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      智能制造背景下機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展*

      2023-08-17 07:03:38何俊峰
      南方農(nóng)機(jī) 2023年15期
      關(guān)鍵詞:控制技術(shù)機(jī)電煤礦

      王 贊 ,何俊峰

      (廣東技術(shù)師范大學(xué)機(jī)電學(xué)院,廣東 廣州 510665)

      制造業(yè)是立國之本,強(qiáng)國之基。新中國成立以來,我國制造產(chǎn)業(yè)逐步成熟,尤其是在改革開放后,持續(xù)快速發(fā)展,建成了門類齊全、獨(dú)立完整的產(chǎn)業(yè)體系,一舉成為世界第一制造大國。但我國制造業(yè)的自主創(chuàng)新能力不高、資源利用效率低下、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)水平參差不齊、產(chǎn)品質(zhì)量與效益差,與世界先進(jìn)水平相比仍存在明顯差距,呈現(xiàn)出大而不強(qiáng)的特點(diǎn)。為了加速我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級,實(shí)現(xiàn)制造大國向制造強(qiáng)國的跨越,2015 年5 月19 日,國務(wù)院正式印發(fā)《中國制造2025》,確立了創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、質(zhì)量為先、綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、人才為本的基本方針,以此作為實(shí)施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略的第一個(gè)十年行動(dòng)綱領(lǐng)。智能制造是加快我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級、全面提高發(fā)展質(zhì)量和核心競爭力的關(guān)鍵一步,也是實(shí)現(xiàn)制造大國向制造強(qiáng)國跨越的必經(jīng)之路。在產(chǎn)業(yè)加速轉(zhuǎn)型升級、大力發(fā)展智能制造的經(jīng)濟(jì)社會背景下,機(jī)電一體化技術(shù)作為新興生產(chǎn)技術(shù),有助于提高生產(chǎn)質(zhì)量與效率,是推動(dòng)智能制造進(jìn)程的關(guān)鍵。

      1 智能制造與機(jī)電一體化技術(shù)

      1.1 智能制造

      智能制造作為人工智能領(lǐng)域在制造產(chǎn)業(yè)的新突破與新發(fā)展[1],是一種人機(jī)一體化智能模式,也是自動(dòng)化制造的全面升級,由智能制造技術(shù)和智能制造系統(tǒng)兩個(gè)核心部分構(gòu)成,技術(shù)與系統(tǒng)相輔相成,在生產(chǎn)制造中能通過人機(jī)合作進(jìn)行諸如分析、推理、判斷、決策等活動(dòng)[2],很大程度上決定著智能制造的生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量[3]。與傳統(tǒng)制造業(yè)不同,智能制造能在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí),更具柔性化、智能化、思維化、高度集成化和經(jīng)濟(jì)效益最大化的特點(diǎn)。一方面,智能制造能夠借助于計(jì)算機(jī)平臺創(chuàng)建虛擬生產(chǎn)系統(tǒng),以模擬、細(xì)化實(shí)踐生產(chǎn)活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié),從而減少資源浪費(fèi),減少企業(yè)的物質(zhì)資源投入;另一方面,智能制造能夠應(yīng)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和相關(guān)程序進(jìn)行編程,設(shè)置操作指令,通過計(jì)算機(jī)平臺就能精準(zhǔn)控制生產(chǎn)活動(dòng)的進(jìn)展,在有效整合各方資源的同時(shí),解放人力資源,減少企業(yè)的人力資源投入。通過降低企業(yè)的資源和人力投入成本,提升生產(chǎn)的效率與產(chǎn)品的質(zhì)量,達(dá)到提高企業(yè)整體經(jīng)濟(jì)效益的目的,從而更好地促進(jìn)企業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型升級[4]。

      經(jīng)過多年的努力與積累,我國已經(jīng)逐步攻克智能制造技術(shù)的一些難題,形成了較為完善的智能制造裝備產(chǎn)業(yè)體系,為智能制造的建設(shè)和發(fā)展奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)。

      1.2 機(jī)電一體化技術(shù)

