機電一體化技術在智能制造中的應用分析

陳智俊，林麗華

(鷹潭職業(yè)技術學院，江西 鷹潭 335000)

0 引言

機電一體化技術，又被稱為機械電子技術(mechanical and electronical engineering)，主要包括機械加工技術、電子電器技術、傳感器技術、液壓技術及自動控制技術等，實現(xiàn)各個生產(chǎn)行業(yè)與服務行業(yè)的智能化與高效化[1]。隨著機電一體化技術的不斷發(fā)展，目前正在實現(xiàn)功能更加強大、體積更加小巧、可靠性更高等特點，可以突破傳統(tǒng)機電產(chǎn)品的單一性和局限性，通過傳感器技術及計算機技術將多種功能集成一體，可以適用于各種場合與領域，增加自動監(jiān)測、實時診斷、自動報警與自我保護等功能，可以提高產(chǎn)品的安全性與可靠性，有效提高產(chǎn)品質(zhì)量。

隨著新時代的快速發(fā)展，以電子信息、機械加工、互聯(lián)網(wǎng)和通信技術等多層次、寬學科領域融合的機電一體化技術已然成為引領機械加工的浪頭。機電一體化技術在智能制造中的應用，將進一步提升制造企業(yè)的生產(chǎn)水平，提高產(chǎn)品質(zhì)量及企業(yè)核心競爭力[2]。

本研究首先對機電一體化技術的應用及功能優(yōu)勢進行分析，并針對目前我國機電一體化技術的主要研究現(xiàn)狀進行系統(tǒng)闡述，提出未來我國機電一體化技術的主要發(fā)展重點與研究方向，研究結果對于提高我國機電一體化技術的應用范圍與技術體系具有重要的理論意義。

1 機電一體化技術在智能制造中的內(nèi)涵與優(yōu)勢

1.1 內(nèi)涵

機電一體化技術是將機械技術、電工電子技術、微電子技術、信息技術、傳感器技術、接口技術、信號變換技術等多種技術進行有機結合，并應用到實際中的綜合技術，主要構成因素如圖1所示。現(xiàn)代化的自動生產(chǎn)設備幾乎可以說都是機電一體化的設備，利用機電一體化的設備可以實時對數(shù)據(jù)信息進行收集、預處理、編譯、傳輸，實現(xiàn)加工過程的整合，進而提高整個運行系統(tǒng)的效率，促使企業(yè)不斷革新進步。

圖1 機電一體化技術構成因素及組成

1.2 優(yōu)勢

首先，機電一體化技術在智能制造中具有得天獨厚的交換優(yōu)勢。在智能制造中可以對數(shù)據(jù)進行高速處理，完成對智能系統(tǒng)的快速提升，而這些數(shù)據(jù)來源于機電一體化的前期控制和收集，因此機電一體化技術在智能制造中大大提升了信息交互的實時性和速率。其次，機電一體化技術在智能制造中具有模型優(yōu)勢。機電一體化通過對信息高質(zhì)量的處理，使得數(shù)據(jù)結構層次更豐富，利于擴大信息應用的范圍。在智能制造中利用機電一體化技術，使得制造工藝不斷創(chuàng)新和革新，推動行業(yè)的不斷發(fā)展。

2 機電一體化技術在智能制造中的應用

2.1 數(shù)控生產(chǎn)的應用

數(shù)控生產(chǎn)是機電一體化技術在智能制造中的基礎應用領域。通過數(shù)控生產(chǎn)和剖析產(chǎn)品的加工工藝和加工原理，制定出具體的加工程序，使機電一體化的信息交互優(yōu)勢得到充分體現(xiàn)。利用程序控制做指導，人機交互界面做展示，光電電子驅(qū)動系統(tǒng)做動力，最終實現(xiàn)生產(chǎn)機械的自動化，構建先進的自動化設備生產(chǎn)線，確保產(chǎn)品加工的精確度。通過機電一體化技術在智能制造中的數(shù)控生產(chǎn)應用，不僅達到傳統(tǒng)機械加工和智能生產(chǎn)的技術水平，還可以完成虛擬仿真、拓展和智能探索等機器學習功能。通過模糊控制、實時預警、車間PLC控制編程等技術，提升智能制造中的數(shù)控加工水平。

