機電一體化技術在智能制造中的應用研究與分析

陳 利， 胡茂凌

（四川中煙工業(yè)有限責任公司， 四川 成都 610016）

0 引言

制造業(yè)是我國國民經(jīng)濟的重要構成部分，市場環(huán)境日漸激烈，要想走出國門獲得長足發(fā)展，就必須要持續(xù)推進生產(chǎn)技術創(chuàng)新，而通過對機電一體化技術應用力度的加大，可以在一定程度上使得制造智能化水平邁向新臺階，進而實現(xiàn)生產(chǎn)質(zhì)效雙提升，助力我國工業(yè)生產(chǎn)高質(zhì)量發(fā)展，以滿足社會多元化的發(fā)展需求，為地區(qū)經(jīng)濟可持續(xù)增長貢獻力量，促進國民經(jīng)濟暢通循環(huán)。

1 機電一體化技術概述

機電一體化技術作為一種新技術，是以傳統(tǒng)機械技術為基礎，并將傳感技術、微電子技術、信息技術、信號變化技術、接口技術等結(jié)合起來的綜合性技術[1]。 在我國工業(yè)領域應用機電一體化技術可以構建集約型工業(yè)生產(chǎn)新模式。 就目前而言，該技術在我國制造業(yè)領域應用十分廣泛，通過模擬人腦可以綜合評估和動態(tài)化監(jiān)控制造生產(chǎn)各環(huán)節(jié)，從而為企業(yè)提供全面詳實的參考信息，助力企業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)流程，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

機電一體化產(chǎn)品最突出的特點就是打破了技術與功能的局限性，其集多種技術和功能于一體，尤其是在智能制造中應用功能被放大。 而且，機電一體化產(chǎn)品適用領域較廣，可以滿足不同用戶的多元需求。 此外，依托機電一體化技術還能使得機械設備結(jié)構更加精簡， 尤其是傳動部件得以簡化，能夠減小因機械磨損、受力變形等導致的作業(yè)誤差， 同時憑借著計算機檢測技術與控制技術對外界干擾所形成的動態(tài)誤差進行校正， 從而使得制造精度得以提升[2]。 不僅如此，機電一體化產(chǎn)品還能實現(xiàn)自動監(jiān)測、預警、診斷、保護，這些功能使得發(fā)生人身傷害、設備故障等的幾率降低，設備安全性能提升。

2 機電一體化技術在智能制造中的應用必要性

我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級具有緊迫性和必要性，尤其是對于工業(yè)智能化、數(shù)字化的需求越來越強烈。 如何依托機電一體化技術助力“制造強國”建設，已成為當前社會各界關注的焦點和熱點話題。 伴隨著以互聯(lián)網(wǎng)為代表的新一輪信息技術革命的掀起， 使得人類生活方式發(fā)生明顯改變，這也倒逼傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)必須要加快革命步伐，傳統(tǒng)制造業(yè)智能化發(fā)展成為必然趨勢。但若是智能技術與制造業(yè)、實體經(jīng)濟這個基礎脫節(jié)，其價值難以最大化發(fā)揮。我國作為制造業(yè)第一大國，2021 年，制造業(yè)增加值規(guī)模達31.4 萬億元，GDP占比高達27.4%，智能制造發(fā)展空間廣闊。黨的十九大報告中亦提出要進一步推動實際經(jīng)濟與互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能的深度融合。 一方面，隨著制造強國建設進程加快，將促進機電一體化技術的發(fā)展和應用， 助推傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)制造業(yè)整體性突破。 另一方面，隨著機電一體化地層技術開源化，制造業(yè)有望依托其積累行業(yè)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)機電一體化技術與實體經(jīng)濟的深度融合。 對此，深入探究機電一體化技術的應用，有助于推動我國制造業(yè)智能化轉(zhuǎn)型。