      機(jī)電一體化技術(shù)產(chǎn)生并得益于智能制造的大環(huán)境背景,是基于機(jī)械信息科學(xué)和電子技術(shù)科學(xué)的現(xiàn)代高科技技術(shù)。機(jī)電一體化技術(shù)可以將機(jī)械技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)等多項(xiàng)新興技術(shù)融合,能夠?qū)崟r(shí)對生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集、預(yù)處理、編譯、傳輸,以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)最優(yōu)化和系統(tǒng)控制智能化[5]。機(jī)電一體化技術(shù)具有智能化、網(wǎng)絡(luò)化、模塊化、系統(tǒng)化等特點(diǎn),應(yīng)用于智能制造各個(gè)領(lǐng)域之中,可以提升生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量[6],進(jìn)而實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)效益的最大化,促進(jìn)我國產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。

      我國正處于由制造大國向制造強(qiáng)國跨越的關(guān)鍵時(shí)期,智能制造是我國制造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級最重要的環(huán)節(jié)之一。機(jī)電一體化的技術(shù)優(yōu)勢可以幫助企業(yè)縮短生產(chǎn)周期、提高生產(chǎn)效率、減少人力物力投入、提升生產(chǎn)的安全性,將其應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中能夠給傳統(tǒng)制造業(yè)注入新鮮血液,推動(dòng)我國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級,加速智能制造的發(fā)展,實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國的戰(zhàn)略目標(biāo)[7]。目前,我國機(jī)電一體化技術(shù)正在逐步嘗試應(yīng)用到煤礦領(lǐng)域、電力領(lǐng)域、數(shù)控生產(chǎn)領(lǐng)域、工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域等的各個(gè)產(chǎn)業(yè)中[8]。

      2 智能制造中機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用

      2.1 煤礦領(lǐng)域

      煤炭生產(chǎn)是一個(gè)非常復(fù)雜的工作,從開采到運(yùn)輸,再經(jīng)過加工處理,最后投入日常使用的整個(gè)過程會使用到數(shù)量眾多且作用不同的機(jī)電設(shè)備。傳統(tǒng)的液壓式采煤設(shè)備在安全性和效率性上已經(jīng)無法滿足現(xiàn)下煤礦產(chǎn)業(yè)的需求,機(jī)電一體化技術(shù)能夠綜合機(jī)械技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和信息處理技術(shù)等。將機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用到煤礦領(lǐng)域,有助于推動(dòng)煤礦產(chǎn)業(yè)的智能化、綠色化、程序化、微型化發(fā)展,提升煤炭從開采、提取、裝載、運(yùn)輸?shù)桨踩芾砼c監(jiān)測整個(gè)過程的效率、質(zhì)量和安全性[9]。

      當(dāng)前,機(jī)電一體化技術(shù)已經(jīng)貫穿到我國煤礦生產(chǎn)的每個(gè)環(huán)節(jié)之中,對煤礦的信息化建設(shè)提供了有效支持。運(yùn)用智能化、自動(dòng)化的機(jī)械代替人力進(jìn)行實(shí)時(shí)指揮、監(jiān)控與檢測,不僅提升了煤礦開采的工作效率和工作質(zhì)量,還能幫助發(fā)現(xiàn)煤礦內(nèi)部存在的安全隱患、設(shè)備故障問題,以便及時(shí)進(jìn)行調(diào)整并解決問題,極大地減少了煤礦生產(chǎn)事故的發(fā)生,保障了煤礦生產(chǎn)的安全性與穩(wěn)定性[10]。但機(jī)電一體化技術(shù)在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用,還需要加強(qiáng)相應(yīng)機(jī)電管理人員的管理理念和專業(yè)素養(yǎng),增強(qiáng)工作責(zé)任意識,嚴(yán)格落實(shí)自身職責(zé),定期進(jìn)行設(shè)備的養(yǎng)護(hù)、檢查和維修,這樣才能保證我國煤礦產(chǎn)業(yè)的高效率、高質(zhì)量、高安全性發(fā)展。

      2.2 電力領(lǐng)域

      電力系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行依賴于大量的保護(hù)裝置與控制技術(shù),而這些保護(hù)裝置和控制技術(shù)基于機(jī)電一體化技術(shù)才能得以穩(wěn)定工作。通過傳感器技術(shù),實(shí)時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測、故障診斷、危險(xiǎn)報(bào)警,能實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)的全方位檢測,以保證系統(tǒng)的正常、穩(wěn)定、安全運(yùn)行[8]。

