智能制造背景下機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展*

王 贊 ，何俊峰

（廣東技術(shù)師范大學(xué)機(jī)電學(xué)院，廣東 廣州 510665）

制造業(yè)是立國之本，強(qiáng)國之基。新中國成立以來，我國制造產(chǎn)業(yè)逐步成熟，尤其是在改革開放后，持續(xù)快速發(fā)展，建成了門類齊全、獨(dú)立完整的產(chǎn)業(yè)體系，一舉成為世界第一制造大國。但我國制造業(yè)的自主創(chuàng)新能力不高、資源利用效率低下、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)水平參差不齊、產(chǎn)品質(zhì)量與效益差，與世界先進(jìn)水平相比仍存在明顯差距，呈現(xiàn)出大而不強(qiáng)的特點(diǎn)。為了加速我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，實(shí)現(xiàn)制造大國向制造強(qiáng)國的跨越，2015 年5 月19 日，國務(wù)院正式印發(fā)《中國制造2025》，確立了創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、質(zhì)量為先、綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、人才為本的基本方針，以此作為實(shí)施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略的第一個(gè)十年行動(dòng)綱領(lǐng)。智能制造是加快我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級、全面提高發(fā)展質(zhì)量和核心競爭力的關(guān)鍵一步，也是實(shí)現(xiàn)制造大國向制造強(qiáng)國跨越的必經(jīng)之路。在產(chǎn)業(yè)加速轉(zhuǎn)型升級、大力發(fā)展智能制造的經(jīng)濟(jì)社會背景下，機(jī)電一體化技術(shù)作為新興生產(chǎn)技術(shù)，有助于提高生產(chǎn)質(zhì)量與效率，是推動(dòng)智能制造進(jìn)程的關(guān)鍵。

1 智能制造與機(jī)電一體化技術(shù)

1.1 智能制造

智能制造作為人工智能領(lǐng)域在制造產(chǎn)業(yè)的新突破與新發(fā)展[1]，是一種人機(jī)一體化智能模式，也是自動(dòng)化制造的全面升級，由智能制造技術(shù)和智能制造系統(tǒng)兩個(gè)核心部分構(gòu)成，技術(shù)與系統(tǒng)相輔相成，在生產(chǎn)制造中能通過人機(jī)合作進(jìn)行諸如分析、推理、判斷、決策等活動(dòng)[2]，很大程度上決定著智能制造的生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量[3]。與傳統(tǒng)制造業(yè)不同，智能制造能在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，更具柔性化、智能化、思維化、高度集成化和經(jīng)濟(jì)效益最大化的特點(diǎn)。一方面，智能制造能夠借助于計(jì)算機(jī)平臺創(chuàng)建虛擬生產(chǎn)系統(tǒng)，以模擬、細(xì)化實(shí)踐生產(chǎn)活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，從而減少資源浪費(fèi)，減少企業(yè)的物質(zhì)資源投入；另一方面，智能制造能夠應(yīng)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和相關(guān)程序進(jìn)行編程，設(shè)置操作指令，通過計(jì)算機(jī)平臺就能精準(zhǔn)控制生產(chǎn)活動(dòng)的進(jìn)展，在有效整合各方資源的同時(shí)，解放人力資源，減少企業(yè)的人力資源投入。通過降低企業(yè)的資源和人力投入成本，提升生產(chǎn)的效率與產(chǎn)品的質(zhì)量，達(dá)到提高企業(yè)整體經(jīng)濟(jì)效益的目的，從而更好地促進(jìn)企業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型升級[4]。

經(jīng)過多年的努力與積累，我國已經(jīng)逐步攻克智能制造技術(shù)的一些難題，形成了較為完善的智能制造裝備產(chǎn)業(yè)體系，為智能制造的建設(shè)和發(fā)展奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)。

1.2 機(jī)電一體化技術(shù)

機(jī)電一體化技術(shù)產(chǎn)生并得益于智能制造的大環(huán)境背景，是基于機(jī)械信息科學(xué)和電子技術(shù)科學(xué)的現(xiàn)代高科技技術(shù)。機(jī)電一體化技術(shù)可以將機(jī)械技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)等多項(xiàng)新興技術(shù)融合，能夠?qū)崟r(shí)對生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集、預(yù)處理、編譯、傳輸，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)最優(yōu)化和系統(tǒng)控制智能化[5]。機(jī)電一體化技術(shù)具有智能化、網(wǎng)絡(luò)化、模塊化、系統(tǒng)化等特點(diǎn)，應(yīng)用于智能制造各個(gè)領(lǐng)域之中，可以提升生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量[6]，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)效益的最大化，促進(jìn)我國產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。

