楊萬(wàn)瓊

（貴州裝備制造職業(yè)學(xué)院，貴州省貴陽(yáng)市，551400）

1 引言

在5G技術(shù)的加持下，工業(yè)制造逐漸由自動(dòng)化向智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)，工業(yè)4.0時(shí)代來(lái)臨，實(shí)現(xiàn)了從制造流程自動(dòng)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(xiàng)原本被德國(guó)定位未來(lái)十大項(xiàng)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(dá)國(guó)家工業(yè)領(lǐng)域中掀起波瀾。2014年11月4日，在中國(guó)十六屆工業(yè)博覽會(huì)上我國(guó)第一套工業(yè)4.0流水線問(wèn)世，這也標(biāo)志著我國(guó)智能工業(yè)發(fā)展的開(kāi)端。在未來(lái)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(jī)電一體化作為多學(xué)科交叉技術(shù)，可以對(duì)不斷融合的IT和OT的復(fù)雜性進(jìn)行簡(jiǎn)化，從而提高生產(chǎn)效率，推動(dòng)供應(yīng)鏈自動(dòng)化更快更高效。對(duì)智能制造中機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行研究，對(duì)于催生動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)優(yōu)化、自我組織的價(jià)值鏈，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)中所有參與者與資源的高度社會(huì)技術(shù)互動(dòng)都有著積極的促進(jìn)作用。

2 智能制造與機(jī)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(jī)一體化的智能系統(tǒng)，在制造活動(dòng)中主要從事各類智能活動(dòng)，如分析、推理、判斷、決策等。通過(guò)人機(jī)合作，取代制造過(guò)程中人類專家所從事的腦力活動(dòng)，是自動(dòng)化制造的內(nèi)涵升級(jí)。與傳統(tǒng)制造業(yè)相比，智能制造以計(jì)算機(jī)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(diǎn)，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(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)是智能制造的核心構(gòu)成部分，各種復(fù)雜計(jì)算、操作等工作都有其完成，可以實(shí)現(xiàn)人類設(shè)想。

目前，我國(guó)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(jī)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(zhǎng)期制約我國(guó)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(jī)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(guó)規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)在研發(fā)設(shè)計(jì)領(lǐng)域數(shù)字化工具應(yīng)用普及率達(dá)到54%，生產(chǎn)線上數(shù)控裝備占比達(dá)30%，制造業(yè)具備數(shù)字化發(fā)展基礎(chǔ)。

2.2 機(jī)電一體化技術(shù)

機(jī)電一體化技術(shù)是基于傳統(tǒng)機(jī)械技術(shù)升級(jí)轉(zhuǎn)型而來(lái)，經(jīng)過(guò)不斷地完善、改進(jìn)和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)集傳感技術(shù)、電子技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等于一體，是現(xiàn)代機(jī)械技術(shù)的代表，具有靈活和可擴(kuò)展性，可以為智能制造提供更高效的數(shù)據(jù)流，使得實(shí)時(shí)決策、診斷、預(yù)測(cè)分析等成為現(xiàn)實(shí)。機(jī)電一體化技術(shù)具有如下特點(diǎn)：

2.2.1 有利于優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)

以往在機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)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(jī)械機(jī)構(gòu)，如變速箱、變速齒輪等，以便可以合理掌控系統(tǒng)運(yùn)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(guò)電腦軟件就可以進(jìn)行機(jī)床自動(dòng)走刀，還可以根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)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(jī)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(jìn)行程序設(shè)計(jì)，可以確保系統(tǒng)每個(gè)操作與功能之間的協(xié)調(diào)性，如信息自動(dòng)化處理功能、自動(dòng)檢測(cè)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(kuò)大

機(jī)電一體化技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，如機(jī)械設(shè)備、電氣設(shè)備中的傳感器，就可以及時(shí)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(jī)電設(shè)備管理效能，確保信息的準(zhǔn)確性，同時(shí)還能自動(dòng)處理所收集的信息，有效保障設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

3 智能制造中機(jī)電一體化技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用

3.1 數(shù)控技術(shù)

