機(jī)械制造的智能化技術(shù)與機(jī)電一體化的融合研究

黃 蕓

（滁州市機(jī)電工程學(xué)校，安徽 滁州 239000）

機(jī)械制造的整體流程并不復(fù)雜，但是其實(shí)際的工藝流程復(fù)雜程度會隨著加工零件的復(fù)雜程度而增加，尤其是在多曲面零件的加工和制造過程中，其實(shí)際的加工周期將會非常長。在智能化技術(shù)的支持下，技術(shù)人員可以將智能化系統(tǒng)控制單元嵌入機(jī)械制造控制系統(tǒng)中，從而為機(jī)械制造設(shè)備提供自由決策的空間。與普通機(jī)械制造過程不同，結(jié)合了智能化技術(shù)的機(jī)械制造流程對人工行為的依賴程度較低，這就促使其可以降低人為誤差。更為關(guān)鍵的是，在機(jī)電一體化技術(shù)的支持下，智能化技術(shù)的應(yīng)用形式將會更加靈活，相關(guān)的機(jī)械制造流程也會在這種綜合性的加工技術(shù)影響下實(shí)現(xiàn)更高的加工制造效能，相應(yīng)的工藝靈活程度也會顯著提升[1-2]。

1 智能化技術(shù)與機(jī)電一體化技術(shù)融合應(yīng)用優(yōu)勢

1.1 促使數(shù)據(jù)應(yīng)用層次逐漸深入

智能化技術(shù)的應(yīng)用過程是基于硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的數(shù)字化過程，但是這種數(shù)字化過程并不是指一定要使得技術(shù)的應(yīng)用形式只能是數(shù)字化的應(yīng)用形式，而是需要在軟件和硬件之間建立一種數(shù)字化的聯(lián)系，這樣，在出現(xiàn)了數(shù)字化的應(yīng)用要求時(shí)，即可啟動對應(yīng)的數(shù)字化調(diào)動機(jī)制，完成相應(yīng)的動作或者識別行為。從智能化技術(shù)與機(jī)電一體化技術(shù)相結(jié)合的應(yīng)用形式和應(yīng)用內(nèi)容角度分析，這種數(shù)字化的調(diào)動機(jī)制在實(shí)際的應(yīng)用過程中即可表現(xiàn)為數(shù)據(jù)應(yīng)用層面的逐漸深入。實(shí)際上，在機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)的應(yīng)用初期，其就已經(jīng)具備了一定的自動化應(yīng)用屬性，并且在電氣系統(tǒng)的支持下，這種自動化屬性的體現(xiàn)形式也相對靈活。但是現(xiàn)階段，機(jī)電一體化系統(tǒng)的運(yùn)行要求發(fā)生了變化，這種變化屬于技術(shù)應(yīng)用層面的變化，也與技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)的開放式發(fā)展相關(guān)。這是因?yàn)楝F(xiàn)階段機(jī)電一體化系統(tǒng)完成的技術(shù)應(yīng)用內(nèi)容往往相對復(fù)雜，并且在這個過程中需要加入外置網(wǎng)絡(luò)，才能滿足高層級的數(shù)字化管理需要。然而，機(jī)電一體化系統(tǒng)并不能完全勝任這種系統(tǒng)層面的數(shù)據(jù)溝通和交流任務(wù)，其自動化屬性在此時(shí)就會表現(xiàn)出一定的適應(yīng)性問題。在將智能化技術(shù)與機(jī)電一體化技術(shù)結(jié)合之后，相當(dāng)于為機(jī)電一體化系統(tǒng)加裝了智能化的數(shù)據(jù)分析單元，這種智能化的數(shù)據(jù)分析單元可以為機(jī)電一體化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高層級的數(shù)據(jù)處理功能提供有效的功能結(jié)構(gòu)，進(jìn)而促使機(jī)電一體化系統(tǒng)由自動化系統(tǒng)向智能自動化系統(tǒng)轉(zhuǎn)化[3]。

