智能制造中機電一體化技術(shù)的應(yīng)用

楊萬瓊

（貴州裝備制造職業(yè)學(xué)院，貴州省貴陽市，551400）

1 引言

在5G技術(shù)的加持下，工業(yè)制造逐漸由自動化向智能化轉(zhuǎn)型升級，工業(yè)4.0時代來臨，實現(xiàn)了從制造流程自動化向基于信息物理融合系統(tǒng)下的遠(yuǎn)程控制轉(zhuǎn)變。這項原本被德國定位未來十大項目之一的工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，隨著各類現(xiàn)代科技的發(fā)展，很快在一些發(fā)達國家工業(yè)領(lǐng)域中掀起波瀾。2014年11月4日，在中國十六屆工業(yè)博覽會上我國第一套工業(yè)4.0流水線問世，這也標(biāo)志著我國智能工業(yè)發(fā)展的開端。在未來新工業(yè)革命中，其核心技術(shù)必將圍繞智能化、數(shù)字化技術(shù)，而機電一體化作為多學(xué)科交叉技術(shù)，可以對不斷融合的IT和OT的復(fù)雜性進行簡化，從而提高生產(chǎn)效率，推動供應(yīng)鏈自動化更快更高效。對智能制造中機電一體化技術(shù)的應(yīng)用進行研究，對于催生動態(tài)、實時優(yōu)化、自我組織的價值鏈，實現(xiàn)制造業(yè)中所有參與者與資源的高度社會技術(shù)互動都有著積極的促進作用。

2 智能制造與機電一體化技術(shù)的概念

2.1 智能制造

智能制造是一種基于人機一體化的智能系統(tǒng)，在制造活動中主要從事各類智能活動，如分析、推理、判斷、決策等。通過人機合作，取代制造過程中人類專家所從事的腦力活動，是自動化制造的內(nèi)涵升級。與傳統(tǒng)制造業(yè)相比，智能制造以計算機模擬系統(tǒng)為媒介，能夠細(xì)化生產(chǎn)各環(huán)節(jié)，使其具有柔性化、智能化以及高度集成化等特點，有助于全面整合各方資源，提高生產(chǎn)效率與質(zhì)量。其中，計算機模擬系統(tǒng)是智能制造的核心構(gòu)成部分，各種復(fù)雜計算、操作等工作都有其完成，可以實現(xiàn)人類設(shè)想。

目前，我國已經(jīng)具備智能制造發(fā)展與建設(shè)的基礎(chǔ)條件，一方面在專家學(xué)者的共同努力下攻克了諸如機器人技術(shù)、感知技術(shù)、智能信息處理技術(shù)、復(fù)雜制造系統(tǒng)等長期制約我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展的智能制造技術(shù)難關(guān)，初步形成了以新型傳感器、工業(yè)機器人、智能控制系統(tǒng)為代表的智能制造裝備產(chǎn)業(yè)體系［1］。另一方面，我國規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)在研發(fā)設(shè)計領(lǐng)域數(shù)字化工具應(yīng)用普及率達到54%，生產(chǎn)線上數(shù)控裝備占比達30%，制造業(yè)具備數(shù)字化發(fā)展基礎(chǔ)。

2.2 機電一體化技術(shù)

機電一體化技術(shù)是基于傳統(tǒng)機械技術(shù)升級轉(zhuǎn)型而來，經(jīng)過不斷地完善、改進和優(yōu)化，實現(xiàn)集傳感技術(shù)、電子技術(shù)、機械技術(shù)、計算機技術(shù)等于一體，是現(xiàn)代機械技術(shù)的代表，具有靈活和可擴展性，可以為智能制造提供更高效的數(shù)據(jù)流，使得實時決策、診斷、預(yù)測分析等成為現(xiàn)實。機電一體化技術(shù)具有如下特點：

2.2.1 有利于優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)

