机电一体化技术在机械设计制造中应用

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摘要：作为融合信息技术与机械技术的常用技术类型，机电一体化技术的应用重要性毋庸置疑，是促进我国现代化工业进程的关键因素。文章简述机电一体化技术的应用优势，并就其在机械设计制造过程中的具体应用进行深入分析，阐述机电一体化技术的未来发展方向，希望能够为同行业工作者提供一些帮助。

关键词：机电一体化技术；机械设计制造；应用

制造业的飞速发展使得对产品质量与生产效率的要求也在逐渐提高，对所应用的制造技术进行持续更新与灵活应用，应作为制造业发展的首要工作。但由于传统制造业的发展模式表现出了污染大与材料利用率过于低下等特点，使得最终所生产出的产品逐渐无法满足实际的市场需求。而机电一体化技术的出现突破了以往的传统制造业在生产效率、人力资源以及质量控制方面的诸多限制，并逐渐成为了机械设计制造环节不可或缺的重要技术类型。

1国内外机电一体化发展现状

国外工业化发达国家，其数控机床占总机床数比例的30%~40%，且在未来的10年内会有25%~30%的增长。从整体发展情况来看，我国的机电一体化已经逐渐完成了单机至整个机械设计制造行业的集成化过渡任务。经由多年发展，我国在机电一体化技术的发展方面，相较国外已经“不落下风”，普通级数控机床的加工精度由10mm提高到了5mm，精密级的加工中心甚至已经开始承接1~1.5mm精度的机械设计制造任务，并明确了纳米级的超精密加工发展方向。

2机电一体化技术应用优势

2.1产品小型化

作为当下机械设计制造流程的优化方向，产品小型化由于其占地面积更小使得其未来规模化使用成为可能，是充分反映不同生产阶段制造技术水平的突出表现。在融合应用机电一体化技术后，从机械设备应用的角度来看，控制系统与人为干预等部分功能的加入获得了足够的空间条件，体积小、重量轻的机械产品特征，为其充分发挥应用优势奠定了基础[1]。伴随电子技术的更新与进步，电路芯片制造取得了极大突破，超高规模的制造方案为全面施行机械产品小型化方案提供了完备条件。如此一来，对应的机械设备结构获得了进一步优化的机会，无论是其自身重量还是体积，均达到了有效控制目的，进而预留出大量机械协同工作空间，是促进大规模生产制造的重要基础。

2.2生产力增强

操作人员的自身水平决定了传统机械设备的应用效率与实际工作能力，对人力操作依赖较大且过程中所耗费的操作时间过多。而若将机电一体化技术融入机械设备，则将表现出其超高的自动化程度，并根据预先设定程序执行对应操作任务，原本的人力操作环节代替为计算机控制，能够根据材料特性与环境变化情况作出迅速反应[2]。不仅将整体生产效率加快，同样保证了性能指标与生产环境和制造标准之间的匹配度，消除了以往由于人为操作所带来的产品差异隐患，是提升整体生产力的关键因素。

3机械设计制造环节中机电一体化技术的实际应用

3.1信号控制

传统信号控制技术无法满足当下对于信号传递的实际要求，是机械设计制造过程中会经常发现的问题，诸多机械功能所带来的新需求与现行的信号控制方案并不匹配。因此，建议将机电一体化总线技术融入设计环节，将多个元器件通信干路进行连接，以实现不同机械设备的同步管理，继而将设备整体运行效率与能力予以提升[3]。总线技术同样可以应用在不同环节的协同参与过程中，为机械设备生产效率的提升与产品质量提供保障条件。再加上总线技术的应用打通了不同设备部位之间的信息传输渠道，在将整体运行能力增强的同时，也同样保证了设备维护保养环节问题解决的及时性。

3.2数控技术

数控技术在现代化工业制造体系中具有重要的现实应用价值，例如常见的数控机床、数控火焰切机床等，这些设备在逐步更新的数控技术的应用条件下，能够根据实际需要做出轴头旋转、自动换刀等动作，是提升工业制造效率的关键因素[4]。而在融入机电一体化技术后，将彻底消除原本数控技术的应用缺陷，无论是在编程还是在实际操作过程中，均获得了漏洞修复条件，并为操作人员提供了更多的有效操控条件。自动化的运行环境，使得设备在运行、保养过程中为产品各个生产环节的服务质量提升奠定了基础，将产品的整体制造难度进一步提升，为计算机辅助技术的后续更新与发展提供了完备条件，实现了基于机电一体化技术的系统未来发展目标。我国机床拥有量始终占据世界前列，但智能数控机床的保有量却仅仅只有8%左右，现如今各大中小型工厂仍以普通数控机床为主。而伴随近些年来机电一体化技术的更新与发展，在联系实际加工需求后，其在以下几个技术领域均体现出了极大的进步。第一是高速化。高速加工技术的应用与普及，使得数控机床的加工速度相较以往有了明显提升。首先是车床的主轴转速，由原本的每分钟3000~4000转提升到了每分钟8000~10000转左右，铣床、加工中心等数控机床的主轴转速甚至达到了40000转，且移动速度也有不同程度的明显提升，大大减少了加工时间。速度的提升促使运动部件启动加速度也将同时提升，最高达到了15g。与此同时，大量的直线电机开始在数控机床中大批量使用，当下主轴所使用的多数为具有内装式特点的主轴电机。第二是高精度化。传统数控机床的加工精度仅仅只有0.01~0.02mm左右，经由多年发展已经提升到了0.008mm左右，部分亚微米级机床达到了0.0005mm，并在此基础上发展出了纳米级机床，并配备有整合计算机技术与机电一体化技术的控制单元与专业系统。此外，数控过程中若有两轴以上插补技术的应用需求，纳米级插补促使联动圆弧能够达到1U，并在多程序预读这一功能的配合下将插补质量予以提升，且在自动拐角处理方面凸显出了极佳的技术应用优势。

