机电一体化的应用

摘要

机电一体化技术是依托计算机信息技术为平台，进行基础的计算机编程的方式。机电一体化技术具有操作简单、适用范围广、性能强、方便快捷等优势。在计算机进行基础的编程过程中，操作简单，为相关的工作人员提供了便利。本文研究的重点在于从数控机床的原理、分类、组成方面入手，通过研究了解目前机电一体化技术的基本概念情况。根据这些方面研究找到企业在初期选择机电一体化技术的时候应该从哪些方面去考虑，让企业清楚了解自身的产品定位，选择对的机电一体化技术，提高加工生产效率，保证安全生产。

　　关键词：机电一体化；应用

　　一、引言

机电一体化被誉为第四次工业革命背后的创新引擎。机电一体化一词是1960年代在日本创造的，起源于新兴的机器人领域。早期，机械臂不协调，没有感官反馈。结合流行的编程、传感器和控制技术，设计出更流畅、更协调的机器人运动。随着机电一体化方法的进步，它开始用于自动售货机技术、自动对焦相机和自动门。在1980年代，微处理器被引入机械系统，到1990年代，计算机智能被应用于机电工程。为了获得机电一体化的回报，机器的传统设计方式必须改变。

机电一体化应用了与机器、电子和信息学相关的所有基本原理，并将它们结合在一起并协同工作。通常，将所有这些元素结合起来是为了创造一种对人类有用的新技术。机电一体化的应用通常离机械、电子、信息学等不远。只是为了实现某种功能而创建的更复杂。机电一体化应用的特点之一是它是多用途的。正如我们所知，当然，所有提到的领域都会被周围的人类每天遇到。因此，机电一体化被认为是最重要的科学类型之一，其影响可以直接在人类日常生活中感受到。

因此，掌握机电一体化科学意味着我们也可以通过我们为人类生活创造的各种机电一体化设备，成为对他人生活有用的人，使它们能够被使用和受益。这是因为仍然很少有人了解机电一体化是什么。有时，虽然机电一体化的应用对人类生活非常重要，但它在日常生活中的应用却没有受到太多关注。

　　二、机电一体化的技术

计算智能(CI)侧重于结合学习、适应、进化和模糊逻辑元素的生物和语言驱动的计算范式的理论、设计、应用和开发。计算智能最初是作为人工智能的一个分支发展起来的，但现在它的范围已经足够大，可以被认为是一个独立的研究领域。一般来说，典型的人工智能技术是自上而下的，即模型的结构、解决方案等是从上面强加的。计算智能技术通常是自下而上的，其中秩序和结构从一个非结构化的开始出现。计算智能一词所涵盖的领域包括：神经网络、连接系统、遗传算法、进化编程、模糊系统、群体智能、人工免疫系统和包含这些范式的混合智能系统。计算智能也与软计算密切相关，这表明了与运筹学的区别，也称为硬计算。对于类似的问题域，软计算不为问题设置条件，也不保证成功，这一缺陷可以通过方法的鲁棒性得到补偿。

控制是工程和数学的跨学科分支，处理设计、识别和分析以提供特定任务系统所需的性能。早期的系统控制主要集中在基于反馈概念的工业控制中的自动调节。基于传递函数，经典控制理论后来被发展用于单输入单输出和线性时不变系统。随着应用数学和计算机科学的飞速发展，控制理论在1970年代进入现代控制时代，以处理具有高性能和精度的多输入多输出和时变系统。近十年来，随着新的认识和新技术的出现，控制不断向智能控制、分布式控制等方向快速发展。

如今，控制工程正在利用控制理论和先进技术开发更复杂、更可靠的控制器，其应用范围广泛，从商用客机的飞行和推进系统，到现代汽车中的巡航控制，再到远程操作，以及实时基于互联网的分布式控制。它已经渗透到我们生活的每一个部分，并将继续在我们的社会中发挥重要作用。

