機械制造的智能化技術與機電一體化的融合

李俊青

（北大醫藥股份有限公司，重慶 400714）

引言

在以往發展中為了滿足不同領域的生產要求，人們開始逐漸使用機械設備代替人工進行生產，這有效提高了生產效率與產量，帶來了更高的經濟收益，因此機械生產引起了人們的重視。生產工作對人工的依賴度大幅降低，不僅消除了人工能力局限性對生產工作的限制性影響，還充分發揮了機械設備特性讓生產效率、產量變得更高、更穩定，故該項技術開始普及，對生產工作提出了新的要求，而機電一體化技術并不能滿足這些要求，促使人們意識到該項技術還有待開發，故新一輪的研究工作展開，指出機電一體化的發展路徑，即機電一體化技術應當與智能化技術相互融合，借助智能化技術彌補自動化生產的短處，思路的提出得到了廣泛認可，而接下來的問題就是如何推進兩者融入，對此有必要展開相關研究。

1 智能化技術與機電一體化的基本概念

1.1 智能化技術的概念

智能化技術是一種綜合應用性極強的技術，本質上可以將其視作邏輯模型，運作中主要依托于龐大數據體，然后對數據體進行分析，分析所得結果會被保存在知識庫當中，這樣智能化技術就能夠根據知識庫中的數據分析結果，對現實事物進行識別，并給出決策建議或其他形式的結果。例如在機械制造當中，只要智能化技術實現進行過相關的分析，知識庫內有對應的信息，其就能夠對機械制造流程進行識別，可以知道當前機械制造流程是否存在異常，如果存在異常還能對異常進行分析，確認異常類型、異常成因、異常范圍、異常設備所在位置等，這些結果會被轉化為可視化信息、數據展示給人工，甚至可以根據這些信息、數據給人工提供異常處理建議。可以看出，智能化技術包含了自動化技術的特征，整個運作過程無需人工干預，同時還具備識別實際情況中數據，對實際情況進行判斷，然后自主作出決策的能力，這是自動化技術不具備的，因此相比之下智能化技術具有更高的應用價值。另外，機械制造智能化技術是指應用于機械制造當中的智能化技術，其本質與上述并無差別[1]。

1.2 機電一體化的概念

機電一體化是一種主要由機械技術、電子技術構成的綜合性技術，具有非常廣泛的應用范圍，最突出的特征就是自動化運作。所謂自動化運作，就是在運作之前先設置好標準運作流程，然后將流程以編程的方式輸入運作系統，系統就會按照流程控制相關設備進行運作，直到完成流程最后一個節點的命令為止，過程中一般不需要人工干預。這一基礎上，機電一體化技術在實際應用當中能夠有效提高工作效率與穩定性，但該項技術并非十全十美，也有一些缺陷，即其只能按照標準流程運作，如果實際工作中出現了標準流程以外需求，或者遇到了特殊情況，那么該項技術就可能無法運作，若要進行調整，需要重新設計新的流程，因此機電一體化是一項對標準流程要求甚高的技術，標準流程越完善，該項技術的應用價值就越高。另外，機電一體化的基礎雖然是機械技術與電子技術，但在后期的發展中機電一體化又與其他技術建立了緊密聯系，諸如電工電子技術、信息技術、傳感器技術、接口技術和信號變換技術等，這些技術使得機電一體化的形式更加豐富、功能更加強大，但并未使其脫離自動化范疇，故機電一體化技術依然有很大的發展空間。

2 智能化技術與機電一體化融合的意義

2.1 推動機電一體化實現質變

機電一體化一般是作為生產中執行生產工作的技術來使用的，但目前大多數生產機構只能通過該項技術做到自動化生產，故自動化生產的缺陷會在一定程度上限制生產效率、穩定性，并且在其他層面給人工造成較大工作負擔，因此現代需求下，機電一體化需要迎來質變。從這一角度出發，智能化技術就是機電一體化的質變契機，即智能化技術與機電一體化融合，相當于在機電一體化生產系統基礎上安設了一個智能化終端，該終端能夠通過智能邏輯對機電一體化的生產活動進行管理，常規狀態下可保持自動化運作模式[2]。而當一旦發生異常情況，終端就能通過傳感器一類的信息采集裝置獲取信息，然后根據信息進行分析，識別異常情況，在條件允許的情況下能自主解決一些異常，諸如調整自動化生產流程，規避異常現象，同步通知人工對異常現象進行處理，又或者對自動化生產的某個機電設備進行參數調試，也能解決部分異常現象，若無法解決將通知人工，同步持續對無法解決的異常現象進行分析，下一次即可識別，即使依然無法解決，也能做到準確識別，使得人工可以直接處理異常。可以看出，智能化技術的介入改變了機電一體化純粹依靠自動化生產流程執行生產工作的局面，消除了自動化生產缺陷，因此機電一體化得以質變。