      目前,我國機(jī)電一體化技術(shù)對電力系統(tǒng)的保護(hù)技術(shù)主要是通過在系統(tǒng)中安裝自動(dòng)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(hù)器與建立RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法模型,依次分別對電力系統(tǒng)進(jìn)行短路保護(hù)、欠壓保護(hù)、弱磁保護(hù)(直流電機(jī))、過載保護(hù)、失壓保護(hù)、過電流保護(hù)以及智能保護(hù)。對電力系統(tǒng)的控制技術(shù)分為直流電機(jī)控制和交流電機(jī)控制。其中,直流電機(jī)控制技術(shù)是指DSP 數(shù)字信號處理技術(shù),一般通過安裝通用型號單片機(jī)設(shè)備作為控制器和計(jì)算機(jī)軟件編程來完成控制任務(wù);交流電機(jī)控制技術(shù)分為矢量控制、轉(zhuǎn)矩控制和PID 控制技術(shù),依次分別通過安裝VFD 變頻器、控制系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和控制偏差值來完成控制任務(wù)[10]。

      2.3 數(shù)控生產(chǎn)領(lǐng)域

      數(shù)控生產(chǎn)是機(jī)電一體化技術(shù)在智能制造中的基礎(chǔ)應(yīng)用領(lǐng)域,通過計(jì)算機(jī)程序控制、PLC 編程控制、人機(jī)交互操作和光電電子驅(qū)動(dòng)來構(gòu)建自動(dòng)化生產(chǎn)線,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)機(jī)械的智能化[11]。由于數(shù)控企業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng)對智能控制系統(tǒng)的要求較高,既需要加工機(jī)床和系統(tǒng)內(nèi)部的模擬信號數(shù)據(jù)資料建立聯(lián)系,又需要依靠智能控制系統(tǒng)在企業(yè)內(nèi)進(jìn)行控制與管理。因此,在我國從事數(shù)控生產(chǎn)的企業(yè),最先開始對機(jī)電一體化技術(shù)進(jìn)行研究,并嘗試將其應(yīng)用于實(shí)踐[12]。其中,基于PLC機(jī)電一體化技術(shù)的數(shù)控機(jī)床是機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控生產(chǎn)領(lǐng)域的典型代表。

      數(shù)控機(jī)床中的機(jī)械設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、執(zhí)行和驅(qū)動(dòng)技術(shù)以及控制面板都離不開PLC 機(jī)電一體化技術(shù)。首先,PLC 機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用使數(shù)控機(jī)床在生產(chǎn)加工過程中可以獨(dú)立運(yùn)行,不再需要主動(dòng)傳送和進(jìn)給兩種模式協(xié)同操作,可以減少相關(guān)工具的磨損,延長使用壽命;其次,可以為單片機(jī)、輸入輸出、通信系統(tǒng)以及執(zhí)行器等提供技術(shù)支持,并根據(jù)生產(chǎn)要求編輯指令或修改參數(shù);再次,可以將數(shù)控設(shè)備與執(zhí)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(wù)指示;最后,還可以優(yōu)化電子元件結(jié)構(gòu)、測試機(jī)床中的數(shù)據(jù),解決傳統(tǒng)加工無法及時(shí)發(fā)送輸入信號和接收區(qū)域信號的問題[13]。

      2.4 工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域

      工業(yè)機(jī)器人是機(jī)電一體化技術(shù)和智能制造成功結(jié)合而形成的產(chǎn)物,它可以進(jìn)行簡單的人工思維,分析指令任務(wù),并運(yùn)用數(shù)據(jù)算法和控制技術(shù)等,在使用過程中自行對所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算模擬分析,最終下達(dá)最準(zhǔn)確的指令[14]。機(jī)電一體化技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在導(dǎo)航、交互、傳感以及控制這四個(gè)方面:導(dǎo)航系統(tǒng)能夠滿足企業(yè)對機(jī)器人在傳輸路線、生產(chǎn)路線和巡視路線方面的要求;交互系統(tǒng)可以保證企業(yè)生產(chǎn)按照預(yù)期規(guī)劃有序進(jìn)行,使機(jī)器人嚴(yán)格按照操作者的指令完成傳達(dá)與轉(zhuǎn)化工作;傳感系統(tǒng)能夠使機(jī)器人全面感知周圍的環(huán)境并監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),確保生產(chǎn)信息實(shí)時(shí)、及時(shí)地傳達(dá)給操作者和管理者;控制系統(tǒng)能夠?qū)C(jī)器人所收集到的信息快速進(jìn)行分析、整合,使機(jī)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(chǎn)業(yè)之一,工業(yè)機(jī)器人具有工作效率高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、生產(chǎn)安全性好等特點(diǎn),它的成長充分體現(xiàn)了機(jī)電一體化技術(shù)的智能化發(fā)展歷程,也是我國智能制造飛速發(fā)展的標(biāo)志性成果。我國的工業(yè)機(jī)器人目前還處于起步階段,只能進(jìn)行一些簡單的操作和思維判斷,未來我國工業(yè)機(jī)器人會朝著智能化、思維性方向發(fā)展[16]。

