機(jī)電一體化技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用

李成偉

（洛陽(yáng)澗光工程技術(shù)有限公司，河南 洛陽(yáng) 471000）

1 機(jī)電一體化技術(shù)與智能制造概述

1.1 機(jī)電一體化技術(shù)

采用機(jī)電一體化技術(shù)的產(chǎn)品在功能、性能等方面具有諸多的優(yōu)勢(shì)，集合了多種功能，能夠適應(yīng)多種不同應(yīng)用情景，滿足相應(yīng)的使用需求，應(yīng)變能力極強(qiáng)[1]；該技術(shù)縮減了傳動(dòng)類部件的使用量，簡(jiǎn)化了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，控制了受力變形磨損帶來(lái)的誤差，通過(guò)控制技術(shù)與計(jì)算機(jī)檢測(cè)技術(shù)減少動(dòng)態(tài)誤差，所以制造的產(chǎn)品精度水平比較高；機(jī)電一體化產(chǎn)品具備安全連鎖控制、自動(dòng)保護(hù)、自動(dòng)診斷、報(bào)警與自動(dòng)監(jiān)控等自動(dòng)化功能，能夠最大化地保障安全性，降低使用期間的事故的發(fā)生率；機(jī)電一體化產(chǎn)品還具有極為便捷的數(shù)字顯示功能，可提供友好的人機(jī)互動(dòng)界面，使手柄與操作按鈕的使用數(shù)量少，設(shè)備操作性能良好，操作方式也較為簡(jiǎn)單。

1.2 智能制造

智能制造系統(tǒng)采用人機(jī)一體化的形式，使用者在系統(tǒng)中處于核心地位，與智能化機(jī)器進(jìn)行配合，二者相輔相成；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在智能化與虛擬化制造系統(tǒng)中可發(fā)揮重要作用，能夠通過(guò)傳感設(shè)備與音像裝置，以虛擬化的方式展示產(chǎn)品與制造過(guò)程；智能制造還具有自組織超柔性，系統(tǒng)中的各個(gè)單元可依照具體的使用需求，自動(dòng)組合出最優(yōu)結(jié)構(gòu)，無(wú)論是結(jié)構(gòu)形式，還是運(yùn)行方式，都具有柔性化的特點(diǎn)；智能制造系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中能夠不斷更新知識(shí)庫(kù)，其本身具有強(qiáng)大的自動(dòng)學(xué)習(xí)能力，即使系統(tǒng)中有設(shè)備出現(xiàn)故障，也能夠自動(dòng)診斷、排除故障，完成自動(dòng)維護(hù)。

2 機(jī)電一體化技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用

2.1 在工業(yè)機(jī)器人制造中的應(yīng)用

工業(yè)機(jī)器人由控制部分、傳感部分與機(jī)械部分構(gòu)成。當(dāng)前的工業(yè)機(jī)器人具有串聯(lián)與并聯(lián)兩種機(jī)械結(jié)構(gòu)，早期多選擇串聯(lián)機(jī)構(gòu)，采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)的機(jī)器人自由度更高[2]。并聯(lián)結(jié)構(gòu)由手臂與手腕組成，手腕主要負(fù)責(zé)連接機(jī)器人主體與工具，手臂決定機(jī)器人的活動(dòng)空間，并聯(lián)型機(jī)器人還有運(yùn)動(dòng)負(fù)荷偏小，微動(dòng)精度水平高、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)其結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的作用是為機(jī)械結(jié)構(gòu)供給動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要傳動(dòng)方式有機(jī)械式、電氣式、氣壓式與液壓式：并聯(lián)加工機(jī)器人或者大型重載類機(jī)器人多采用液壓系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本較高，同時(shí)還存在噪聲與泄漏等使用問(wèn)題；氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)多被應(yīng)用到末端執(zhí)行器上，雖然其價(jià)格不高、維修容易實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，運(yùn)行速度快，但是其定位精度較差，工作壓強(qiáng)不高；大部分工業(yè)機(jī)器人都采用電氣驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)方式，充電方式便捷、響應(yīng)速度快、驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)是電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)，其處理、傳遞與檢測(cè)信號(hào)的功能都極易實(shí)現(xiàn)，控制方式也更為靈活，驅(qū)動(dòng)電機(jī)包括伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)。