3 機電一體化技術在智能制造中的實踐運用策略

3.1 數(shù)控技術

在我國工業(yè)體系中，制造業(yè)占據(jù)著主導地位，且隨著行業(yè)的不斷發(fā)展，相關技術手段不斷更新，前瞻性較強。且隨著機電一體化技術的發(fā)展，為機械制造業(yè)提供了全新的機遇。數(shù)控技術作為一種控制手段， 主要借助數(shù)字信息對機械運動和過程進行控制，能夠有效提高制造業(yè)生產(chǎn)效率，減少人為誤差。首先，數(shù)控技術操控非常靈活，可應用于各種智能操作系統(tǒng)，有效保障系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)處理、分析、采集的精準性和高效性。其次，依托數(shù)控技術能夠使得操作流程更加簡化，只需要提前設定好數(shù)控程序，數(shù)控機床就能自主工作，從而減少操作人員工作量[3]。 最后，數(shù)控技術在智能制造中應用非常廣泛，可以使機床自主工作、自主判斷、自主分析，從而提高工作效率。同時，還能降低高自動化生產(chǎn)中高精度加工的難度，有效保障高精度零件的生產(chǎn)質(zhì)量。 當前，在智能制造領域中所使用的數(shù)控技術多為CPU+總線模式，可實現(xiàn)三維仿真模擬，機電一體化技術得以充分凸顯。

3.2 傳感技術

近年來，數(shù)字經(jīng)濟浪潮席卷全球，加之工業(yè)4.0、中國制造2025 等戰(zhàn)略部署出臺， 加速推進了新一輪產(chǎn)業(yè)革命，智能制造成為焦點。其中智能傳感技術作為機電一體化技術的核心技術之一， 在保障國家工業(yè)平穩(wěn)發(fā)展中具有非常重要的作用。因具有較快的運行效率，傳感器在運行時可以對動態(tài)化圖形數(shù)據(jù)進行實時收集， 然后通過傳感器傳輸手段， 第一時間反饋所收集到的圖像信息。 同時，因傳感技術運行效率高，因此能夠很好地減少生產(chǎn)時間， 從而控制生產(chǎn)成本， 為智能制造提供數(shù)據(jù)與技術保障。傳感技術還可以進行高質(zhì)量數(shù)據(jù)處理，當數(shù)據(jù)傳輸?shù)絺鞲衅骱螅诮K端系統(tǒng)控制，能夠開展數(shù)據(jù)信息處理，從而滿足制造生產(chǎn)需求。 在智能制造中傳感技術主要應用于數(shù)控機床之中，尤其是在位移、位置、速度、壓力檢測方面基本上都安裝有高性能傳感器， 能夠?qū)崟r監(jiān)控加工狀態(tài)、刀具狀態(tài)、磨損情況等，可對誤差進行靈活的補償與自校正[4]。 不僅如此，依托視覺傳感器的可視化監(jiān)控技術還能實現(xiàn)對數(shù)控機床的智能監(jiān)控。在配電系統(tǒng)中，傳感技術的運用也非常廣泛， 配電系統(tǒng)在日常的運行中存在著較大的風險， 需要24h 對配電系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行監(jiān)視和監(jiān)控，傳感技術可對配電系統(tǒng)的電壓、電流、關鍵點位溫度進行實時的監(jiān)控，同時還可以通過視覺傳感技術對配電房和重要設備進行可視化監(jiān)控，有效降低了配電系統(tǒng)的風險和管理難度，提升了配電系統(tǒng)的安全性和可靠性。

3.3 柔性制造系統(tǒng)

2021 年，我國制造業(yè)增加值占GDP 比重27.45%，連續(xù)12 年增加值總量位居世界首位。 伴隨著工業(yè)4.0 時代的來臨，依托“互聯(lián)網(wǎng)+”使得制造業(yè)發(fā)展前景廣闊，尤其是機電一體化技術在制造業(yè)中的廣泛應用， 使得傳統(tǒng)工業(yè)產(chǎn)銷形式發(fā)生改變，柔性生產(chǎn)成為必然趨勢。柔性制造系統(tǒng)包括信息控制系統(tǒng)、物料儲運系統(tǒng)等部分，可實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)換加工對象，體現(xiàn)出了智能制造的特征。不僅如此，在智能制造中運用柔性制造系統(tǒng)不僅能夠?qū)Ξa(chǎn)品生產(chǎn)過程進行深度了解， 同時也能夠為生產(chǎn)過程中的相關決策提供依據(jù)，如加工設備應用、物料儲運等。例如，在產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)節(jié)，依托柔性制造系統(tǒng)進行數(shù)字化評估，精準分析需求，從而實現(xiàn)以需定產(chǎn)[5]；又比如在制定生產(chǎn)方案時，依托5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，通過大數(shù)據(jù)進行分析，AI 進行智能決策。此外，柔性制造系統(tǒng)還能使得智能制造供應鏈、物流等環(huán)節(jié)的柔性程度得到提升，有利于構建協(xié)同關系。如通過對物流路徑進行柔性管理，可推動資源動態(tài)協(xié)同，通過精益排產(chǎn)與調(diào)度，能夠使得設備使用率大幅度提升；供應鏈柔性則有利于優(yōu)化生產(chǎn)流程，通過精準化生產(chǎn)實現(xiàn)“零庫存”目標，從而降低庫存壓力，減少庫存積壓情況的發(fā)生。