我國正處于由制造大國向制造強(qiáng)國跨越的關(guān)鍵時(shí)期，智能制造是我國制造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級最重要的環(huán)節(jié)之一。機(jī)電一體化的技術(shù)優(yōu)勢可以幫助企業(yè)縮短生產(chǎn)周期、提高生產(chǎn)效率、減少人力物力投入、提升生產(chǎn)的安全性，將其應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中能夠給傳統(tǒng)制造業(yè)注入新鮮血液，推動(dòng)我國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，加速智能制造的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國的戰(zhàn)略目標(biāo)[7]。目前，我國機(jī)電一體化技術(shù)正在逐步嘗試應(yīng)用到煤礦領(lǐng)域、電力領(lǐng)域、數(shù)控生產(chǎn)領(lǐng)域、工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域等的各個(gè)產(chǎn)業(yè)中[8]。

2 智能制造中機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用

2.1 煤礦領(lǐng)域

煤炭生產(chǎn)是一個(gè)非常復(fù)雜的工作，從開采到運(yùn)輸，再經(jīng)過加工處理，最后投入日常使用的整個(gè)過程會使用到數(shù)量眾多且作用不同的機(jī)電設(shè)備。傳統(tǒng)的液壓式采煤設(shè)備在安全性和效率性上已經(jīng)無法滿足現(xiàn)下煤礦產(chǎn)業(yè)的需求，機(jī)電一體化技術(shù)能夠綜合機(jī)械技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和信息處理技術(shù)等。將機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用到煤礦領(lǐng)域，有助于推動(dòng)煤礦產(chǎn)業(yè)的智能化、綠色化、程序化、微型化發(fā)展，提升煤炭從開采、提取、裝載、運(yùn)輸?shù)桨踩芾砼c監(jiān)測整個(gè)過程的效率、質(zhì)量和安全性[9]。

當(dāng)前，機(jī)電一體化技術(shù)已經(jīng)貫穿到我國煤礦生產(chǎn)的每個(gè)環(huán)節(jié)之中，對煤礦的信息化建設(shè)提供了有效支持。運(yùn)用智能化、自動(dòng)化的機(jī)械代替人力進(jìn)行實(shí)時(shí)指揮、監(jiān)控與檢測，不僅提升了煤礦開采的工作效率和工作質(zhì)量，還能幫助發(fā)現(xiàn)煤礦內(nèi)部存在的安全隱患、設(shè)備故障問題，以便及時(shí)進(jìn)行調(diào)整并解決問題，極大地減少了煤礦生產(chǎn)事故的發(fā)生，保障了煤礦生產(chǎn)的安全性與穩(wěn)定性[10]。但機(jī)電一體化技術(shù)在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用，還需要加強(qiáng)相應(yīng)機(jī)電管理人員的管理理念和專業(yè)素養(yǎng)，增強(qiáng)工作責(zé)任意識，嚴(yán)格落實(shí)自身職責(zé)，定期進(jìn)行設(shè)備的養(yǎng)護(hù)、檢查和維修，這樣才能保證我國煤礦產(chǎn)業(yè)的高效率、高質(zhì)量、高安全性發(fā)展。

2.2 電力領(lǐng)域

電力系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行依賴于大量的保護(hù)裝置與控制技術(shù)，而這些保護(hù)裝置和控制技術(shù)基于機(jī)電一體化技術(shù)才能得以穩(wěn)定工作。通過傳感器技術(shù)，實(shí)時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測、故障診斷、危險(xiǎn)報(bào)警，能實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)的全方位檢測，以保證系統(tǒng)的正常、穩(wěn)定、安全運(yùn)行[8]。