感知系統(tǒng)可以將機(jī)器人的外部環(huán)境信息與內(nèi)部狀態(tài)信息對(duì)應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)器人能夠應(yīng)用與理解的信息。借助視覺(jué)感知系統(tǒng)可改變機(jī)器人的姿態(tài)與所處位置，外部傳感器與內(nèi)部傳感器共同構(gòu)成感知系統(tǒng)，給機(jī)器人應(yīng)用智能傳感器后，其智能化水平大幅提升，適應(yīng)性與機(jī)動(dòng)性也有所增強(qiáng)。機(jī)器人依靠環(huán)境交互系統(tǒng)可以與外部設(shè)備保持相互協(xié)調(diào)，可將外部設(shè)備與機(jī)器人集成裝配單元、焊接單元或者加工制造單元等，也可以在一個(gè)功能單元中集成多個(gè)機(jī)器人，用以處理特殊或者復(fù)雜的制造任務(wù)。人機(jī)交互系統(tǒng)主要有危險(xiǎn)信號(hào)報(bào)警裝置、信息顯示板、指令控制臺(tái)與計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)終端。控制系統(tǒng)需要依照傳感器傳送的信號(hào)與作業(yè)指令，控制機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作?？刂葡到y(tǒng)主要有人工智能化控制系統(tǒng)、適應(yīng)性控制系統(tǒng)與程序控制系統(tǒng)。

2.2 在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用

2.2.1 傳感技術(shù)

傳感技術(shù)的載體是傳感器，可以對(duì)指定物質(zhì)或者周邊環(huán)境進(jìn)行感知，包括人體、溫濕度、光線與氣體等，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，中央處理器進(jìn)行信號(hào)處理，從而為使用者提供溫濕度數(shù)據(jù)、光線強(qiáng)度參數(shù)與氣體濃度參數(shù)等[3]。將傳感技術(shù)應(yīng)用到智能制造活動(dòng)中時(shí)，應(yīng)確保裝置滿足靈敏性與準(zhǔn)確性要求，避免傳感器受到其他非目標(biāo)信號(hào)的其他信號(hào)的干擾。在應(yīng)用傳感器設(shè)備的基礎(chǔ)上，還需進(jìn)一步構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)，傳感器可對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行收集，無(wú)線型傳感器網(wǎng)絡(luò)可傳輸信息，計(jì)算機(jī)獲取傳感設(shè)備發(fā)送的信息之后，即可展開(kāi)處理與分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)制造過(guò)程的控制。光纖電纜傳感器在生產(chǎn)制造領(lǐng)域中的使用率比較高，其采用的檢測(cè)手段具有非接觸性特點(diǎn)，同時(shí)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化的接口，也可選擇具有更大的成本優(yōu)勢(shì)的串行接口。

智能傳感器集合了信息存儲(chǔ)、信息交換、信息處理與信息采集等多種功能，系統(tǒng)中應(yīng)用了軟件算法、驅(qū)動(dòng)程序、微處理器、通信芯片與傳感單元[4]。智能傳感器已經(jīng)成為當(dāng)前智能制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)技術(shù)之一，物流、檢測(cè)與生產(chǎn)領(lǐng)域中都需要應(yīng)用傳感器裝置。以數(shù)控機(jī)床為例，對(duì)壓力、速度、位置以及位移情況進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，都需要應(yīng)用高性能型傳感器，以此來(lái)實(shí)時(shí)地監(jiān)督機(jī)床中的刀具磨損情況、產(chǎn)品加工情況，并及時(shí)地校正與補(bǔ)償加工中的誤差，提高產(chǎn)品合格率。當(dāng)前的數(shù)控機(jī)床已經(jīng)逐步形成明顯的智能化升級(jí)趨勢(shì)，因此更需要有視覺(jué)傳感器來(lái)滿足可視化監(jiān)督需求，實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控的技術(shù)目標(biāo)。工業(yè)制造領(lǐng)域中出現(xiàn)了越來(lái)越多的新材料與新技術(shù)，給新型傳感器創(chuàng)造了良好的應(yīng)用環(huán)境，傳感器對(duì)制造領(lǐng)域的影響也愈加重要，新型傳感器在未來(lái)的發(fā)展中將不斷提升靈敏度，并保持低功耗、微型化、智能化、多功能化等發(fā)展趨勢(shì)，以此來(lái)更好地支持工業(yè)制造活動(dòng)。

