機械制造的智能化技術(shù)與機電一體化的融合

李俊青

（北大醫(yī)藥股份有限公司，重慶 400714）

引言

在以往發(fā)展中為了滿足不同領(lǐng)域的生產(chǎn)要求，人們開始逐漸使用機械設(shè)備代替人工進行生產(chǎn)，這有效提高了生產(chǎn)效率與產(chǎn)量，帶來了更高的經(jīng)濟收益，因此機械生產(chǎn)引起了人們的重視。生產(chǎn)工作對人工的依賴度大幅降低，不僅消除了人工能力局限性對生產(chǎn)工作的限制性影響，還充分發(fā)揮了機械設(shè)備特性讓生產(chǎn)效率、產(chǎn)量變得更高、更穩(wěn)定，故該項技術(shù)開始普及，對生產(chǎn)工作提出了新的要求，而機電一體化技術(shù)并不能滿足這些要求，促使人們意識到該項技術(shù)還有待開發(fā)，故新一輪的研究工作展開，指出機電一體化的發(fā)展路徑，即機電一體化技術(shù)應(yīng)當與智能化技術(shù)相互融合，借助智能化技術(shù)彌補自動化生產(chǎn)的短處，思路的提出得到了廣泛認可，而接下來的問題就是如何推進兩者融入，對此有必要展開相關(guān)研究。

1 智能化技術(shù)與機電一體化的基本概念

1.1 智能化技術(shù)的概念

智能化技術(shù)是一種綜合應(yīng)用性極強的技術(shù)，本質(zhì)上可以將其視作邏輯模型，運作中主要依托于龐大數(shù)據(jù)體，然后對數(shù)據(jù)體進行分析，分析所得結(jié)果會被保存在知識庫當中，這樣智能化技術(shù)就能夠根據(jù)知識庫中的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，對現(xiàn)實事物進行識別，并給出決策建議或其他形式的結(jié)果。例如在機械制造當中，只要智能化技術(shù)實現(xiàn)進行過相關(guān)的分析，知識庫內(nèi)有對應(yīng)的信息，其就能夠?qū)C械制造流程進行識別，可以知道當前機械制造流程是否存在異常，如果存在異常還能對異常進行分析，確認異常類型、異常成因、異常范圍、異常設(shè)備所在位置等，這些結(jié)果會被轉(zhuǎn)化為可視化信息、數(shù)據(jù)展示給人工，甚至可以根據(jù)這些信息、數(shù)據(jù)給人工提供異常處理建議?？梢钥闯?，智能化技術(shù)包含了自動化技術(shù)的特征，整個運作過程無需人工干預，同時還具備識別實際情況中數(shù)據(jù)，對實際情況進行判斷，然后自主作出決策的能力，這是自動化技術(shù)不具備的，因此相比之下智能化技術(shù)具有更高的應(yīng)用價值。另外，機械制造智能化技術(shù)是指應(yīng)用于機械制造當中的智能化技術(shù)，其本質(zhì)與上述并無差別[1]。

1.2 機電一體化的概念

機電一體化是一種主要由機械技術(shù)、電子技術(shù)構(gòu)成的綜合性技術(shù)，具有非常廣泛的應(yīng)用范圍，最突出的特征就是自動化運作。所謂自動化運作，就是在運作之前先設(shè)置好標準運作流程，然后將流程以編程的方式輸入運作系統(tǒng)，系統(tǒng)就會按照流程控制相關(guān)設(shè)備進行運作，直到完成流程最后一個節(jié)點的命令為止，過程中一般不需要人工干預。這一基礎(chǔ)上，機電一體化技術(shù)在實際應(yīng)用當中能夠有效提高工作效率與穩(wěn)定性，但該項技術(shù)并非十全十美，也有一些缺陷，即其只能按照標準流程運作，如果實際工作中出現(xiàn)了標準流程以外需求，或者遇到了特殊情況，那么該項技術(shù)就可能無法運作，若要進行調(diào)整，需要重新設(shè)計新的流程，因此機電一體化是一項對標準流程要求甚高的技術(shù)，標準流程越完善，該項技術(shù)的應(yīng)用價值就越高。另外，機電一體化的基礎(chǔ)雖然是機械技術(shù)與電子技術(shù)，但在后期的發(fā)展中機電一體化又與其他技術(shù)建立了緊密聯(lián)系，諸如電工電子技術(shù)、信息技術(shù)、傳感器技術(shù)、接口技術(shù)和信號變換技術(shù)等，這些技術(shù)使得機電一體化的形式更加豐富、功能更加強大，但并未使其脫離自動化范疇，故機電一體化技術(shù)依然有很大的發(fā)展空間。