3.3产品制造精度

机械类的产品不仅需要满足其在功能方面的应用要求，同时也应确保其制造精度符合预期设计标准。当下的工程机械不仅种类繁多，且自身结构过于复杂，不同零部件之间的配合对精度的要求极大，若依旧沿用传统制造方案必然会影响到实际的制造精度，并会使所生产出的产品遭受极大的负面影响[5]。而在融入机电一体化技术后，各类参考数据均将获得有效控制，消除精度控制隐患。以原材料重量称量环节、材料加工进尺等环节为例，在电子控制与机械运行的巧妙配合下，无论是从加工制造还是部件装配角度，均提供了科学有效的精度控制条件，实现了零部件生产状态实时把控的关键目标。

3.4设备运行监控

基于机电一体化技术，能够建立起针对设备运行过程的状态监控体系，若将其应用于机械设计与测试阶段的初期，将达到不同零部件运行状况确认的目的。例如，部分厂家将设备状态监控应用于关键技术的保密环节，由于监控效果获得强化继而避免降低了关键技术泄密的发生风险。近些年来，随着社会的进步与发展，设备运行状态监控相关技术的应用普及率也逐渐提升，为保证设备应用效果与使用安全性能提供了完备条件。但需要注意的是，设备运行环节极有可能由于遭遇到复杂工况继而导致出现突发事件，部分设备若预先并没有设定防备方案，将导致出现较大故障甚至只得做报废处理[6]。而在融入机电一体化技术后，机械设备的关键部位可增加大量传感器，并为其配备一系列的控制措施，从而实现紧急情况下机械设备的自动报警与根据环境变化情况自主停机的目标。且能够在短时间内自动定位故障位置，判断故障类型并赋予机械设备简单的故障自动修复能力。

3.5生产线

3.5.1仿真应用。机电一体化技术由于其自身特殊性，如将其融入到建模过程中，即可实现针对整个生产过程的智能管控目标，且具有一定的仿真延伸参考价值，此外，即使是在后期工作与管理环节，机电一体化技术的应用同样能够在综合调控、管理以及实际操纵等诸多过程中，起到顺序整合作用。从生产角度来看，机电一体化技术的最大应用优势就是计算工作工期与能耗等数据，模拟计算后联合使用信息技术，针对计算结果予以深度优化，最终获取到匹配工作展开特征的生产模式。此外，机电一体化技术的应用也为制造业、方针技术之间做深度结合提供了完备条件。如此一来，原有的生产工作获得了拓展的基本条件，且呈现出了仿真化与可视化的工作效果，促使每个处于生产线的操作人员，均加深了对于机械设计制造环节的认识，为实现生产效率与生产质量的双提升目标奠定了基础。3.5.2机械应用。在机电一体化技术的应用背景下，光电技术融入到其他机械设计制造环节更为方便，并在结合具有多元化应用特征的制造技术后，促使整个生产流程得到了进一步的优化与完善，维持了机械设计制造工作顺利推进的稳定状态。以食品加工生产线为例，若能够在过程中科学融入机电一体化技术，整个操作流程与生产流程将呈现出可视化特征，以此作为将企业流程化竞争优势予以提升的关键条件，加速企业发展，并在可视化、产业化的生产状态下，促使企业获得更多的市场份额，独特的竞争优势为企业的未来发展奠定基础。此外，在使用机电一体化技术的过程中，需要强调其与各类先进技术配合使用的重要意义，例如自动化、智能化等技术的科学结合，让整个生产流程不断朝向自动化的发展方向前进。这一过程中机电一体化技术的有效应用，同样是积累机械设计制造经验的关键环节，起到了丰富制造流程，提供优化条件的作用，为达到机械应用效果与质量进一步提升的目标奠定了坚实基础。

