王 贊 ，何俊峰

（廣東技術(shù)師范大學機電學院，廣東 廣州 510665）

制造業(yè)是立國之本，強國之基。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，與世界先進水平相比仍存在明顯差距，呈現(xiàn)出大而不強的特點。為了加速我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)制造大國向制造強國的跨越，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、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，以此作為實施制造強國戰(zhàn)略的第一個十年行動綱領(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，也是實現(xiàn)制造大國向制造強國跨越的必經(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)濟社會背景下，機電一體化技術(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，是推動智能制造進程的關(guān)鍵。

1 智能制造與機電一體化技術(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]，是一種人機一體化智能模式，也是自動化制造的全面升級，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)制造中能通過人機合作進行諸如分析、推理、判斷、決策等活動[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，更具柔性化、智能化、思維化、高度集成化和經(jīng)濟效益最大化的特點。一方面，智能制造能夠借助于計算機平臺創(chuàng)建虛擬生產(chǎn)系統(tǒng)，以模擬、細化實踐生產(chǎn)活動的各個環(huán)節(jié)，從而減少資源浪費，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)用計算機網(wǎng)絡(luò)和相關(guān)程序進行編程，設(shè)置操作指令，通過計算機平臺就能精準控制生產(chǎn)活動的進展，在有效整合各方資源的同時，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，達到提高企業(yè)整體經(jīng)濟效益的目的，從而更好地促進企業(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 機電一體化技術(shù)

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

我國正處于由制造大國向制造強國跨越的關(guān)鍵時期，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)實踐中能夠給傳統(tǒng)制造業(yè)注入新鮮血液，推動我國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，加速智能制造的發(fā)展，實現(xiàn)制造強國的戰(zhàn)略目標[7]。目前，我國機電一體化技術(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)機器人領(lǐng)域等的各個產(chǎn)業(yè)中[8]。

2 智能制造中機電一體化技術(shù)的應(yīng)用

2.1 煤礦領(lǐng)域

煤炭生產(chǎn)是一個非常復(fù)雜的工作，從開采到運輸，再經(jīng)過加工處理，最后投入日常使用的整個過程會使用到數(shù)量眾多且作用不同的機電設(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，機電一體化技術(shù)能夠綜合機械技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和信息處理技術(shù)等。將機電一體化技術(shù)應(yīng)用到煤礦領(lǐng)域，有助于推動煤礦產(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、運輸?shù)桨踩芾砼c監(jiān)測整個過程的效率、質(zhì)量和安全性[9]。

當前，機電一體化技術(shù)已經(jīng)貫穿到我國煤礦生產(chǎn)的每個環(huán)節(jié)之中，對煤礦的信息化建設(shè)提供了有效支持。運用智能化、自動化的機械代替人力進行實時指揮、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，以便及時進行調(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]。但機電一體化技術(shù)在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用，還需要加強相應(yīng)機電管理人員的管理理念和專業(yè)素養(yǎng)，增強工作責任意識，嚴格落實自身職責，定期進行設(shè)備的養(yǎng)護、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)定運行依賴于大量的保護裝置與控制技術(shù)，而這些保護裝置和控制技術(shù)基于機電一體化技術(shù)才能得以穩(wěn)定工作。通過傳感器技術(shù)，實時進行系統(tǒng)監(jiān)測、故障診斷、危險報警，能實現(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、安全運行[8]。

目前，我國機電一體化技術(shù)對電力系統(tǒng)的保護技術(shù)主要是通過在系統(tǒng)中安裝自動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)進行短路保護、欠壓保護、弱磁保護（直流電機）、過載保護、失壓保護、過電流保護以及智能保護。對電力系統(tǒng)的控制技術(shù)分為直流電機控制和交流電機控制。其中，直流電機控制技術(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設(shè)備作為控制器和計算機軟件編程來完成控制任務(wù)；交流電機控制技術(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，通過計算機程序控制、PLC 編程控制、人機交互操作和光電電子驅(qū)動來構(gòu)建自動化生產(chǎn)線，實現(xiàn)生產(chǎn)機械的智能化[11]。由于數(shù)控企業(yè)的生產(chǎn)活動對智能控制系統(tǒng)的要求較高，既需要加工機床和系統(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)，最先開始對機電一體化技術(shù)進行研究，并嘗試將其應(yīng)用于實踐[12]。其中，基于PLC機電一體化技術(shù)的數(shù)控機床是機電一體化技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控生產(chǎn)領(lǐng)域的典型代表。