在我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)中，機(jī)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(jī)電一體化技術(shù)的推動(dòng)下，行業(yè)發(fā)展勢(shì)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(duì)機(jī)械生產(chǎn)各環(huán)節(jié)進(jìn)行精準(zhǔn)控制，如計(jì)算機(jī)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(dòng)我國(guó)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(jī)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(dòng)了我國(guó)機(jī)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(jī)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(jìn)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(guó)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(jìng)爭(zhēng)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(jìn)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(dòng)感知信息與處理、數(shù)據(jù)庫(kù)、控制鞠策、評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)等部分構(gòu)成，其不僅可以對(duì)系統(tǒng)本身進(jìn)行控制，同時(shí)還能對(duì)執(zhí)行器、控制傳感器等進(jìn)行控制，有效避免外界因素對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的干擾。

3.3 傳感技術(shù)

作為最早促進(jìn)機(jī)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(yùn)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(guò)智能傳感器可以對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中存在的誤差進(jìn)行自動(dòng)采集，然后向系統(tǒng)發(fā)送識(shí)別信號(hào)。在信息處理單元中，對(duì)傳輸?shù)淖R(shí)別信號(hào)進(jìn)行分析，并自動(dòng)生成控制信息。此時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳輸控制信息，執(zhí)行機(jī)構(gòu)在接收到指令后自動(dòng)完成相關(guān)控制動(dòng)作。而在自動(dòng)調(diào)整控制信息后，動(dòng)力將會(huì)自動(dòng)匹配驅(qū)動(dòng)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(chǎng)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(dòng)力學(xué)、汽車(chē)制造、微機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域；光學(xué)傳感器分辨率極高，可達(dá)5000萬(wàn)像素，且具有良好的成像力，在手機(jī)顯示屏檢測(cè)、機(jī)械裝配件檢測(cè)、電路板檢測(cè)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(jī)械制造的精準(zhǔn)性，在智能識(shí)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(dòng)化生產(chǎn)控制技術(shù)

自動(dòng)化生產(chǎn)控制技術(shù)是智能制造領(lǐng)域中機(jī)電一體化技術(shù)最為常見(jiàn)的手段之一，其運(yùn)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(jī)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(guò)程中，也可以運(yùn)用自動(dòng)化生產(chǎn)控制技術(shù)，從而對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行全方位監(jiān)控，形成相應(yīng)的跟蹤控制系統(tǒng)，對(duì)生產(chǎn)各環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤［6］。

通過(guò)該系統(tǒng)可以直接向計(jì)算機(jī)反饋所收集的信息和數(shù)據(jù)，借助大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(guò)程。此外，運(yùn)用自動(dòng)化生產(chǎn)控制技術(shù)還能對(duì)智能制造的生產(chǎn)過(guò)程、資源以及系統(tǒng)等進(jìn)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(jì)利益，推動(dòng)制造企業(yè)在激烈的社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出，實(shí)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(jī)電一體化技術(shù)在智能制造領(lǐng)域中的有效應(yīng)用，推動(dòng)了我國(guó)制造業(yè)規(guī)模化、集約化發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變奠基。但就機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量而言，我國(guó)與德國(guó)、日本等工業(yè)強(qiáng)國(guó)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(lái)，制造強(qiáng)國(guó)是發(fā)展目標(biāo)，也是必然趨勢(shì)，相信智能制造在人工智能的推動(dòng)下，必將會(huì)實(shí)現(xiàn)從自動(dòng)化生產(chǎn)向人機(jī)系統(tǒng)全面布局發(fā)展，機(jī)械制造系統(tǒng)的誤差也會(huì)更小，機(jī)械制造產(chǎn)品質(zhì)量將會(huì)得到極大提升。總而言之，對(duì)于智能制造而言，產(chǎn)品質(zhì)量提升是關(guān)鍵，是塑造機(jī)械產(chǎn)品品牌的先決條件，將極大推動(dòng)我國(guó)從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)型。

5 結(jié)語(yǔ)

在智能制造生產(chǎn)過(guò)程中，科學(xué)合理應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)是符合時(shí)代發(fā)展需求的，同時(shí)也是我國(guó)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(wèn)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(guó)機(jī)電一體化水平，助力智能制造業(yè)更好發(fā)展。