機電一體化技術在智能制造中的發展與應用

　　摘 要: 微電子技術在向工業化滲透的過程中，隨著智能技術的應用，自動化、一體化程度越來越高。機電一體化的自動化、智能化的進步促進了智能制造的發展。智能制造能取得今天的成就，與機電一體化的不斷改革和進步有著不可分割的關系。每一次機電一體化技術的進步與革新，都標志著制造業向前邁進了一大步。進入了智能時代，智能制造將打開制造業全新的大門。本文論述了機電一體化技術的發展階段，探討了機電一體化關鍵技術在智能制造中的應用及其應用前景，旨在為智能制造的創新應用提供一些參考。

　　本文源自劉毅龍; 寇元金， 科技風 發表時間：2021-06-20

　　關鍵詞: 機電一體化技術; 智能制造; 應用; 人工智能; 自動控制技術

　　隨著 5G 時代的到來，工業制造已經從自動化開始向智能化轉型。人類即將迎來工業 4.0，實現自動化制造向完全的遠程控制轉型。工業 4.0 這項原本被德國定為未來十大項目之一的戰略，隨著智能技術和 5G 技術的發展與應用，很快在一些科技發達國家的工業行業中掀起了一番波瀾，對人類第四次的工業革命起到了推波助瀾的作用。我國的第一套工業 4.0 流水線也于 2014 年 11 月 4 日第一次在中國十六屆工業博覽會上亮相。它標志著中國智能工業與智能制造的開端。機電一體化實現數字化、智能化已然成為未來新工業革命的核心技術。研究機電一體化技術在智能制造中的發展與應用對一個國家工業的進步和國力的強盛有著重要的意義。

　　一、機電一體化概述

　　( 1) 含義。機電一體化技術是機械技術、微電子技術交互融合的產物。機電一體化技術包含了機械學技術、半導體技術、計算機技術等。

　　( 2) 發展階段。隨著機械技術與微電子技術、信息技術融合程度的深入化，機電一體化技術中包含的高新科技技術也越來越多。每一次微電子技術的進步都是對機電一體化技術發展的推動。根據微電子技術與機械技術的滲透發展的特征，機電一體化技術的發展大體上可以分為三個階段。 ①萌芽階段( 20 世紀 60 年代以前) 。20 世紀 60 年代，日本通產率先在機械中采用了電氣技術與電子技術結合數控機床做試驗，但并未取得成功。最初，電氣技術與電子技術的結合應用多應用于軍用機械。這一時期，機電一體化技術開始萌芽。②蓬勃發展階段( 20 世紀 70 年代—80 年代) 。20 世紀 70 年代初，隨著微電子技術的成熟，電子技術與電氣技術的結合應用也逐漸地由軍用轉為民用。這一階段，微機逐漸的商品化，集成電路實現了大規模化。同時，機關技術與光學技術應用與微電子技術、信息處理技術、計算機處理技術中，集成為新的光信息技術。光信息技術的發展提高了信息處理的速度和抗干擾能力。光信息技術在微電子技術中的應用為機電一體化的信息可視化、高速處理奠定了基礎。當時已經應用光子、電子技術的信息技術應用于機械技術，與微電子技術結合，進一步加深了微電子技術與機械技術的融合。當時市場上已經出現了 CPU、ROM、RAM 等基本單元和模塊化的接口電路，為機電一體化的發展奠定了基礎。 1971 年，日刊工業新聞社發行《機電一體化入門》和《機電一體化》月刊，反映出機電一體化產品的發展。1976 年，機電一體化被正式命名。70 年代末至 80 年代，在機電法和機信法的指導下，機電一體化獲得了蓬勃的發展。③智能化階段 ( 20 世紀 90 年代以后) 。20 世紀 90 年代，電子集成技術普遍提高，集成電路的價格也有所下降。在 90 年代，機電一體化技術在世界范圍內獲得了快速的發展，并迅速占領社會各個領域，開啟了機電一體化的全盛發展。在機電一體化技術全盛發展階段，相繼融合了機械學、電子學、光學、控制學、計算機學、信息技術學等學科。隨著這些技術的進步和多學科之間的交叉融合發展，機電一體化技術實現了一次又一次的轉型，最終實現了數字化、模塊化、智能化的發展。

