机械设计制造中机电一体化的应用★

刘万村，雍丽英，郝双双

（哈尔滨职业技术学院，黑龙江 哈尔滨 150000）

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]。

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。同时，依托机电一体化系统，机械产品制造质量、总体生产能力将得到明显提升，降低产品坏品率，加强产品的市场竞争力。

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。

1.4 适应不同作业要求

在传统机械制造模式中，如果作业条件、要求和制造产品种类发生变化，需要重复开展人员调整、机具设备切换调试等准备工作，方可继续开展生产作业，对生产效率造成明显影响，生产线在一段时间内处于闲置状态。与此同时，对机电一体化技术的应用，凭借集成制造、伺服控制等技术手段，具备了实现柔性生产目标的前提条件。例如，提前编写控制程序，配备具有较多运动自由度的工业机器人，在现场准备多种工具设备，在生产条件与产品种类发生改变时，自动调整工业机器人手爪运动轨迹与姿态，必要时换取对应种类工具，即可满足实际作业需要，无须停止生产线[2]。

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。第五，职能要素由控制器与信息处理模块组成，负责对所采集监测信号进行分析处理，根据分析结果来输出对应控制指令，发挥自动控制、状态监测等使用功能。

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令，替代人工完成操作，把普通级数控机床加工精度提升至5 μm 水准，超精密级数控机床的加工精度更是提升至0.01 μm 水准。

例如，某制造企业在推行机电一体化系统的前提下，对老旧型号数控机床进行升级改造，加装自动排屑装置、变频电动机、自动回转刀架、伺服电机、编程控制器等硬件设备，由工作人员在编程控制器中设定加工信息，信息提交至逻辑电路中进行整合处理，转换为控制信号。随后，再将信号发送至自动回转刀架、自动排屑装置等执行机构，自动控制数控机床执行排屑、回转刀架、更换刀具等操作，确保数控机床在无人工直接干预条件下可以连续完成工件的多道加工任务，这对提升机床数控化率、核心零部件加工效率乃至机械制造精度都有着十分重要的现实意义[3]。

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。在垃圾压缩车使用期间，如果开关感应刮板到位，自动向控制器发送电信号，由控制器输出刷新，经由锁存电路控制滑板开展下行运动，并在滑板下行就位后反馈电信号，控制滑板正转。同时，由压力传感器持续检测刮板压力，在刮板承受压力未达到额定值时不采取控制动作，继续保持刮板正转状态，而在刮板压力值达到额定值后，再输出电信号，由PLC 装置输出指令，控制滑板上行装填垃圾[4]。

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。与此同时，在机械设计期间，也可依托机电一体化系统来改善所研制机械产品的节能效果。例如，韩国大宇公司在所研制大宇工程机械上普遍搭载EPOS 电子动力优化系统，安装微处理器，由处理器采集、处理实时监测信号，自动切换至恰当的动力模式，极大减少了工程机械油耗。

3.4 质量检测

在机电一体化系统中搭载传感器、工业摄像机、图像采集卡等装置，依托机器视觉与传感检测技术来实现自动检测功能。在机械加工制造过程中，此类装置持续对加工件与机械产品成品的几何参数、外观质量、色泽亮度进行全面检测，对比拍摄图像和标准图像中的特征参数，根据对比结果，判断产品质量是否达标，生成质量检测报告，在报告中配合图像来描述具体存在的质量问题，如工件表面疵点、工件几何参数偏差等。

相比之下，传统机械产品检测方法以电子检测仪检测、游标卡尺检测为主，由工作人员使用此类工具，逐项对加工件和机械产品进行测量读数，判断质量是否达标，有着检测效率低下、检测精度受人为主观影响、肉眼难以发现全部工件疵点的局限性。

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[5]。例如，在机电一体化系统中，列装新型的PLC 可编程逻辑控制器来取代微处理器，PLC装置具备强大的逻辑运算功能，既可以采取顺序控制、步进控制等方式执行预先导入控制方案，还可以根据逻辑运算结果进行判断推理、自主决策。

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。同时，在所制造机械产品种类型号发生改变时，仅需对软件程序和系统功能结构进行一定程度的调整，或是在系统中更换其他款式的电子元件、软件程序，即可重新组装成一套满足实际制造需要的机电一体化系统。

4.3 电机综合保护化

电机是机电一体化系统中的重要组成部分，电机运行状况稳定与否，决定着系统使用功能能否得以正常发挥。根据系统实际运行情况来看，受到复杂作业条件和现场环境等多方面因素影响，偶尔出现短路、电源过载、失压、欠压等故障问题，干扰到机电一体化系统的整体运行状况。对此，为保障系统安全、稳定运行，避免电机故障问题频繁出现，需要推动技术朝向电机综合保护化方向发展，同时采取短路保护、欠压/失压保护、过电流保护、过载保护等多项保护措施。

1）短路保护是加装熔断器装置，在流通短路电流时，因工作温度升高而触发熔断器，快速熔断熔体来切断电流。

2）欠压保护是搭载电压继电器，在电压检测值超标时，装置切断动合/闭合触点，即可切断电源。

3）失压保护是加装继电器以及接触器，在出现市电停电、主电源故障等突发情况时，装置在短时间内执行切断电源、锁定起重机、电动机停转等操作，避免电机严重受损。

4）过电流保护是串接电流继电器，预设安全电流值，对比实时电流值和额定值，在电流超标时执行保护动作，快速切断电流。

5）过载保护是加装热继电器，根据工作温度来判断电机是否过载，在温度超标时切断电源[6]。

5 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。