目前，我國機(jī)電一體化技術(shù)對電力系統(tǒng)的保護(hù)技術(shù)主要是通過在系統(tǒng)中安裝自動(dòng)空氣斷路器或熔斷器、電磁式或接觸式電壓繼電器、弱磁繼電器、熱繼電器、接觸器與中間繼電器、過電流繼電器、ZDB 保護(hù)器與建立RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法模型，依次分別對電力系統(tǒng)進(jìn)行短路保護(hù)、欠壓保護(hù)、弱磁保護(hù)（直流電機(jī)）、過載保護(hù)、失壓保護(hù)、過電流保護(hù)以及智能保護(hù)。對電力系統(tǒng)的控制技術(shù)分為直流電機(jī)控制和交流電機(jī)控制。其中，直流電機(jī)控制技術(shù)是指DSP 數(shù)字信號處理技術(shù)，一般通過安裝通用型號單片機(jī)設(shè)備作為控制器和計(jì)算機(jī)軟件編程來完成控制任務(wù)；交流電機(jī)控制技術(shù)分為矢量控制、轉(zhuǎn)矩控制和PID 控制技術(shù)，依次分別通過安裝VFD 變頻器、控制系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和控制偏差值來完成控制任務(wù)[10]。

2.3 數(shù)控生產(chǎn)領(lǐng)域

數(shù)控生產(chǎn)是機(jī)電一體化技術(shù)在智能制造中的基礎(chǔ)應(yīng)用領(lǐng)域，通過計(jì)算機(jī)程序控制、PLC 編程控制、人機(jī)交互操作和光電電子驅(qū)動(dòng)來構(gòu)建自動(dòng)化生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)機(jī)械的智能化[11]。由于數(shù)控企業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng)對智能控制系統(tǒng)的要求較高，既需要加工機(jī)床和系統(tǒng)內(nèi)部的模擬信號數(shù)據(jù)資料建立聯(lián)系，又需要依靠智能控制系統(tǒng)在企業(yè)內(nèi)進(jìn)行控制與管理。因此，在我國從事數(shù)控生產(chǎn)的企業(yè)，最先開始對機(jī)電一體化技術(shù)進(jìn)行研究，并嘗試將其應(yīng)用于實(shí)踐[12]。其中，基于PLC機(jī)電一體化技術(shù)的數(shù)控機(jī)床是機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控生產(chǎn)領(lǐng)域的典型代表。

數(shù)控機(jī)床中的機(jī)械設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、執(zhí)行和驅(qū)動(dòng)技術(shù)以及控制面板都離不開PLC 機(jī)電一體化技術(shù)。首先，PLC 機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用使數(shù)控機(jī)床在生產(chǎn)加工過程中可以獨(dú)立運(yùn)行，不再需要主動(dòng)傳送和進(jìn)給兩種模式協(xié)同操作，可以減少相關(guān)工具的磨損，延長使用壽命；其次，可以為單片機(jī)、輸入輸出、通信系統(tǒng)以及執(zhí)行器等提供技術(shù)支持，并根據(jù)生產(chǎn)要求編輯指令或修改參數(shù)；再次，可以將數(shù)控設(shè)備與執(zhí)行元件連接，簡化操作過程，以最快的速度完成輸入指令的任務(wù)指示；最后，還可以優(yōu)化電子元件結(jié)構(gòu)、測試機(jī)床中的數(shù)據(jù)，解決傳統(tǒng)加工無法及時(shí)發(fā)送輸入信號和接收區(qū)域信號的問題[13]。

2.4 工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域

工業(yè)機(jī)器人是機(jī)電一體化技術(shù)和智能制造成功結(jié)合而形成的產(chǎn)物，它可以進(jìn)行簡單的人工思維，分析指令任務(wù)，并運(yùn)用數(shù)據(jù)算法和控制技術(shù)等，在使用過程中自行對所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算模擬分析，最終下達(dá)最準(zhǔn)確的指令[14]。機(jī)電一體化技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在導(dǎo)航、交互、傳感以及控制這四個(gè)方面：導(dǎo)航系統(tǒng)能夠滿足企業(yè)對機(jī)器人在傳輸路線、生產(chǎn)路線和巡視路線方面的要求；交互系統(tǒng)可以保證企業(yè)生產(chǎn)按照預(yù)期規(guī)劃有序進(jìn)行，使機(jī)器人嚴(yán)格按照操作者的指令完成傳達(dá)與轉(zhuǎn)化工作；傳感系統(tǒng)能夠使機(jī)器人全面感知周圍的環(huán)境并監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，確保生產(chǎn)信息實(shí)時(shí)、及時(shí)地傳達(dá)給操作者和管理者；控制系統(tǒng)能夠?qū)C(jī)器人所收集到的信息快速進(jìn)行分析、整合，使機(jī)器人具備故障診斷和制定維修方案、解決問題的能力[15]。

