来，随着机械电子工程的蓬勃发展，机电一体化概念被提出，在机械设计制造领域中展露出广泛应用前景，被业界一致视为创新旧有机械设计制造模式、实现智慧制造目标的关键。与此同时，机电一体化概念与相应技术的问世时间较晚，虽然得到大规模应用推广，但机电一体化技术价值仍旧存在深度挖掘的空间，本文就此开展研究。

1 机电一体化在机械设计制造领域中的应用价值

1.1 提高机械制造精度

机电一体化系统的应用，逐渐取代了旧有的人工生产与控制方式，由系统自动执行预先导入的控制方案，随着时间推移来逐项下达预控指令，或是在满足触发条件后执行对应控制指令，操纵机械手按特定轨迹、姿态进行运动，极大程度提高了机械制造精度。同时，机电一体化系统还具备修正功能，由传感器跟踪检测机械臂的运动轨迹、位置与姿态等参数，对比输出值与输出值，根据二者偏差值来下达纠偏指令，始终维持较高的制造精度，避免参数误差持续积累。

1.2 减轻生产成本

在机械设计制造领域中，对机电一体化系统的应用，要求制造企业投入一定的前期成本，用于配置PLC 控制器、工业摄像头、传感器等硬件设备，以及开发软件程序与操作系统。然而，从长远发展角度来看，机电一体化系统将逐渐取代原有的人工生产方式，显著减小劳动力成本占比，将机械制造成本控制在合理范围内。

1.3 保证生产安全

在传统机械制造模式中，由于现场环境复杂、生产条件恶劣，如果出现设备运行故障，或是工作人员采取错误操作行为，都有可能引发机械伤害、物体打击等安全事故的出现，造成不必要的人员伤亡。而对机电一体化系统的应用，彻底改变了机械制造方式，在生产线上配备大量工业机器人，工作人员仅需提前编写程序、导入控制方案与设定参数，持续监督机械制造情况，系统将通过自动控制执行机构开展动作的方式，彻底取代人工生产方式，尽管出现机械设备故障、失控问题，也不会造成人员伤亡。

2 机电一体化概述

2.1 涵义

机电一体化由传感检测、交流传动、伺服控制等组成，是具备环境感知、信息处理、远程控制与决策分析等多项使用功能的控制系统。在系统运行期间，基于程序运行准则与环境感知结果，在无人工干预条件下采取步进、时序等方式来执行控制方案中设定的控制指令，操纵工业机器人、数控机床等终端设备开展动作。

2.2 组成要素

机电一体化系统主要由结构、动力、感知、运动和职能五项核心要素组成。第一，结构要素是实现系统功能与搭建系统结构的硬件设施，包括机械本体、控制器、机械轴等。第二，动力要素由动力驱动机构组成，保证系统稳定运行。第三，感知要素由多种类传感器和摄像头组成，帮助系统感知现场环境、检测产品质量。第四，运动要素由机械臂等执行机构组成，负责执行系统下达的控制指令，在限定时间内开展规定动作。

3 机电一体化在机械设计制造领域中的主要应用场景

3.1 数控机床

早期数控机床设备普遍存在功能单一、自动化程度低下、操作繁琐的问题，要求工作人员手动完成排屑、更换刀具、主轴转速参数调节等操作，数控机床使用效率低下，生产能力存在进一步提升的空间。对此，需要在数控机床场景中应用机电一体化系统，从技术层面上满足数控机床自动化生产的前提条件，并在数控机床上加装相应执行机构，由系统直接向各处执行机构下达控制指 ，替代人工完成操作，把普通级数控机床加工精度提升至5μm 水准，超精密级数控机床的加工精度更是提升至 水准。

3.2 运动控制

在运动控制场景中，机电一体化系统结构中加装PLC 可编程逻辑控制器与传感器，由传感器上传实时监测信号，对信号进行扫描读取并存入I/O 映象区，获取逻辑运算结果，准确描述机械设备执行机构的实时位置，再由PLC 控制器下达对应的控制指令，控制信号经由锁存电路驱动执行机构，完成点对点运动、补间运动、多轴联动或是螺线型运动的控制过程，控制执行机构以平稳状态运行到指定位置。例如，由PLC 控制器同时向多个机械轴下达运动控制指令，控制一定数量的机械臂按预定轨迹移动至特定位置，保持各机械臂的协作状态，避免机械臂相互碰撞、卡位，还可以通过调整运动速度等参数，确保各机械臂在同一时间抵达预定位置。此外，机电一体化还可用于机械设计领域的运动控制场景中，在机械产品上加装PLC 装置，控制器在接收电信号后，再进入用户程序执行和输出刷新阶段。例如，在研制某款垃圾压缩车产品中，在车辆刮板部位加装感应开关，在车辆控制系统加装 PLC 控制器，在刮板部位安装压力传感器。

3.3 机械节能

在传统机械制造模式中，采取人工控制方式，由工作人员根据自身工作经验来主观判断现场环境、机械设备运行需要，对压力、电流、电机转速等运行参数进行调节，或是对机械设备运行模式进行切换。根据实际制造情况来看，受人为因素影响，部分运行参数没有被调节至最佳数值，机械设备长时间处于满载、超载运行状态，设备实际运行能耗远超过标准能耗，造成不必要的电力浪费，也在间接上增加了机械制造成本。

对此，需要应用到机电一体化技术，系统凭借传感检测、逻辑分析控制等功能，持续感知外部环境与设备运行状态，自动下达控制指令来调节运行模式及参数量，实现能量调配、功率调节等目的，在不影响机械制造活动正常开展的前提下，将机械设备运行能耗控制在合理范围内。

4 机电一体化在机械设计制造中的未来应用趋势

4.1 智能化

推动机电一体化技术向智能化方向发展，应用到人工智能技术，以及BP 神经网络、模糊逻辑推理、专家智库等算法，把传感器所采集监测信号上传至数据分析模型当中，根据模型输出结果，描述变量因素对系统运行状态、控制效果和机械制造情况造成的具体影响，从专家智库中调取同类型案例进行分析，在其基础上由系统对原有机械制造方案内容进行调整，下达相应控制指令。

4.2 模块化

制造企业应推动机电一体化技术向模块化方向发展，统一各企业所开发机电一体化系统的规格标准，优先使用标准化与通用型号的机械本体、电子元件、零部件，企业可根据机械设计制造需要，选择相应的机械本体、电子元件和现有软件程序，将三者进行拼接组装，即可搭建一套功能完善、运行稳定、具备良好扩展性能的机电一体化系统。

结语

机电一体化技术的问世，推动我国从制造大国迈向制造强国，也为制造业产业结构升级转型提供了新的契机。制造企业务必对机电一体化技术予以高度重视，深入了解机电一体化基础技术及应用价值等各个地方的技术，对机电一体化技术有着全面、直观且清晰的认识，在数控机床、运动控制、机械节能、质量检测等场景中做到对技术的落地应用，依托技术打造一套全新的机械设计制造体系。

参考文献

[1]刘伟强.浅析机械设计制造中机电 体化的应用[J].内燃机与配件，2019(24):215-216.

[2]李智杰，赵中华.机械设计制造中机电一 体化的应用研究[J].科技创新导报，2019,16(14):85-86.