　　二、機電一體化技術在智能制造中的應用

　　( 1) 傳感器技術。傳感器技術是智能制造的基礎，也是最先促進機電一體化實現智能化轉型的技術之一。目前，智能傳感器已經廣泛應用到智能制造中。傳感器誕生于 20 世紀 50 年代，它的發展也經歷了三個階段。最初的傳感器結構簡單，只用來感受和轉化信號。20 世紀 70 年代，半導體、電介質、磁性材料等應用于傳感器元件，使其具備了簡單的信號處理能力。20 世紀末，隨著微機在傳感器中的應用，智能傳感器應運而生。智能傳感器具有自動采集信息、自動編程和優化的功能。這些功能極大地提高了智能傳感器的自適應能力。傳感器在機電一體化技術中的應用，使系統運行中具備了系統對本身和外界環境參數及狀態的檢測功能。通過對系統自身和環境的檢測，可通過識別信號、處理信息產生相應的控制信息，再借助控制信息自動化控制系統。傳感器對機電一體化系統的控制都是以信息為基礎進行的。對制造流程的控制，是通過對信息的調整來實現的。智能傳感器自動采集、自動編程、自動優化的功能使得系統具備了自適應機械制造并調整信息的功能。如在制造流程中，傳感器自動采集到系統運行的誤差時，向系統發送識別信號。信息自動傳輸到信息處理單元經過分析處理后產生控制信息。系統將控制信息自動傳輸給執行機構，執行機構根據控制信息與指令自動調控系統，完成控制信息要求的動作。控制信息自動調整后，動力將自動實現與驅動系統功率的匹配，驅動執行記過完成系統的動作與功能。系統自適應流程如下圖 1 所示。

　　目前，智能制造中常用的傳感器有智能壓力傳感器、光學傳感器、RFID 技術。不同傳感器應用的場景不同，智能控制的作用和功能也不同。以最常見的壓力傳感器為例，一般壓力在 1kPa～ 100MPa 之間，適應的溫度范圍為-40 ～ 150℃，一般誤差為 2.5%FS，產品壽命為 0.5%FS。主要應用于微機點系統、汽車制造系統、航空動力學系統等領域。光學傳感器的分辨率可以達到 5000 萬像素，且成像能力和均勻性極好。多應用于智能手機顯示屏的檢測、機械裝配件檢測、電路板檢測等領域。RFID 多用于智能識別與數據采集，是物聯網技術的核心組成部分。該技術也是目前智能制造系統流程管理中應用最為廣泛的傳感器技術。RFID 技術具有極高的準確率，對提高機械制造的精準性有著重要的意義。

　　( 2) 數控技術。數控技術是智能制造的前身，也是機械制造數字化管理的核心技術。數控一代是機電一體化技術走向網絡化、智能化的第一步。數控技術融合了互聯網技術、信息管理技術、傳感器等，對提高機械制造的效率和質量的意義重大。將數控技術與智能制造系統相融合，設計出具有數字化管理與智能化生產的智能控制系統。智能控制系統采用總線+CPU 的設計，整個智能生產過程具有全自動監測、三維仿真模擬、智能控制等功能。模糊控制系統提供非線性智能控制，通過模糊語言、模糊邏輯、模糊集合理論等利用人腦思維控制智能制造系統，實現系統的綜合化數控與智能化生產。

　　( 3) 人工智能技術。人工智能是智能制造的終極階段，也是中國制造 2025 的終極目標。人工智能技術是新工業革命的依托，也是工業制造競爭力的核心表現。人工智能技術的應用，極大地提高了智能制造系統的柔性、信息量、自動化程度，使得機械制造系統能夠模擬專家的智能分析、判斷、構思與決策，從而自動適應機械系統的制造與生產。智能制造系統( 如圖 1 所示) 具有自適應系統及外部環境的能力。其中智能控制器起到關鍵作用。智能控制器由自動感知信息與處理、數據庫、規劃與控制決策、認知學習、控制知識庫、評價機構組成。控制器除能控制系統本身外，還可以控制傳感器、執行器及其他被控對象，以防外部不確定性因素對系統的運行造成干擾。控制器在控制理論基礎上模擬智能，實現對制造系統的智能控制。

　　三、應用前景分析

　　傳感器、數控技術在機電一體化技術中的應用促使中國制造實現了規模化、高效化的生產，使得中國成為制造大國。但就機械制造產品的質量而言，中國與德國、日本等發達國家相比，還稍遜一籌。隨著人工智能技術的應用，智能制造將向智能化、模塊化、微型化、集成化、人格化、綠色化轉型，實現智能制造真正意義上的高效高質、節能減排。未來，中國制造需要實現制造大國向制造強國的轉變，而人工智能技術在智能制造中的應用，將會在自動化生產線的基礎上全面協調人機系統，由人工智能輔助智能制造，嚴格控制機械制造系統的誤差，全面提高機械制造生產線的質量。機械產品質量的提升是樹立機械制造品牌的前提條件，它將推動中國制造大國向中國制造強國轉型。

　　四、結語

　　機電一體化技術中的智能傳感技術、數控技術、人工智能技術等，在智能制造中的應用將全面提高智能制造數字化和智能化水平，推進中國機械制造由數控化向智能化發展。在機電一體化向智能化發展的進程中，計算機技術、網絡控制技術、物聯網技術、互聯網技術、5G 技術、大數據技術、云計算技術、智能傳感器技術等起到了重要的技術支持作用。這些高新科技技術在機電一體化中的集成化應用，推動數控機床由人工數字化管控向系統自適應化進行轉型，實現了智能制造系統虛擬功能、人機交互功能、自適應輔助導航功能等，使原有的以人為中心的制造系統完成了智慧化工廠的建設。未來智慧化工廠將全面解放人類勞動力，由智能機器人與系統管理者實現在制造系統的協同作業，實現機械制造的全智能化制造與裝配。