胡詩洋

(河北省唐山市第二中學,河北唐山 063000)

隨著科學技術(shù)的發(fā)展,機械制造技術(shù)水平不斷提高,機電一體化技術(shù)、計算機輔助技術(shù)和信息技術(shù)的交叉融合,使自動化技術(shù)在機械制造行業(yè)被廣泛應用。計算機技術(shù)又一次展現(xiàn)了它的價值,在推動機械自動化、智能化中功不可沒。利用計算機,讓一系列的人工勞動變?yōu)闄C器的流水線生產(chǎn)。但是人們還是不滿足,既然人類可以思考,有沒有東西可以像人類一樣思考,就這樣,簡單智能化的機械出現(xiàn)了,它們被賦予特定情況下的特定反應以此來模擬人類,達到智能的目的,當然被動的學習始終不是主流,于是人工智能出現(xiàn)了,它們開始有自己的學習方式,并且在擁有自己的思維邏輯方面不斷努力著。機械自動化與智能化的發(fā)展中,計算機技術(shù)貫穿了機械的設計制造,運行等,成為自動化與智能化發(fā)展的一大基石。

1 機械自動化智能化技術(shù)的發(fā)展歷程

機械制造自動化技術(shù)的發(fā)展同機械制造技術(shù)的發(fā)展是密切相關(guān)、不可分割的。機械制造業(yè)作為其他產(chǎn)業(yè)的支柱工業(yè),擔負著為國民經(jīng)濟提供更多物美價廉的先進技術(shù)裝備的重任。機械制造自動化技術(shù)的發(fā)展是和一定時期的科技、經(jīng)濟、文化等發(fā)展的水平緊密的聯(lián)系在一起的?？v觀機械制造自動化技術(shù)的發(fā)展歷程,大致可劃分為五個階段：剛性自動化階段、數(shù)控加工階段、柔性制造階段、計算機集成制造系統(tǒng)階段、智能制造系統(tǒng)階段。在這五個階段中,從數(shù)控加工階段開始,計算機技術(shù)起到了越來越大的作用。計算機技術(shù)大大推動了機械自動化與智能化。

2 計算機技術(shù)對機械自動化與智能化的推動

2.1 計算機輔助設計簡化了機械的生產(chǎn)制造

計算機輔助設計(cad)是利用計算機及其圖形處理設備幫助設計人員進行設計工作。在在機器人設計中,計算機可以利用其強大的計算能力幫助設計人員擔負計算、信息存儲、制圖、圖形編輯和檢索等工作,別小瞧這些,手工畫一張圖所需的時間也許只是一個熟練地計算機輔助設計工程師用計算機畫圖的十分之一。在計算機輔助工藝過程設計(capp)中只要向計算機輸入被加工零件的圖形和加工工藝信息,計算機就可以自動輸出零件的工藝路線和工序內(nèi)容等工藝過程。在機器的制造生產(chǎn)過程中,計算機輔助制造(cam)就派上用場了,它可以讓計算機將產(chǎn)品的設計信息自動轉(zhuǎn)換成制造信息,換言之,產(chǎn)品加工、裝配、檢驗、裝備等全過程它全包了,甚至還包括了與這些過程有關(guān)的物流系統(tǒng)和初步的生產(chǎn)調(diào)度。其方便程度讓人們不得不感嘆,計算機技術(shù)真的好,畢竟誰也想用最少的體力做最多的事,實現(xiàn)了自動化機械的制造,接下來的自動化生產(chǎn)就更方便了,只要學習具體的機械操作就能完成生產(chǎn),不需要專業(yè)的計算機人才。因此說計算機在機器的生產(chǎn)制造階段是不可或缺的。

