機(jī)電一體化的應(yīng)用

一、引言機(jī)電一體化被譽為第四次工業(yè)革命背后的創(chuàng)新引擎。機(jī)電一體化一詞是1960年代在日本創(chuàng)造的，起源于新興的機(jī)器人領(lǐng)域。早期，機(jī)械臂不協(xié)調(diào)，沒有感官反饋。結(jié)合流行的編程、傳感器和控制技術(shù)，設(shè)計出更流暢、更協(xié)調(diào)的機(jī)器人運動。隨著機(jī)電一體化方法的進(jìn)步，它開始用于自動售貨機(jī)技術(shù)、自動對焦相機(jī)和自動門。在1980年代，微處理器被引入機(jī)械系統(tǒng)，到1990年代，計算機(jī)智能被應(yīng)用于機(jī)電工程。為了獲得機(jī)電一體化的回報，機(jī)器的傳統(tǒng)設(shè)計方式必須改變。機(jī)電一體化應(yīng)用了與機(jī)器、電子和信息學(xué)相關(guān)的所有基本原理，并將它們結(jié)合在一起并協(xié)同工作。通常，將所有這些元素結(jié)合起來是為了創(chuàng)造一種對人類有用的新技術(shù)。機(jī)電一體化的應(yīng)用通常離機(jī)械、電子、信息學(xué)等不遠(yuǎn)。只是為了實現(xiàn)某種功能而創(chuàng)建的更復(fù)雜。機(jī)電一體化應(yīng)用的特點之一是它是多用途的。正如我們所知，當(dāng)然，所有提到的領(lǐng)域都會被周圍的人類每天遇到。因此，機(jī)電一體化被認(rèn)為是最重要的科學(xué)類型之一，其影響可以直接在人類日常生活中感受到。因此，掌握機(jī)電一體化科學(xué)意味著我們也可以通過我們?yōu)槿祟惿顒?chuàng)造的各種機(jī)電一體化設(shè)備，成為對他人生活有用的人，使它們能夠被使用和受益。這是因為仍然很少有人了解機(jī)電一體化是什么。有時，雖然機(jī)電一體化的應(yīng)用對人類生活非常重要，但它在日常生活中的應(yīng)用卻沒有受到太多關(guān)注。二、機(jī)電一體化的技術(shù)計算智能(CI)側(cè)重于結(jié)合學(xué)習(xí)、適應(yīng)、進(jìn)化和模糊邏輯元素的生物和語言驅(qū)動的計算范式的理論、設(shè)計、應(yīng)用和開發(fā)。計算智能最初是作為人工智能的一個分支發(fā)展起來的，但現(xiàn)在它的范圍已經(jīng)足夠大，可以被認(rèn)為是一個獨立的研究領(lǐng)域。一般來說，典型的人工智能技術(shù)是自上而下的，即模型的結(jié)構(gòu)、解決方案等是從上面強(qiáng)加的。計算智能技術(shù)通常是自下而上的，其中秩序和結(jié)構(gòu)從一個非結(jié)構(gòu)化的開始出現(xiàn)。計算智能一詞所涵蓋的領(lǐng)域包括：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、連接系統(tǒng)、遺傳算法、進(jìn)化編程、模糊系統(tǒng)、群體智能、人工免疫系統(tǒng)和包含這些范式的混合智能系統(tǒng)。計算智能也與軟計算密切相關(guān)，這表明了與運籌學(xué)的區(qū)別，也稱為硬計算。對于類似的問題域，軟計算不為問題設(shè)置條件，也不保證成功，這一缺陷可以通過方法的魯棒性得到補償。控制是工程和數(shù)學(xué)的跨學(xué)科分支，處理設(shè)計、識別和分析以提供特定任務(wù)系統(tǒng)所需的性能。早期的系統(tǒng)控制主要集中在基于反饋概念的工業(yè)控制中的自動調(diào)節(jié)。基于傳遞函數(shù)，經(jīng)典控制理論后來被發(fā)展用于單輸入單輸出和線性時不變系統(tǒng)。隨著應(yīng)用數(shù)學(xué)和計算機(jī)科學(xué)的飛速發(fā)展，控制理論在1970年代進(jìn)入現(xiàn)代控制時代，以處理具有高性能和精度的多輸入多輸出和時變系統(tǒng)。近十年來，隨著新的認(rèn)識和新技術(shù)的出現(xiàn)，控制不斷向智能控制、分布式控制等方向快速發(fā)展。