機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展前景探索

林莉莉 宮欽志

摘要：集成機(jī)械技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)，是現(xiàn)今時(shí)代機(jī)動(dòng)器件無(wú)人干預(yù)技術(shù)發(fā)展的必然選擇，可以為機(jī)器組件工程高度文明化運(yùn)轉(zhuǎn)提供充足動(dòng)力源。因此，文章圍繞機(jī)械自動(dòng)化的應(yīng)用，闡述了機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)在現(xiàn)代社會(huì)各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用表現(xiàn)，并對(duì)后續(xù)機(jī)動(dòng)器件自己主動(dòng)操縱、運(yùn)行過(guò)程中將會(huì)出現(xiàn)的景象進(jìn)行了進(jìn)一步探索，以期為機(jī)動(dòng)器件自己主動(dòng)操縱、運(yùn)行新景象的構(gòu)建提供良好借鑒。

關(guān)鍵詞：機(jī)械自動(dòng)化技術(shù);汽車(chē);農(nóng)業(yè)

中圖分類號(hào)：TH-39? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）02-0183-02

0? 引言

機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)主要是借助現(xiàn)代化科技，驅(qū)動(dòng)機(jī)械設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行，但人仍然為設(shè)備操縱的主體，承擔(dān)著對(duì)機(jī)械設(shè)備發(fā)布控制指令、指揮機(jī)械設(shè)備依據(jù)指令內(nèi)容運(yùn)作的責(zé)任。由于我國(guó)工程機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展時(shí)期較晚，整體水平仍然落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，具體表現(xiàn)為自動(dòng)化程度較低，僅實(shí)現(xiàn)了剛性自動(dòng)化，集成化、柔性化、智能化運(yùn)行范圍較為狹窄?；诖?，對(duì)機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)的深度應(yīng)用進(jìn)行進(jìn)一步探索非常必要。

1? 機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)的概念、組成

1.1 概念

自動(dòng)化又可稱之為Automation，主要指在沒(méi)有智能主體干預(yù)的情況下，機(jī)動(dòng)器件或裝配件依據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序、指揮命令，自行調(diào)控、操縱的過(guò)程。而機(jī)械自動(dòng)化（Mechanical Automation）是機(jī)動(dòng)器件自己運(yùn)動(dòng)研究體系的一個(gè)分支，出現(xiàn)時(shí)間較早，最早可追溯至魯班制作飛鳥(niǎo)，主要指機(jī)動(dòng)器件、裝配安置件利用機(jī)械方式達(dá)到自發(fā)操控目的的一個(gè)過(guò)程。

1.2 組成

從機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)的可控功能效用入手，機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)包括程序件、作用件、制定件、控制件、傳感件幾個(gè)部分[1]。其中程序件主要承擔(dān)機(jī)械系統(tǒng)工作內(nèi)容決策者以及生產(chǎn)率提升渠道拓展者;作用件主要是面向具體工作領(lǐng)域，為運(yùn)動(dòng)力量提供支持，可以為機(jī)械系統(tǒng)自發(fā)完成預(yù)先設(shè)定功能效用提供驅(qū)動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)其他能量向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。一般在機(jī)動(dòng)器件自己主動(dòng)操縱、運(yùn)行系統(tǒng)中僅需一作用件，而復(fù)雜度處于較高水平的機(jī)動(dòng)器件自己主動(dòng)操縱、運(yùn)行系統(tǒng)則需多個(gè)作用件;制定件主要是通過(guò)與傳感件聯(lián)系，對(duì)其所感應(yīng)收集信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理，并根據(jù)相關(guān)結(jié)果給出可傳輸至作用件的反饋指示命令符;控制件主要是針對(duì)作用件運(yùn)行需求，進(jìn)行調(diào)節(jié)單元的實(shí)時(shí)選擇;傳感件主要是依托傳感器，對(duì)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)每一個(gè)負(fù)責(zé)作業(yè)執(zhí)行的元件狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)記錄。

2? 機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 汽車(chē)機(jī)械設(shè)備制造自動(dòng)化

