機(jī)電一體化技術(shù)在智能制造中的發(fā)展與應(yīng)用

　　摘 要: 微電子技術(shù)在向工業(yè)化滲透的過(guò)程中，隨著智能技術(shù)的應(yīng)用，自動(dòng)化、一體化程度越來(lái)越高。機(jī)電一體化的自動(dòng)化、智能化的進(jìn)步促進(jìn)了智能制造的發(fā)展。智能制造能取得今天的成就，與機(jī)電一體化的不斷改革和進(jìn)步有著不可分割的關(guān)系。每一次機(jī)電一體化技術(shù)的進(jìn)步與革新，都標(biāo)志著制造業(yè)向前邁進(jìn)了一大步。進(jìn)入了智能時(shí)代，智能制造將打開(kāi)制造業(yè)全新的大門。本文論述了機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展階段，探討了機(jī)電一體化關(guān)鍵技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用及其應(yīng)用前景，旨在為智能制造的創(chuàng)新應(yīng)用提供一些參考。

　　本文源自劉毅龍; 寇元金， 科技風(fēng) 發(fā)表時(shí)間：2021-06-20

　　關(guān)鍵詞: 機(jī)電一體化技術(shù); 智能制造; 應(yīng)用; 人工智能; 自動(dòng)控制技術(shù)

　　隨著 5G 時(shí)代的到來(lái)，工業(yè)制造已經(jīng)從自動(dòng)化開(kāi)始向智能化轉(zhuǎn)型。人類即將迎來(lái)工業(yè) 4.0，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化制造向完全的遠(yuǎn)程控制轉(zhuǎn)型。工業(yè) 4.0 這項(xiàng)原本被德國(guó)定為未來(lái)十大項(xiàng)目之一的戰(zhàn)略，隨著智能技術(shù)和 5G 技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，很快在一些科技發(fā)達(dá)國(guó)家的工業(yè)行業(yè)中掀起了一番波瀾，對(duì)人類第四次的工業(yè)革命起到了推波助瀾的作用。我國(guó)的第一套工業(yè) 4.0 流水線也于 2014 年 11 月 4 日第一次在中國(guó)十六屆工業(yè)博覽會(huì)上亮相。它標(biāo)志著中國(guó)智能工業(yè)與智能制造的開(kāi)端。機(jī)電一體化實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化已然成為未來(lái)新工業(yè)革命的核心技術(shù)。研究機(jī)電一體化技術(shù)在智能制造中的發(fā)展與應(yīng)用對(duì)一個(gè)國(guó)家工業(yè)的進(jìn)步和國(guó)力的強(qiáng)盛有著重要的意義。

　　一、機(jī)電一體化概述

　　( 1) 含義。機(jī)電一體化技術(shù)是機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)交互融合的產(chǎn)物。機(jī)電一體化技術(shù)包含了機(jī)械學(xué)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等。

　　( 2) 發(fā)展階段。隨著機(jī)械技術(shù)與微電子技術(shù)、信息技術(shù)融合程度的深入化，機(jī)電一體化技術(shù)中包含的高新科技技術(shù)也越來(lái)越多。每一次微電子技術(shù)的進(jìn)步都是對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)。根據(jù)微電子技術(shù)與機(jī)械技術(shù)的滲透發(fā)展的特征，機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展大體上可以分為三個(gè)階段。 ①萌芽階段( 20 世紀(jì) 60 年代以前) 。20 世紀(jì) 60 年代，日本通產(chǎn)率先在機(jī)械中采用了電氣技術(shù)與電子技術(shù)結(jié)合數(shù)控機(jī)床做試驗(yàn)，但并未取得成功。最初，電氣技術(shù)與電子技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用多應(yīng)用于軍用機(jī)械。這一時(shí)期，機(jī)電一體化技術(shù)開(kāi)始萌芽。②蓬勃發(fā)展階段( 20 世紀(jì) 70 年代—80 年代) 。20 世紀(jì) 70 年代初，隨著微電子技術(shù)的成熟，電子技術(shù)與電氣技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用也逐漸地由軍用轉(zhuǎn)為民用。這一階段，微機(jī)逐漸的商品化，集成電路實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模化。同時(shí)，機(jī)關(guān)技術(shù)與光學(xué)技術(shù)應(yīng)用與微電子技術(shù)、信息處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)處理技術(shù)中，集成為新的光信息技術(shù)。光信息技術(shù)的發(fā)展提高了信息處理的速度和抗干擾能力。光信息技術(shù)在微電子技術(shù)中的應(yīng)用為機(jī)電一體化的信息可視化、高速處理奠定了基礎(chǔ)。當(dāng)時(shí)已經(jīng)應(yīng)用光子、電子技術(shù)的信息技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械技術(shù)，與微電子技術(shù)結(jié)合，進(jìn)一步加深了微電子技術(shù)與機(jī)械技術(shù)的融合。當(dāng)時(shí)市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了 CPU、ROM、RAM 等基本單元和模塊化的接口電路，為機(jī)電一體化的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 1971 年，日刊工業(yè)新聞社發(fā)行《機(jī)電一體化入門》和《機(jī)電一體化》月刊，反映出機(jī)電一體化產(chǎn)品的發(fā)展。1976 年，機(jī)電一體化被正式命名。70 年代末至 80 年代，在機(jī)電法和機(jī)信法的指導(dǎo)下，機(jī)電一體化獲得了蓬勃的發(fā)展。③智能化階段 ( 20 世紀(jì) 90 年代以后) 。20 世紀(jì) 90 年代，電子集成技術(shù)普遍提高，集成電路的價(jià)格也有所下降。在 90 年代，機(jī)電一體化技術(shù)在世界范圍內(nèi)獲得了快速的發(fā)展，并迅速占領(lǐng)社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域，開(kāi)啟了機(jī)電一體化的全盛發(fā)展。在機(jī)電一體化技術(shù)全盛發(fā)展階段，相繼融合了機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、光學(xué)、控制學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)、信息技術(shù)學(xué)等學(xué)科。隨著這些技術(shù)的進(jìn)步和多學(xué)科之間的交叉融合發(fā)展，機(jī)電一體化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一次又一次的轉(zhuǎn)型，最終實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、模塊化、智能化的發(fā)展。