作為近幾年的新興產(chǎn)業(yè)之一，工業(yè)機(jī)器人具有工作效率高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、生產(chǎn)安全性好等特點(diǎn)，它的成長充分體現(xiàn)了機(jī)電一體化技術(shù)的智能化發(fā)展歷程，也是我國智能制造飛速發(fā)展的標(biāo)志性成果。我國的工業(yè)機(jī)器人目前還處于起步階段，只能進(jìn)行一些簡單的操作和思維判斷，未來我國工業(yè)機(jī)器人會朝著智能化、思維性方向發(fā)展[16]。

3 機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢

3.1 微型化

隨著機(jī)電一體化技術(shù)的快速發(fā)展，微機(jī)電系統(tǒng)開始進(jìn)入研究者們的視線，研究重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向微型化方向，并成為機(jī)電一體化技術(shù)新的研究目標(biāo)：朝著微米、納米級別的方向推進(jìn)。微機(jī)電系統(tǒng)應(yīng)用前景廣泛，不僅可以節(jié)約資源、減少能耗，還能進(jìn)一步提升系統(tǒng)的精細(xì)化程度、提高操作質(zhì)量，一旦技術(shù)成熟，便可以應(yīng)用到航空航天領(lǐng)域（如衛(wèi)星機(jī)電一體化產(chǎn)品）和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域（如仿生器官、微型機(jī)器人手術(shù)）[17]。但微機(jī)電技術(shù)需要將機(jī)電一體化技術(shù)與微電子技術(shù)進(jìn)行全方位融合[8]，目前我國的微機(jī)電技術(shù)還尚未成熟，在企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中還達(dá)不到普及的程度。

3.2 智能化

近年來，為了實(shí)現(xiàn)由制造大國向制造強(qiáng)國的跨越，我國越來越注重科技創(chuàng)新，無論是國家政策、科學(xué)研究還是企業(yè)實(shí)踐，都在努力將機(jī)電一體化技術(shù)向智能化方向發(fā)展。國家政策上，國務(wù)院于2015 年頒發(fā)的《中國制造2025》確立了創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的方針，將智能制造放在重要的戰(zhàn)略地位；科學(xué)研究上，為加速實(shí)現(xiàn)各行業(yè)產(chǎn)業(yè)的智能化生產(chǎn)，人工智能技術(shù)已被列入國家重點(diǎn)科研項(xiàng)目；企業(yè)實(shí)踐上，雖然目前我國并未實(shí)現(xiàn)完全智能化的機(jī)電一體化生產(chǎn)，但是人工智能產(chǎn)品的應(yīng)用水平在持續(xù)提升，應(yīng)用層次在不斷加深，普及程度在逐漸擴(kuò)大[18]?？梢哉f，人工智能的技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新應(yīng)用是未來機(jī)電一體化的發(fā)展方向之一，人工智能產(chǎn)品的高速度、性能好、智能化將為我國制造業(yè)帶來一次全新的變革。

3.3 綠色化

綠色環(huán)保一直都是世界倡導(dǎo)的發(fā)展主題和追求目標(biāo)。我國歷來倡導(dǎo)并堅(jiān)持走綠色發(fā)展道路，秉持“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展原則，《中國制造2025》中也明確提出“綠色發(fā)展”是我國實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國戰(zhàn)略目標(biāo)的基本方針。當(dāng)前，我國智能制造尚未達(dá)到完全的智能化機(jī)電一體化水平，生產(chǎn)過程中的能源消耗較大、資源利用率不高，而且存在材料的及時(shí)回收和循環(huán)使用問題，這將是我國未來制造業(yè)的發(fā)展方向，也是機(jī)電一體化技術(shù)需要不斷進(jìn)步和完善的目標(biāo)之一。因此，要加快機(jī)電一體化的技術(shù)研發(fā)，加速產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，進(jìn)一步減少能耗，提高資源利用率，構(gòu)建一個(gè)可回收、能循環(huán)的綠色環(huán)保產(chǎn)業(yè)體系。