      3 機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢

      3.1 微型化

      隨著機(jī)電一體化技術(shù)的快速發(fā)展,微機(jī)電系統(tǒng)開始進(jìn)入研究者們的視線,研究重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向微型化方向,并成為機(jī)電一體化技術(shù)新的研究目標(biāo):朝著微米、納米級別的方向推進(jìn)。微機(jī)電系統(tǒng)應(yīng)用前景廣泛,不僅可以節(jié)約資源、減少能耗,還能進(jìn)一步提升系統(tǒng)的精細(xì)化程度、提高操作質(zhì)量,一旦技術(shù)成熟,便可以應(yīng)用到航空航天領(lǐng)域(如衛(wèi)星機(jī)電一體化產(chǎn)品)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域(如仿生器官、微型機(jī)器人手術(shù))[17]。但微機(jī)電技術(shù)需要將機(jī)電一體化技術(shù)與微電子技術(shù)進(jìn)行全方位融合[8],目前我國的微機(jī)電技術(shù)還尚未成熟,在企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中還達(dá)不到普及的程度。

      3.2 智能化

      近年來,為了實(shí)現(xiàn)由制造大國向制造強(qiáng)國的跨越,我國越來越注重科技創(chuàng)新,無論是國家政策、科學(xué)研究還是企業(yè)實(shí)踐,都在努力將機(jī)電一體化技術(shù)向智能化方向發(fā)展。國家政策上,國務(wù)院于2015 年頒發(fā)的《中國制造2025》確立了創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的方針,將智能制造放在重要的戰(zhàn)略地位;科學(xué)研究上,為加速實(shí)現(xiàn)各行業(yè)產(chǎn)業(yè)的智能化生產(chǎn),人工智能技術(shù)已被列入國家重點(diǎn)科研項(xiàng)目;企業(yè)實(shí)踐上,雖然目前我國并未實(shí)現(xiàn)完全智能化的機(jī)電一體化生產(chǎn),但是人工智能產(chǎn)品的應(yīng)用水平在持續(xù)提升,應(yīng)用層次在不斷加深,普及程度在逐漸擴(kuò)大[18]??梢哉f,人工智能的技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新應(yīng)用是未來機(jī)電一體化的發(fā)展方向之一,人工智能產(chǎn)品的高速度、性能好、智能化將為我國制造業(yè)帶來一次全新的變革。

      3.3 綠色化

      綠色環(huán)保一直都是世界倡導(dǎo)的發(fā)展主題和追求目標(biāo)。我國歷來倡導(dǎo)并堅(jiān)持走綠色發(fā)展道路,秉持“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展原則,《中國制造2025》中也明確提出“綠色發(fā)展”是我國實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國戰(zhàn)略目標(biāo)的基本方針。當(dāng)前,我國智能制造尚未達(dá)到完全的智能化機(jī)電一體化水平,生產(chǎn)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(shí)回收和循環(huán)使用問題,這將是我國未來制造業(yè)的發(fā)展方向,也是機(jī)電一體化技術(shù)需要不斷進(jìn)步和完善的目標(biāo)之一。因此,要加快機(jī)電一體化的技術(shù)研發(fā),加速產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級,進(jìn)一步減少能耗,提高資源利用率,構(gòu)建一個(gè)可回收、能循環(huán)的綠色環(huán)保產(chǎn)業(yè)體系。

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