2.2 傳感器技術應用

我國的機電一體化技術在智能制造中已經(jīng)取得一定成果，與傳統(tǒng)的機械加工制造相比，智能制造更具科技性、精準性，而且受外界環(huán)境的影響較小。在整個數(shù)據(jù)信息傳遞過程中傳感器技術扮演著至關重要的角色，最大限度地避免環(huán)境干擾對制造設備的影響[2]。

傳感器技術中需要憑借無線傳感器將數(shù)據(jù)和信號實時傳遞給后臺的計算機操作人員，并根據(jù)提前規(guī)劃的程序進行信號的合成處理。智能制造最大程度上確保信號傳感器的穩(wěn)定性，提高信號傳輸?shù)木珳市浴Ｒ虼耍瑐鞲衅骷夹g已經(jīng)在智能制造領域廣泛應用，有效減少信號傳輸?shù)谋趬荆纳飘a(chǎn)品加工流程，優(yōu)化整體信息流交互，促進制造企業(yè)的快速發(fā)展。

2.3 生產(chǎn)線的運用

隨著中國實體經(jīng)濟的不斷發(fā)展，制造型企業(yè)數(shù)量不斷增加，各制造行業(yè)之間的競爭也愈加激烈，傳統(tǒng)產(chǎn)品生產(chǎn)模式暴露出效率低、人工成本高、競爭力差等弊端，因此利用機電一體化技術實現(xiàn)對生產(chǎn)線的自動化、智能化應用。在實際生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)線根據(jù)實際加工工藝和流程劃分為若干單元，并對該單元進行加工信息的賦值處理，保障機電一體化技術快速滿足智能生產(chǎn)線的運行。

同時，機電一體化技術針對車間的儀器儀表、運轉設備、控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)進行監(jiān)控，周期性檢驗和維護，確保企業(yè)完成相應的生產(chǎn)控制指標。一旦發(fā)生產(chǎn)品問題，系統(tǒng)提前進行風險評估并予以報警，相關人員借助智能生產(chǎn)的機電一體化技術對生產(chǎn)流程進行干預，避免產(chǎn)生更大規(guī)模的損害，確保生產(chǎn)準確進行。

2.4 智能機器人應用

在機電一體化的智能制造中，智能機器人是新時期的一種高級應用。工業(yè)智能機器人的應用結合仿生學、計算機技術、通信技術等學科，其研發(fā)問世體現(xiàn)了如今機電一體化所具有的兼容性和多功能性特征。智能機器人采用仿真模擬，通過模仿人體動作、外部結構、運動原理使其與人類相似。智能機器人可以完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)呆板重復的操作，甚至適應復雜且危險的環(huán)境，極大地降低安全風險，保障職工的生命安全。為了構建更加安全的屏障，工業(yè)智能機器人利用計算機程序和機器學習功能精準調(diào)整智能制造過程用到的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，從而確保生產(chǎn)操作的最終精度。

機電一體化技術主要應用在智能機器人的內(nèi)部，此類機器人已經(jīng)被應用到各行各業(yè)之中，安裝到規(guī)定工作環(huán)節(jié)按部就班地執(zhí)行命令。智能機器人根據(jù)設定程序?qū)Σ煌N類、性能、大小的產(chǎn)品進行識別驗證，并選擇制定加工工藝，對各環(huán)節(jié)進行統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、標準作業(yè)，繼而完成整個生產(chǎn)制造流程。

2.5 系統(tǒng)集成技術的應用

智能制造是由智能制造技術和智能制造系統(tǒng)兩部分組成。其中智能制造系統(tǒng)糅合多項機電一體化的子系統(tǒng)和理念，并在此基礎上著重于應用性和管理層面的發(fā)展。智能制造系統(tǒng)采用分布式的結構框架，把機電一體化的各類子系統(tǒng)集成于網(wǎng)絡空間里，實現(xiàn)了兩者的有機結合，從而呈現(xiàn)出科技含量更高的人機管理模式。