數(shù)控機床中的機械設(shè)計、自動控制系統(tǒng)、執(zhí)行和驅(qū)動技術(shù)以及控制面板都離不開PLC 機電一體化技術(shù)。首先，PLC 機電一體化技術(shù)的應(yīng)用使數(shù)控機床在生產(chǎn)加工過程中可以獨立運行，不再需要主動傳送和進給兩種模式協(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、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)、測試機床中的數(shù)據(jù)，解決傳統(tǒng)加工無法及時發(fā)送輸入信號和接收區(qū)域信號的問題[13]。

2.4 工業(yè)機器人領(lǐng)域

工業(yè)機器人是機電一體化技術(shù)和智能制造成功結(jié)合而形成的產(chǎn)物，它可以進行簡單的人工思維，分析指令任務(wù)，并運用數(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)進行計算模擬分析，最終下達最準確的指令[14]。機電一體化技術(shù)在工業(yè)機器人系統(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方面：導(dǎo)航系統(tǒng)能夠滿足企業(yè)對機器人在傳輸路線、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)劃有序進行，使機器人嚴格按照操作者的指令完成傳達與轉(zhuǎn)化工作；傳感系統(tǒng)能夠使機器人全面感知周圍的環(huán)境并監(jiān)控設(shè)備的運行狀態(tài)，確保生產(chǎn)信息實時、及時地傳達給操作者和管理者；控制系統(tǒng)能夠?qū)C器人所收集到的信息快速進行分析、整合，使機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)機器人具有工作效率高、環(huán)境適應(yīng)性強、生產(chǎn)安全性好等特點，它的成長充分體現(xiàn)了機電一體化技術(shù)的智能化發(fā)展歷程，也是我國智能制造飛速發(fā)展的標志性成果。我國的工業(yè)機器人目前還處于起步階段，只能進行一些簡單的操作和思維判斷，未來我國工業(yè)機器人會朝著智能化、思維性方向發(fā)展[16]。

3 機電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢

3.1 微型化

隨著機電一體化技術(shù)的快速發(fā)展，微機電系統(tǒng)開始進入研究者們的視線，研究重點逐漸轉(zhuǎn)向微型化方向，并成為機電一體化技術(shù)新的研究目標：朝著微米、納米級別的方向推進。微機電系統(tǒng)應(yīng)用前景廣泛，不僅可以節(jié)約資源、減少能耗，還能進一步提升系統(tǒng)的精細化程度、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)星機電一體化產(chǎn)品）和生物醫(yī)學領(lǐng)域（如仿生器官、微型機器人手術(shù)）[17]。但微機電技術(shù)需要將機電一體化技術(shù)與微電子技術(shù)進行全方位融合[8]，目前我國的微機電技術(shù)還尚未成熟，在企業(yè)生產(chǎn)活動中還達不到普及的程度。

3.2 智能化

近年來，為了實現(xiàn)由制造大國向制造強國的跨越，我國越來越注重科技創(chuàng)新，無論是國家政策、科學研究還是企業(yè)實踐，都在努力將機電一體化技術(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)動的方針，將智能制造放在重要的戰(zhàn)略地位；科學研究上，為加速實現(xiàn)各行業(yè)產(chǎn)業(yè)的智能化生產(chǎn)，人工智能技術(shù)已被列入國家重點科研項目；企業(yè)實踐上，雖然目前我國并未實現(xiàn)完全智能化的機電一體化生產(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，普及程度在逐漸擴大[18]。可以說，人工智能的技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新應(yīng)用是未來機電一體化的發(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。我國歷來倡導(dǎo)并堅持走綠色發(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”是我國實現(xiàn)制造強國戰(zhàn)略目標的基本方針。當前，我國智能制造尚未達到完全的智能化機電一體化水平，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，也是機電一體化技術(shù)需要不斷進步和完善的目標之一。因此，要加快機電一體化的技術(shù)研發(fā)，加速產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，進一步減少能耗，提高資源利用率，構(gòu)建一個可回收、能循環(huán)的綠色環(huán)保產(chǎn)業(yè)體系。