3.4 智能機器人

智能制造是中國制造的必然走向， 而機器人則是智能制造的基礎設施。智能機器人核心技術包括視覺、人機交互、傳感技術等，是機電一體化技術的重要分支。 焊接作為工業(yè)“裁縫”，是制造業(yè)非常常見的加工方式，但通常情況下焊接工作環(huán)境不佳， 對工人身心健康都有著很大的影響，加之降本增效需求的不斷提升，傳統(tǒng)焊接供需矛盾日漸尖銳。工業(yè)焊接機器人具有非常緊湊的結(jié)構，主要依靠智能控制系統(tǒng)進行機器人控制、數(shù)據(jù)存儲等操作，通過編程將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中， 系統(tǒng)就能夠根據(jù)數(shù)據(jù)設置相應的參數(shù)。 此外，在工業(yè)焊接機器人中還安裝有各類型傳感器，如視覺傳感器、力學傳感器、質(zhì)量傳感器、防碰撞傳感器等，通過這些傳感器可以準確快速向控制系統(tǒng)傳遞焊縫位置、規(guī)格等信息，同時還能對焊接質(zhì)量進行動態(tài)化實時監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)問題系統(tǒng)將立即報警[6]?？梢?，依托智能機器人能夠?qū)崿F(xiàn)焊接智能化、自動化，而且在焊接時全程由機器人代替工人在惡劣的生產(chǎn)環(huán)境中工作， 對于預防職業(yè)病有著很好地作用，同時還能幫助企業(yè)降低人力成本，減少人工支出。 此外，運用智能機器人還能對生產(chǎn)流程進行規(guī)范，有效避免因人為操作失誤造成的誤差，提高工件加工精度。 并且智能機器人不受外界環(huán)境因素的影響，即便生產(chǎn)環(huán)境存在一定的安全隱患和危險指數(shù)，依舊可以確保生產(chǎn)有序進行，極大提高了我國智能制造生產(chǎn)效率。

3.5 自動化生產(chǎn)控制技術

在智能制造領域中應用機電一體化技術， 其中最為常見的技術手段就是自動化生產(chǎn)控制技術， 其主要由微電子設備、可編程序控制裝備、人機界面控制裝置、光電控制系統(tǒng)等設備組成。以PLC 控制系統(tǒng)為例，其可以對各種操控算法程序進行編制，實現(xiàn)閉環(huán)操作，使得質(zhì)料和動力消耗得以有效降低， 其在智能制造數(shù)控機床中的應用十分普遍。首先，運用PLC 技術對電氣控制系統(tǒng)的運行過程進行掌握，從而采集相關數(shù)據(jù)，在這一過程中PLC 技術具有斷開和接通外部電路的功能， 經(jīng)過接口向映像寄存器進行傳輸，達到執(zhí)行數(shù)控設備的功能[7]。 其次，PLC 技術與電氣控制系統(tǒng)內(nèi)部的組件結(jié)合， 通過對操作指令進行解析，根據(jù)指令開展各項操作。 最后，基于PLC 技術完成輸入和執(zhí)行操作后，寄存器內(nèi)含有輸入信號，當指令結(jié)束后，將繼電器狀態(tài)進行輸出，經(jīng)由鎖存器轉(zhuǎn)存，從而實現(xiàn)外部控制。有效降低能源消耗，自動化生產(chǎn)控制技術發(fā)揮著重要的作用，例如，制造業(yè)的生產(chǎn)過程中，我們可以通過自動化生產(chǎn)控制技術對水電氣汽的使用實現(xiàn)精準控制，可以通過數(shù)據(jù)模型的分析，可以在生產(chǎn)結(jié)束前一定時間內(nèi)關閉中央空調(diào)，從而也能保證工藝指標達標，而不是傳統(tǒng)的生產(chǎn)結(jié)束后才關閉中央空調(diào)，導致能源的浪費?？傊?基于PLC 技術的自動化生產(chǎn)控制技術不僅可以提高設備加工速度，還能增強加工精度以及能源消耗。

