智能制造中机电一体化技术的应用

陈承忠

[摘    要]文章针对当下对国民经济贡献巨大的智能制造，在简述其意义和特征的基础上，对机电一体化技术的特点和在智能制造中的具体应用进行深入分析，旨在为智能制造中机电一体化技术功能的发挥奠定良好基础。

[关键词]智能制造;机电一体化;技术应用

[中图分类号]TH-39 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）07–000–03

About the Application of Mechatronics Technology in Intelligent Manufacturing

Chen Cheng-zhong

[Abstract]In view of the current great contribution to the national economy of intelligent manufacturing， on the basis of its significance and characteristics， the characteristics of mechatronics technology and the specific application in intelligent manufacturing for in-depth analysis， only in intelligent manufacturing mechatronics application function to lay a good foundation.

[Keywords]intelligent manufacturing; mechatronics; technology applicatio

智能制造通過对人脑进行模拟，对整个生产和制造过程进行分析、推理与判断，为生产决策的制定提供可靠的参考依据，使生产过程实现高度智能化和人性化。采用计算机分析取代人脑分析，从而实现对生产过程的准确控制。其中，机电一体化技术发挥着至关重要的作用，因此有必要对机电一体化技术在智能制造中的具体应用进行深入分析。

1 智能制造系统概述

根据智能制造系统所具有的各项特征，系统的网络构成以分布式集成为基本思想，基于智能对应的相关理论及方法，使制造单元具有柔性特点，并以网络为基础，构成智能制造系统。由于分布式系统具有同构特征，所以局域实现形式的智能制造系统，也可以反映出以Internet为基础的智能制造系统的具体实现模式。相较于传统意义上的制造系统，智能制造系统主要具备下列几项特征。

1.1 具有更强的自律能力

对环境信息与自身的信息进行搜集和理解，同时通过分析对自身行为进行判断及规划。所有能实现自律的设备都可以称作智能机器，智能机器都具有自己的个性、独立性与自主性，并且相互之间还能做到协调运行和良性竞争。知识库和知识模型是具有自律能力的基础。

1.2 人机一体化

智能制造并非单纯的人工智能系统，严格来说属于人机一体化智能系统，即混合智能。以人工智能为基础的智能机器只能进行机械式推理，以也就是专家系统逻辑思维也能具备形象思维，即通过神经网络，但仍然无法做到灵感思维。对此，要想以人工智能完全取代人的智能，独立完成分析、判断与决策等是有很大困难的。人机一体化突出人在整个制造系统当中的核心地位，在智能机器的支持下，最大限度发挥出人类的潜能。人机之间实现良好协作，确保两者在不同层次上发挥出各自的职能。基于此，采用智能制造系统，能使高水平人才的作用得以更好的发挥，使机械智能与人类智慧可以真正集成载一起。

1.3 虚拟现实技术

这项技术是虚拟制造的支持技术，同时也是实现人机一体化目标的重要技术。虚拟现实技术以计算机为基础，融合多媒体技术等，利用不同的传感装置，对现实生产过程中的所有过程及物件进行虚拟展示，同时也能对产品的制造过程进行模拟，使人从视觉及感官上都获得真实的感觉，另外，还能根据人的意愿任意变化，这种人机结合的全新智能界面是智能制造的显著特征。

2 机电一体化技术概述

机电一体化还可称之为机械电子工程，是机械工程与自动化的一种。伴随机电一体化技术的不断发展， 其概念被人们广泛接受， 并得到普遍应用。另外，随着计算机技术不断发展与应用，这项技术本身也得到了空前的发展。当前的机电一体化技术实际上是微电子与机械充分集成的技术，其应用与发展使机器具有了智能化与人性化。

机电一体化技术把机械、电工电子、微电子、信息、传感器、接口和信号变换等在内的各项技术充分结合到一起，同时综合应用到实际中，目前的绝大多数自动化生产设备基本都属于机电一体化设备。