汽車(chē)機(jī)械設(shè)備制造自動(dòng)化集中展現(xiàn)為作業(yè)內(nèi)容多樣化、裝配配合柔性化、位置關(guān)系不確定的特點(diǎn)。其中作業(yè)內(nèi)容多樣化主要指汽車(chē)機(jī)械設(shè)備沖壓多為板材沖壓成型，焊裝多為白車(chē)身焊接，涂裝多為白車(chē)身噴涂。整體內(nèi)容集中度較高，各個(gè)工位、各個(gè)工序之間的作業(yè)內(nèi)容具有一致性。利用機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)，可以在整個(gè)車(chē)間展開(kāi)全工序，涉及了螺栓擰緊、裝飾件膠條安裝、密封塞安裝、插頭連接等內(nèi)容。即便為同樣的內(nèi)容，因其安裝位置、安裝用零件差異，安裝內(nèi)容也具有較大差異;裝配配合柔性化主要是由于汽車(chē)總裝車(chē)間主要內(nèi)容為白車(chē)身之外的零件裝配，所涉及的液體管路、膠釘、線束、飾件均為柔性部件，與車(chē)身間配合也經(jīng)常呈現(xiàn)出過(guò)盈配合特征;位置關(guān)系不確定主要是由于焊裝車(chē)間自動(dòng)化工位所采用的為靜止-移動(dòng)間歇式搬運(yùn)流動(dòng)方式，自動(dòng)化裝配也大多是在車(chē)體靜止?fàn)顟B(tài)下開(kāi)展。此時(shí)，由于其他全部總裝車(chē)間均采用各工位連續(xù)關(guān)聯(lián)的流水線輸送模式，若想實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化裝配，就需要控制設(shè)備、車(chē)體間處于絕對(duì)的相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。以廣汽本田總裝車(chē)間為例，該車(chē)間依據(jù)自動(dòng)化設(shè)備最小化占用車(chē)位標(biāo)準(zhǔn)，采取視覺(jué)引導(dǎo)+機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)，可以吸取不同載具、車(chē)體的重復(fù)定位誤差，達(dá)到部分零部件裝配的自動(dòng)化。特別是在設(shè)備布置方面，可以通過(guò)攝像頭攝取圖像尋找特征點(diǎn)后再次進(jìn)行核算（對(duì)比實(shí)際圖像與基本圖像間位置關(guān)系）。獲得三維移動(dòng)量后，將結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸至機(jī)械自動(dòng)化終端，為位置調(diào)整提供基本思路。整個(gè)過(guò)程賦予了機(jī)械自動(dòng)化終端“眼睛”，保證汽車(chē)機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)穩(wěn)定適應(yīng)柔性化零件。如為實(shí)現(xiàn)汽車(chē)車(chē)門(mén)防水膠自動(dòng)涂布，可利用視覺(jué)引導(dǎo)技術(shù)，以雙目視覺(jué)配合線激光+三維線激光進(jìn)行精準(zhǔn)定位，引導(dǎo)機(jī)器人對(duì)車(chē)門(mén)進(jìn)行涂膠，從根本上解決以往車(chē)門(mén)載具無(wú)法精確定位而導(dǎo)致的不同載具、不同車(chē)門(mén)間自由度偏差大的問(wèn)題。

2.2 汽車(chē)機(jī)械設(shè)備控制自動(dòng)化

在現(xiàn)代汽車(chē)技術(shù)體系中，機(jī)動(dòng)器件自己主動(dòng)操縱、運(yùn)行是發(fā)展主旨[2]。在以汽油作為動(dòng)力源的車(chē)輛安全管控、以汽油作為動(dòng)力源的車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)與底盤(pán)管控、以汽油作為動(dòng)力源的車(chē)輛污染防控、以汽油作為動(dòng)力源的車(chē)輛能源管控、以汽油作為動(dòng)力源的車(chē)輛工況信息與道路信息、以汽油作為動(dòng)力源的車(chē)輛乘坐舒適性管理、以汽油作為動(dòng)力源的車(chē)輛再循環(huán)技術(shù)、運(yùn)營(yíng)信息技術(shù)等[3]。比如，以汽油作為動(dòng)力源的車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)，自己主動(dòng)操縱的范圍就覆蓋了燃油噴射裝置、怠速、空燃比、排氣再循環(huán)、點(diǎn)火器等汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)模塊以及速度變化器、輪驅(qū)動(dòng)、牽引、車(chē)速等汽車(chē)變速器模塊;而底盤(pán)自己主動(dòng)操縱技術(shù)又可稱之為汽車(chē)底盤(pán)無(wú)人干預(yù)運(yùn)行，涉及了轉(zhuǎn)向（制動(dòng)防抱死、驅(qū)動(dòng)防滑）、制動(dòng)（動(dòng)力轉(zhuǎn)向、四輪轉(zhuǎn)向）、懸架控制（懸架、懸掛系統(tǒng)自動(dòng)控制）、巡航控制（在路況變化情況下車(chē)速始終保持穩(wěn)定，且無(wú)需駕駛者手動(dòng)控制油門(mén)）。