以往在機械產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，為了將控制功能融入到生產(chǎn)系統(tǒng)中，就必須要具備相應(yīng)的機械機構(gòu)，如變速箱、變速齒輪等，以便可以合理掌控系統(tǒng)運行速度［2］。而隨著科技的不斷發(fā)展，齒輪變速與電子技術(shù)逐漸融合，變頻調(diào)速裝置由此產(chǎn)生，如通過電腦軟件就可以進行機床自動走刀，還可以根據(jù)生產(chǎn)實際進行調(diào)整。

2.2.2 系統(tǒng)控制更加智能化

在智能制造中應(yīng)用機電一體化技術(shù)，借助電子控制系統(tǒng)，根據(jù)生產(chǎn)需求進行程序設(shè)計，可以確保系統(tǒng)每個操作與功能之間的協(xié)調(diào)性，如信息自動化處理功能、自動檢測功能等，智能制造系統(tǒng)控制功能不斷完善。

2.2.3 應(yīng)用范圍不斷擴大

機電一體化技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用范圍不斷擴大，如機械設(shè)備、電氣設(shè)備中的傳感器，就可以及時收集和反饋先關(guān)信息，為操作人員提供更加有效的數(shù)據(jù)參考。信息處理技術(shù)可以提高機電設(shè)備管理效能，確保信息的準(zhǔn)確性，同時還能自動處理所收集的信息，有效保障設(shè)備穩(wěn)定運行。

3 智能制造中機電一體化技術(shù)的實踐應(yīng)用

3.1 數(shù)控技術(shù)

在我國工業(yè)生產(chǎn)中，機械制造業(yè)一直占據(jù)著非常重要的地位，而伴隨著相關(guān)技術(shù)的不斷更新，使得該行業(yè)具有明顯的前瞻性，尤其是在機電一體化技術(shù)的推動下，行業(yè)發(fā)展勢頭良好。數(shù)控技術(shù)作為一種控制手段，其本質(zhì)就是利用數(shù)字信息技術(shù)對機械生產(chǎn)各環(huán)節(jié)進行精準(zhǔn)控制，如計算機技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等均有利于提高制造業(yè)的生產(chǎn)效率，有助于推動我國智能制造高質(zhì)量發(fā)展［3］。在智能制造領(lǐng)域中，數(shù)控技術(shù)是機電一體化技術(shù)應(yīng)用較早的技術(shù)之一，在很大程度上推動了我國機械制造水平，尤其是數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，極大改善了機械加工的效率。當(dāng)前，數(shù)控技術(shù)在智能制造中主要模式為CPU+總線模式，可進行三維仿真模擬，可提高數(shù)控生產(chǎn)效率。

3.2 人工智能技術(shù)

在智能制造中，人工智能是終極目標(biāo)，也是中國制造2025年的核心目標(biāo)。依托新工業(yè)革命，人工智能技術(shù)迅速崛起，其應(yīng)用程度直接反映出核心競爭力。智能制造系統(tǒng)在人工智能的加持下，柔性化、信息量以及數(shù)字化程度明顯提升，系統(tǒng)可以模擬專家進行智能分析、判斷和決策，更好地滿足智能制造的生產(chǎn)需求［4］。其系統(tǒng)如圖1所示，可以很好地適應(yīng)自身及外部環(huán)境。其中，智能控制器發(fā)揮著非常重要的作用，主要由自動感知信息與處理、數(shù)據(jù)庫、控制鞠策、評價機構(gòu)等部分構(gòu)成，其不僅可以對系統(tǒng)本身進行控制，同時還能對執(zhí)行器、控制傳感器等進行控制，有效避免外界因素對系統(tǒng)運行的干擾。

3.3 傳感技術(shù)

作為最早促進機電一體化智能化轉(zhuǎn)型的技術(shù)之一，傳感技術(shù)為智能制造的運行奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。目前，智能制造中智能傳感器的應(yīng)用非常廣泛。如在制造流程中，通過智能傳感器可以對系統(tǒng)運行中存在的誤差進行自動采集，然后向系統(tǒng)發(fā)送識別信號。在信息處理單元中，對傳輸?shù)淖R別信號進行分析，并自動生成控制信息。此時，系統(tǒng)將會向執(zhí)行機構(gòu)傳輸控制信息，執(zhí)行機構(gòu)在接收到指令后自動完成相關(guān)控制動作。而在自動調(diào)整控制信息后，動力將會自動匹配驅(qū)動系統(tǒng)功率。

