智能制造中機電一體化技術的應用

陳承忠

[摘? ? 要]文章針對當下對國民經(jīng)濟貢獻巨大的智能制造，在簡述其意義和特征的基礎上，對機電一體化技術的特點和在智能制造中的具體應用進行深入分析，旨在為智能制造中機電一體化技術功能的發(fā)揮奠定良好基礎。

[關鍵詞]智能制造;機電一體化;技術應用

[中圖分類號]TH-39 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）07–000–03

About the Application of Mechatronics Technology in Intelligent Manufacturing

Chen Cheng-zhong

[Abstract]In view of the current great contribution to the national economy of intelligent manufacturing， on the basis of its significance and characteristics， the characteristics of mechatronics technology and the specific application in intelligent manufacturing for in-depth analysis， only in intelligent manufacturing mechatronics application function to lay a good foundation.

[Keywords]intelligent manufacturing; mechatronics; technology applicatio

智能制造通過對人腦進行模擬，對整個生產(chǎn)和制造過程進行分析、推理與判斷，為生產(chǎn)決策的制定提供可靠的參考依據(jù)，使生產(chǎn)過程實現(xiàn)高度智能化和人性化。采用計算機分析取代人腦分析，從而實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的準確控制。其中，機電一體化技術發(fā)揮著至關重要的作用，因此有必要對機電一體化技術在智能制造中的具體應用進行深入分析。

1 智能制造系統(tǒng)概述

根據(jù)智能制造系統(tǒng)所具有的各項特征，系統(tǒng)的網(wǎng)絡構成以分布式集成為基本思想，基于智能對應的相關理論及方法，使制造單元具有柔性特點，并以網(wǎng)絡為基礎，構成智能制造系統(tǒng)。由于分布式系統(tǒng)具有同構特征，所以局域實現(xiàn)形式的智能制造系統(tǒng)，也可以反映出以Internet為基礎的智能制造系統(tǒng)的具體實現(xiàn)模式。相較于傳統(tǒng)意義上的制造系統(tǒng)，智能制造系統(tǒng)主要具備下列幾項特征。

1.1 具有更強的自律能力

對環(huán)境信息與自身的信息進行搜集和理解，同時通過分析對自身行為進行判斷及規(guī)劃。所有能實現(xiàn)自律的設備都可以稱作智能機器，智能機器都具有自己的個性、獨立性與自主性，并且相互之間還能做到協(xié)調運行和良性競爭。知識庫和知識模型是具有自律能力的基礎。

1.2 人機一體化

智能制造并非單純的人工智能系統(tǒng)，嚴格來說屬于人機一體化智能系統(tǒng)，即混合智能。以人工智能為基礎的智能機器只能進行機械式推理，以也就是專家系統(tǒng)邏輯思維也能具備形象思維，即通過神經(jīng)網(wǎng)絡，但仍然無法做到靈感思維。對此，要想以人工智能完全取代人的智能，獨立完成分析、判斷與決策等是有很大困難的。人機一體化突出人在整個制造系統(tǒng)當中的核心地位，在智能機器的支持下，最大限度發(fā)揮出人類的潛能。人機之間實現(xiàn)良好協(xié)作，確保兩者在不同層次上發(fā)揮出各自的職能?；诖耍捎弥悄苤圃煜到y(tǒng)，能使高水平人才的作用得以更好的發(fā)揮，使機械智能與人類智慧可以真正集成載一起。

1.3 虛擬現(xiàn)實技術

這項技術是虛擬制造的支持技術，同時也是實現(xiàn)人機一體化目標的重要技術。虛擬現(xiàn)實技術以計算機為基礎，融合多媒體技術等，利用不同的傳感裝置，對現(xiàn)實生產(chǎn)過程中的所有過程及物件進行虛擬展示，同時也能對產(chǎn)品的制造過程進行模擬，使人從視覺及感官上都獲得真實的感覺，另外，還能根據(jù)人的意愿任意變化，這種人機結合的全新智能界面是智能制造的顯著特征。

2 機電一體化技術概述

機電一體化還可稱之為機械電子工程，是機械工程與自動化的一種。伴隨機電一體化技術的不斷發(fā)展， 其概念被人們廣泛接受， 并得到普遍應用。另外，隨著計算機技術不斷發(fā)展與應用，這項技術本身也得到了空前的發(fā)展。當前的機電一體化技術實際上是微電子與機械充分集成的技術，其應用與發(fā)展使機器具有了智能化與人性化。

機電一體化技術把機械、電工電子、微電子、信息、傳感器、接口和信號變換等在內(nèi)的各項技術充分結合到一起，同時綜合應用到實際中，目前的絕大多數(shù)自動化生產(chǎn)設備基本都屬于機電一體化設備。