由于集成了传感器、电路和执行器等运动组件，机电一体化系统是具有较少机械部件的设备。液压伺服电机、线触发传动装置、机器人，甚至由逻辑电路控制的洗衣机都是此类设备的示例。机电一体化结合了工程中的各个学科，包括机械、计算、控制和电子，以制造更可靠、更便宜的机械。电路和其他信息技术组件通常有助于精确控制此类产品。专门从事机电一体化系统的公司通常制造自动化机械和机器人技术。其中一些可以小规模建造高科技航空系统或能源生产系统。集成到运动控制系统中的微型电机和执行器通常也包含在该类别中。一些磁致动器可以产生微观尺度的运动，这在制造集成电路或其他小型组件时通常很有用。

小型电机也是机电系统，可以持续很长时间并且足够强大，可以在工业环境中使用。一些压电电机适用于小型医疗设备和实验室自动化系统。其他的可以内置到显微镜、数字成像系统和用于制造电路的机器中。为汽车制造的传感器是机电一体化的一种形式，集成到工业切割、焊接和分散应用中的超声波处理器也是如此。

　　三、机电一体化的应用

　　(一)数控机床领域

1.工具监控

刀具磨损是一个关键的薄弱环节。自动化的实时刀具监控系统在整个加工过程中检查刀具的状况，在刀具磨损对机床和工件造成损坏之前预测刀具磨损。基于机电一体化的工具磨损监测和报警系统已经成为自动化工具室和无人工厂不可或缺的一部分。

2.制造系统

由于市场需求，制造商正在从大规模生产转向小批量生产。FMS结合了微电子和机械工程，将大规模生产的所有成本效益元素应用于批量工作。中央在线计算机控制机床、工作站以及组件和工具的转移。计算机还提供实时监控和信息控制。这种具有灵活性和控制性的机电一体化系统不仅可以小批量生产各种产品，而且可以盈利。目标是通过将计算机技术(如CAD/CAM)和自动化技术(如机器人和材料处理)与管理工具(如数据通信和组织系统)相结合，创建一个完整的制造企业。控制和记录在一个单一的来源。这种机电一体化方法不仅可以提高工厂车间的生产力，还可以让制造商更好地与客户和市场保持联系。

3.工业机器人

该领域特别展示了机械、电子和计算机工程的成功综合。工业机器人被定义为可重新编程的机器，它们响应从系统环境接收到的感觉信号。基于这些信号，机器人执行程序化的工作或活动。他们可以做出简单的独立决策，并与其他机器和中央计算机进行通信或交互；在产品构造的各个阶段执行零件处理和加工等功能，尤其是在装配线上。甚至机器人本身的建造本质上也是机电一体化的。集成了机器人设计所需的许多复杂的机械和软件系统。

4.自动质量控制和检测

一系列传感器、数据采集系统、机器视觉系统、计量仪器等被用于监控和分析零件质量；无论有无操作员协助。机电一体化质量控制操作从产品设计开始就进行，使用模拟软件和数字成像来预测性能。传感器技术、信号调理设备和数据转换设备的集成已成为机电自动化制造中质量控制的标志。

　　(二)人工智能机器人

人工智能可以帮助机器人完成很多任务，从成功导航周围环境到识别机器人周围的物体或协助人类完成各种任务，如砌砖、安装石膏板或机器人辅助手术。机器人可以以不同的方式从人工智能和机器学习中受益，这些支持人工智能的能力包括支持人工智能的操作和抓取。长期以来，人工智能被认为是机器人的一项艰巨任务，它被用来帮助机器人抓取物品。在人工智能的帮助下，机器人可以伸手去抓一个物体，而无需人工控制器。

机电一体化是一个多学科领域，结合了机械系统、电子学和控制理论，用于产品和控制过程的设计。它涉及旨在实现基本机械结构与其整体控制之间的最佳平衡的系统、设备和产品的设计。机电一体化系统的一些例子是汽车中的巡航控制、相机中的自动对焦、机器人控制器、制造工厂自动化、汽车装配、自动驾驶系统等。机电一体化的最新研究趋势集中在高效、快速、多组件(传感器和执行器)的模块化/可扩展系统设计。通过网络协调的实时大型机电一体化系统是另一个推动力。挑战在于将足够的智能集成到现实世界的系统中。其中尺寸和成本是主要限制因素。机电一体化将推动智能空间、机器人室、远程手术、自动驾驶汽车、物理-网络空间集成运输系统、分布式发电系统等技术进步。