系統(tǒng)集成技術在機電一體化技術智能制造中應用較多，例如航空航天、輪船制造等領域，其中生活中經(jīng)常接觸的就是汽車智能制造。機電一體化技術在我國汽車設計中主要的應用范圍有能夠自動防撞的汽車激光雷達裝備，汽車發(fā)動機系統(tǒng)的微機控制，能夠?qū)崿F(xiàn)汽車自動變速的電子控制器，以及汽車的ABS運行系統(tǒng)這幾個方面。高級機電一體化技術主要以機電一體化技術為主，引導現(xiàn)代化汽車設計朝著多功能化、智能化、自動化、數(shù)字化的方向發(fā)展，提升汽車設計整體的性價比，充分實現(xiàn)計算機技術在汽車動力系統(tǒng)中的科學運用。

2.6 遠程監(jiān)控技術的應用

遠程監(jiān)控技術在各個行業(yè)與發(fā)展中都有廣泛應用。在工業(yè)生產(chǎn)中，由于工業(yè)控制的高實時性要求，因此需要對生產(chǎn)過程進行實時監(jiān)控與信息傳輸，傳統(tǒng)的工業(yè)遠程控制主要包括數(shù)字控制系統(tǒng)和集散型控制系統(tǒng)。后期隨著機電一體化技術的不斷發(fā)展與應用，逐漸將計算機通信技術、控制技術、遠程監(jiān)控技術集合，提出一種現(xiàn)場總線系統(tǒng)，可以應用于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，將各個設備進行數(shù)字通信，實現(xiàn)信息遠程監(jiān)控與處理，與局域網(wǎng)進行連接，還可以實現(xiàn)全球范圍內(nèi)的信息傳遞與通信，主要結構示意圖如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場總線系統(tǒng)結構示意圖

3 機電一體化技術在智能制造中的發(fā)展前景

隨著各項智能制造中機電一體化技術和其他技術的迅猛發(fā)展，我國的智能制造水平勢必持續(xù)提升。一方面，智能制造基礎領域發(fā)展，對于電子信息、機械加工、互聯(lián)網(wǎng)和通信技術等學科建設，夯實智能技術發(fā)展基礎，營造智能制造良好大環(huán)境；另一方面政策扶持、國家合作、融資共贏等國內(nèi)國際大循環(huán)措施的落實，關系到我國整體制造業(yè)的結構升級和現(xiàn)代化提升，進而促進全球范圍內(nèi)的行業(yè)發(fā)展[4]。機電一體化和智能制造之間緊密相連，實現(xiàn)人與智能機器之間相互協(xié)作，形成默契的配合體系，隨著系統(tǒng)不斷進步發(fā)展將會形成類似人類專家組成的一個整體。

未來我國應在發(fā)展機電一體化技術的同時加強機械技術基礎，機械技術是機電一體化技術的主要技術前提，未來應該將更加先進的機械制造理念應用到我國的機械材料、機械結構中，尤其是機械生產(chǎn)中的關鍵零部件，如導軌、軸承、傳動機構等，為機電一體化技術的應用提供一個良好的基礎條件；另一方面，世界發(fā)展提出未來向“光機電一體化技術(圖3)”方向發(fā)展，將光電子技術融合，實現(xiàn)機電一體化數(shù)字化、可視化及模塊化發(fā)展[5]。

圖3 光機電一體化技術示意圖

4 結語

機電一體化技術代表著目前最先進的生產(chǎn)力，是多種先進技術的集成與融合，是我國傳統(tǒng)工業(yè)轉型與現(xiàn)代社會發(fā)展的重要技術基礎。機電一體化與智能制造兩者的結合，應用于各個領域，提高設備利用率和生產(chǎn)力，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，從而為企業(yè)在未來的市場競爭中處于優(yōu)勢地位。在如今的現(xiàn)代制造業(yè)中，智能制造將繼續(xù)引領整個行業(yè)發(fā)展。因此完善我國的工業(yè)生產(chǎn)管理體系，本研究通過對目前機電一體化技術的發(fā)展及應用現(xiàn)狀進行系統(tǒng)闡述，提出我國未來機電一體化技術的主要發(fā)展重點與研究方向，實現(xiàn)我國傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)轉型與社會進步，研究結果對于實現(xiàn)我國工業(yè)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)化、智能化、現(xiàn)代化具有重要的推動作用，為社會和國家的發(fā)展提供源源不斷的力量。