在機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)支撐下，汽車(chē)上各個(gè)機(jī)械元件、控制環(huán)節(jié)存在相互關(guān)聯(lián)的特性，首層為人-車(chē)-環(huán)境控制系統(tǒng)，次層為車(chē)輛綜合約束管制系統(tǒng)，次末層為制動(dòng)約束管制系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)裝置系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向約束管制系統(tǒng)、懸架約束管制系統(tǒng)，末層為汽車(chē)前懸架裝置、后懸架裝置、左懸架裝置、右懸架裝置以及前制動(dòng)裝置、后制動(dòng)裝置、左制動(dòng)裝置、右制動(dòng)裝置控制系統(tǒng)。整個(gè)過(guò)程主要利用汽車(chē)自動(dòng)控制元件ECU（帶單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)）的作用，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)穩(wěn)步運(yùn)轉(zhuǎn)。由于ECU具有獨(dú)立的處理器、存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備，可以獨(dú)立自動(dòng)控制汽車(chē)的某一系統(tǒng)，比如發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)ABS、EMS等，避免主動(dòng)懸架減弱車(chē)輛側(cè)傾時(shí)四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)橫擺響應(yīng)減弱問(wèn)題出現(xiàn)。對(duì)于中檔轎車(chē)而言，其內(nèi)部具有十幾個(gè)汽車(chē)自動(dòng)控制單元;而高檔轎車(chē)則具有幾十個(gè)甚至上百個(gè)自動(dòng)控制單元。上述自動(dòng)控制單元可以經(jīng)數(shù)字總線結(jié)構(gòu)連接，構(gòu)成復(fù)雜度較高的機(jī)械控制局域網(wǎng)絡(luò)。在這一機(jī)械控制局域網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)輸入發(fā)動(dòng)機(jī)等部件性能參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)指定要求的行駛循環(huán)。

2.3 農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備控制自動(dòng)化

在科技先行的背景下，以機(jī)動(dòng)器件自己主動(dòng)操縱、運(yùn)行為支撐的農(nóng)業(yè)形式逐漸形成雛形?，F(xiàn)應(yīng)用于嘉定新城（馬陸鎮(zhèn)）春季農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的上海司南衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司研發(fā)生產(chǎn)的農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)僅需手指一點(diǎn)，農(nóng)業(yè)機(jī)械就可以自己主動(dòng)駕駛，實(shí)施翻整土地、旋轉(zhuǎn)耕耘、耙平細(xì)土、田壟平直、藥劑噴施、種子下播、作物收獲等作業(yè)，農(nóng)戶還可在互聯(lián)網(wǎng)線上觀看作業(yè)過(guò)程，根據(jù)對(duì)實(shí)時(shí)進(jìn)度的了解，調(diào)整作業(yè)方案。該農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)主要是在北斗衛(wèi)星系統(tǒng)支持下，為農(nóng)機(jī)在農(nóng)田中作業(yè)提供精度較高的確定位置信息，指導(dǎo)農(nóng)機(jī)依據(jù)預(yù)先設(shè)定的路線平穩(wěn)、快速地進(jìn)行自動(dòng)行進(jìn)、上線、校正。農(nóng)戶也可以結(jié)合壟精度，進(jìn)行程序的預(yù)先設(shè)計(jì)，促使農(nóng)業(yè)機(jī)械可以依據(jù)預(yù)先設(shè)定的壟線進(jìn)行自動(dòng)化駕駛（農(nóng)機(jī)手無(wú)序全過(guò)程掌控方向盤(pán)僅需在轉(zhuǎn)彎時(shí)調(diào)整作業(yè)方向），后者通過(guò)用戶界面操作工作流程，排查障礙物，保證作業(yè)過(guò)程順利進(jìn)行。而技術(shù)人員可利用直播、微信群組、QQ群組等新型媒體手段，在云端指導(dǎo)，為農(nóng)機(jī)手及農(nóng)戶提供全天候農(nóng)耕作業(yè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳、下載及遠(yuǎn)程協(xié)助、故障排查、人員管理、進(jìn)度調(diào)整等服務(wù)。