2 智能化技術(shù)與機電一體化融合的意義

2.1 推動機電一體化實現(xiàn)質(zhì)變

機電一體化一般是作為生產(chǎn)中執(zhí)行生產(chǎn)工作的技術(shù)來使用的，但目前大多數(shù)生產(chǎn)機構(gòu)只能通過該項技術(shù)做到自動化生產(chǎn)，故自動化生產(chǎn)的缺陷會在一定程度上限制生產(chǎn)效率、穩(wěn)定性，并且在其他層面給人工造成較大工作負擔，因此現(xiàn)代需求下，機電一體化需要迎來質(zhì)變。從這一角度出發(fā)，智能化技術(shù)就是機電一體化的質(zhì)變契機，即智能化技術(shù)與機電一體化融合，相當于在機電一體化生產(chǎn)系統(tǒng)基礎(chǔ)上安設(shè)了一個智能化終端，該終端能夠通過智能邏輯對機電一體化的生產(chǎn)活動進行管理，常規(guī)狀態(tài)下可保持自動化運作模式[2]。而當一旦發(fā)生異常情況，終端就能通過傳感器一類的信息采集裝置獲取信息，然后根據(jù)信息進行分析，識別異常情況，在條件允許的情況下能自主解決一些異常，諸如調(diào)整自動化生產(chǎn)流程，規(guī)避異?，F(xiàn)象，同步通知人工對異?，F(xiàn)象進行處理，又或者對自動化生產(chǎn)的某個機電設(shè)備進行參數(shù)調(diào)試，也能解決部分異常現(xiàn)象，若無法解決將通知人工，同步持續(xù)對無法解決的異常現(xiàn)象進行分析，下一次即可識別，即使依然無法解決，也能做到準確識別，使得人工可以直接處理異常。可以看出，智能化技術(shù)的介入改變了機電一體化純粹依靠自動化生產(chǎn)流程執(zhí)行生產(chǎn)工作的局面，消除了自動化生產(chǎn)缺陷，因此機電一體化得以質(zhì)變。

2.2 降低機械設(shè)備制造難度

智能化技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，除了能夠直接應(yīng)用于機電一體化的生產(chǎn)控制當中，還能用于機械設(shè)備制造當中，制造出來的機械設(shè)備統(tǒng)稱為智能化機械設(shè)備，此類設(shè)備在功能上更加強大，能夠更好地適應(yīng)物理環(huán)境，側(cè)面就使得機械設(shè)備制造難度下降。以機械手臂為例，以往機械設(shè)備制造中，制造者必須結(jié)合工作現(xiàn)場的物理空間等條件對機械設(shè)備的形狀、規(guī)模等進行設(shè)計，同時還要保障設(shè)計后的成果滿足生產(chǎn)要求，這兩點在一些特殊情況下可能會發(fā)生沖突，諸如在小空間下需要機械手臂運輸自重較高的物料，那么為了保障機械手臂在小空間內(nèi)能夠自如運動，其規(guī)模不能太大，但遷就空間，減小機械手臂的規(guī)模，又可能導致機械手臂無法抓取自重較高的物料，不能進行運輸。這種情況下機械設(shè)備制造就會變得異常困難，間接影響到機電一體化生產(chǎn)，而借助智能化技術(shù)能夠在機械制造中實現(xiàn)機械設(shè)備避障功能，這樣即使使用大規(guī)模機械手臂來運輸機電一體化生產(chǎn)物料，也能通過該項功能來規(guī)模小空間內(nèi)的種種限制，巧妙化解了兩者沖突，故機械設(shè)備制造難度減小，機電一體化生產(chǎn)的需求也得到了滿足[3]。