如今，控制工程正在利用控制理論和先進(jìn)技術(shù)開發(fā)更復(fù)雜、更可靠的控制器，其應(yīng)用范圍廣泛，從商用客機(jī)的飛行和推進(jìn)系統(tǒng)，到現(xiàn)代汽車中的巡航控制，再到遠(yuǎn)程操作，以及實時基于互聯(lián)網(wǎng)的分布式控制。它已經(jīng)滲透到我們生活的每一個部分，并將繼續(xù)在我們的社會中發(fā)揮重要作用。由于集成了傳感器、電路和執(zhí)行器等運動組件，機(jī)電一體化系統(tǒng)是具有較少機(jī)械部件的設(shè)備。液壓伺服電機(jī)、線觸發(fā)傳動裝置、機(jī)器人，甚至由邏輯電路控制的洗衣機(jī)都是此類設(shè)備的示例。機(jī)電一體化結(jié)合了工程中的各個學(xué)科，包括機(jī)械、計算、控制和電子，以制造更可靠、更便宜的機(jī)械。電路和其他信息技術(shù)組件通常有助于精確控制此類產(chǎn)品。專門從事機(jī)電一體化系統(tǒng)的公司通常制造自動化機(jī)械和機(jī)器人技術(shù)。其中一些可以小規(guī)模建造高科技航空系統(tǒng)或能源生產(chǎn)系統(tǒng)。集成到運動控制系統(tǒng)中的微型電機(jī)和執(zhí)行器通常也包含在該類別中。一些磁致動器可以產(chǎn)生微觀尺度的運動，這在制造集成電路或其他小型組件時通常很有用。小型電機(jī)也是機(jī)電系統(tǒng)，可以持續(xù)很長時間并且足夠強(qiáng)大，可以在工業(yè)環(huán)境中使用。一些壓電電機(jī)適用于小型醫(yī)療設(shè)備和實驗室自動化系統(tǒng)。其他的可以內(nèi)置到顯微鏡、數(shù)字成像系統(tǒng)和用于制造電路的機(jī)器中。為汽車制造的傳感器是機(jī)電一體化的一種形式，集成到工業(yè)切割、焊接和分散應(yīng)用中的超聲波處理器也是如此。三、機(jī)電一體化的應(yīng)用(一)數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域1.工具監(jiān)控刀具磨損是一個關(guān)鍵的薄弱環(huán)節(jié)。自動化的實時刀具監(jiān)控系統(tǒng)在整個加工過程中檢查刀具的狀況，在刀具磨損對機(jī)床和工件造成損壞之前預(yù)測刀具磨損?；跈C(jī)電一體化的工具磨損監(jiān)測和報警系統(tǒng)已經(jīng)成為自動化工具室和無人工廠不可或缺的一部分。2.制造系統(tǒng)由于市場需求，制造商正在從大規(guī)模生產(chǎn)轉(zhuǎn)向小批量生產(chǎn)。FMS結(jié)合了微電子和機(jī)械工程，將大規(guī)模生產(chǎn)的所有成本效益元素應(yīng)用于批量工作。中央在線計算機(jī)控制機(jī)床、工作站以及組件和工具的轉(zhuǎn)移。計算機(jī)還提供實時監(jiān)控和信息控制。這種具有靈活性和控制性的機(jī)電一體化系統(tǒng)不僅可以小批量生產(chǎn)各種產(chǎn)品，而且可以盈利。目標(biāo)是通過將計算機(jī)技術(shù)(如CAD/CAM)和自動化技術(shù)(如機(jī)器人和材料處理)與管理工具(如數(shù)據(jù)通信和組織系統(tǒng))相結(jié)合，創(chuàng)建一個完整的制造企業(yè)?？刂坪陀涗浽谝粋€單一的來源。這種機(jī)電一體化方法不僅可以提高工廠車間的生產(chǎn)力，還可以讓制造商更好地與客戶和市場保持聯(lián)系。3.工業(yè)機(jī)器人該領(lǐng)域特別展示了機(jī)械、電子和計算機(jī)工程的成功綜合。工業(yè)機(jī)器人被定義為可重新編程的機(jī)器，它們響應(yīng)從系統(tǒng)環(huán)境接收到的感覺信號?；谶@些信號，機(jī)器人執(zhí)行程序化的工作或活動。他們可以做出簡單的獨立決策，并與其他機(jī)器和中央計算機(jī)進(jìn)行通信或交互；在產(chǎn)品構(gòu)造的各個階段執(zhí)行零件處理和加工等功能，尤其是在裝配線上。甚至機(jī)器人本身的建造本質(zhì)上也是機(jī)電一體化的。