　　二、機(jī)電一體化技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用

　　( 1) 傳感器技術(shù)。傳感器技術(shù)是智能制造的基礎(chǔ)，也是最先促進(jìn)機(jī)電一體化實(shí)現(xiàn)智能化轉(zhuǎn)型的技術(shù)之一。目前，智能傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用到智能制造中。傳感器誕生于 20 世紀(jì) 50 年代，它的發(fā)展也經(jīng)歷了三個(gè)階段。最初的傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只用來(lái)感受和轉(zhuǎn)化信號(hào)。20 世紀(jì) 70 年代，半導(dǎo)體、電介質(zhì)、磁性材料等應(yīng)用于傳感器元件，使其具備了簡(jiǎn)單的信號(hào)處理能力。20 世紀(jì)末，隨著微機(jī)在傳感器中的應(yīng)用，智能傳感器應(yīng)運(yùn)而生。智能傳感器具有自動(dòng)采集信息、自動(dòng)編程和優(yōu)化的功能。這些功能極大地提高了智能傳感器的自適應(yīng)能力。傳感器在機(jī)電一體化技術(shù)中的應(yīng)用，使系統(tǒng)運(yùn)行中具備了系統(tǒng)對(duì)本身和外界環(huán)境參數(shù)及狀態(tài)的檢測(cè)功能。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)自身和環(huán)境的檢測(cè)，可通過(guò)識(shí)別信號(hào)、處理信息產(chǎn)生相應(yīng)的控制信息，再借助控制信息自動(dòng)化控制系統(tǒng)。傳感器對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的控制都是以信息為基礎(chǔ)進(jìn)行的。對(duì)制造流程的控制，是通過(guò)對(duì)信息的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)的。智能傳感器自動(dòng)采集、自動(dòng)編程、自動(dòng)優(yōu)化的功能使得系統(tǒng)具備了自適應(yīng)機(jī)械制造并調(diào)整信息的功能。如在制造流程中，傳感器自動(dòng)采集到系統(tǒng)運(yùn)行的誤差時(shí)，向系統(tǒng)發(fā)送識(shí)別信號(hào)。信息自動(dòng)傳輸?shù)叫畔⑻幚韱卧?jīng)過(guò)分析處理后產(chǎn)生控制信息。系統(tǒng)將控制信息自動(dòng)傳輸給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)控制信息與指令自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)，完成控制信息要求的動(dòng)作。控制信息自動(dòng)調(diào)整后，動(dòng)力將自動(dòng)實(shí)現(xiàn)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率的匹配，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行記過(guò)完成系統(tǒng)的動(dòng)作與功能。系統(tǒng)自適應(yīng)流程如下圖 1 所示。

　　目前，智能制造中常用的傳感器有智能壓力傳感器、光學(xué)傳感器、RFID 技術(shù)。不同傳感器應(yīng)用的場(chǎng)景不同，智能控制的作用和功能也不同。以最常見(jiàn)的壓力傳感器為例，一般壓力在 1kPa～ 100MPa 之間，適應(yīng)的溫度范圍為-40 ～ 150℃，一般誤差為 2.5%FS，產(chǎn)品壽命為 0.5%FS。主要應(yīng)用于微機(jī)點(diǎn)系統(tǒng)、汽車制造系統(tǒng)、航空動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)等領(lǐng)域。光學(xué)傳感器的分辨率可以達(dá)到 5000 萬(wàn)像素，且成像能力和均勻性極好。多應(yīng)用于智能手機(jī)顯示屏的檢測(cè)、機(jī)械裝配件檢測(cè)、電路板檢測(cè)等領(lǐng)域。RFID 多用于智能識(shí)別與數(shù)據(jù)采集，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核心組成部分。該技術(shù)也是目前智能制造系統(tǒng)流程管理中應(yīng)用最為廣泛的傳感器技術(shù)。RFID 技術(shù)具有極高的準(zhǔn)確率，對(duì)提高機(jī)械制造的精準(zhǔn)性有著重要的意義。