如今，机电一体化技术得到快速发展，机电产品外观也变得更为人性化，且具备的功能也越来越强大，设备的体积不会因此增大，并且可靠性有效提高。相较于以往的机电产品，应用机电一体化技术的产品，主要具备以下几方面优势。

（1）功能增强且使用范围更加广泛。机电一体化最大的特点在于能突破以往技术和功能方面的限制，将不同的技术和功能集成到一起，从而使功能更为强大。另外，还能适用于更多的场合及领域，切实满足用户的需求。

（2）精度大幅提高。采用机电一体化，能使机构得以简化，尤其是传动部件将大幅减少，使得由于机械部件磨损或受力变形等原因造成的误差显著减小，并通过计算机检测等技术的引入，能补偿或校正由于不同干扰产生的动态误差，这样可以达到过去根本无法达到的精度。

（3）安全性与可靠性均大幅提升。大多数机电一体化产品均能使监控、报警、诊断、保护和安全联锁控制实现自动化。通过这些功能能从根本上预防人身伤害及安全事故的发生，因而提高了设备自身的可靠性及安全性。

3 机电一体化技术在智能制造中的应用

为适应不同行业的生产和发展需要，有必要将智能制造和机电一体化技术充分结合到一起，以在生产中充分发挥出两项技术自身具有的重要作用。智能制造和机电一体化技术的充分结合满足了现阶段高效生产的要求，使企业生产符合多样化要求，并且确保智能制造及机电一体化的未来发展能够为生产提供可靠的技术支持。

3.1 关键技术

（1）传感技术。在保证灵敏度的基础上，提高精度与可靠性，并与现场环境相适应。引入新材料、新原理及新工艺方法的传感器，包括光纤传感、量子测量和纳米聚合物传感，以对微弱的传感信号予以提取和综合处理。

（2）模块化、嵌入式控制系统设计技术。不同结构的模块化硬件设计技术，微内核操作系统和开放式系统软件技术、组态语言和人机界面技术，以及实现统一数据格式、统一编程环境的工程软件平台技术。

（3）先进的控制和优化技术。主要包含以下几方面：①对整个工业生产过程进行多层次的性能分析和评估;②以大量数据为基础的模型创建;③采用大规模且高性能的多目标优化技术;④采用大型且复杂的装备系统仿真技术;⑤高阶导数连续远动规划;⑥电子传动等精密运动控制。这些技术的引入为智能制造奠定了良好的基础，使其在实际中发挥出良好的作用效果。

（4）系统协同。包括大型制造工程项目复杂的自动化系统整体方案设计技术以及安装调试技术，统一操作界面和工程工具的设计技术，统一事件序列和报警处理技术，一体化资产管理技术。

3.2 在传感技術方面的应用

如今，智能制造在生产需求日益提高的形势下得到快速发展，并已经能够应用到很多工业生产过程中。在这种情况下，智能制造与机电一体化的结合也在不断发展，以通过这样的方式满足越来越多样化的生产要求，并且对这两项技术的高度融合还能为各自的发展奠定良好基础，创造更广阔的发展和优化空间。在智能制造领域应用机电一体化，势必会引入很多核心技术。其中最典型也是最重要的即为传感技术。在智能制造中应用传感技术，可以保证生产的灵敏性与准确性，避免传感器被其他类型的信号干扰与影响。但是单个传感器是无法满足要求的，需建立一套完善的网络，运用传感器对目标信号进行收集，运用无线网络进行信息传输，然后运用计算机对收集到的所有信息进行分析处理，进而实现对生产过程的有效控制。从当前的生产制造情况来看，常用方法为非接触式检测和光纤电缆传感器，均采用标准和统一的接口，这样能有效降低设计的复杂程度与开发成本。