集成了機(jī)器人設(shè)計所需的許多復(fù)雜的機(jī)械和軟件系統(tǒng)。4.自動質(zhì)量控制和檢測一系列傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、機(jī)器視覺系統(tǒng)、計量儀器等被用于監(jiān)控和分析零件質(zhì)量；無論有無操作員協(xié)助。機(jī)電一體化質(zhì)量控制操作從產(chǎn)品設(shè)計開始就進(jìn)行，使用模擬軟件和數(shù)字成像來預(yù)測性能。傳感器技術(shù)、信號調(diào)理設(shè)備和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換設(shè)備的集成已成為機(jī)電自動化制造中質(zhì)量控制的標(biāo)志。(二)人工智能機(jī)器人人工智能可以幫助機(jī)器人完成很多任務(wù)，從成功導(dǎo)航周圍環(huán)境到識別機(jī)器人周圍的物體或協(xié)助人類完成各種任務(wù)，如砌磚、安裝石膏板或機(jī)器人輔助手術(shù)。機(jī)器人可以以不同的方式從人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)中受益，這些支持人工智能的能力包括支持人工智能的操作和抓取。長期以來，人工智能被認(rèn)為是機(jī)器人的一項艱巨任務(wù)，它被用來幫助機(jī)器人抓取物品。在人工智能的幫助下，機(jī)器人可以伸手去抓一個物體，而無需人工控制器。機(jī)電一體化是一個多學(xué)科領(lǐng)域，結(jié)合了機(jī)械系統(tǒng)、電子學(xué)和控制理論，用于產(chǎn)品和控制過程的設(shè)計。它涉及旨在實現(xiàn)基本機(jī)械結(jié)構(gòu)與其整體控制之間的最佳平衡的系統(tǒng)、設(shè)備和產(chǎn)品的設(shè)計。機(jī)電一體化系統(tǒng)的一些例子是汽車中的巡航控制、相機(jī)中的自動對焦、機(jī)器人控制器、制造工廠自動化、汽車裝配、自動駕駛系統(tǒng)等。機(jī)電一體化的最新研究趨勢集中在高效、快速、多組件(傳感器和執(zhí)行器)的模塊化/可擴(kuò)展系統(tǒng)設(shè)計。通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)的實時大型機(jī)電一體化系統(tǒng)是另一個推動力。挑戰(zhàn)在于將足夠的智能集成到現(xiàn)實世界的系統(tǒng)中。其中尺寸和成本是主要限制因素。機(jī)電一體化將推動智能空間、機(jī)器人室、遠(yuǎn)程手術(shù)、自動駕駛汽車、物理-網(wǎng)絡(luò)空間集成運輸系統(tǒng)、分布式發(fā)電系統(tǒng)等技術(shù)進(jìn)步。機(jī)器人是一種機(jī)器，它收集有關(guān)其環(huán)境的信息，并使用該信息按照指令執(zhí)行某種工作。機(jī)器人感知系統(tǒng)收集控制系統(tǒng)所需的特定信息。機(jī)器人控制系統(tǒng)指導(dǎo)機(jī)器人的運動和感覺處理。然后機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生運動，導(dǎo)致操縱或運動。機(jī)器人學(xué)是與機(jī)器人的設(shè)計、制造和應(yīng)用有關(guān)的科學(xué)和工程，以及用于控制、感覺反饋和信息處理的計算機(jī)系統(tǒng)。許多類型的機(jī)器人系統(tǒng)包括機(jī)器人機(jī)械手、機(jī)器人手、移動機(jī)器人、步行機(jī)器人、殘疾人輔助設(shè)備、遠(yuǎn)程機(jī)器人和微機(jī)電系統(tǒng)。機(jī)器人工程師學(xué)習(xí)電子學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、人工智能、機(jī)電一體化、納米技術(shù)和生物工程。 (三)汽車電子設(shè)備汽車工程中的機(jī)電一體化領(lǐng)域是指一種組合設(shè)計方法，重點是機(jī)械、電氣、計算機(jī)和控制工程組的貢獻(xiàn)。隨著乘用車制造商尋求機(jī)會使其產(chǎn)品差異化，設(shè)計團(tuán)隊合作開發(fā)新興技術(shù)的新用途，以滿足消費者需求的要素。此類合作催生了可提供安全性和性能增強(qiáng)的先進(jìn)駕駛員支持系統(tǒng)。確保此類系統(tǒng)的質(zhì)量和性能是強(qiáng)制性的，尤其是在涉及安全增強(qiáng)設(shè)備的系統(tǒng)中?；跈C(jī)電一體化的系統(tǒng)使用微電子機(jī)械傳感器(MEMS)從環(huán)境中獲取信號，對其進(jìn)行處理以生成輸出信號，并將這些輸出信號轉(zhuǎn)換為力、運動和動作。機(jī)電一體化系統(tǒng)的示例包括數(shù)控內(nèi)燃機(jī)、自適應(yīng)機(jī)床和非接觸式磁軸承。機(jī)械系統(tǒng)與傳感器和微處理器的緊密集成產(chǎn)生的高級控制能力是機(jī)電一體化最重要的方面之一。1.ABS(防抱死制動系統(tǒng))最早的機(jī)電一體化應(yīng)用通常出現(xiàn)在汽車領(lǐng)域，制動系統(tǒng)在汽車領(lǐng)域至關(guān)重要。制造商必須密切關(guān)注其產(chǎn)品中的制動系統(tǒng)。這就是最終導(dǎo)致創(chuàng)建ABS或防抱死制動系統(tǒng)的原因；ABS本身是機(jī)電一體化的應(yīng)用之一，其中ABS是一種集成到車輛中的系統(tǒng)，可幫助駕駛員在駕駛時保持安全，即使是在濕滑的道路上或發(fā)送早產(chǎn)時也是如此。采用ABS技術(shù)，即使駕駛員突然急剎車，車輪也不會抱死。采用ABS技術(shù)，駕駛時更安全。機(jī)電一體化本質(zhì)上是跨學(xué)科的，需要輸入和協(xié)調(diào)設(shè)計元素，控制電子和嵌入式軟件作為集成組件。嵌入式軟件對于機(jī)電一體化系統(tǒng)的功能至關(guān)重要，通常被稱為“機(jī)器元件”。防抱死制動系統(tǒng)(ABS)是大多數(shù)乘用車中使用的機(jī)電一體化的常見示例。ABS系統(tǒng)允許車輛的車輪在制動時保持在路面上的牽引力。ABS可以防止車輛的車輪抱死，從而導(dǎo)致打滑和隨后的失控。穩(wěn)定性控制系統(tǒng)利用額外的角度和陀螺儀傳感器測量方向盤角度和車輛指向的方向。當(dāng)車輪的角度與車輛的方向不一致時，控制系統(tǒng)的軟件將激活必要的單個車輪的制動器，使車輛沿其被轉(zhuǎn)向的方向行駛。方向盤傳感器還可以通過發(fā)送信號來增加內(nèi)側(cè)車輪的制動力，從而提供輸入以幫助增加彎道上的制動力。這些系統(tǒng)中最復(fù)雜的系統(tǒng)包含一系列其他傳感器，可用于收集有關(guān)道路狀況以及與其他車輛和物體的接近度的輸入。這些傳感器可以與機(jī)械控制系統(tǒng)集成，以提供自動制動和油門控制功能。2.ABC(主動車身控制)ABC或主動車身控制是一種先進(jìn)的懸架技術(shù)系統(tǒng)，它由集成到單個系統(tǒng)中的各種組件組成，使該技術(shù)具有可操作性。該技術(shù)的工作系統(tǒng)可以在所有路況下對汽車進(jìn)行減震。無論是良好的道路還是由于損壞或陡峭的極端道路，該系統(tǒng)都將通過控制彈簧和阻尼車輛的每個車輪來增加駕駛員和乘客的舒適度。該ABC系統(tǒng)的性能已由計算機(jī)集成，可自動運行；例如，該系統(tǒng)將使用液壓裝置來降低巨大的壓力，并使用傳統(tǒng)的減震器來克服小壓力。3.ESP(電子穩(wěn)定程序)隨著日益復(fù)雜的技術(shù)的發(fā)展，影響之一是汽車世界。每個汽車產(chǎn)品都更加舒適和安全，以及支持這些汽車產(chǎn)品的各種先進(jìn)技術(shù)。使用機(jī)電一體化原理的特征之一是電子穩(wěn)定控制。這是一項與計算機(jī)化系統(tǒng)集成的技術(shù)，該技術(shù)具有重要功能，可通過可檢測并最大限度減少打滑的傳感器來提高汽車控制方面的安全性。