3 智能化技術(shù)與機電一體化融合措施與發(fā)展趨勢

3.1 智能化技術(shù)與機電一體化融合措施

為了推進機械制造智能化技術(shù)與機電一體化融合，下文將提出對應(yīng)的融合措施，具體來說包括以下幾個方面的內(nèi)容。

3.1.1 集控單元智能化更新

目前，很多機電一體化系統(tǒng)在設(shè)計時都充分使用了接口技術(shù)，目的是將整個系統(tǒng)中所有生產(chǎn)設(shè)備集成，形成若干集控單元，然后根據(jù)每個集控單元的工作情況，設(shè)計對應(yīng)的標準流程，讓每個集控單元按照標準流程進行運作，這樣能夠簡化自動化生產(chǎn)的管理難度。這一基礎(chǔ)上，為了讓智能化技術(shù)與機電一體化融合，可以在機械制造當中生產(chǎn)出智能化的機械設(shè)備，此類設(shè)備能夠替代自動化生產(chǎn)中的集控單元，使得每個集控單元都具備智能化屬性，這一屬性使得集控單元可以與智能化技術(shù)終端連接，以便進行控制，例如制造生產(chǎn)出帶有傳感器、參數(shù)自檢程序、信號收發(fā)裝置的智能化機械設(shè)備，然后將這些機械設(shè)備安裝在自動化生產(chǎn)的相關(guān)工位上，這樣每個設(shè)備能夠相互通信，形成智能化集控單元，這個單元在智能化技術(shù)終端控制下能夠更好地執(zhí)行生產(chǎn)工作[4]。在具體的生產(chǎn)過程中，因為每個設(shè)備能夠相互通信，所以設(shè)備會根據(jù)其他設(shè)備的運作情況來調(diào)整自己的運作參數(shù)，諸如更改運動軌跡，以免與其他設(shè)備發(fā)生碰撞等。值得一提的是，智能化集控單元中所有設(shè)備之所以能夠根據(jù)其他設(shè)備情況來調(diào)整自身運動軌跡，除了因為設(shè)備本身具有智能化屬性以外，更主要的是因為設(shè)備與智能控制終端連接，即設(shè)備上的傳感器能夠采集設(shè)備信息，參數(shù)自檢程序能夠獲取當下參數(shù)條件，這些信息或參數(shù)并不是直接通過信號收發(fā)裝置發(fā)送給其他設(shè)備的。而是先發(fā)送給智能控制終端，經(jīng)由終端分析之后，根據(jù)設(shè)備的實際情況設(shè)計出整個集控單元的運作方案，方案內(nèi)包含了每個設(shè)備的運動軌跡、運動時間等指令要求，指令要求則會通過集控單元總線發(fā)送給所有設(shè)備，促使不同設(shè)備的運動軌跡等發(fā)生變化，能夠相互配合。

3.1.2 動態(tài)反饋技術(shù)與智能調(diào)節(jié)技術(shù)的應(yīng)用

在以往機電一體化生產(chǎn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，人們可以增設(shè)一些智能化技術(shù)模塊來引入不同的智能化技術(shù)，諸如動態(tài)反饋技術(shù)與智能調(diào)節(jié)技術(shù)。動態(tài)反饋技術(shù)的主要功能就是對工作過程進行監(jiān)督，實時獲取過程動態(tài)信息，然后將信息反饋給終端，由終端根據(jù)信息作出決策，諸如在機械制造當中，人們需要根據(jù)不同的工況、環(huán)境條件對設(shè)備加工制造形式進行選擇，而依靠人工很難作出正確選擇，原因在于實際情況太過復雜，涉及到大量的信息數(shù)據(jù)，同時信息數(shù)據(jù)會不斷更新、增長，導致人工無法對龐大信息數(shù)據(jù)進行全面分析。面對這種現(xiàn)象依靠動態(tài)反饋技術(shù)，能夠在機械制造當中建立動態(tài)反饋機制，該機制能夠全面、高效地分析所有信息數(shù)據(jù)，這也使得其分析速度能夠跟上信息數(shù)據(jù)的增長速度，故實現(xiàn)了動態(tài)反饋，促使智能化終端可以根據(jù)機電一體化生產(chǎn)要求對機械設(shè)備加工制造形式、方案等進行調(diào)整，始終保障形式與方案合理[5]。

與此同時，動態(tài)反饋技術(shù)在現(xiàn)代發(fā)展當中雖然已經(jīng)比較成熟，但因為其在機電一體化設(shè)備制造生產(chǎn)中主要是通過閉環(huán)反饋控制的形式來使用，所以本身的場景拓展性比較薄弱，可能無法適應(yīng)所有應(yīng)用場合，面對這種情況可以利用智能調(diào)節(jié)技術(shù)來彌補，即工作人員可以在機電一體化系統(tǒng)的綜合生產(chǎn)應(yīng)用現(xiàn)狀基礎(chǔ)上。利用動態(tài)反饋技術(shù)來實施搜集信息數(shù)據(jù)，得到信息數(shù)據(jù)方面的反饋，然后借助智能調(diào)節(jié)技術(shù)按照反饋結(jié)果對機械設(shè)備制造過程進行參數(shù)化調(diào)整，或者改變機械設(shè)備在機電一體化生產(chǎn)當中的運作方式，這不僅能夠充分發(fā)揮設(shè)備的作用，還能保障加工制造、自動生產(chǎn)的穩(wěn)定性，避免不必要的經(jīng)濟損失與安全隱患。