机器人是一种机器，它收集有关其环境的信息，并使用该信息按照指令执行某种工作。机器人感知系统收集控制系统所需的特定信息。机器人控制系统指导机器人的运动和感觉处理。然后机器人机械系统产生运动，导致操纵或运动。机器人学是与机器人的设计、制造和应用有关的科学和工程，以及用于控制、感觉反馈和信息处理的计算机系统。许多类型的机器人系统包括机器人机械手、机器人手、移动机器人、步行机器人、残疾人辅助设备、远程机器人和微机电系统。机器人工程师学习电子学、计算机科学、人工智能、机电一体化、纳米技术和生物工程。

　　(三)汽车电子设备

汽车工程中的机电一体化领域是指一种组合设计方法，重点是机械、电气、计算机和控制工程组的贡献。随着乘用车制造商寻求机会使其产品差异化，设计团队合作开发新兴技术的新用途，以满足消费者需求的要素。此类合作催生了可提供安全性和性能增强的先进驾驶员支持系统。确保此类系统的质量和性能是强制性的，尤其是在涉及安全增强设备的系统中。基于机电一体化的系统使用微电子机械传感器(MEMS)从环境中获取信号，对其进行处理以生成输出信号，并将这些输出信号转换为力、运动和动作。机电一体化系统的示例包括数控内燃机、自适应机床和非接触式磁轴承。机械系统与传感器和微处理器的紧密集成产生的高级控制能力是机电一体化最重要的方面之一。

　　1.ABS(防抱死制动系统)

最早的机电一体化应用通常出现在汽车领域，制动系统在汽车领域至关重要。制造商必须密切关注其产品中的制动系统。这就是最终导致创建ABS或防抱死制动系统的原因；ABS本身是机电一体化的应用之一，其中ABS是一种集成到车辆中的系统，可帮助驾驶员在驾驶时保持安全，即使是在湿滑的道路上或发送早产时也是如此。采用ABS技术，即使驾驶员突然急刹车，车轮也不会抱死。采用ABS技术，驾驶时更安全。

机电一体化本质上是跨学科的，需要输入和协调设计元素，控制电子和嵌入式软件作为集成组件。嵌入式软件对于机电一体化系统的功能至关重要，通常被称为“机器元件”。防抱死制动系统(ABS)是大多数乘用车中使用的机电一体化的常见示例。ABS系统允许车辆的车轮在制动时保持在路面上的牵引力。ABS可以防止车辆的车轮抱死，从而导致打滑和随后的失控。

稳定性控制系统利用额外的角度和陀螺仪传感器测量方向盘角度和车辆指向的方向。当车轮的角度与车辆的方向不一致时，控制系统的软件将激活必要的单个车轮的制动器，使车辆沿其被转向的方向行驶。方向盘传感器还可以通过发送信号来增加内侧车轮的制动力，从而提供输入以帮助增加弯道上的制动力。这些系统中最复杂的系统包含一系列其他传感器，可用于收集有关道路状况以及与其他车辆和物体的接近度的输入。这些传感器可以与机械控制系统集成，以提供自动制动和油门控制功能。

　　2.ABC(主动车身控制)

ABC或主动车身控制是一种先进的悬架技术系统，它由集成到单个系统中的各种组件组成，使该技术具有可操作性。该技术的工作系统可以在所有路况下对汽车进行减震。无论是良好的道路还是由于损坏或陡峭的极端道路，该系统都将通过控制弹簧和阻尼车辆的每个车轮来增加驾驶员和乘客的舒适度。该ABC系统的性能已由计算机集成，可自动运行；例如，该系统将使用液压装置来降低巨大的压力，并使用传统的减震器来克服小压力。

　　3.ESP(电子稳定程序)

随着日益复杂的技术的发展，影响之一是汽车世界。每个汽车产品都更加舒适和安全，以及支持这些汽车产品的各种先进技术。使用机电一体化原理的特征之一是电子稳定控制。这是一项与计算机化系统集成的技术，该技术具有重要功能，可通过可检测并最大限度减少打滑的传感器来提高汽车控制方面的安全性。因此，该程序始终确保车辆处于良好的控制状态。