2.2 降低機械設備制造難度

智能化技術的應用十分廣泛，除了能夠直接應用于機電一體化的生產控制當中，還能用于機械設備制造當中，制造出來的機械設備統稱為智能化機械設備，此類設備在功能上更加強大，能夠更好地適應物理環境，側面就使得機械設備制造難度下降。以機械手臂為例，以往機械設備制造中，制造者必須結合工作現場的物理空間等條件對機械設備的形狀、規模等進行設計，同時還要保障設計后的成果滿足生產要求，這兩點在一些特殊情況下可能會發生沖突，諸如在小空間下需要機械手臂運輸自重較高的物料，那么為了保障機械手臂在小空間內能夠自如運動，其規模不能太大，但遷就空間，減小機械手臂的規模，又可能導致機械手臂無法抓取自重較高的物料，不能進行運輸。這種情況下機械設備制造就會變得異常困難，間接影響到機電一體化生產，而借助智能化技術能夠在機械制造中實現機械設備避障功能，這樣即使使用大規模機械手臂來運輸機電一體化生產物料，也能通過該項功能來規模小空間內的種種限制，巧妙化解了兩者沖突，故機械設備制造難度減小，機電一體化生產的需求也得到了滿足[3]。

3 智能化技術與機電一體化融合措施與發展趨勢

3.1 智能化技術與機電一體化融合措施

為了推進機械制造智能化技術與機電一體化融合，下文將提出對應的融合措施，具體來說包括以下幾個方面的內容。

3.1.1 集控單元智能化更新

目前，很多機電一體化系統在設計時都充分使用了接口技術，目的是將整個系統中所有生產設備集成，形成若干集控單元，然后根據每個集控單元的工作情況，設計對應的標準流程，讓每個集控單元按照標準流程進行運作，這樣能夠簡化自動化生產的管理難度。這一基礎上，為了讓智能化技術與機電一體化融合，可以在機械制造當中生產出智能化的機械設備，此類設備能夠替代自動化生產中的集控單元，使得每個集控單元都具備智能化屬性，這一屬性使得集控單元可以與智能化技術終端連接，以便進行控制，例如制造生產出帶有傳感器、參數自檢程序、信號收發裝置的智能化機械設備，然后將這些機械設備安裝在自動化生產的相關工位上，這樣每個設備能夠相互通信，形成智能化集控單元，這個單元在智能化技術終端控制下能夠更好地執行生產工作[4]。在具體的生產過程中，因為每個設備能夠相互通信，所以設備會根據其他設備的運作情況來調整自己的運作參數，諸如更改運動軌跡，以免與其他設備發生碰撞等。值得一提的是，智能化集控單元中所有設備之所以能夠根據其他設備情況來調整自身運動軌跡，除了因為設備本身具有智能化屬性以外，更主要的是因為設備與智能控制終端連接，即設備上的傳感器能夠采集設備信息，參數自檢程序能夠獲取當下參數條件，這些信息或參數并不是直接通過信號收發裝置發送給其他設備的。而是先發送給智能控制終端，經由終端分析之后，根據設備的實際情況設計出整個集控單元的運作方案，方案內包含了每個設備的運動軌跡、運動時間等指令要求，指令要求則會通過集控單元總線發送給所有設備，促使不同設備的運動軌跡等發生變化，能夠相互配合。