2.4 建筑機(jī)械設(shè)備控制自動(dòng)化

以數(shù)控鋼筋加工設(shè)備為例，自動(dòng)化數(shù)控設(shè)備可以在滿足建筑工程鋼筋加工需要的同時(shí)，簡(jiǎn)化鋼筋加工流程，提高鋼筋加工效率，促使工程獲得最佳性價(jià)比。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，高強(qiáng)度鋼筋棒材的下料設(shè)備可以根據(jù)需要將鋼筋自動(dòng)切割成標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度，落實(shí)加工鋼筋品尺寸精準(zhǔn)、長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)、效率高的原則，并在短時(shí)間內(nèi)完成鋼筋與相關(guān)設(shè)備的安裝調(diào)試、穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)過(guò)渡到無(wú)人化施工領(lǐng)域。比如，在福岡縣深山大規(guī)模水壩施工時(shí)，技術(shù)管理者就可以在激光掃描儀、全球定位系統(tǒng)支持下，掌握位置、周邊環(huán)境信息。隨后通過(guò)在多功能便攜終端上發(fā)布指令，推土機(jī)、振動(dòng)壓路機(jī)等機(jī)械就可根據(jù)前期嵌入的程序自動(dòng)實(shí)施搬運(yùn)混凝土、地面鋪平、壓實(shí)等自動(dòng)化作業(yè)。由于現(xiàn)行機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)將熟練工操作重型機(jī)械作為數(shù)據(jù)積累嵌入到了算法內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)自動(dòng)學(xué)習(xí)“工程技藝”，可以避免壓路機(jī)壓實(shí)某部分時(shí)已壓實(shí)部分與未壓實(shí)部分落差問(wèn)題的出現(xiàn)。且可徹底改變勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)體系，在某種程度上解決了技術(shù)人員、施工人員嚴(yán)重短缺現(xiàn)象。

3? 機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展前景

3.1 綠色化

綠色化是機(jī)動(dòng)器件自己主動(dòng)操縱、運(yùn)行階段優(yōu)質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)力獲得并維持的基準(zhǔn)。在開(kāi)展機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)研制開(kāi)發(fā)階段，負(fù)責(zé)方應(yīng)將綠色化及相關(guān)要素作為生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程優(yōu)化指標(biāo)，借鑒其他國(guó)家或者地區(qū)綠色性能開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，將重點(diǎn)投入未來(lái)收益可持續(xù)提升上，保障機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)在促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面優(yōu)良效用的充分發(fā)揮[4]。

3.2 小體積

現(xiàn)今時(shí)代應(yīng)用較為普遍的機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)支撐下的產(chǎn)品大體積特性較為突出，僅可滿足建筑業(yè)、汽車(chē)業(yè)、農(nóng)業(yè)等對(duì)產(chǎn)品體積要求不很?chē)?yán)苛的領(lǐng)域，無(wú)法滿足信息、軍事、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域要求。基于此，在未來(lái)機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，應(yīng)逐步突破體積方面的瓶頸，以微型機(jī)械自動(dòng)化的形式滿足更多行業(yè)需求。

3.3 虛擬化

隨著不同類型機(jī)械制作工藝與模型構(gòu)建技術(shù)、仿真技術(shù)的深層次融合，功能更加完善的虛擬化機(jī)械自動(dòng)設(shè)備將陸續(xù)出現(xiàn)。虛擬化機(jī)械自動(dòng)設(shè)備可以集中匯總、處理不同類型生產(chǎn)階段涉及信息，在機(jī)器學(xué)習(xí)的再學(xué)習(xí)機(jī)制支持下，可以解決機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)階段存在的各種類型問(wèn)題，最大限度滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

3.4 實(shí)用性

在未來(lái)機(jī)動(dòng)器件自己主動(dòng)操縱、運(yùn)行進(jìn)程中，自始至終都需要以企業(yè)從事財(cái)富創(chuàng)作過(guò)程需求為導(dǎo)向，保證技術(shù)運(yùn)轉(zhuǎn)不偏軌，穩(wěn)定的為社會(huì)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)層面或者環(huán)境層面的效益。即貫徹實(shí)用為準(zhǔn)的原則，以企業(yè)從事財(cái)富創(chuàng)造過(guò)程具體條件為導(dǎo)向，研制、開(kāi)發(fā)恰當(dāng)?shù)淖詣?dòng)化技術(shù)并將其運(yùn)用于現(xiàn)有機(jī)械設(shè)備。

4? 總結(jié)

綜上所述，對(duì)于我國(guó)機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)而言，可以在農(nóng)業(yè)、汽車(chē)、建筑機(jī)械等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮優(yōu)良效用。特別是在工程中，利用機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)特有識(shí)讀辨別系統(tǒng)，可以高度感知作業(yè)對(duì)象，識(shí)別石頭、沙土等材料的特有性質(zhì)，降低工程實(shí)施階段不可控風(fēng)險(xiǎn)因子。基于此，在未來(lái)的機(jī)動(dòng)器件自己主動(dòng)操縱、運(yùn)行進(jìn)程中，相關(guān)作業(yè)者應(yīng)進(jìn)一步拓展應(yīng)用領(lǐng)域，研制更小體積、更實(shí)用、更環(huán)保的產(chǎn)品，為我國(guó)工業(yè)科技攻關(guān)提供支撐。

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