4机电一体化技术融入机械设计制造环节的未来融合发展方向

4.1智能化

作为计算机技术发展环节的新学科，人工智能俨然已经成为智能制造未来的主要发展方向。如此一来，机械设计制造的全过程将表现出智能化的发展特征，进而模拟出与实际机械操作相关的操作者行为逻辑，并逐渐形成信息自助获取与决策判断的能力。智能化的机械制造发展方向，是我国机械设计制造行业获得可持续性发展的重要基础。

4.2网络化

当前我国正处于信息技术爆炸与行业快速发展的重要阶段，5G技术的低延时与配套技术的不断完善，使得万物互联、生活优化发展目标的实现成为可能。机械设计制造行业在当下已经明显表现出了对网络化发展技术的迫切需要，例如“无人工厂”“黑灯工厂”的出现，大大提升了设备的自动运行效率，且不同设备之间实现了远程实时通信目标。不仅如此，由于部分设备有着故障远程检修、功能实时监测以及远程功能控制等实际需求，因此对于机械设备来说，需要具备对应的网络能力，以达到充分发挥机电一体化技术应用优势的最终目的。

4.3模块化

作为综合了多种功能的基础设备类型，机械设备的设计制造往往会根据其功能需求做集成化订制，此环节在将机械设备设计制造难度提高的同时，也将会带来诸多与机械设备相关的应用成本。若将模块化思维融入其中，机械设备将获得按需组合应用的基本条件，继而将设计开发成本予以降低，并为后续机械设备的使用、检修以及模块更换奠定基础，并根据其对功能需求予以调整转产，省去了新开模、图纸设计等诸多流程。针对不同产品自身的性能差异，可依照对功能的不同需要混合厂家的不同品牌，继而形成具有综合性能的完善整体，满足对机械设备的功能所需。但需要注意的是，对于机械设备来说其模块化的方向确定与相应功能组合目标的实现，需要得到来自国家与行业的政策、标准的条件支持，为解决不同厂家对产品进行设计制造的接口、功能适配等问题提供完备条件。

4.4绿色化

机电一体化技术的应用促使机械设备将其功能优势进一步发挥，但其并不代表已经完成了绿色化的发展目标。在未来，基于机电一体化技术所制造的各类机械设备，将凸显其应用层面强大性能与智能化的应用优势，在实现材料节约目标的同时也为能源耗费量的缩减提供了必需条件。机械设备的设计制造环节，应加大新材料与新技术的应用比例，以具有环保与可回收特征的材料为设计制造的基础，避免在设计制造过程中对环境造成较大破坏，减少材料浪费以凸显资源的利用与环境修复优势。例如大规模应用复合材料、3D打印技术的诸多机械设备，均是当下机电一体化技术在机械设备中的绿色化发展方向的探索表现。

4.5微型化

微型化所指的是基于机电一体化技术的微型机械设备与朝着微观领域探索的机械设备发展趋势，其中的典型代表就是现今已经发展较为成熟且在各个行业有着广泛应用的微电子机械系统。该系统通常体积不超过1cm3，且伴随时间的推移各类机械设备产品明确了其微米、纳米级的发展方向。体积小、耗能少以及运转灵活是微机电一体化机械设备产品的主要应用优势，也正是由于这一特点使得其无论是在信息、军事，还是在生物医疗领域均凸显出了无可替代的重要优势。对于微机电一体化的发展方向来说，限制其发展的重点在于微机械技术，其也是未来行业需要重点研究的机械设备发展领域。精细加工技术是当下微机电一体化产品在加工环节所应用的主要技术类型，也就是超精密技术，目前在诸多领域均有着突出的应用优势，常见的包括蚀刻技术、光刻技术等。

4.6系统化

基于机电一体化技术的系统化机械设备应用本质，就是综合了开放式与模块式的总线结构，继而使得系统能够获得灵活组态的基本条件，并对系统做随意的结构剪裁与功能组合，为探寻到具有多子系统协调控制的基本方向、制定综合管理方案提供了完备条件。通信功能的增强也是系统化机械设备发展方向所表现出的又一特点，强调产品与人之间关系的重要意义。机电一体化产品的使用者为人，因此探寻出对机电一体化机械设备赋予独属于人的情感、人性以及智能道路，是当下努力的具体方向，其中最为亮眼的技术应用表现就是家用机器人，从这一层面来看人机一体化是系统化技术发展的最终特征。而另一方面则是对生物机理的模仿，基于这一目标可研制出多种类型与包含多种功能的机电一体化产品，为减少人力与物力资源的耗费、加速生产进程奠定坚实基础。

5结束语

综上所述，机电一体化技术的出现，为机械设备发挥其功能优势奠定了基础。相信在未来，随着机电一体化技术应用流程与方案的不断更新，其必然能够在材料应用、资源节约以及环境保护等领域，发挥出更大的应用价值，继而实现我国机械设计制造行业的可持续性绿色化发展目标。

作者:王宝玉 单位:通号工程局集团天津装备技术有限公司