劉毅龍 寇元金
摘??要:微電子技術(shù)在向工業(yè)化滲透的過程中,隨著智能技術(shù)的應(yīng)用,自動化、一體化程度越來越高。機電一體化的自動化、智能化進步促進了智能制造的發(fā)展。智能制造能取得今天的成就,與機電一體化的不斷改革和進步有著不可分割的關(guān)系。每一次機電一體化技術(shù)的進步與革新,都標(biāo)志著制造業(yè)向前邁進了一大步。進入了智能時代,智能制造將打開制造業(yè)全新的大門。本文論述了機電一體化技術(shù)的發(fā)展階段,探討了機電一體化關(guān)鍵技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用及其應(yīng)用前景。旨在為智能制造的創(chuàng)新應(yīng)用提供一些參考。
關(guān)鍵詞:機電一體化技術(shù);智能制造;應(yīng)用;人工智能;自動控制技術(shù)
隨著5G時代的到來,工業(yè)制造已經(jīng)從自動化開始向智能化轉(zhuǎn)型。人類即將迎來工業(yè)4.0,實現(xiàn)自動化制造向完全的遠程控制轉(zhuǎn)型。工業(yè)4.0這項原本被德高政府定為未來十大項目之一的戰(zhàn)略,隨著智能技術(shù)和5G技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,很快在一些科技發(fā)達國家的工業(yè)行業(yè)中掀起了一番波瀾,對人類第四次的工業(yè)革命起到了推波助瀾的作用。我國的第一套工業(yè)4.0流水線也于2014年11月4日第一次在中國十六屆工業(yè)博覽會上亮相。它標(biāo)志著中國智能工業(yè)與智能制造的開端。機電一體化實現(xiàn)數(shù)字化、智能化已然成為未來新工業(yè)革命的核心技術(shù)。研究機電一體化技術(shù)在智能制造中的發(fā)展與應(yīng)用對一個國家工業(yè)的進步和國力的強盛有著重要的意義。
一、機電一體化概述
(一)含義
機電一體化技術(shù)是機械技術(shù)、微電子技術(shù)交互融合的產(chǎn)物。最初了機電一體化技術(shù)包含了機械學(xué)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、計算機技術(shù)等。
(二)發(fā)展階段
隨著機械技術(shù)與微電子技術(shù)、信息技術(shù)融合程度的深入化,機電一體化技術(shù)中包含的高新科技技術(shù)也越來越多。每一次微電子技術(shù)的進步都是對機電一體化技術(shù)發(fā)展的推動。根據(jù)微電子技術(shù)與機械技術(shù)的滲透發(fā)展的特征,機電一體化技術(shù)的發(fā)展大體上可以分為三個階段。
1.萌芽階段(20世紀(jì)60年代以前)
20世紀(jì)60年代,日本通產(chǎn)率先在機械中采用了電氣技術(shù)與電子技術(shù)結(jié)合數(shù)控機床做試驗,但并未取得成功。最初,電氣技術(shù)與電子技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用多應(yīng)用于軍用機械。這一時期,機電一體化技術(shù)開始萌芽。
2.蓬勃發(fā)展階段(20世紀(jì)70年代-80年代)
20世紀(jì)70年代初,隨著微電子技術(shù)的成熟,電子技術(shù)與電氣技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用也逐漸的由軍用轉(zhuǎn)為民用。這一階段,微機逐漸的商品化,集成電路實現(xiàn)了大規(guī)?;?。同時,機關(guān)技術(shù)與光學(xué)技術(shù)應(yīng)用與微電子技術(shù)、信息處理技術(shù)、計算機處理技術(shù)中,集成為新的光信息技術(shù)。光信息技術(shù)的發(fā)展提高了信息處理的速度和抗干擾能力。光信息技術(shù)在微電子技術(shù)中的應(yīng)用為機電一體化的信息可視化、高速處理奠定了基礎(chǔ)。當(dāng)時已經(jīng)應(yīng)用光子、電子技術(shù)的信息技術(shù)應(yīng)用于機械技術(shù),與微電子技術(shù)結(jié)合,進一步加深了微電子技術(shù)與機械技術(shù)的融合。當(dāng)時市場上已經(jīng)出現(xiàn)了CPU、ROM、RAM等基本單元和模塊化的接口電路,為機電一體化的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1971年,日刊工業(yè)新聞社發(fā)行《機電一體化入門》和《機電一體化》月刊,反映出機電一體化產(chǎn)品的發(fā)展。1976年,機電一體化被正式命名。70年代末至80年代,在機電法和機信法的指導(dǎo)下,機電一體化獲得了蓬勃的發(fā)展。
3.智能化階段(20世紀(jì)90年代以后)