2.2.2 數(shù)控生產(chǎn)技術(shù)

數(shù)控技術(shù)體系中的數(shù)控機(jī)床是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，其內(nèi)部應(yīng)用自動(dòng)化控制系統(tǒng)與精密機(jī)械，定位精度極高，機(jī)床本身的結(jié)構(gòu)與傳動(dòng)系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性與剛度都很高；數(shù)控系統(tǒng)可以對(duì)誤差進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。智能制造中應(yīng)用的數(shù)控系統(tǒng)提供的零件產(chǎn)品的一致性良好，質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定。數(shù)控機(jī)床的切削用量更大，有利于縮短加工時(shí)間，數(shù)控機(jī)床還能夠?qū)崿F(xiàn)各種自動(dòng)化操作，充分提升了加工效率，加工期間可以縮減測(cè)量與檢驗(yàn)的環(huán)節(jié)。使用者可根據(jù)零件加工需求，預(yù)先設(shè)計(jì)與之對(duì)應(yīng)的數(shù)控程序，通過(guò)數(shù)控機(jī)床完成自動(dòng)化加工任務(wù)，若作為加工對(duì)象的零部件出現(xiàn)變動(dòng)，直接調(diào)整數(shù)控程序即可，相比采用樣板、靠板等專門(mén)的工藝裝備，生產(chǎn)周期更短，加工系統(tǒng)自身適應(yīng)性較強(qiáng)，能夠更好地應(yīng)對(duì)當(dāng)前產(chǎn)品更新速度較快的現(xiàn)狀。僅應(yīng)用常規(guī)的手工加工技術(shù)很難加工出符合質(zhì)量要求的復(fù)雜型機(jī)械零件，數(shù)控機(jī)床在加工曲面零件或者曲線復(fù)雜的零件時(shí)有良好的使用效果，通過(guò)聯(lián)動(dòng)多坐標(biāo)軸即可實(shí)現(xiàn)加工目標(biāo)。數(shù)控機(jī)床支持一機(jī)多用，在一次裝夾的條件下，可滿足零件大多數(shù)工序的實(shí)際加工需求；數(shù)控機(jī)床集合多項(xiàng)工序，通過(guò)一臺(tái)數(shù)控機(jī)床可對(duì)多臺(tái)常規(guī)機(jī)床進(jìn)行替代，以此省略工序之間的裝夾、測(cè)量以及運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)，縮短加工需要的時(shí)間，節(jié)省機(jī)床所占據(jù)的空間，以此創(chuàng)造更高的生產(chǎn)效益。

2.3 專家系統(tǒng)在人工智能中的應(yīng)用

專家系統(tǒng)來(lái)自人工智能應(yīng)用領(lǐng)域，主要借助來(lái)自人類專家的專業(yè)化知識(shí)來(lái)應(yīng)對(duì)與處理智能制造中的問(wèn)題。這一系統(tǒng)綜合應(yīng)用了計(jì)算機(jī)技術(shù)與人工智能技術(shù)，依靠專家的經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)，模擬人類決策過(guò)程，通過(guò)判斷與推理來(lái)探求問(wèn)題的解決辦法。知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)以及人機(jī)界面等共同組成專家系統(tǒng)。知識(shí)庫(kù)的主要用來(lái)存儲(chǔ)專家提供的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，在解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)，需要應(yīng)用知識(shí)庫(kù)中知識(shí)資源來(lái)對(duì)專家的思維方式進(jìn)行模擬；專家系統(tǒng)的質(zhì)量水平由知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)數(shù)量與質(zhì)量決定，使用者需要不斷地對(duì)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行完善與升級(jí)，從而強(qiáng)化專家系統(tǒng)的性能；推理機(jī)根據(jù)具體問(wèn)題的已知信息，對(duì)知識(shí)庫(kù)內(nèi)部的規(guī)則進(jìn)行反復(fù)多次匹配，獲取與問(wèn)題的解決措施，推理方式有反向推理與正向推理兩種。

