智能制造背景下機電一體化技術的應用與發展*

王 贊 ，何俊峰

（廣東技術師范大學機電學院，廣東 廣州 510665）

制造業是立國之本，強國之基。新中國成立以來，我國制造產業逐步成熟，尤其是在改革開放后，持續快速發展，建成了門類齊全、獨立完整的產業體系，一舉成為世界第一制造大國。但我國制造業的自主創新能力不高、資源利用效率低下、產業結構水平參差不齊、產品質量與效益差，與世界先進水平相比仍存在明顯差距，呈現出大而不強的特點。為了加速我國制造業轉型升級，實現制造大國向制造強國的跨越，2015 年5 月19 日，國務院正式印發《中國制造2025》，確立了創新驅動、質量為先、綠色發展、結構優化、人才為本的基本方針，以此作為實施制造強國戰略的第一個十年行動綱領。智能制造是加快我國制造業轉型升級、全面提高發展質量和核心競爭力的關鍵一步，也是實現制造大國向制造強國跨越的必經之路。在產業加速轉型升級、大力發展智能制造的經濟社會背景下，機電一體化技術作為新興生產技術，有助于提高生產質量與效率，是推動智能制造進程的關鍵。

1 智能制造與機電一體化技術

1.1 智能制造

智能制造作為人工智能領域在制造產業的新突破與新發展[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，由智能制造技術和智能制造系統兩個核心部分構成，技術與系統相輔相成，在生產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效率與產品質量[3]。與傳統制造業不同，智能制造能在保證產品質量的同時，更具柔性化、智能化、思維化、高度集成化和經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建虛擬生產系統，以模擬、細化實踐生產活動的各個環節，從而減少資源浪費，減少企業的物質資源投入；另一方面，智能制造能夠應用計算機網絡和相關程序進行編程，設置操作指令，通過計算機平臺就能精準控制生產活動的進展，在有效整合各方資源的同時，解放人力資源，減少企業的人力資源投入。通過降低企業的資源和人力投入成本，提升生產的效率與產品的質量，達到提高企業整體經濟效益的目的，從而更好地促進企業的智能化轉型升級[4]。

經過多年的努力與積累，我國已經逐步攻克智能制造技術的一些難題，形成了較為完善的智能制造裝備產業體系，為智能制造的建設和發展奠定了物質基礎和技術基礎。

1.2 機電一體化技術

機電一體化技術產生并得益于智能制造的大環境背景，是基于機械信息科學和電子技術科學的現代高科技技術。機電一體化技術可以將機械技術、自動控制技術、光學技術、傳感器技術、計算機與信息技術等多項新興技術融合，能夠實時對生產過程的數據信息進行收集、預處理、編譯、傳輸，以實現生產結構最優化和系統控制智能化[5]。機電一體化技術具有智能化、網絡化、模塊化、系統化等特點，應用于智能制造各個領域之中，可以提升生產效率和產品質量[6]，進而實現企業生產效益的最大化，促進我國產業的轉型升級。

我國正處于由制造大國向制造強國跨越的關鍵時期，智能制造是我國制造產業轉型升級最重要的環節之一。機電一體化的技術優勢可以幫助企業縮短生產周期、提高生產效率、減少人力物力投入、提升生產的安全性，將其應用到生產實踐中能夠給傳統制造業注入新鮮血液，推動我國傳統產業的轉型升級，加速智能制造的發展，實現制造強國的戰略目標[7]。目前，我國機電一體化技術正在逐步嘗試應用到煤礦領域、電力領域、數控生產領域、工業機器人領域等的各個產業中[8]。

2 智能制造中機電一體化技術的應用

2.1 煤礦領域

煤炭生產是一個非常復雜的工作，從開采到運輸，再經過加工處理，最后投入日常使用的整個過程會使用到數量眾多且作用不同的機電設備。傳統的液壓式采煤設備在安全性和效率性上已經無法滿足現下煤礦產業的需求，機電一體化技術能夠綜合機械技術、計算機技術、自動控制技術和信息處理技術等。將機電一體化技術應用到煤礦領域，有助于推動煤礦產業的智能化、綠色化、程序化、微型化發展，提升煤炭從開采、提取、裝載、運輸到安全管理與監測整個過程的效率、質量和安全性[9]。

當前，機電一體化技術已經貫穿到我國煤礦生產的每個環節之中，對煤礦的信息化建設提供了有效支持。運用智能化、自動化的機械代替人力進行實時指揮、監控與檢測，不僅提升了煤礦開采的工作效率和工作質量，還能幫助發現煤礦內部存在的安全隱患、設備故障問題，以便及時進行調整并解決問題，極大地減少了煤礦生產事故的發生，保障了煤礦生產的安全性與穩定性[10]。但機電一體化技術在煤礦領域的應用，還需要加強相應機電管理人員的管理理念和專業素養，增強工作責任意識，嚴格落實自身職責，定期進行設備的養護、檢查和維修，這樣才能保證我國煤礦產業的高效率、高質量、高安全性發展。