1.2 為系統(tǒng)級別的故障診斷和反饋提供有利條件

系統(tǒng)級別的故障診斷和反饋實(shí)際上非常難，其甚至已經(jīng)超出了PID控制調(diào)節(jié)的物理范圍，而基于PID控制調(diào)節(jié)的自反饋單元也無法直接為系統(tǒng)提供有效的數(shù)據(jù)反饋途徑。具體而言，在現(xiàn)代化的機(jī)電一體化系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)高效率機(jī)械制造控制的功能單元并不多，并且各個功能單元之間往往并不能實(shí)現(xiàn)聯(lián)合控制，依舊處于獨(dú)立控制的階段。從系統(tǒng)控制的控制節(jié)點(diǎn)分布角度分析，在此種控制結(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)的分布形式往往并不清晰，這就導(dǎo)致需要針對系統(tǒng)中的各個控制單元以及各類控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制時(shí)，無法找到有效的組網(wǎng)模式。在智能化技術(shù)的支持下，可在機(jī)電一體化系統(tǒng)中引入超規(guī)模的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)中的設(shè)備節(jié)點(diǎn)將不會再孤立，而是以一種系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的形式，同時(shí)與上層控制系統(tǒng)以及同級設(shè)備節(jié)點(diǎn)之間形成有效的數(shù)據(jù)控制通道。此時(shí)，從故障診斷和系統(tǒng)反饋機(jī)制的角度分析，故障診斷的實(shí)際范圍將會得到有效拓展，即可實(shí)現(xiàn)同級或者不同層級之間的信息反饋功能[4]。更為關(guān)鍵的是，在這種智能化技術(shù)的應(yīng)用背景下，故障反饋和數(shù)據(jù)監(jiān)督的實(shí)際效率也會得到顯著提升，并且系統(tǒng)故障診斷的流程也具備了一定的應(yīng)用靈活性。

2 智能化技術(shù)與機(jī)電一體化融合應(yīng)用技術(shù)分析

2.1 高速數(shù)據(jù)分析技術(shù)與智能決策技術(shù)

在融合了智能化技術(shù)的機(jī)械制造數(shù)控中心中，其集控單元往往與智能化數(shù)據(jù)分析單元相聯(lián)系?，F(xiàn)階段，大多數(shù)數(shù)控加工中心都會在接口拓展結(jié)構(gòu)中加入與網(wǎng)絡(luò)信息相關(guān)的拓展接口，通過應(yīng)用此類接口，可以實(shí)現(xiàn)對數(shù)控加工中心的網(wǎng)絡(luò)化管理。從其智能化技術(shù)應(yīng)用形式的角度分析，在此類機(jī)械制造數(shù)控加工中心的運(yùn)行過程中，集控單元會根據(jù)預(yù)設(shè)程序?qū)ψ叩堵窂竭M(jìn)行模擬，并以可視化的結(jié)果表示走刀路徑的合理性，此時(shí)，工作人員即可根據(jù)實(shí)際的走刀路線對加工路徑進(jìn)行再次優(yōu)化和模擬，從而篩選出更加合理的加工工藝流程。在此過程中，與智能決策相關(guān)的技術(shù)應(yīng)用模組會對數(shù)控加工中心的工藝加工習(xí)慣進(jìn)行記錄，也對機(jī)械制造的各種工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，從而結(jié)合此類數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，對與數(shù)據(jù)相關(guān)的加工行為進(jìn)行篩選和記錄，這樣在后續(xù)加工過程中，如果需要執(zhí)行相似或者相同的加工動作，即可直接應(yīng)用先前積累的數(shù)據(jù)[5]。這種以數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ)的智能化技術(shù)應(yīng)用形式即為高速數(shù)據(jù)分析技術(shù)應(yīng)用形式，而此種技術(shù)應(yīng)用形式需要以智能決策技術(shù)為基礎(chǔ)。現(xiàn)階段，在智能化的數(shù)控加工中心中，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了動態(tài)捕捉攝像視角的布置，系統(tǒng)可自行對加工條件和加工狀態(tài)進(jìn)行診斷，從而實(shí)現(xiàn)自由度更高的自主決策過程。

2.2 動態(tài)反饋技術(shù)與智能調(diào)節(jié)技術(shù)