3.1.3 微控技術(shù)應(yīng)用

微控技術(shù)全稱微動控制技術(shù)，主要功能是對機械設(shè)備的細微動作進行控制，其應(yīng)用普遍需要建立在動態(tài)反饋技術(shù)與智能調(diào)節(jié)技術(shù)的基礎(chǔ)上。但該項技術(shù)的作用無可取代，即現(xiàn)代機電一體化生產(chǎn)對于產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高，間接對機電一體化生產(chǎn)精度也提出了更高的要求。如何滿足精度要求成為了各領(lǐng)域重點關(guān)注的事項，而通過以往技術(shù)手段，很難保障設(shè)備精度達標，可以說受限于以往技術(shù)水平，機械設(shè)備精度難以提升。而微控技術(shù)解決了這一問題，其從控制角度上提高了設(shè)備制造時相關(guān)操作的精度，而高精度的制造操作將有效提高機械設(shè)備的精度，再然后高精度的機械設(shè)備在機電一體化生產(chǎn)中就能有效提高生產(chǎn)精度，促使產(chǎn)品質(zhì)量滿足當下要求。目前，微控技術(shù)在全世界已經(jīng)得到的使用，根據(jù)具體使用形式可以看出，該項技術(shù)同樣是一種智能化技術(shù)，原因在于該項技術(shù)最大的特點為參數(shù)化控制，借助高位數(shù)的參數(shù)對目標進行控制，而這一點的實現(xiàn)就非常依賴智能終端系統(tǒng)，即只有智能終端系統(tǒng)才能對高位數(shù)的參數(shù)進行計算，得出精度同樣高的制造指令，因此在機電一體化綜合應(yīng)用場景中引入該項技術(shù)，相當于將機電一體化與智能化技術(shù)融合[6]。

3.2 智能化技術(shù)與機電一體化融合的發(fā)展趨勢

現(xiàn)階段，機電一體化與智能化技術(shù)的融合已經(jīng)開始正式發(fā)展，一些研究者對兩者融合的可能性進行了研究，提出了一些未來可能實現(xiàn)的融合發(fā)展趨勢，其中比較主要的是納米芯片技術(shù)、全場景動態(tài)捕捉，具體如下所述。

3.2.1 納米芯片技術(shù)

納米芯片技術(shù)是微控技術(shù)的“升級版”，即當前的微控技術(shù)主要是以高傳導半導體技術(shù)為基礎(chǔ)的，雖然具有良好的控制效果，但在功耗以及應(yīng)用靈活性上有所欠缺，因此研究者認為要消除這些缺陷，就應(yīng)當給微控技術(shù)提供一個更加優(yōu)質(zhì)的基礎(chǔ)，納米芯片技術(shù)就是在這樣的背景下被提出的。納米芯片技術(shù)的核心為納米芯片，其體積較小，因此在理論上功耗也很小，同時也能更加靈活地應(yīng)用于不同場景中。

3.2.1 全場景動態(tài)捕捉

全場景動態(tài)捕捉的主要功能為：在機電一體化機械設(shè)備制造的可視范圍以內(nèi)，實現(xiàn)點對點的位置控制，這區(qū)別于當前單元化控制模式，精度上更高、可控性更強，因此全場景動態(tài)捕捉技術(shù)得到了人們的關(guān)注[7]。同時，全場景動態(tài)捕捉在系統(tǒng)運行自由度上更高，遠超現(xiàn)行模塊化動態(tài)捕捉技術(shù)，這有利于更好地調(diào)動機械設(shè)備制造資源。

4 結(jié)語

機電一體化依賴各種機械設(shè)備，因此機械設(shè)備對機電一體化的生產(chǎn)或其他運作有很大的影響，故為了提高生產(chǎn)等運作體系的效率、質(zhì)量、功能性，有必要讓智能化技術(shù)與機電一體化的機械設(shè)備制造相互結(jié)合，并將前者深化到生產(chǎn)過程中，予以智能化機械設(shè)備生產(chǎn)基礎(chǔ)支撐。