20世紀(jì)90年代,電子集成技術(shù)普遍提高,集成電路的價格也有所下降。在90年代,機電一體化技術(shù)在世界范圍內(nèi)獲得了快速的發(fā)展,并迅速占領(lǐng)社會各個領(lǐng)域,開啟了機電一體化的全盛發(fā)展。在機電一體化技術(shù)全盛發(fā)展階段,相繼融合了機械學(xué)、電子學(xué)、光學(xué)、控制學(xué)、計算機學(xué)、信息技術(shù)學(xué)等學(xué)科。隨著這些技術(shù)的進步和多學(xué)科之間的交叉融合發(fā)展,機電一體化技術(shù)實現(xiàn)了一次又一次的轉(zhuǎn)型,最終實現(xiàn)了數(shù)字化、模塊化、智能化的發(fā)展。
二、機電一體化技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用
(一)傳感器技術(shù)
傳感器技術(shù)是智能制造的基礎(chǔ),也是最先促進機電一體化實現(xiàn)智能化轉(zhuǎn)型的技術(shù)之一。目前,智能傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用到智能制造中。傳感器誕生于20世紀(jì)50年代,它的發(fā)展也經(jīng)歷了三個階段。最初的傳感器結(jié)構(gòu)簡單,只用來感受和轉(zhuǎn)化信號。20世紀(jì)70年代,半導(dǎo)體、電介質(zhì)、磁性材料等應(yīng)用于傳感器元件,使其具備了簡單的信號處理能力。20世紀(jì)末,隨著微機在傳感器中的應(yīng)用,智能傳感器應(yīng)運而生。智能傳感器具有自動采集信息、自動編程和優(yōu)化的功能。這些功能極大的提高了智能傳感器的自適應(yīng)能力。傳感器在機電一體化技術(shù)中的應(yīng)用,使系統(tǒng)運行中具備了系統(tǒng)對本身和外界環(huán)境參數(shù)及狀態(tài)的檢測功能。通過對系統(tǒng)自身和環(huán)境的檢測,可通過識別信號、處理信息產(chǎn)生相應(yīng)的控制信息,再借助控制信息自動化控制系統(tǒng)。傳感器對機電一體化系統(tǒng)的控制都是以信息為基礎(chǔ)進行的。對制造流程的控制,是通過對信息的調(diào)整來實現(xiàn)的。智能傳感器自動采集、自動編程、自動優(yōu)化的功能使得系統(tǒng)具備了自適應(yīng)機械制造并調(diào)整信息的功能。如在制造流程中,傳感器自動采集到系統(tǒng)運行的誤差時,向系統(tǒng)發(fā)送識別信號。信息自動傳輸?shù)叫畔⑻幚韱卧?jīng)過分析處理后產(chǎn)生控制信息。系統(tǒng)將控制信息自動傳輸給執(zhí)行機構(gòu),執(zhí)行機構(gòu)根據(jù)控制信息與指令自動調(diào)控系統(tǒng),完成控制信息要求的動作??刂菩畔⒆詣诱{(diào)整后,動力將自動實現(xiàn)與驅(qū)動系統(tǒng)功率的匹配,驅(qū)動執(zhí)行記過完成系統(tǒng)的動作與功能。
目前,智能制造中常用的傳感器有智能壓力傳感器、光學(xué)傳感器、RFID技術(shù)。不同傳感器應(yīng)用的場景不同,智能控制的作用和功能也不同。以最常見的壓力傳感器為例,一般壓力在1kPa~100MPa之間,適應(yīng)的溫度范圍為-40~150℃,一般誤差為2.5%FS,產(chǎn)品壽命為0.5%FS。主要應(yīng)用于微機點系統(tǒng)、汽車制造系統(tǒng)、航空動力學(xué)系統(tǒng)等領(lǐng)域。光學(xué)傳感器的分辨率可以達到5000萬像素,且成像能力和均勻性極好。多應(yīng)用于智能手機顯示屏的檢測、機械裝配件檢測、電路板檢測等領(lǐng)域。RFID多用于智能識別與數(shù)據(jù)采集,是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核心組成部分。該技術(shù)也是目前智能制造系統(tǒng)流程管理中應(yīng)用最為廣泛的傳感器技術(shù)。RFID技術(shù)具有極高的準(zhǔn)確率,對提高機械制造的精準(zhǔn)性有著重要的意義。
(二)數(shù)控技術(shù)
數(shù)控技術(shù)是智能制造的前身,也是機械制造數(shù)字化管理的核心技術(shù)。數(shù)控一代是機電一體化技術(shù)走向網(wǎng)絡(luò)化、智能化的第一步。數(shù)控技術(shù)融合了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息管理技術(shù)、傳感器等,對提高機械制造的效率和質(zhì)量的意義重大。將數(shù)控技術(shù)與智能制造系統(tǒng)相融合,設(shè)計出具有數(shù)字化管理與智能化生產(chǎn)的智能控制系統(tǒng)。智能控制系統(tǒng)采用總線+CPU的設(shè)計,整個智能生產(chǎn)過程具有全自動監(jiān)測、三維仿真模擬、智能控制等功能。模糊控制系統(tǒng)提供非線性智能控制,通過模糊語言、模糊邏輯、模糊集合理論等利用人腦思維控制智能制造系統(tǒng),實現(xiàn)系統(tǒng)的綜合化數(shù)控與智能化生產(chǎn)。