2.4 自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)在生產(chǎn)線中的應(yīng)用

自動(dòng)化生產(chǎn)線在聯(lián)結(jié)設(shè)備時(shí)主要采用柔性或者剛性的聯(lián)結(jié)方式。采用剛性聯(lián)結(jié)方式時(shí)，工序之間不設(shè)置儲(chǔ)料裝置，工件的傳送與加工過(guò)程均要保持良好的節(jié)奏性，若生產(chǎn)線中有一臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)異常，生產(chǎn)線將直接停工，因此選擇剛性聯(lián)結(jié)方式時(shí)，對(duì)于其中的設(shè)備有更加嚴(yán)苛的要求；柔性聯(lián)結(jié)方式的使用情況與之不同，各個(gè)工序之間增設(shè)了儲(chǔ)料裝置，不同工序也不需要保持完全一致的作業(yè)節(jié)奏，若有設(shè)備無(wú)法運(yùn)行，可通過(guò)儲(chǔ)料裝置來(lái)發(fā)揮平衡與調(diào)節(jié)作用，避免其他設(shè)備受到影響，因此當(dāng)組合型機(jī)床自動(dòng)化生產(chǎn)線較長(zhǎng)時(shí)往往會(huì)選擇柔性聯(lián)結(jié)方式，自動(dòng)化裝配線與綜合自動(dòng)化生產(chǎn)線也多采用柔性聯(lián)結(jié)方式，以此規(guī)避停工的風(fēng)險(xiǎn)。

2.5 柔性制造技術(shù)在設(shè)備加工中的應(yīng)用

柔性制造系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)包括計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)、模糊控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、專家系統(tǒng)、人工智能系統(tǒng)、綜合控制系統(tǒng)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在諸多技術(shù)的影響下，系統(tǒng)顯現(xiàn)出機(jī)器柔性，若生產(chǎn)來(lái)自同一個(gè)系統(tǒng)但是類別不同的零件或者產(chǎn)品，加工設(shè)備可依照產(chǎn)品的變動(dòng)完成難度不同的加工任務(wù)。系統(tǒng)具有工藝柔性，在不調(diào)整工藝流程的前提下，能夠?qū)υ牧吓c產(chǎn)品本身的變化進(jìn)行適應(yīng)。產(chǎn)品柔性體現(xiàn)在更新產(chǎn)品后，系統(tǒng)能夠繼承或者兼容原來(lái)產(chǎn)品的特性；當(dāng)產(chǎn)品完全轉(zhuǎn)向或者完成更新之后，柔性系統(tǒng)能夠在較短的時(shí)間內(nèi)就具備生產(chǎn)新型產(chǎn)品的能力；柔性系統(tǒng)還具有維護(hù)柔性的特點(diǎn)，可通過(guò)多種不同的方式來(lái)處理故障問(wèn)題、查詢故障信息，恢復(fù)系統(tǒng)的生產(chǎn)加工能力；生產(chǎn)柔性是柔性制造系統(tǒng)最重要的特征，即使生產(chǎn)量出現(xiàn)變化，系統(tǒng)仍舊能夠保持經(jīng)濟(jì)化的運(yùn)行方式，結(jié)合訂貨情況，組織生產(chǎn)活動(dòng)。相比其他的制造系統(tǒng)，柔性制造系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展能力，能夠依照生產(chǎn)需求，在現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，通過(guò)增設(shè)新的功能模塊來(lái)賦予系統(tǒng)新的能力。

3 結(jié)語(yǔ)

越來(lái)越多的機(jī)電一體化技術(shù)進(jìn)入智能制造領(lǐng)域，滿足多種制造需求，提高產(chǎn)品制造效率與質(zhì)量。智能制造模式逐步取代傳統(tǒng)化的生產(chǎn)制造模式，在產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率等方面具有更好的表現(xiàn)。機(jī)電一體化技術(shù)在升級(jí)智能制造模式的工作中發(fā)揮了重要作用，應(yīng)繼續(xù)開(kāi)發(fā)升級(jí)機(jī)電一體化技術(shù)，提升其智能化與自動(dòng)化水平，從而推動(dòng)我國(guó)工業(yè)制造產(chǎn)業(yè)全面升級(jí)。