在智能化系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，需要在不同的加工制造環(huán)境下作出正確的判斷，并根據(jù)生產(chǎn)制造的具體要求，選擇更為合適的加工制造形式。在這個過程中，能否作出正確的判斷是關(guān)鍵，而影響判斷結(jié)果準(zhǔn)確性的因素既包括機(jī)械制造系統(tǒng)自身的運(yùn)行性能，也包括此系統(tǒng)的動態(tài)反饋機(jī)制運(yùn)行效能，尤其是在機(jī)電一體化背景下，這種動態(tài)反饋機(jī)制需要兼顧機(jī)械制造系統(tǒng)與電氣技術(shù)系統(tǒng)?，F(xiàn)階段，這種動態(tài)反饋技術(shù)在復(fù)雜加工系統(tǒng)中的應(yīng)用形式主要為閉環(huán)反饋控制技術(shù)，此類控制技術(shù)的應(yīng)用形式實(shí)際上已經(jīng)非常成熟，但是為了適應(yīng)智能化技術(shù)的場景拓展屬性，在選用此類控制技術(shù)之后，往往需要在此類技術(shù)系統(tǒng)中加入智能調(diào)節(jié)機(jī)制，即需要將反饋控制和智能調(diào)節(jié)聯(lián)系起來，提升動態(tài)反饋技術(shù)的整體應(yīng)用效能。在這個過程中，若想確保動態(tài)反饋技術(shù)的應(yīng)用質(zhì)量，技術(shù)人員還需要合理選擇機(jī)電一體化技術(shù)的綜合應(yīng)用形態(tài)，并將這種技術(shù)應(yīng)用形態(tài)加入具體的技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)中，以反饋機(jī)制為基礎(chǔ)，收集相關(guān)的系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)層面的數(shù)據(jù)反饋，發(fā)揮智能調(diào)節(jié)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢。尤其是在機(jī)械設(shè)備的智能化控制過程中，這種動態(tài)反饋機(jī)制可以為設(shè)備的運(yùn)行提供安全保障，避免在設(shè)備的運(yùn)行過程中出現(xiàn)不合理的運(yùn)行行為，這也是提升機(jī)械制造設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量的技術(shù)基礎(chǔ)之一[6-7]。

2.3 結(jié)構(gòu)微調(diào)與微動控制技術(shù)

在動態(tài)反饋技術(shù)與智能調(diào)節(jié)技術(shù)的支持下，在機(jī)械制造過程中，在智能化技術(shù)與機(jī)電技術(shù)結(jié)合之后，即可實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)動作的微動控制，而這種微動控制往往基于具體的機(jī)械結(jié)構(gòu)。實(shí)際上，這種微動控制結(jié)構(gòu)在現(xiàn)階段已經(jīng)得到了應(yīng)用，包括波士頓公司生產(chǎn)的測試機(jī)器人以及航空戰(zhàn)斗飛機(jī)的微控系統(tǒng)中，均應(yīng)用到了這種相對智能化的微動控制技術(shù)。從這種技術(shù)的具體應(yīng)用形式角度分析，結(jié)構(gòu)微調(diào)與微動控制技術(shù)也是全流程巡航技術(shù)的一種，其可以根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行分析。尤其是在涉及定位控制以及定點(diǎn)動作傳導(dǎo)時(shí)，微動控制系統(tǒng)會對相應(yīng)的控制動作進(jìn)行細(xì)化分析，從三維空間的角度對控制點(diǎn)的移動行為進(jìn)行標(biāo)定，這樣即可實(shí)現(xiàn)相對穩(wěn)定、準(zhǔn)確的定位控制[8]。但是在這個過程中，數(shù)據(jù)的運(yùn)算量往往異常巨大，需要大數(shù)據(jù)技術(shù)以及超級計(jì)算技術(shù)的支持，這就導(dǎo)致此類技術(shù)的應(yīng)用成本相對較高，與此類設(shè)備相對應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)制造標(biāo)準(zhǔn)也具有較高的要求。

3 機(jī)電一體化與機(jī)械制造融合發(fā)展的趨勢

3.1 全場景動態(tài)捕捉

全場景動態(tài)捕捉相較于現(xiàn)階段的模塊化動態(tài)捕捉系統(tǒng)而言，具有更高的系統(tǒng)運(yùn)行自由度，這種系統(tǒng)運(yùn)行自由度的提升過程也是系統(tǒng)資源的深度應(yīng)用過程，其中，與機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣控制相關(guān)的系統(tǒng)資源在這個過程中得到了深度應(yīng)用，并且可以在智能化數(shù)據(jù)分析技術(shù)的影響下，實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)、多組件的聯(lián)合應(yīng)用趨勢[9]。首先，從全場景動態(tài)捕捉技術(shù)應(yīng)用結(jié)果的角度分析，在機(jī)械制造設(shè)備可視范圍之內(nèi)，其均可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的位置控制。同時(shí)，在這種點(diǎn)對點(diǎn)的位置對應(yīng)模式中，機(jī)械設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對加工零件的精細(xì)化管理，而這種精細(xì)化控制的結(jié)果就是零件加工的誤差降低，實(shí)際的加工效率也得到了顯著的提升。其次，從全場景動態(tài)捕捉技術(shù)應(yīng)用表現(xiàn)形式的角度分析，這種動態(tài)捕捉技術(shù)多應(yīng)用于智能化的機(jī)械加工單元中，包括現(xiàn)階段出現(xiàn)的一些智能加工機(jī)械手臂，其可以自行比對零部件的位置，從而在零件加工的過程中實(shí)現(xiàn)對零件位置和加工方向的調(diào)整。另外，需要注意的是，全場景動態(tài)捕捉技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展與智能化數(shù)據(jù)分析的效能相關(guān)，在5G技術(shù)的支持下，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膿p耗率進(jìn)一步下降，此時(shí)，設(shè)備與設(shè)備之間、設(shè)備與系統(tǒng)之間可建立起更為完善的控制網(wǎng)絡(luò)，在這個控制網(wǎng)絡(luò)中，基于場景動態(tài)捕捉的系統(tǒng)行為動作將會更加具體，實(shí)際的技術(shù)應(yīng)用效果也會更好。