(三)人工智能技術(shù)
人工智能是智能制造的終極階段,也是中國制造2025的終極目標(biāo)。人工智能技術(shù)是新工業(yè)革命的依托,也是工業(yè)制造競爭力的核心表現(xiàn)。人工智能技術(shù)的應(yīng)用,極大的提高了智能制造系統(tǒng)的柔性、信息量、自動化程度,使得機械制造系統(tǒng)能夠模擬專家的智能分析、判斷、構(gòu)思與決策,從而自動適應(yīng)機械系統(tǒng)的制造與生產(chǎn)。智能制造系統(tǒng)(如圖1所示)具有自適應(yīng)系統(tǒng)及外部環(huán)境的能力。其中智能控制器起到關(guān)鍵作用。智能控制器由自動感知信息與處理、數(shù)據(jù)庫、規(guī)劃與控制決策、認知學(xué)習(xí)、控制知識庫、評價機構(gòu)組成??刂破鞒芸刂葡到y(tǒng)本身外,還可以控制傳感器、執(zhí)行器及其他被控對象,以防外部不確定性因素對系統(tǒng)的運行造成干擾。控制器在控制理論基礎(chǔ)上模擬智能,實現(xiàn)對制造系統(tǒng)的智能控制。
三、應(yīng)用前景分析
傳感器、數(shù)控技術(shù)在機電一體化技術(shù)中的應(yīng)用促使中國制造實現(xiàn)了規(guī)?;⒏咝Щ纳a(chǎn),使得中國成為了制造大國。但就機械制造產(chǎn)品的質(zhì)量而言,中國與德國、日本等發(fā)達國家相比,還稍遜一籌。隨著人工智能技術(shù)的應(yīng)用,智能制造將向智能化、模塊化、微型化、集成化、人格化、綠色化轉(zhuǎn)型,實現(xiàn)智能制造真正意義上的高效高質(zhì)、節(jié)能減排。
未來,中國制造需要實現(xiàn)制造大國向制造強國的轉(zhuǎn)變,而人工智能技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用,將會在自動化生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上全面協(xié)調(diào)人機系統(tǒng),由人工智能輔助智能制造,嚴格控制機械制造系統(tǒng)的誤差,全面提高機械制造生產(chǎn)線的質(zhì)量。機械產(chǎn)品質(zhì)量的提升時樹立機械制造品牌的前提條件,它將推動中國制造大國向中國制造強國轉(zhuǎn)型。
四、結(jié)語
機電一體化技術(shù)中的智能傳感技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、人工智能技術(shù)等等,在智能制造中的應(yīng)用將全面提高智能制造數(shù)字化和智能化水平,推進中國機械制造由數(shù)控化向智能化發(fā)展。在機電一體化向智能化發(fā)展的進程中,計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、5G技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計算技術(shù)、智能傳感器技術(shù)等,起到了重要的技術(shù)支持作用。這些高新科技技術(shù)在機電一體化中的集成化應(yīng)用,推動數(shù)控機床由人工數(shù)字化管控向系統(tǒng)自適應(yīng)化進行轉(zhuǎn)型,實現(xiàn)了智能制造系統(tǒng)虛擬功能、人機交互功能、自適應(yīng)輔助導(dǎo)航功能等。使原有的以人為中心的制造系統(tǒng)完成了智慧化工廠的建設(shè)。未來智慧化工廠將全面解放人類勞動力,由智能機器人與系統(tǒng)管理者實現(xiàn)在制造系統(tǒng)的協(xié)同作業(yè),實現(xiàn)機械制造的全智能化制造與裝配。
參考文獻:
[1]陳道通.機電一體化技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用[J].智能城市,2019(23):195-196.
[2]胡江川.關(guān)于智能制造中機電一體化技術(shù)的應(yīng)用[J].價值工程,2020(01):286-287.
[3]南博.機電一體化技術(shù)在智能制造中的實踐分析[J].無線互聯(lián)科技,2019(21):143-144.
[4]楊虹劍.機電一體化技術(shù)在智能制造中的實踐[J].電子技術(shù)與軟件工程,2018(24):99.
[5]卞如芳.智能制造中機電一體化技術(shù)的應(yīng)用研究[J].科技經(jīng)濟導(dǎo)刊,2015(15):101-102.
[6]韓冬.機電一體化技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用[J].南方農(nóng)機,2020(16):146-147.
作者簡介:劉毅龍(1989—??),男,漢,江西吉安人,碩士,助教,研究方向:自動控制;寇元金(1990—??),女,漢族,山西朔州人,碩士,助教,研究方向:工業(yè)機器人。