机电一体化技术在智能机械装备上的应用及发展趋势
谢伟丽
摘 要：机电一体化技术是机械装备进步的基础，能够有效保证机械装备向自动化和智能化方向发展，通过介绍机电一体化技术的主要内容，说明了机电一体化技术的应用方式及应用范围，并总结了机电一体化技术未来的发展方向。
关键词：机电一体化；智能机械；应用；发展趋势
中图分类号：TH-39 文献标识码：A
doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.05.002
0 引言
随着我国经济的快速发展，各行各业对工作效率和工作质量的要求越来越高，机械设备作为众多行业运行和实施的基础，其需求量仍在不断提升。在各学科互相融合的大背景下，机械装备在原始形态的基础上，通过计算机技术、传感技术、控制技术、网络技术的结合，逐渐向智能化方向发展，这促使机械工程在技术体系、工作方式、运行模式以及管理上都产生了很大的变化，这需要更多的综合性学科人才参与新产品的研究和新设备的使用与维护。机电一体化技术作为一项机械类的综合性学科，结合了机械、电控及计算机等众多知识，并向着更深层次的融合与应用发展，这使机电一体化技术在智能机械装备领域得到了更广泛地使用。
1 机电一体化技术的内涵
机电一体化主要由动力装置、传动装置、执行装置、传感装置、控制处理装置共同组成。动力装置主要是为整个系统的运转提供能量，为传动装置提供动力，以保证整个机械系统的正常运转。传动装置可通过金属零件、皮带、链条或其他形式实现动力的转移与传递，在最初的机械结构约束下，能够完成指定的动作或功能。执行装置主要是通过动力支持和处理器控制，来准确完成机械装置要求的动力及功能，执行机构的形式具有多样化特点，可通过机械、气动、电液等方式来实现。传感装置主要用来检测机械系统的运行情况和外部环境的变化情况，并将检测结果通过电信号传递给处理装置。处理装置可将信息直接进行处理，或将其显示至仪表，由操作人员进行控制和调整。控制处理装置能够将来自各传感器的检测信号进行集中存储以及分析和转换，再根据信息处理后的结果，按固定的程序输出相应指令，来控制整个系统的有序运行。控制处理装置通常由计算机、可编程序控制器、数控装置、逻辑电路、A/D和D/A转换、输入输出接口以及其他外部设备等构成。
2 机电一体化的应用方式
2.1 实时监控与检测
机械装置通常是一个复杂的系统，机电一体化技术通过传感装置和控制装置实现对机械设备及辅助系统的全程动态检测，通过传感器自动检测机械装备的各个子系统，并有效反应关键机械结构的运行状态，若发现机械使用中的异常状况，将会在第一时间发出警示，并帮助工作人员确定故障位置，部分先进装置甚至能够自行处理故障问题，保证机械装置的正常运行。这也就显著提高了机械装备的工作效率，同时减轻工作人员在检测方面的精力投入，还可减少因故障造成的停机维修损失，提高机械使用的可靠性。
2.2 提高机械装置执行精度
机电一体化技术能够利用传感器技术提高系统工作过程的精确度，由于使用了机械技术和电子控制系统相结合的方式，自动化的控制模式显著可靠于人工操作，不仅增加了机械工作的准确性，还使机械装置更加贴近智能化，有效避免及降低了人工操作误差的产生，电子控制系统的应用还有效减少人力资源的投入，减轻机械操作者的工作强度，有效提高机械装备的现代化水平。以现代化自动生产线为例，通过机电一体化技术对产品重量、外观及其他标准化要求进行检测，能够获得更低的废品率，并自动将不合格产品剔除，工作人员只需观测机械运行状态即可。
2.3 实现最佳运行能耗
传统的工程机械在运转过程中，由于采用人工控制的方式，为保证机械设备的正常运转，通常难以保证机械始终在最佳的能耗点上运转，这是由于大多数的机械设备存在超载运行或者未达到额定功率运行的情况，导致能源被无端消耗。机电一体化技术的使用有效改善了能源利用的问题，通过实时的调节施工功率，有效节约能源消耗，降低了机械的使用成本。
3 机电一体化的应用范围
3.1 现代化机械加工设备
数控技术在机械加工领域应用了较长时间，促使机械加工设备在结构、功能、操作和控制精度等方面都显著提高，现代化的机械加工设备在机电一体化技术的支持下具有以下功能应用：
（1） 机床设备的硬件体系结构和功能具备标准化特点，数控机床具有更高的兼容性，并符合通用接口标准（如图1），以保证最大限度地提高机床的使用效率和功能优化。