3.2 微型控制

微型控制技術(shù)在高傳導(dǎo)半導(dǎo)體技術(shù)的支持下已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了較為明顯的技術(shù)升級，尤其是在微納米芯片出現(xiàn)之后，微型控制技術(shù)的應(yīng)用形式也得到較為明顯的優(yōu)化。微型控制技術(shù)在機(jī)械制造的智能化技術(shù)應(yīng)用過程中主要表現(xiàn)為更低的技術(shù)應(yīng)用功耗以及更為靈活的技術(shù)設(shè)備應(yīng)用空間。首先，從微型控制的能耗比角度分析，在微型控制單元中，其可以實(shí)現(xiàn)超高速的信息處理速率，而由于其芯片的物理結(jié)構(gòu)本身存在較好的能耗適應(yīng)性，促使其可以在運(yùn)行過程中表現(xiàn)出良好的運(yùn)行效能。實(shí)際上，微型控制單元的體積非常小，其可以直接應(yīng)用在不同的機(jī)械制造控制單元中，即使原有的控制單元結(jié)構(gòu)不變，也可直接在原有的機(jī)械制造結(jié)構(gòu)上加裝與微型控制相關(guān)的控制單元。從此角度分析即可看出，微型控制大多作用于機(jī)械制造的控制單元。其次，從微型控制技術(shù)的應(yīng)用靈活性角度分析，微型控制技術(shù)可以與智能化數(shù)據(jù)分析技術(shù)結(jié)合起來，從而能夠在高速數(shù)據(jù)處理的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)控制，同時(shí)，也可借助智能化數(shù)據(jù)分析技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢，對微型控制行為進(jìn)行反饋分析，提升機(jī)電一體化技術(shù)的整體應(yīng)用效能。

3.3 輕型加工

輕型加工是綠色加工在現(xiàn)階段的一種表現(xiàn)形式，輕型加工的實(shí)現(xiàn)過程包含兩個方面的內(nèi)容，其一為機(jī)械制造原材料的輕型化，其二為機(jī)械制造設(shè)備運(yùn)行形式以及工藝技術(shù)應(yīng)用流程的輕型化[10]。首先，從機(jī)械制造原材料的輕型化角度分析，傳統(tǒng)的機(jī)械加工方式之所以在輕型加工層面適應(yīng)性相對較差，與傳統(tǒng)機(jī)械加工方式的加工誤差相關(guān)，并且不能實(shí)現(xiàn)更為高效的反饋控制。而智能化加工技術(shù)系統(tǒng)可以針對不同的輕型加工原材料，智能選擇不同的加工深度或者加工速率，其加工制造的整體適應(yīng)性得到了顯著的提升。其次，從機(jī)械制造設(shè)備運(yùn)行形式以及工藝技術(shù)應(yīng)用流程的輕型化角度分析，在輕型加工技術(shù)的應(yīng)用融合中，其并不會產(chǎn)生較多的加工邊界成本，尤其是在機(jī)電一體化技術(shù)的支持下，設(shè)備可以根據(jù)加工周期以及實(shí)際的制造工藝流程，對輕型加工過程進(jìn)行自主優(yōu)化，包括走刀的速度以及相關(guān)的轉(zhuǎn)數(shù)參數(shù)和吃刀量等。這樣，即可實(shí)現(xiàn)機(jī)械制造的輕型加工與控制，實(shí)際的機(jī)電一體化結(jié)合效果也會得到明顯改善。

4 結(jié)束語

總之，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展新時(shí)期，機(jī)械制造的智能化技術(shù)與機(jī)電一體化技術(shù)相互融合的發(fā)展需求明顯增加，這種技術(shù)融合的過程也是智能化技術(shù)發(fā)展的過程。在此過程中，工作人員需要從技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐出發(fā)，積累技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合此類技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化智能化技術(shù)的應(yīng)用形式。