如今，機電一體化技術得到快速發(fā)展，機電產(chǎn)品外觀也變得更為人性化，且具備的功能也越來越強大，設備的體積不會因此增大，并且可靠性有效提高。相較于以往的機電產(chǎn)品，應用機電一體化技術的產(chǎn)品，主要具備以下幾方面優(yōu)勢。

（1）功能增強且使用范圍更加廣泛。機電一體化最大的特點在于能突破以往技術和功能方面的限制，將不同的技術和功能集成到一起，從而使功能更為強大。另外，還能適用于更多的場合及領域，切實滿足用戶的需求。

（2）精度大幅提高。采用機電一體化，能使機構得以簡化，尤其是傳動部件將大幅減少，使得由于機械部件磨損或受力變形等原因造成的誤差顯著減小，并通過計算機檢測等技術的引入，能補償或校正由于不同干擾產(chǎn)生的動態(tài)誤差，這樣可以達到過去根本無法達到的精度。

（3）安全性與可靠性均大幅提升。大多數(shù)機電一體化產(chǎn)品均能使監(jiān)控、報警、診斷、保護和安全聯(lián)鎖控制實現(xiàn)自動化。通過這些功能能從根本上預防人身傷害及安全事故的發(fā)生，因而提高了設備自身的可靠性及安全性。

3 機電一體化技術在智能制造中的應用

為適應不同行業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展需要，有必要將智能制造和機電一體化技術充分結合到一起，以在生產(chǎn)中充分發(fā)揮出兩項技術自身具有的重要作用。智能制造和機電一體化技術的充分結合滿足了現(xiàn)階段高效生產(chǎn)的要求，使企業(yè)生產(chǎn)符合多樣化要求，并且確保智能制造及機電一體化的未來發(fā)展能夠為生產(chǎn)提供可靠的技術支持。

3.1 關鍵技術

（1）傳感技術。在保證靈敏度的基礎上，提高精度與可靠性，并與現(xiàn)場環(huán)境相適應。引入新材料、新原理及新工藝方法的傳感器，包括光纖傳感、量子測量和納米聚合物傳感，以對微弱的傳感信號予以提取和綜合處理。

（2）模塊化、嵌入式控制系統(tǒng)設計技術。不同結構的模塊化硬件設計技術，微內(nèi)核操作系統(tǒng)和開放式系統(tǒng)軟件技術、組態(tài)語言和人機界面技術，以及實現(xiàn)統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式、統(tǒng)一編程環(huán)境的工程軟件平臺技術。

（3）先進的控制和優(yōu)化技術。主要包含以下幾方面：①對整個工業(yè)生產(chǎn)過程進行多層次的性能分析和評估;②以大量數(shù)據(jù)為基礎的模型創(chuàng)建;③采用大規(guī)模且高性能的多目標優(yōu)化技術;④采用大型且復雜的裝備系統(tǒng)仿真技術;⑤高階導數(shù)連續(xù)遠動規(guī)劃;⑥電子傳動等精密運動控制。這些技術的引入為智能制造奠定了良好的基礎，使其在實際中發(fā)揮出良好的作用效果。

（4）系統(tǒng)協(xié)同。包括大型制造工程項目復雜的自動化系統(tǒng)整體方案設計技術以及安裝調試技術，統(tǒng)一操作界面和工程工具的設計技術，統(tǒng)一事件序列和報警處理技術，一體化資產(chǎn)管理技術。

3.2 在傳感技術方面的應用

如今，智能制造在生產(chǎn)需求日益提高的形勢下得到快速發(fā)展，并已經(jīng)能夠應用到很多工業(yè)生產(chǎn)過程中。在這種情況下，智能制造與機電一體化的結合也在不斷發(fā)展，以通過這樣的方式滿足越來越多樣化的生產(chǎn)要求，并且對這兩項技術的高度融合還能為各自的發(fā)展奠定良好基礎，創(chuàng)造更廣闊的發(fā)展和優(yōu)化空間。在智能制造領域應用機電一體化，勢必會引入很多核心技術。其中最典型也是最重要的即為傳感技術。在智能制造中應用傳感技術，可以保證生產(chǎn)的靈敏性與準確性，避免傳感器被其他類型的信號干擾與影響。但是單個傳感器是無法滿足要求的，需建立一套完善的網(wǎng)絡，運用傳感器對目標信號進行收集，運用無線網(wǎng)絡進行信息傳輸，然后運用計算機對收集到的所有信息進行分析處理，進而實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的有效控制。從當前的生產(chǎn)制造情況來看，常用方法為非接觸式檢測和光纖電纜傳感器，均采用標準和統(tǒng)一的接口，這樣能有效降低設計的復雜程度與開發(fā)成本。