　　( 2) 數(shù)控技術(shù)。數(shù)控技術(shù)是智能制造的前身，也是機(jī)械制造數(shù)字化管理的核心技術(shù)。數(shù)控一代是機(jī)電一體化技術(shù)走向網(wǎng)絡(luò)化、智能化的第一步。數(shù)控技術(shù)融合了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息管理技術(shù)、傳感器等，對(duì)提高機(jī)械制造的效率和質(zhì)量的意義重大。將數(shù)控技術(shù)與智能制造系統(tǒng)相融合，設(shè)計(jì)出具有數(shù)字化管理與智能化生產(chǎn)的智能控制系統(tǒng)。智能控制系統(tǒng)采用總線+CPU 的設(shè)計(jì)，整個(gè)智能生產(chǎn)過(guò)程具有全自動(dòng)監(jiān)測(cè)、三維仿真模擬、智能控制等功能。模糊控制系統(tǒng)提供非線性智能控制，通過(guò)模糊語(yǔ)言、模糊邏輯、模糊集合理論等利用人腦思維控制智能制造系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的綜合化數(shù)控與智能化生產(chǎn)。

　　( 3) 人工智能技術(shù)。人工智能是智能制造的終極階段，也是中國(guó)制造 2025 的終極目標(biāo)。人工智能技術(shù)是新工業(yè)革命的依托，也是工業(yè)制造競(jìng)爭(zhēng)力的核心表現(xiàn)。人工智能技術(shù)的應(yīng)用，極大地提高了智能制造系統(tǒng)的柔性、信息量、自動(dòng)化程度，使得機(jī)械制造系統(tǒng)能夠模擬專家的智能分析、判斷、構(gòu)思與決策，從而自動(dòng)適應(yīng)機(jī)械系統(tǒng)的制造與生產(chǎn)。智能制造系統(tǒng)( 如圖 1 所示) 具有自適應(yīng)系統(tǒng)及外部環(huán)境的能力。其中智能控制器起到關(guān)鍵作用。智能控制器由自動(dòng)感知信息與處理、數(shù)據(jù)庫(kù)、規(guī)劃與控制決策、認(rèn)知學(xué)習(xí)、控制知識(shí)庫(kù)、評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)組成。控制器除能控制系統(tǒng)本身外，還可以控制傳感器、執(zhí)行器及其他被控對(duì)象，以防外部不確定性因素對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行造成干擾。控制器在控制理論基礎(chǔ)上模擬智能，實(shí)現(xiàn)對(duì)制造系統(tǒng)的智能控制。

　　三、應(yīng)用前景分析

　　傳感器、數(shù)控技術(shù)在機(jī)電一體化技術(shù)中的應(yīng)用促使中國(guó)制造實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化、高效化的生產(chǎn)，使得中國(guó)成為制造大國(guó)。但就機(jī)械制造產(chǎn)品的質(zhì)量而言，中國(guó)與德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還稍遜一籌。隨著人工智能技術(shù)的應(yīng)用，智能制造將向智能化、模塊化、微型化、集成化、人格化、綠色化轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)智能制造真正意義上的高效高質(zhì)、節(jié)能減排。未來(lái)，中國(guó)制造需要實(shí)現(xiàn)制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變，而人工智能技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用，將會(huì)在自動(dòng)化生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上全面協(xié)調(diào)人機(jī)系統(tǒng)，由人工智能輔助智能制造，嚴(yán)格控制機(jī)械制造系統(tǒng)的誤差，全面提高機(jī)械制造生產(chǎn)線的質(zhì)量。機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量的提升是樹(shù)立機(jī)械制造品牌的前提條件，它將推動(dòng)中國(guó)制造大國(guó)向中國(guó)制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)型。

　　四、結(jié)語(yǔ)

　　機(jī)電一體化技術(shù)中的智能傳感技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、人工智能技術(shù)等，在智能制造中的應(yīng)用將全面提高智能制造數(shù)字化和智能化水平，推進(jìn)中國(guó)機(jī)械制造由數(shù)控化向智能化發(fā)展。在機(jī)電一體化向智能化發(fā)展的進(jìn)程中，計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、5G 技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、智能傳感器技術(shù)等起到了重要的技術(shù)支持作用。這些高新科技技術(shù)在機(jī)電一體化中的集成化應(yīng)用，推動(dòng)數(shù)控機(jī)床由人工數(shù)字化管控向系統(tǒng)自適應(yīng)化進(jìn)行轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)了智能制造系統(tǒng)虛擬功能、人機(jī)交互功能、自適應(yīng)輔助導(dǎo)航功能等，使原有的以人為中心的制造系統(tǒng)完成了智慧化工廠的建設(shè)。未來(lái)智慧化工廠將全面解放人類勞動(dòng)力，由智能機(jī)器人與系統(tǒng)管理者實(shí)現(xiàn)在制造系統(tǒng)的協(xié)同作業(yè)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械制造的全智能化制造與裝配。