機(jī)電一體化技術(shù)在智能制造中的發(fā)展與應(yīng)用

劉毅龍 寇元金

摘??要：微電子技術(shù)在向工業(yè)化滲透的過(guò)程中，隨著智能技術(shù)的應(yīng)用，自動(dòng)化、一體化程度越來(lái)越高。機(jī)電一體化的自動(dòng)化、智能化進(jìn)步促進(jìn)了智能制造的發(fā)展。智能制造能取得今天的成就，與機(jī)電一體化的不斷改革和進(jìn)步有著不可分割的關(guān)系。每一次機(jī)電一體化技術(shù)的進(jìn)步與革新，都標(biāo)志著制造業(yè)向前邁進(jìn)了一大步。進(jìn)入了智能時(shí)代，智能制造將打開(kāi)制造業(yè)全新的大門(mén)。本文論述了機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展階段，探討了機(jī)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(jī)電一體化技術(shù);智能制造;應(yīng)用;人工智能;自動(dòng)控制技術(shù)

隨著5G時(shí)代的到來(lái)，工業(yè)制造已經(jīng)從自動(dòng)化開(kāi)始向智能化轉(zhuǎn)型。人類(lèi)即將迎來(lái)工業(yè)4.0，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化制造向完全的遠(yuǎn)程控制轉(zhuǎn)型。工業(yè)4.0這項(xiàng)原本被德高政府定為未來(lái)十大項(xiàng)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(dá)國(guó)家的工業(yè)行業(yè)中掀起了一番波瀾，對(duì)人類(lèi)第四次的工業(yè)革命起到了推波助瀾的作用。我國(guó)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(guó)十六屆工業(yè)博覽會(huì)上亮相。它標(biāo)志著中國(guó)智能工業(yè)與智能制造的開(kāi)端。機(jī)電一體化實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化已然成為未來(lái)新工業(yè)革命的核心技術(shù)。研究機(jī)電一體化技術(shù)在智能制造中的發(fā)展與應(yīng)用對(duì)一個(gè)國(guó)家工業(yè)的進(jìn)步和國(guó)力的強(qiáng)盛有著重要的意義。

一、機(jī)電一體化概述

（一）含義

機(jī)電一體化技術(shù)是機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)交互融合的產(chǎn)物。最初了機(jī)電一體化技術(shù)包含了機(jī)械學(xué)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等。

（二）發(fā)展階段

隨著機(jī)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(jī)電一體化技術(shù)中包含的高新科技技術(shù)也越來(lái)越多。每一次微電子技術(shù)的進(jìn)步都是對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)。根據(jù)微電子技術(shù)與機(jī)械技術(shù)的滲透發(fā)展的特征，機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展大體上可以分為三個(gè)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(jī)械中采用了電氣技術(shù)與電子技術(shù)結(jié)合數(shù)控機(jī)床做試驗(yàn)，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(jī)械。這一時(shí)期，機(jī)電一體化技術(shù)開(kāi)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(jī)逐漸的商品化，集成電路實(shí)現(xiàn)了大規(guī)?；?。同時(shí)，機(jī)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(jì)算機(jī)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(jī)電一體化的信息可視化、高速處理奠定了基礎(chǔ)。當(dāng)時(shí)已經(jīng)應(yīng)用光子、電子技術(shù)的信息技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械技術(shù)，與微電子技術(shù)結(jié)合，進(jìn)一步加深了微電子技術(shù)與機(jī)械技術(shù)的融合。當(dāng)時(shí)市場(chǎng)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(jī)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(jī)電一體化入門(mén)》和《機(jī)電一體化》月刊，反映出機(jī)電一體化產(chǎn)品的發(fā)展。1976年，機(jī)電一體化被正式命名。70年代末至80年代，在機(jī)電法和機(jī)信法的指導(dǎo)下，機(jī)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(jià)格也有所下降。在90年代，機(jī)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(huì)各個(gè)領(lǐng)域，開(kāi)啟了機(jī)電一體化的全盛發(fā)展。在機(jī)電一體化技術(shù)全盛發(fā)展階段，相繼融合了機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、光學(xué)、控制學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)、信息技術(shù)學(xué)等學(xué)科。隨著這些技術(shù)的進(jìn)步和多學(xué)科之間的交叉融合發(fā)展，機(jī)電一體化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一次又一次的轉(zhuǎn)型，最終實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、模塊化、智能化的發(fā)展。