（2） 使机械加工设备实现了多过程及多通道控制的功能，保证机床能够同时完成多个独立加工任务，或实现多台机床的协同工作能力，同时能够通过传感器技术实现刀具位置检测、刀具破损检测、物料移动等控制功能。
（3） 机床设备能够通过导入繪图文件实现自动转换程序，减少人工编程的时间消耗，并能在实际加工之前进行二维和三维的加工过程虚拟仿真，有效减少加工零件的废品率，并通过在线诊断、模糊控制等功能实现零件加工方式的优化。
（4） 机床以单板或单片机作为控制机，配合专用芯片和模板构成合理化的数控装置，能有效实现软件功能的扩展与机械执行过程的优化，且系统具备了多级网络功能，通过智能联网有效提升加工复杂零件的能力。
（5） 现代化的机械加工设备采用了大容量存储器，且系统内部程序和软件具有模块化特点，有效丰富了数字控制功能。
3.2 智能机器人装备
机电一体化是机器人技术发展的基础，机器人技术在发展的过程中体现了机械技术与电子控制、传感器技术、网络技术和计算机技术不断融合的过程。最初的机器人只能完成预定的重复运动，无法感知环境及作业对象的变化，因此适应能力和灵活性均不足。随着时代发展，传感器技术和控制技术应用于机器人领域，机器人能够获取环境信息并进行简单的判断与处置，但智能化程度仍不足，因此，计算机技术赋予了新型机器人更强大的逻辑思维和判断能力，配合多种感知功能，能实现更高难度的作业要求，体现出了强大的智能性和适应能力。
3.3 智能化生产线及物流分选系统
智能化生产线是现代化批量生产的代表，它集成了大量的机械设备、监测装置和分析处理及控制装置，能够实现产品从原材料到成品包装的一条龙作业模式，现代化的生产线包括了加工、输送、筛选、称重、分流、包装、码垛等全部功能，基本消除了人工的体力劳动。近年来，机电一体化技术也逐渐应用于物流领域，先进的无人分拣车间能够实现货物的自动分拣、包装、信息粘贴及校对，图2为天猫超市的无人分拣线，其工作准确性和效率优势明顯。
3.4 工程机械的功能优化
近年来，随着机电一体化技术的发展，其逐渐向工程机械领域延伸，例如建筑行业使用的混凝土搅拌机，通过传感器的检测和控制系统的调整，有效提升了混凝土的均匀程度，提高了铺装效率及质量。此外，对于煤炭行业，机电一体化技术不仅保证了机械装置的可靠运行，同时还能实时监测危险气体及其他周围环境的变化，降低安全事故的发生概率。
4 机电一体化技术的发展趋势
4.1 向模块化方向发展
我国自主生产的机电产品具有种类多、功能各异的特点，缺乏统一的标准约束，导致不同品牌的产品之间通用性较差，很多先进零件的更换只能采用原厂零件，增加了产品维护的复杂性及成本。现阶段，通过管理部门的指导，应尽快推进机电产品统一标准的实施，以保证机电产品的规范化和模块化，便于减少机械装备的设计成本，保证先进装备维修的便捷性。
4.2 向轻量化方向发展
现代化的机电一体化产品，除了必要的机械功能结构外，监测系统与控制系统等电子专业内容均开始向着轻量化方向转变。得益于片式元器件技术的进步，组装技术正逐渐取代传统的通孔插装技术，成为电子组装的主要方式，使机电设备中的电子元件更加的小型、轻便，同时降低与机械结构的影响关系。
4.3 向环保化方向发展
由于资源和环境问题的日益严重，人们的环保意识和节能意识逐渐加深，绿色低碳的机电产品将成为未来发展的必然趋势，机械设备在设计、制造、使用和废弃的过程中，必须要达到环境保护和人类健康的相关要求，保证对生态环境无害或危害轻微，保证资源的高效利用。
5 结语
机电一体化技术作为未来机械产品必不可少的重要组成部分，其对智能机械的实现具有显著的意义，现阶段我国的机电一体化技术与发达国家相比仍存在较大差距，各行各业使用的机械设备在智能化与先进化程度上仍不足，需要相关研究人员和机械厂商共同努力，才能保证我国的机械装备早日实现全面的智能化要求。
参考文献：
[1] 章浩， 张西良， 周士冲. 机电一体化技术的发展与应用[J]. 农机化研究， 2006（7）：46-47.
[2] 罗辑， 杜柳青， 袁冬梅，等. 机电一体化技术在机械工程上的应用及发展趋势[J]. 机床与液压， 2006（1）：185-186.
[3] 索小娟， 陈光伟， 王娜. 工程机械机电一体化技术的应用与发展[J]. 科技传播， 2013（14）：187-188.
[4] 张彬. 论机电一体化技术在现代工程机械中的应用与发展[J]. 现代商贸工业， 2012， 24（5）：180.
[5] 陈开朗. 机电一体化技术在现代工程机械中的发展应用探讨[J]. 科技创新与应用， 2015（25）.