因此，該程序始終確保車輛處于良好的控制狀態(tài)。高檔和豪華汽車制造商繼續(xù)表現(xiàn)出對評估儀表板功能(如導(dǎo)航系統(tǒng))的人體工程學(xué)可行性的興趣。參與系統(tǒng)所需的力的測量是設(shè)計團(tuán)隊和質(zhì)量經(jīng)理感興趣的屬性之一。涉及人體工程學(xué)的其他應(yīng)用是扭轉(zhuǎn)測試，用于評估控制進(jìn)入客艙的氣流的旋鈕以及控制音響系統(tǒng)音量的固定裝置的扭轉(zhuǎn)阻力。旋鈕和按鈕必須易于操作和操作，而且要足夠堅固以保持在所需位置。這些標(biāo)準(zhǔn)的正確商數(shù)使駕駛員能夠在不犧牲安全性的情況下進(jìn)行調(diào)整。對提高舒適性和性能水平的需求促使制造商引入先進(jìn)的懸架系統(tǒng)，以提供平穩(wěn)、一致的乘坐質(zhì)量。電磁閥是空氣懸架系統(tǒng)的核心。螺線管由纏繞在金屬芯上的螺旋線圈組成，當(dāng)電流通過組件時會產(chǎn)生均勻的磁場。作為空氣懸架系統(tǒng)中的致動器，螺線管利用磁場施加足以打開控制氣流的閥門的力。因此，全面了解螺線管機(jī)械性能對于在這些系統(tǒng)中提供精度至關(guān)重要。檢查螺線管和比例磁鐵的負(fù)載-行程特性曲線有效地為電磁執(zhí)行器提供功能測試，主要用于最終檢查。該曲線允許識別主要操作特性，而負(fù)載力曲線顯示執(zhí)行器是否在其操作范圍內(nèi)以固定電流水平施加所需的力。滯后提供了有關(guān)由機(jī)械零件質(zhì)量引起的摩擦的信息。負(fù)載電流曲線主要與比例磁鐵一起檢查，以確定執(zhí)行器是否在定義的電樞位置在電流范圍內(nèi)施加必要的力。理想曲線是工作點附近負(fù)載和電流之間的線性關(guān)系。4.電機(jī)管理系統(tǒng)機(jī)電一體化的下一個應(yīng)用是電機(jī)管理系統(tǒng)，這是一個控制和控制機(jī)器整體性能的集成系統(tǒng)，由稱為電子控制單元或內(nèi)容的單個設(shè)備控制。結(jié)果，機(jī)器可以被控制并且始終處于最佳性能，因為機(jī)器上的數(shù)據(jù)是非常復(fù)雜的計算機(jī)化的。在這項技術(shù)中，所有機(jī)器部件都使用傳感器作為輸入，然后在電子控制單元中進(jìn)行處理。機(jī)電一體化技術(shù)的積極影響之一是在湍流系統(tǒng)技術(shù)中創(chuàng)造舒適性，其中系統(tǒng)的功能是最大限度地減少湍流的影響，從而增加錯誤乘客的舒適度。機(jī)電一體化必須滿足的要求之一是滿足構(gòu)成機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)本身的所有基本組件或元素。以下是構(gòu)成機(jī)電一體化的元素和結(jié)構(gòu)。第一個傳感器組件是從您要控制的對象接收數(shù)據(jù)的元素。然后是控制器組件，該組件的作用是判斷被控對象是否滿足需要或是否存在其他異常情況。然后是數(shù)據(jù)通路；該組件負(fù)責(zé)分發(fā)從控制器獲得的命令。下一頁是水族，這個元素有一個重要的功能，即轉(zhuǎn)換能量。轉(zhuǎn)換是通過將電能的形式改變?yōu)闄C(jī)械能來完成的。最后一個組件或元素是能源。當(dāng)然，這個組件有一個至關(guān)重要的功能，即為所有需要它的元素均勻地提供能量；所有這些組件必須相互補充和集成，以創(chuàng)建機(jī)電一體化的完美應(yīng)用。四、總結(jié)盡管機(jī)電一體化技術(shù)顯示出優(yōu)于其他制造工藝的優(yōu)勢，但它可能并不適合所有制造應(yīng)用，并且其他工藝可能更適合且更具成本效益。盡管本文著重介紹采用機(jī)床生產(chǎn)定制設(shè)計零件或產(chǎn)品的機(jī)械數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工過程，但數(shù)控機(jī)床控件可以集成到各種機(jī)床中。例如，其他機(jī)電一體化技術(shù)過