2.2 電力領域

電力系統的正常穩定運行依賴于大量的保護裝置與控制技術，而這些保護裝置和控制技術基于機電一體化技術才能得以穩定工作。通過傳感器技術，實時進行系統監測、故障診斷、危險報警，能實現對電力系統的全方位檢測，以保證系統的正常、穩定、安全運行[8]。

目前，我國機電一體化技術對電力系統的保護技術主要是通過在系統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 神經網絡算法模型，依次分別對電力系統進行短路保護、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。對電力系統的控制技術分為直流電機控制和交流電機控制。其中，直流電機控制技術是指DSP 數字信號處理技術，一般通過安裝通用型號單片機設備作為控制器和計算機軟件編程來完成控制任務；交流電機控制技術分為矢量控制、轉矩控制和PID 控制技術，依次分別通過安裝VFD 變頻器、控制系統運行參數和控制偏差值來完成控制任務[10]。

2.3 數控生產領域

數控生產是機電一體化技術在智能制造中的基礎應用領域，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動來構建自動化生產線，實現生產機械的智能化[11]。由于數控企業的生產活動對智能控制系統的要求較高，既需要加工機床和系統內部的模擬信號數據資料建立聯系，又需要依靠智能控制系統在企業內進行控制與管理。因此，在我國從事數控生產的企業，最先開始對機電一體化技術進行研究，并嘗試將其應用于實踐[12]。其中，基于PLC機電一體化技術的數控機床是機電一體化技術應用于數控生產領域的典型代表。

數控機床中的機械設計、自動控制系統、執行和驅動技術以及控制面板都離不開PLC 機電一體化技術。首先，PLC 機電一體化技術的應用使數控機床在生產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同操作，可以減少相關工具的磨損，延長使用壽命；其次，可以為單片機、輸入輸出、通信系統以及執行器等提供技術支持，并根據生產要求編輯指令或修改參數；再次，可以將數控設備與執行元件連接，簡化操作過程，以最快的速度完成輸入指令的任務指示；最后，還可以優化電子元件結構、測試機床中的數據，解決傳統加工無法及時發送輸入信號和接收區域信號的問題[13]。

2.4 工業機器人領域

工業機器人是機電一體化技術和智能制造成功結合而形成的產物，它可以進行簡單的人工思維，分析指令任務，并運用數據算法和控制技術等，在使用過程中自行對所有的數據進行計算模擬分析，最終下達最準確的指令[14]。機電一體化技術在工業機器人系統中的應用主要體現在導航、交互、傳感以及控制這四個方面：導航系統能夠滿足企業對機器人在傳輸路線、生產路線和巡視路線方面的要求；交互系統可以保證企業生產按照預期規劃有序進行，使機器人嚴格按照操作者的指令完成傳達與轉化工作；傳感系統能夠使機器人全面感知周圍的環境并監控設備的運行狀態，確保生產信息實時、及時地傳達給操作者和管理者；控制系統能夠對機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業之一，工業機器人具有工作效率高、環境適應性強、生產安全性好等特點，它的成長充分體現了機電一體化技術的智能化發展歷程，也是我國智能制造飛速發展的標志性成果。我國的工業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，未來我國工業機器人會朝著智能化、思維性方向發展[16]。

3 機電一體化技術的發展趨勢

3.1 微型化

隨著機電一體化技術的快速發展，微機電系統開始進入研究者們的視線，研究重點逐漸轉向微型化方向，并成為機電一體化技術新的研究目標：朝著微米、納米級別的方向推進。微機電系統應用前景廣泛，不僅可以節約資源、減少能耗，還能進一步提升系統的精細化程度、提高操作質量，一旦技術成熟，便可以應用到航空航天領域（如衛星機電一體化產品）和生物醫學領域（如仿生器官、微型機器人手術）[17]。但微機電技術需要將機電一體化技術與微電子技術進行全方位融合[8]，目前我國的微機電技術還尚未成熟，在企業生產活動中還達不到普及的程度。

3.2 智能化

近年來，為了實現由制造大國向制造強國的跨越，我國越來越注重科技創新，無論是國家政策、科學研究還是企業實踐，都在努力將機電一體化技術向智能化方向發展。國家政策上，國務院于2015 年頒發的《中國制造2025》確立了創新驅動的方針，將智能制造放在重要的戰略地位；科學研究上，為加速實現各行業產業的智能化生產，人工智能技術已被列入國家重點科研項目；企業實踐上，雖然目前我國并未實現完全智能化的機電一體化生產，但是人工智能產品的應用水平在持續提升，應用層次在不斷加深，普及程度在逐漸擴大[18]。可以說，人工智能的技術研發與創新應用是未來機電一體化的發展方向之一，人工智能產品的高速度、性能好、智能化將為我國制造業帶來一次全新的變革。

3.3 綠色化

綠色環保一直都是世界倡導的發展主題和追求目標。我國歷來倡導并堅持走綠色發展道路，秉持“綠水青山就是金山銀山”的發展原則，《中國制造2025》中也明確提出“綠色發展”是我國實現制造強國戰略目標的基本方針。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使用問題，這將是我國未來制造業的發展方向，也是機電一體化技術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研發，加速產業的轉型升級，進一步減少能耗，提高資源利用率，構建一個可回收、能循環的綠色環保產業體系。