3.1.2 動態反饋技術與智能調節技術的應用

在以往機電一體化生產系統的基礎上，人們可以增設一些智能化技術模塊來引入不同的智能化技術，諸如動態反饋技術與智能調節技術。動態反饋技術的主要功能就是對工作過程進行監督，實時獲取過程動態信息，然后將信息反饋給終端，由終端根據信息作出決策，諸如在機械制造當中，人們需要根據不同的工況、環境條件對設備加工制造形式進行選擇，而依靠人工很難作出正確選擇，原因在于實際情況太過復雜，涉及到大量的信息數據，同時信息數據會不斷更新、增長，導致人工無法對龐大信息數據進行全面分析。面對這種現象依靠動態反饋技術，能夠在機械制造當中建立動態反饋機制，該機制能夠全面、高效地分析所有信息數據，這也使得其分析速度能夠跟上信息數據的增長速度，故實現了動態反饋，促使智能化終端可以根據機電一體化生產要求對機械設備加工制造形式、方案等進行調整，始終保障形式與方案合理[5]。

與此同時，動態反饋技術在現代發展當中雖然已經比較成熟，但因為其在機電一體化設備制造生產中主要是通過閉環反饋控制的形式來使用，所以本身的場景拓展性比較薄弱，可能無法適應所有應用場合，面對這種情況可以利用智能調節技術來彌補，即工作人員可以在機電一體化系統的綜合生產應用現狀基礎上。利用動態反饋技術來實施搜集信息數據，得到信息數據方面的反饋，然后借助智能調節技術按照反饋結果對機械設備制造過程進行參數化調整，或者改變機械設備在機電一體化生產當中的運作方式，這不僅能夠充分發揮設備的作用，還能保障加工制造、自動生產的穩定性，避免不必要的經濟損失與安全隱患。

3.1.3 微控技術應用

微控技術全稱微動控制技術，主要功能是對機械設備的細微動作進行控制，其應用普遍需要建立在動態反饋技術與智能調節技術的基礎上。但該項技術的作用無可取代，即現代機電一體化生產對于產品質量的要求越來越高，間接對機電一體化生產精度也提出了更高的要求。如何滿足精度要求成為了各領域重點關注的事項，而通過以往技術手段，很難保障設備精度達標，可以說受限于以往技術水平，機械設備精度難以提升。而微控技術解決了這一問題，其從控制角度上提高了設備制造時相關操作的精度，而高精度的制造操作將有效提高機械設備的精度，再然后高精度的機械設備在機電一體化生產中就能有效提高生產精度，促使產品質量滿足當下要求。目前，微控技術在全世界已經得到的使用，根據具體使用形式可以看出，該項技術同樣是一種智能化技術，原因在于該項技術最大的特點為參數化控制，借助高位數的參數對目標進行控制，而這一點的實現就非常依賴智能終端系統，即只有智能終端系統才能對高位數的參數進行計算，得出精度同樣高的制造指令，因此在機電一體化綜合應用場景中引入該項技術，相當于將機電一體化與智能化技術融合[6]。

3.2 智能化技術與機電一體化融合的發展趨勢

現階段，機電一體化與智能化技術的融合已經開始正式發展，一些研究者對兩者融合的可能性進行了研究，提出了一些未來可能實現的融合發展趨勢，其中比較主要的是納米芯片技術、全場景動態捕捉，具體如下所述。

3.2.1 納米芯片技術

納米芯片技術是微控技術的“升級版”，即當前的微控技術主要是以高傳導半導體技術為基礎的，雖然具有良好的控制效果，但在功耗以及應用靈活性上有所欠缺，因此研究者認為要消除這些缺陷，就應當給微控技術提供一個更加優質的基礎，納米芯片技術就是在這樣的背景下被提出的。納米芯片技術的核心為納米芯片，其體積較小，因此在理論上功耗也很小，同時也能更加靈活地應用于不同場景中。

3.2.1 全場景動態捕捉

全場景動態捕捉的主要功能為：在機電一體化機械設備制造的可視范圍以內，實現點對點的位置控制，這區別于當前單元化控制模式，精度上更高、可控性更強，因此全場景動態捕捉技術得到了人們的關注[7]。同時，全場景動態捕捉在系統運行自由度上更高，遠超現行模塊化動態捕捉技術，這有利于更好地調動機械設備制造資源。

4 結語

機電一體化依賴各種機械設備，因此機械設備對機電一體化的生產或其他運作有很大的影響，故為了提高生產等運作體系的效率、質量、功能性，有必要讓智能化技術與機電一體化的機械設備制造相互結合，并將前者深化到生產過程中，予以智能化機械設備生產基礎支撐。