高档和豪华汽车制造商继续表现出对评估仪表板功能(如导航系统)的人体工程学可行性的兴趣。参与系统所需的力的测量是设计团队和质量经理感兴趣的属性之一。涉及人体工程学的其他应用是扭转测试，用于评估控制进入客舱的气流的旋钮以及控制音响系统音量的固定装置的扭转阻力。旋钮和按钮必须易于操作和操作，而且要足够坚固以保持在所需位置。这些标准的正确商数使驾驶员能够在不牺牲安全性的情况下进行调整。对提高舒适性和性能水平的需求促使制造商引入先进的悬架系统，以提供平稳、一致的乘坐质量。电磁阀是空气悬架系统的核心。螺线管由缠绕在金属芯上的螺旋线圈组成，当电流通过组件时会产生均匀的磁场。作为空气悬架系统中的致动器，螺线管利用磁场施加足以打开控制气流的阀门的力。因此，全面了解螺线管机械性能对于在这些系统中提供精度至关重要。

检查螺线管和比例磁铁的负载-行程特性曲线有效地为电磁执行器提供功能测试，主要用于最终检查。该曲线允许识别主要操作特性，而负载力曲线显示执行器是否在其操作范围内以固定电流水平施加所需的力。滞后提供了有关由机械零件质量引起的摩擦的信息。负载电流曲线主要与比例磁铁一起检查，以确定执行器是否在定义的电枢位置在电流范围内施加必要的力。理想曲线是工作点附近负载和电流之间的线性关系。

　　4.电机管理系统

机电一体化的下一个应用是电机管理系统，这是一个控制和控制机器整体性能的集成系统，由称为电子控制单元或内容的单个设备控制。结果，机器可以被控制并且始终处于最佳性能，因为机器上的数据是非常复杂的计算机化的。在这项技术中，所有机器部件都使用传感器作为输入，然后在电子控制单元中进行处理。机电一体化技术的积极影响之一是在湍流系统技术中创造舒适性，其中系统的功能是最大限度地减少湍流的影响，从而增加错误乘客的舒适度。

机电一体化必须满足的要求之一是满足构成机电一体化结构本身的所有基本组件或元素。以下是构成机电一体化的元素和结构。第一个传感器组件是从您要控制的对象接收数据的元素。然后是控制器组件，该组件的作用是判断被控对象是否满足需要或是否存在其他异常情况。然后是数据通路；该组件负责分发从控制器获得的命令。下一页是水族，这个元素有一个重要的功能，即转换能量。转换是通过将电能的形式改变为机械能来完成的。最后一个组件或元素是能源。当然，这个组件有一个至关重要的功能，即为所有需要它的元素均匀地提供能量；所有这些组件必须相互补充和集成，以创建机电一体化的完美应用。

　　四、总结

尽管机电一体化技术显示出优于其他制造工艺的优势，但它可能并不适合所有制造应用，并且其他工艺可能更适合且更具成本效益。尽管本文着重介绍采用机床生产定制设计零件或产品的机械数控机床机械加工过程，但数控机床控件可以集成到各种机床中。例如，其他机电一体化技术过程包括超声加工，水刀切割和磨料喷射加工。除了机械过程外，还可以使用化学，电化学和热加工过程。在不久的将来，技术创新的未来肯定会涉及多学科专业知识。机电一体化对制造的真正价值在于它能够创建所有现有设计和制造流程的无缝统一和标准化，同时将源源不断的新兴技术不断添加到组合中。一个可靠的机电工程技术连接中心将是开启数控机床制造新的、更强大的时代的关键。

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　　致谢

这篇论文是在我的指导老师的细心指导下完成的，指导老师扎实的专业基础、谨慎的研究学风、卓越的工作能力、严谨的自我管理、宽以待人的风格、简单而亲切的性格魅力对我产生了很大的影响。以致于在老师的影响下，我为自己树立了坚定的目标、以及加强学习一些基本的研究方法，还让我理解了与他人的关系，以及和他人相处的很多原则。本篇论文自题目选定开始到最终圆满完成，每个关键的步骤都得益于指导老师的精心指导，指导导师为我的论文付出了很多的心血。在这里，我向我的指导老师致以最崇高的敬意！