3.3 在數(shù)控技術方面的應用

制造業(yè)在我國國民經(jīng)濟中占據(jù)十分重要的地位，并且對工農(nóng)業(yè)的發(fā)展也具有很高現(xiàn)實意義。其中數(shù)控領域是最早在智能制造中引入機電一體化的領域，對數(shù)控生產(chǎn)而言，它對智能控制有很高的要求，涉及模擬和信息處理等在內(nèi)的各項技術。在實際生產(chǎn)中，采用智能控制可以對不能實現(xiàn)建模的生產(chǎn)環(huán)節(jié)與模糊信號進行有效處理，使整個生產(chǎn)過程及其管理控制都得到有效的優(yōu)化。當前絕大多數(shù)數(shù)控機床都將多CPU與總主線為主要結構形式，在模糊控制與在線診斷等先進技術的支持下，使數(shù)控能力得以大幅提升，并能提供多維仿真畫面，進而對生產(chǎn)全過程進行多通道與多過程的管理控制。

3.4 在自動生產(chǎn)方面的應用

目前，自動化機械與生產(chǎn)線同樣也在智能制造領域得到良好應用，通過對各類控制裝置和不同控制系統(tǒng)的應用，實現(xiàn)對整個生產(chǎn)過程的自動控制。在當前的智能制造領域引入機電一體化在很大程度上表現(xiàn)為對工業(yè)機器人的實際應用，工業(yè)機器人高度集成了包含仿生學、人工智能、遙感和通訊等在內(nèi)的各項技術。通過對工業(yè)機器人的使用，能對各項生產(chǎn)信息進行及時獲取，并能進行識別與處理，在當前的工業(yè)生產(chǎn)領域發(fā)揮出了十分重要的作用。

3.5 在工業(yè)機器人方面的應用

在智能制造中，工業(yè)機器人為重要領域之一，如圖1所示。在機電一體化支持下，工業(yè)機器人得到不斷改進，在人工智能技術上實現(xiàn)了更高水平的智能化、擬人化與人性化，并通過對其他技術，如遙感和通訊等的應用，能實現(xiàn)對各類生產(chǎn)信息的集中和高效獲取、識別與處理，進而為實際的生產(chǎn)過程提供必要的輔助。在實際生產(chǎn)中引入以機電一體化及智能制造為核心的機器人，除了能取代人完成各類操作，尤其是那些復雜、重復或有危險性的操作，還能徹底避免人為因素造成的影響與風險，使整個生產(chǎn)活動變得更加簡化。這是機電一體化與智能制造理論在生產(chǎn)中的重要體現(xiàn)，在很大程度上改變了以往的生產(chǎn)模式和方式，對提高生產(chǎn)效率、保證生產(chǎn)質量都有重要作用與意義，同時也為相關技術人員的科研及發(fā)展工作指明了方向。

3.6 技術應用效果

通過對智能制造和機電一體化的結合，能達到以下顯著應用效果：在智能制造系統(tǒng)當中，不同的組成單位都能以工作任務具體要求為依據(jù)，自行組織形成最佳結構，柔性除了表現(xiàn)在運行方式方面，還突出表現(xiàn)在具體的結構形式，因此可將系統(tǒng)具有的柔性稱作超柔性，比如由同專業(yè)專家構成的群體。系統(tǒng)可以在實踐過程中不斷充實自己的知識庫，這就是學習的能力。另外，系統(tǒng)運行時還能進行故障診斷，診斷故障后自動排除和維護。由于具備這一特征，所以能使系統(tǒng)實現(xiàn)自我優(yōu)化，并良好地適應各類復雜多變的環(huán)境。由于機電一體化產(chǎn)品引入計算機控制并提供數(shù)字顯示功能，所以其人機界面良好，消除了很多按鈕和手柄，能實現(xiàn)對操作的有效改善，這樣企業(yè)無需花費大量的時間和人力用于人員培訓，而且操作簡化以后還能減少與操作有關問題的發(fā)生。柔性還指通過對軟件的應用對機器工作程序進行改變，用于滿足各類實際需要。以工業(yè)機器人為例，其運動自由度很大，在手部位置可以使用多種類型的工具，此時便可以通過對控制程序的適當改變來調整實際的運行姿態(tài)及軌跡，以此適應多種作業(yè)要求。

4 結語

綜上所述，隨著我國工業(yè)化進程的不斷加快，機電一體化憑借各方面優(yōu)勢逐漸得到相關人員的高度重視，并開始在智能制造領域得到廣泛應用。在實際的智能制造中引入機電一體化，與之前的生產(chǎn)方式相比，除了能大幅提高生產(chǎn)效率，還能簡化生產(chǎn)模式，為生產(chǎn)全過程的自動化控制提供新的途徑和方法，為傳統(tǒng)與智能制造提供橋梁，發(fā)揮著十分重要的作用。其能起到推動整個制造業(yè)發(fā)展與轉型的作用，提高制造業(yè)整體技術水平，以促進供給側結構性改革。

參考文獻

[1] 童群.機電一體化技術在企業(yè)智能制造中的應用探析[J].信息系統(tǒng)工程，2018，11（11）：102.