機(jī)電一體化的應(yīng)用

一、引言機(jī)電一體化被譽(yù)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(jì)出更流暢、更協(xié)調(diào)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。隨著機(jī)電一體化方法的進(jìn)步，它開始用于自動(dòng)售貨機(jī)技術(shù)、自動(dòng)對(duì)焦相機(jī)和自動(dòng)門。在1980年代，微處理器被引入機(jī)械系統(tǒng)，到1990年代，計(jì)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(bào)，機(jī)器的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)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(duì)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(shí)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(diǎn)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(huì)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(duì)他人生活有用的人，使它們能夠被使用和受益。這是因?yàn)槿匀缓苌儆腥肆私鈾C(jī)電一體化是什么。有時(shí)，雖然機(jī)電一體化的應(yīng)用對(duì)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(jì)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(dòng)的計(jì)算范式的理論、設(shè)計(jì)、應(yīng)用和開發(fā)。計(jì)算智能最初是作為人工智能的一個(gè)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(gè)獨(dú)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(jì)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(gè)非結(jié)構(gòu)化的開始出現(xiàn)。計(jì)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(jì)算智能也與軟計(jì)算密切相關(guān)，這表明了與運(yùn)籌學(xué)的區(qū)別，也稱為硬計(jì)算。對(duì)于類似的問題域，軟計(jì)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(bǔ)償?？刂剖枪こ毯蛿?shù)學(xué)的跨學(xué)科分支，處理設(shè)計(jì)、識(shí)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(dòng)調(diào)節(jié)?；趥鬟f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(shí)不變系統(tǒng)。隨著應(yīng)用數(shù)學(xué)和計(jì)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(shí)代，以處理具有高性能和精度的多輸入多輸出和時(shí)變系統(tǒng)。近十年來，隨著新的認(rèn)識(shí)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(shí)時(shí)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(gè)部分，并將繼續(xù)在我們的社會(huì)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(yùn)動(dòng)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(dòng)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(gè)學(xué)科，包括機(jī)械、計(jì)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(dòng)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(yùn)動(dòng)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(dòng)器可以產(chǎn)生微觀尺度的運(yùn)動(dòng)，這在制造集成電路或其他小型組件時(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)室自動(dòng)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(gè)關(guān)鍵的薄弱環(huán)節(jié)。自動(dòng)化的實(shí)時(shí)刀具監(jiān)控系統(tǒng)在整個(gè)加工過程中檢查刀具的狀況，在刀具磨損對(duì)機(jī)床和工件造成損壞之前預(yù)測(cè)刀具磨損。基于機(jī)電一體化的工具磨損監(jiān)測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)已經(jīng)成為自動(dòng)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(chǎng)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(jì)算機(jī)控制機(jī)床、工作站以及組件和工具的轉(zhuǎn)移。計(jì)算機(jī)還提供實(shí)時(shí)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(jì)算機(jī)技術(shù)(如CAD/CAM)和自動(dòng)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(gè)完整的制造企業(yè)?？刂坪陀涗浽谝粋€(gè)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(chǎng)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(jì)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(hào)。基于這些信號(hào)，機(jī)器人執(zhí)行程序化的工作或活動(dòng)。他們可以做出簡單的獨(dú)立決策，并與其他機(jī)器和中央計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信或交互；在產(chǎn)品構(gòu)造的各個(gè)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(jì)所需的許多復(fù)雜的機(jī)械和軟件系統(tǒng)。4.自動(dòng)質(zhì)量控制和檢測(cè)一系列傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、機(jī)器視覺系統(tǒng)、計(jì)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(jì)開始就進(jìn)行，使用模擬軟件和數(shù)字成像來預(yù)測(cè)性能。傳感器技術(shù)、信號(hào)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(dòng)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(shí)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(xiàng)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(gè)物體，而無需人工控制器。機(jī)電一體化是一個(gè)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(jì)。它涉及旨在實(shí)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(jì)。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(dòng)對(duì)焦、機(jī)器人控制器、制造工廠自動(dòng)化、汽車裝配、自動(dòng)駕駛系統(tǒng)等。機(jī)電一體化的最新研究趨勢(shì)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(jì)。通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)的實(shí)時(shí)大型機(jī)電一體化系統(tǒng)是另一個(gè)推動(dòng)力。挑戰(zhàn)在于將足夠的智能集成到現(xiàn)實(shí)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(dòng)智能空間、機(jī)器人室、遠(yuǎn)程手術(shù)、自動(dòng)駕駛汽車、物理-網(wǎng)絡(luò)空間集成運(yùn)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(yùn)動(dòng)和感覺處理。然后機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致操縱或運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人學(xué)是與機(jī)器人的設(shè)計(jì)、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(jì)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(dòng)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(jì)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(jì)方法，重點(diǎn)是機(jī)械、電氣、計(jì)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(huì)使其產(chǎn)品差異化，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)新興技術(shù)的新用途，以滿足消費(fèi)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(hào)，對(duì)其進(jìn)行處理以生成輸出信號(hào)，并將這些輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為力、運(yùn)動(dòng)和動(dòng)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(jí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)系統(tǒng)。這就是最終導(dǎo)致創(chuàng)建ABS或防抱死制動(dòng)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(shí)保持安全，即使是在濕滑的道路上或發(fā)送早產(chǎn)時(shí)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(huì)抱死。采用ABS技術(shù)，駕駛時(shí)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(jì)元素，控制電子和嵌入式軟件作為集成組件。嵌入式軟件對(duì)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(dòng)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(dòng)時(shí)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(cè)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(shí)，控制系統(tǒng)的軟件將激活必要的單個(gè)車輪的制動(dòng)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(hào)來增加內(nèi)側(cè)車輪的制動(dòng)力，從而提供輸入以幫助增加彎道上的制動(dòng)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(dòng)制動(dòng)和油門控制功能。2.ABC(主動(dòng)車身控制)ABC或主動(dòng)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(gè)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(duì)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(gè)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(jì)算機(jī)集成，可自動(dòng)運(yùn)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(gè)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(xiàng)與計(jì)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(cè)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(duì)評(píng)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(cè)量是設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)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(cè)試，用于評(píng)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(jiān)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(duì)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(shí)會(huì)產(chǎn)生均勻的磁場(chǎng)。作為空氣懸架系統(tǒng)中的致動(dòng)器，螺線管利用磁場(chǎng)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(duì)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(cè)試，主要用于最終檢查。該曲線允許識(shí)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(diǎn)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(gè)應(yīng)用是電機(jī)管理系統(tǒng)，這是一個(gè)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(gè)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?yàn)闄C(jī)器上的數(shù)據(jù)是非常復(fù)雜的計(jì)算機(jī)化的。在這項(xiàng)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(cuò)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(gè)傳感器組件是從您要控制的對(duì)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(duì)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(gè)元素有一個(gè)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(gè)組件或元素是能源。當(dāng)然，這個(gè)組件有一個(gè)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(bǔ)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(shì)，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(jì)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