2.2 計算機給機械的“五官”和“手腳”一個大腦

機械的“五官”和“手腳”和人類一樣執(zhí)行著感知、行動的任務。通常我們把五官獲得的感知信息稱為模擬量,比如眼睛看到的光量、耳朵聽到的音量……在機械中,各類傳感器就扮演了“五官”的角色,比如小米的米家掃地機器人,它有14個傳感器,包括激光測距、碰撞、里程計等,這些傳感器將測得的模擬量通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)成數(shù)字量輸入電腦,這是因為計算機能夠識別處理的數(shù)字信息,都是0或1組成的二進制數(shù)據(jù)表示的。這樣我們就可以在計算機上直觀的看到傳感器測得的量,就像大腦接受眼睛看到的畫面一樣。同樣的,計算機也可以輸出數(shù)字量,通過DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為模擬量,輸出到電動機或電動閥等驅(qū)動機械運動的執(zhí)行元件,用來驅(qū)動各種機械運動,就像傳感器對應人的五官,執(zhí)行元件就相當于人的手腳。此時的計算機是不是像人的大腦,而大腦是身體的指揮官,當然,我們想讓計算機控制機械還得給它編寫程序,在多數(shù)情況下,程序語言選擇c語言類,由于模擬量輸入輸出設備因儀器廠商的不同具有獨自的函數(shù),需要以c語言為基礎(chǔ)融入獨自的函數(shù)進行程序編寫。如掃地機器人在眾多傳感器提供信息的基礎(chǔ)下,內(nèi)部處理器規(guī)劃路線,并控制機器人移動、風機轉(zhuǎn)速的調(diào)整……但是實際使用掃地機器人時,我們會發(fā)現(xiàn),不同的掃地機器人在清掃路線規(guī)劃,清掃能力及障礙檢測方面有很大差異,根本原因還是機器人“大腦”(處理器)中的算法不同。于是編程時設計算法就變得尤為重要,優(yōu)秀的算法可以讓掃地機器人有條不紊的完成掃地任務,這樣你就可以安心去上班,如果算法編的不完善,也許當你回家時會看到?jīng)]有掃完地而且還被困在障礙物中的掃地機器人,無奈之下,你只能比買掃地機器人之前更努力的掃一遍地了。我們可以將計算機編程看成給機械一個大腦,有了大腦,五官和手腳才有意義。

2.3 計算機數(shù)控使多品種、小批量零件自動化制造便捷快速

數(shù)控技術(shù)是利用數(shù)字化信息對機械運動及加工過程進行控制的一種方法。在機械加工中,一些單件、小批量的零件約占機械加工總量的70%-80%,用專用的自動機床加工這類零件就不太合理,為了解決這樣的問題就出現(xiàn)了數(shù)控技術(shù)。1952年,美國帕森斯公司和麻省理工學院合作,成功研制了世界上第一臺以數(shù)字計算機為基礎(chǔ)的數(shù)字控制機床,從而使機械制造工業(yè)進入了一個新階段。此后,數(shù)控系統(tǒng)和計算機技術(shù)的發(fā)展始終保持同步,隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,小型計算機的價格急劇下降,小型計算機代替了專用硬件控制計算機,這種數(shù)控系統(tǒng)稱為計算機數(shù)控。在以自動化為目標的機械生產(chǎn)中,數(shù)控機床作為典型的數(shù)控設備起到了非常大的作用,它不像傳統(tǒng)機床那樣需要工人操作,而是通過編制加工程序進行控制,加工程序上儲存著加工零件所需要的全部操作信息和刀具相對于工件的位移信息等。成功解決了多品種小批量生產(chǎn)的自動化及降低成本和提高生產(chǎn)率的問題。計算機控制的全自動制造系統(tǒng)和數(shù)控機床的計算機數(shù)控系統(tǒng),使單功能自動的單能機向多功能自動的多能機方向發(fā)展。

“尤尼梅特”是一臺將遙控操作器的連桿機構(gòu)與數(shù)控技術(shù)結(jié)合起來的設備,是一臺類似于人手和臂組合的設備,這也是現(xiàn)在很多工業(yè)機器人的雛形。當中的數(shù)控技術(shù),直到現(xiàn)在,都是機械自動化在機器人身上最基礎(chǔ)最強大的應用。數(shù)控技術(shù)——電子計算機與典型機械的完美融合,從最早單純的數(shù)字脈沖控制機床,到小型計算機控制的CNC系統(tǒng),再到PC機端Windows系統(tǒng)在各個領(lǐng)域的廣泛運用,慢慢進化為智能控制,計算機技術(shù)的不斷進步,決定了的數(shù)控技術(shù)的逐步發(fā)展,從而一步步推動了機器人自動化的發(fā)展。自“尤尼梅特”后,機器人慢慢由最初簡單的編程式機械臂進化為可跑可跳的運動型機器人,機械自動化的發(fā)展有目共睹。