當(dāng)前，常用的傳感器有壓力傳感器、光學(xué)傳感器、RFID技術(shù)等，在不同場景中所使用的傳感器不同，所發(fā)揮的功能和作用也存在差異。比如壓力傳感器主要應(yīng)用于航空動力學(xué)、汽車制造、微機電系統(tǒng)等領(lǐng)域；光學(xué)傳感器分辨率極高，可達5000萬像素，且具有良好的成像力，在手機顯示屏檢測、機械裝配件檢測、電路板檢測等領(lǐng)域應(yīng)用較多［5］；RFID作為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)，其準(zhǔn)確率較高，可以有效保障機械制造的精準(zhǔn)性，在智能識別、數(shù)據(jù)采集中應(yīng)用較多，是目前智能制造系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的傳感器。

3.4 自動化生產(chǎn)控制技術(shù)

自動化生產(chǎn)控制技術(shù)是智能制造領(lǐng)域中機電一體化技術(shù)最為常見的手段之一，其運用范圍廣，涉及領(lǐng)域多，如包裝印刷、香煙、飲料等行業(yè)。其主要設(shè)備包括微電子設(shè)備、傳感器、人機界面控制裝置、可編程序控制裝備等。此外，在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，也可以運用自動化生產(chǎn)控制技術(shù)，從而對生產(chǎn)過程進行全方位監(jiān)控，形成相應(yīng)的跟蹤控制系統(tǒng)，對生產(chǎn)各環(huán)節(jié)進行實時追蹤［6］。

通過該系統(tǒng)可以直接向計算機反饋所收集的信息和數(shù)據(jù)，借助大數(shù)據(jù)技術(shù)對數(shù)據(jù)進行分析處理，提高數(shù)據(jù)利用率，從而更好地掌握生產(chǎn)過程。此外，運用自動化生產(chǎn)控制技術(shù)還能對智能制造的生產(chǎn)過程、資源以及系統(tǒng)等進行精細(xì)化管理，有效提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和管理水平，從而為企業(yè)獲得更多的經(jīng)濟利益，推動制造企業(yè)在激烈的社會競爭中脫穎而出，實現(xiàn)可持續(xù)、高質(zhì)量發(fā)展。

4 應(yīng)用前景分析

以傳感技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、人工智能為代表的機電一體化技術(shù)在智能制造領(lǐng)域中的有效應(yīng)用，推動了我國制造業(yè)規(guī)模化、集約化發(fā)展，為實現(xiàn)從制造大國向制造強國轉(zhuǎn)變奠基。但就機械產(chǎn)品質(zhì)量而言，我國與德國、日本等工業(yè)強國相比還存在一定差距。隨著人工智能的廣泛應(yīng)用，智能制造必將向智能化、模塊化、微型化、綠色化發(fā)展，真正發(fā)揮出智能制造節(jié)能減排、提質(zhì)增效的作用。

未來，制造強國是發(fā)展目標(biāo)，也是必然趨勢，相信智能制造在人工智能的推動下，必將會實現(xiàn)從自動化生產(chǎn)向人機系統(tǒng)全面布局發(fā)展，機械制造系統(tǒng)的誤差也會更小，機械制造產(chǎn)品質(zhì)量將會得到極大提升。總而言之，對于智能制造而言，產(chǎn)品質(zhì)量提升是關(guān)鍵，是塑造機械產(chǎn)品品牌的先決條件，將極大推動我國從制造大國向制造強國轉(zhuǎn)型。

5 結(jié)語

在智能制造生產(chǎn)過程中，科學(xué)合理應(yīng)用機電一體化技術(shù)是符合時代發(fā)展需求的，同時也是我國工業(yè)戰(zhàn)略發(fā)展的必然要求。盡管當(dāng)前智能制造尚處于探索階段，依舊存在很多問題亟待解決，但我們相信，只要加大研發(fā)力度，就一定能提高我國機電一體化水平，助力智能制造業(yè)更好發(fā)展。