4 機電一體化技術的發(fā)展前景展望

隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展， 電子裝備不斷向高頻段、高密度、高精度、小型化的方向發(fā)展，機電之間耦合性不斷增強。因此，機電一體化也邁進了機電耦合新階段，表現(xiàn)出較機電綜合更加理性的機電一體化， 其主要特征有兩方面：一方面是不僅可以對機械、電磁、熱等自動數(shù)值進行仿真分析，同時也確保了各個學科之間信息傳遞更加真實可靠。另一方面通過數(shù)學將基于物理量耦合的多物理系統(tǒng)的耦合理論模型導出，對非線性機械結(jié)構因素影響電性能的機理進行了探明?？梢钥闯?，與機電綜合相比，機電耦合存在本質(zhì)上的區(qū)別，性質(zhì)有了飛躍性改變。 而伴隨著電子技術、信息技術、材料學等學科的不斷發(fā)展與成熟，今后機電一體化電子設備發(fā)展將具有極端性特征，具體表現(xiàn)為極端頻率和極端環(huán)境，這些都使得機電耦合理論與技術研究面臨更多困境，因此未來研究應著重解決好以下問題：一是如何建立電磁場、結(jié)構位移場、溫度場之間的耦合理論模型（electro-mechanical coupling，EMC），這些直接關系到電子裝備的研發(fā)，因此EMC 之間存在著相互依存、相互制約的關系，必須要明確揭示出彼此之間的耦合關系與影響因素，梳理多領域、多場之間的耦合機制，多工況之間的影響因素，并通過定量數(shù)學關系式來進行描述。 二是電子裝備非線性機械結(jié)構因素，如結(jié)構參數(shù)、制造精度等愈發(fā)明顯，從而影響著電子裝備的電磁性能，急需對這些非線性因素影響電性能的規(guī)律進行探索總結(jié)，進而摸清其對電性能的影響機理（influence mechanism，IM）。三是加強對機電耦合設計方法的研究。 著重對耦合理論模型、IM 特點與規(guī)律等進行綜合研究，從而提出科學合理的機電設備耦合設計方法，做好機、電、熱分析模型的難點處理工作，強化解決機、電、熱之間數(shù)值分析網(wǎng)絡滑移問題。 四是明確耦合度的數(shù)學表征，從理論角度出發(fā)，可以對任何耦合進行度量。但為了對物理系統(tǒng)之間的耦合進行更加深入的探索，就需要建立一種通用的數(shù)學表征方法進行耦合度量，從而列出能夠?qū)︸詈隙冗M行計算的數(shù)學表達式。五是未來機電一體化必將朝著機電耦合方向發(fā)展，其在制造領域中的應用將呈現(xiàn)出更深度的融合。尤其是在各種機電裝備中都會存在著機電耦合技術， 是推動智能制造迭代的關鍵性技術之一，對于推動高端裝備制造轉(zhuǎn)型升級有著重要的作用。

伴隨著科技革命新時代的來臨，尤其是以智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化為代表的智能制造的出現(xiàn)，制造業(yè)與機電技術的融合將更加深入， 而這一融合也客觀體現(xiàn)出了機電耦合理論的實際應用， 可見未來機電耦合成為機電一體化研究和發(fā)展的重要方向，具有廣闊的發(fā)展前景。

5 結(jié)束語

總而言之， 機電一體化技術對于智能制造領域而言作用顯著，不僅能夠改變傳統(tǒng)的制造業(yè)生產(chǎn)模式，同時也能推動我國制造業(yè)智能化轉(zhuǎn)型，其應用前景極為廣闊。而機電一體化技術涉及領域較多，包含眾多先進的技術，制造企業(yè)必須要持續(xù)深入探索和研究， 切實發(fā)揮其技術價值，有效應用到智能制造中，從而提高我國制造業(yè)水平，真正實現(xiàn)從制造大國向制造強國轉(zhuǎn)變。