3.3 在数控技术方面的应用

制造业在我国国民经济中占据十分重要的地位，并且对工农业的发展也具有很高现实意义。其中数控领域是最早在智能制造中引入机电一体化的领域，对数控生产而言，它对智能控制有很高的要求，涉及模拟和信息处理等在内的各项技术。在实际生产中，采用智能控制可以对不能实现建模的生产环节与模糊信号进行有效处理，使整个生产过程及其管理控制都得到有效的优化。当前绝大多数数控机床都将多CPU与总主线为主要结构形式，在模糊控制与在线诊断等先进技术的支持下，使数控能力得以大幅提升，并能提供多维仿真画面，进而对生产全过程进行多通道与多过程的管理控制。

3.4 在自动生产方面的应用

目前，自动化机械与生产线同样也在智能制造领域得到良好应用，通过对各类控制装置和不同控制系统的应用，实现对整个生产过程的自动控制。在当前的智能制造领域引入机电一体化在很大程度上表现为对工业机器人的实际应用，工业机器人高度集成了包含仿生学、人工智能、遥感和通讯等在内的各项技术。通过对工业机器人的使用，能对各项生产信息进行及时获取，并能进行识别与处理，在当前的工业生产领域发挥出了十分重要的作用。

3.5 在工业机器人方面的应用

在智能制造中，工业机器人为重要领域之一，如图1所示。在机电一体化支持下，工业机器人得到不断改进，在人工智能技术上实现了更高水平的智能化、拟人化与人性化，并通过对其他技术，如遥感和通讯等的应用，能实现对各类生产信息的集中和高效获取、识别与处理，进而为实际的生产过程提供必要的辅助。在实际生产中引入以机电一体化及智能制造为核心的机器人，除了能取代人完成各类操作，尤其是那些复杂、重复或有危险性的操作，还能彻底避免人为因素造成的影响与风险，使整个生产活动变得更加简化。这是机电一体化与智能制造理论在生产中的重要体现，在很大程度上改变了以往的生产模式和方式，对提高生产效率、保证生产质量都有重要作用与意义，同时也为相关技术人员的科研及发展工作指明了方向。

3.6 技术应用效果

通过对智能制造和机电一体化的结合，能达到以下显著应用效果：在智能制造系统当中，不同的组成单位都能以工作任务具体要求为依据，自行组织形成最佳结构，柔性除了表现在运行方式方面，还突出表现在具体的结构形式，因此可将系统具有的柔性称作超柔性，比如由同专业专家构成的群体。系统可以在实践过程中不断充实自己的知识库，这就是学习的能力。另外，系统运行时还能进行故障诊断，诊断故障后自动排除和维护。由于具备这一特征，所以能使系统实现自我优化，并良好地适应各类复杂多变的环境。由于机电一体化产品引入计算机控制并提供数字显示功能，所以其人机界面良好，消除了很多按钮和手柄，能实现对操作的有效改善，这样企业无需花费大量的时间和人力用于人员培训，而且操作简化以后还能减少与操作有关问题的发生。柔性还指通过对软件的应用对机器工作程序进行改变，用于满足各类实际需要。以工业机器人为例，其运动自由度很大，在手部位置可以使用多种类型的工具，此时便可以通过对控制程序的适当改变来调整实际的运行姿态及轨迹，以此适应多种作业要求。

4 结语

综上所述，随着我国工业化进程的不断加快，机电一体化凭借各方面优势逐渐得到相关人员的高度重视，并开始在智能制造领域得到广泛应用。在实际的智能制造中引入机电一体化，与之前的生产方式相比，除了能大幅提高生产效率，还能简化生产模式，为生产全过程的自动化控制提供新的途径和方法，为传统与智能制造提供桥梁，发挥着十分重要的作用。其能起到推动整个制造业发展与转型的作用，提高制造业整体技术水平，以促进供给侧结构性改革。

参考文献

[1] 童群.机电一体化技术在企业智能制造中的应用探析[J].信息系统工程，2018，11（11）：102.