二、機(jī)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(jìn)機(jī)電一體化實(shí)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(gè)階段。最初的傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只用來(lái)感受和轉(zhuǎn)化信號(hào)。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(jiǎn)單的信號(hào)處理能力。20世紀(jì)末，隨著微機(jī)在傳感器中的應(yīng)用，智能傳感器應(yīng)運(yùn)而生。智能傳感器具有自動(dòng)采集信息、自動(dòng)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(jī)電一體化技術(shù)中的應(yīng)用，使系統(tǒng)運(yùn)行中具備了系統(tǒng)對(duì)本身和外界環(huán)境參數(shù)及狀態(tài)的檢測(cè)功能。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)自身和環(huán)境的檢測(cè)，可通過(guò)識(shí)別信號(hào)、處理信息產(chǎn)生相應(yīng)的控制信息，再借助控制信息自動(dòng)化控制系統(tǒng)。傳感器對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的控制都是以信息為基礎(chǔ)進(jìn)行的。對(duì)制造流程的控制，是通過(guò)對(duì)信息的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)的。智能傳感器自動(dòng)采集、自動(dòng)編程、自動(dòng)優(yōu)化的功能使得系統(tǒng)具備了自適應(yīng)機(jī)械制造并調(diào)整信息的功能。如在制造流程中，傳感器自動(dòng)采集到系統(tǒng)運(yùn)行的誤差時(shí)，向系統(tǒng)發(fā)送識(shí)別信號(hào)。信息自動(dòng)傳輸?shù)叫畔⑻幚韱卧?jīng)過(guò)分析處理后產(chǎn)生控制信息。系統(tǒng)將控制信息自動(dòng)傳輸給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)控制信息與指令自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)，完成控制信息要求的動(dòng)作?？刂菩畔⒆詣?dòng)調(diào)整后，動(dòng)力將自動(dòng)實(shí)現(xiàn)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率的匹配，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行記過(guò)完成系統(tǒng)的動(dòng)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(chǎng)景不同，智能控制的作用和功能也不同。以最常見(jiàn)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(jī)點(diǎn)系統(tǒng)、汽車(chē)制造系統(tǒng)、航空動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)等領(lǐng)域。光學(xué)傳感器的分辨率可以達(dá)到5000萬(wàn)像素，且成像能力和均勻性極好。多應(yīng)用于智能手機(jī)顯示屏的檢測(cè)、機(jī)械裝配件檢測(cè)、電路板檢測(cè)等領(lǐng)域。RFID多用于智能識(shí)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(duì)提高機(jī)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(jī)械制造數(shù)字化管理的核心技術(shù)。數(shù)控一代是機(jī)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(duì)提高機(jī)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(jì)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(jì)，整個(gè)智能生產(chǎn)過(guò)程具有全自動(dòng)監(jiān)測(cè)、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(guò)模糊語(yǔ)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(shí)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(guó)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(jìng)爭(zhēng)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(dòng)化程度，使得機(jī)械制造系統(tǒng)能夠模擬專(zhuān)家的智能分析、判斷、構(gòu)思與決策，從而自動(dòng)適應(yīng)機(jī)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(dòng)感知信息與處理、數(shù)據(jù)庫(kù)、規(guī)劃與控制決策、認(rèn)知學(xué)習(xí)、控制知識(shí)庫(kù)、評(píng)價(jià)機(jī)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(duì)象，以防外部不確定性因素對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行造成干擾?？刂破髟诳刂评碚摶A(chǔ)上模擬智能，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)電一體化技術(shù)中的應(yīng)用促使中國(guó)制造實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；?、高效化的生產(chǎn)，使得中國(guó)成為了制造大國(guó)。但就機(jī)械制造產(chǎn)品的質(zhì)量而言，中國(guó)與德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)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(shí)現(xiàn)智能制造真正意義上的高效高質(zhì)、節(jié)能減排。

未來(lái)，中國(guó)制造需要實(shí)現(xiàn)制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變，而人工智能技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用，將會(huì)在自動(dòng)化生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上全面協(xié)調(diào)人機(jī)系統(tǒng)，由人工智能輔助智能制造，嚴(yán)格控制機(jī)械制造系統(tǒng)的誤差，全面提高機(jī)械制造生產(chǎn)線的質(zhì)量。機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量的提升時(shí)樹(shù)立機(jī)械制造品牌的前提條件，它將推動(dòng)中國(guó)制造大國(guó)向中國(guó)制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)型。

四、結(jié)語(yǔ)

機(jī)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(jìn)中國(guó)機(jī)械制造由數(shù)控化向智能化發(fā)展。在機(jī)電一體化向智能化發(fā)展的進(jìn)程中，計(jì)算機(jī)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(jì)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(jī)電一體化中的集成化應(yīng)用，推動(dòng)數(shù)控機(jī)床由人工數(shù)字化管控向系統(tǒng)自適應(yīng)化進(jìn)行轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)了智能制造系統(tǒng)虛擬功能、人機(jī)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(lái)智慧化工廠將全面解放人類(lèi)勞動(dòng)力，由智能機(jī)器人與系統(tǒng)管理者實(shí)現(xiàn)在制造系統(tǒng)的協(xié)同作業(yè)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械制造的全智能化制造與裝配。

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作者簡(jiǎn)介：劉毅龍（1989—??），男，漢，江西吉安人，碩士，助教，研究方向：自動(dòng)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(jī)器人。