2.4 計算機技術(shù)接管機械制造自動化的新階段

機械自動化的進程從未停止,計算機集成制造系統(tǒng)(簡稱CI MS)既可看作是機械制造自動化的一個新階段,同時也可看作是包含機械制造自動化系統(tǒng)的一個更高層次的系統(tǒng),具有計算機化、信息化、智能化的特點。C I M S不僅把技術(shù)系統(tǒng)和經(jīng)營生產(chǎn)系統(tǒng)集成在一起,而且把人(人的思想、理念及智能小型計算機集成制造系統(tǒng))也集成在一起,使整個企業(yè)的工作流程,物流和信息流都保持通暢和相互有機聯(lián)系。因此,C I M S是人、經(jīng)營和技術(shù)三者集成的產(chǎn)物。CIM S在20世紀80年代以來得到了迅速發(fā)展,而今方興未艾,市場潛力巨大。在智能制造系統(tǒng)階段,有高性能自控機器人、數(shù)控機床、無人運輸車等智能元件組成的智能制造系統(tǒng),更是集大成的機械自動化智能化方案,是機械制造自動化在本世紀的發(fā)展方向。組成這個系統(tǒng)的智能元件都少不了計算機的編程,計算能力等的支持。

2.5 計算機強大的計算能力是機械自動化智能化不可或缺的

智能化是自動化工程的發(fā)展方向,現(xiàn)代生產(chǎn)中愈來愈多的使用了各種個樣的智能化系統(tǒng)和技術(shù)。二十一世紀,進入互聯(lián)網(wǎng)時代后,計算機技術(shù)飛速發(fā)展,人機交互技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)、還有大數(shù)據(jù)云計算等科技的出現(xiàn),使得機器人也進入了一個全新的紀元：人工智能時代。1950年,阿蘭·圖靈提出的“圖靈測試”是檢測人工智能機器人的依據(jù)。2014年,聊天程序“尤金·古斯特曼”(Eugene Goostman)首次通過了圖靈測試。這標志著計算機人工智能技術(shù)開啟了嶄新的篇章。2017年5月,人工智能Alphago挑戰(zhàn)世界圍棋積分第一的中國棋手柯潔時,以3：0的戰(zhàn)績輕松完勝柯潔;2017年的雙十一,有四億張海報由阿里的A I美工設計師“魯班”完成。這些逐步成熟的計算機人工智能技術(shù),同時也意味著第三代機器人——智能機器人也逐步開啟真正的人工智能的進化程序。2017年10月26日,沙特阿拉伯授予美國漢森機器人公司生產(chǎn)的“女性”機器人索菲亞公民身份。作為史上首個獲得公民身份的機器人,索菲亞不僅具有學習功能,在最新一次的更新后,她甚至能夠根據(jù)對話者的情緒,來調(diào)整說話方式。2017年全球網(wǎng)絡峰會上,索菲亞被問到是否能感知情緒時回答道：“令人興奮,是的,人工智能和機器人是未來?！边@些機器人之所以能達到一定程度的智能,還是得益于計算機技術(shù)的發(fā)展,在現(xiàn)今大數(shù)據(jù)的背景下,搜集整合數(shù)據(jù),建立數(shù)學模型,然后一方面通過網(wǎng)絡搜索通常情況下問題的解,如手機上的語言助手,聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下可識別一些簡單指令或完成特點語境下的對話,另一方面是更加高級的“學習”能力,如AlphaGo的深度學習系統(tǒng),用人工神經(jīng)網(wǎng)絡模擬大腦,擁有了強大的學習能力。計算機用它強大的計算能力完成大量的數(shù)據(jù)處理,其計算速度是人類的成千上萬倍,人工智能是算法、數(shù)據(jù)和硬件三個要素綜合的結(jié)果。一旦涉及到算法、數(shù)據(jù),就離不開計算。在這個領(lǐng)域,用來計算的硬件主要是T P U、G P U和CP U,計算機技術(shù)的發(fā)展,其硬件水平的上升,最終帶來的是機械智能化的發(fā)展。

3 結(jié)語

機械自動化與智能化的發(fā)展中,人類用智慧規(guī)劃機械,省去體力勞動,更是在自動化的基礎(chǔ)上嘗試為機械賦予思想,計算機作為人類與機器對話的工具起了不可忽視的作用,也許在未來,人類腦中所想會交由機械自主完成,真正實現(xiàn)自動化與智能化。

[1] 于海生,等.微型計算機控制技術(shù)[M].2版.北京：清華大學出版社,2009.

[2] 陳子銀,陳為華.數(shù)控機床結(jié)構(gòu)原理與應用[M].北京：北京理工大學出版社,2006.

[3] 王尊策,等.機械制造自動化技術(shù)[M].石油工業(yè)出版社,2013.