機電一體化技術在智能制造中的應用

李成偉

（洛陽澗光工程技術有限公司，河南 洛陽 471000）

1 機電一體化技術與智能制造概述

1.1 機電一體化技術

采用機電一體化技術的產品在功能、性能等方面具有諸多的優勢，集合了多種功能，能夠適應多種不同應用情景，滿足相應的使用需求，應變能力極強[1]；該技術縮減了傳動類部件的使用量，簡化了產品結構，控制了受力變形磨損帶來的誤差，通過控制技術與計算機檢測技術減少動態誤差，所以制造的產品精度水平比較高；機電一體化產品具備安全連鎖控制、自動保護、自動診斷、報警與自動監控等自動化功能，能夠最大化地保障安全性，降低使用期間的事故的發生率；機電一體化產品還具有極為便捷的數字顯示功能，可提供友好的人機互動界面，使手柄與操作按鈕的使用數量少，設備操作性能良好，操作方式也較為簡單。

1.2 智能制造

智能制造系統采用人機一體化的形式，使用者在系統中處于核心地位，與智能化機器進行配合，二者相輔相成；虛擬現實技術在智能化與虛擬化制造系統中可發揮重要作用，能夠通過傳感設備與音像裝置，以虛擬化的方式展示產品與制造過程；智能制造還具有自組織超柔性，系統中的各個單元可依照具體的使用需求，自動組合出最優結構，無論是結構形式，還是運行方式，都具有柔性化的特點；智能制造系統在運行過程中能夠不斷更新知識庫，其本身具有強大的自動學習能力，即使系統中有設備出現故障，也能夠自動診斷、排除故障，完成自動維護。

2 機電一體化技術在智能制造中的應用

2.1 在工業機器人制造中的應用

工業機器人由控制部分、傳感部分與機械部分構成。當前的工業機器人具有串聯與并聯兩種機械結構，早期多選擇串聯機構，采用并聯結構的機器人自由度更高[2]。并聯結構由手臂與手腕組成，手腕主要負責連接機器人主體與工具，手臂決定機器人的活動空間，并聯型機器人還有運動負荷偏小，微動精度水平高、承載能力強等優點，同時其結構更加穩定。

驅動系統的作用是為機械結構供給動力，驅動系統的主要傳動方式有機械式、電氣式、氣壓式與液壓式：并聯加工機器人或者大型重載類機器人多采用液壓系統，這種系統的設計成本較高，同時還存在噪聲與泄漏等使用問題；氣壓驅動系統多被應用到末端執行器上，雖然其價格不高、維修容易實現，系統結構并不復雜，運行速度快，但是其定位精度較差，工作壓強不高；大部分工業機器人都采用電氣驅動的傳動方式，充電方式便捷、響應速度快、驅動力強是電力驅動系統的主要優勢，其處理、傳遞與檢測信號的功能都極易實現，控制方式也更為靈活，驅動電機包括伺服電機與步進電機。

感知系統可以將機器人的外部環境信息與內部狀態信息對應的信號轉換為機器人能夠應用與理解的信息。借助視覺感知系統可改變機器人的姿態與所處位置，外部傳感器與內部傳感器共同構成感知系統，給機器人應用智能傳感器后，其智能化水平大幅提升，適應性與機動性也有所增強。機器人依靠環境交互系統可以與外部設備保持相互協調，可將外部設備與機器人集成裝配單元、焊接單元或者加工制造單元等，也可以在一個功能單元中集成多個機器人，用以處理特殊或者復雜的制造任務。人機交互系統主要有危險信號報警裝置、信息顯示板、指令控制臺與計算機標準終端。控制系統需要依照傳感器傳送的信號與作業指令，控制機器人的執行機構，進行相應的動作。控制系統主要有人工智能化控制系統、適應性控制系統與程序控制系統。

2.2 在數控機床中的應用

2.2.1 傳感技術

傳感技術的載體是傳感器，可以對指定物質或者周邊環境進行感知，包括人體、溫濕度、光線與氣體等，將模擬信號轉變為數字信號，中央處理器進行信號處理，從而為使用者提供溫濕度數據、光線強度參數與氣體濃度參數等[3]。將傳感技術應用到智能制造活動中時，應確保裝置滿足靈敏性與準確性要求，避免傳感器受到其他非目標信號的其他信號的干擾。在應用傳感器設備的基礎上，還需進一步構建傳感器網絡，傳感器可對目標信號進行收集，無線型傳感器網絡可傳輸信息，計算機獲取傳感設備發送的信息之后，即可展開處理與分析，實現對生產制造過程的控制。光纖電纜傳感器在生產制造領域中的使用率比較高，其采用的檢測手段具有非接觸性特點，同時應用標準化、統一化的接口，也可選擇具有更大的成本優勢的串行接口。

智能傳感器集合了信息存儲、信息交換、信息處理與信息采集等多種功能，系統中應用了軟件算法、驅動程序、微處理器、通信芯片與傳感單元[4]。智能傳感器已經成為當前智能制造系統的基礎技術之一，物流、檢測與生產領域中都需要應用傳感器裝置。以數控機床為例，對壓力、速度、位置以及位移情況進行檢測時，都需要應用高性能型傳感器，以此來實時地監督機床中的刀具磨損情況、產品加工情況，并及時地校正與補償加工中的誤差，提高產品合格率。當前的數控機床已經逐步形成明顯的智能化升級趨勢，因此更需要有視覺傳感器來滿足可視化監督需求，實現智能監控的技術目標。工業制造領域中出現了越來越多的新材料與新技術，給新型傳感器創造了良好的應用環境，傳感器對制造領域的影響也愈加重要，新型傳感器在未來的發展中將不斷提升靈敏度，并保持低功耗、微型化、智能化、多功能化等發展趨勢，以此來更好地支持工業制造活動。

2.2.2 數控生產技術

數控技術體系中的數控機床是典型的機電一體化產品，其內部應用自動化控制系統與精密機械，定位精度極高，機床本身的結構與傳動系統的熱穩定性與剛度都很高；數控系統可以對誤差進行自動補償。智能制造中應用的數控系統提供的零件產品的一致性良好，質量相對穩定。數控機床的切削用量更大，有利于縮短加工時間，數控機床還能夠實現各種自動化操作，充分提升了加工效率，加工期間可以縮減測量與檢驗的環節。使用者可根據零件加工需求，預先設計與之對應的數控程序，通過數控機床完成自動化加工任務，若作為加工對象的零部件出現變動，直接調整數控程序即可，相比采用樣板、靠板等專門的工藝裝備，生產周期更短，加工系統自身適應性較強，能夠更好地應對當前產品更新速度較快的現狀。僅應用常規的手工加工技術很難加工出符合質量要求的復雜型機械零件，數控機床在加工曲面零件或者曲線復雜的零件時有良好的使用效果，通過聯動多坐標軸即可實現加工目標。數控機床支持一機多用，在一次裝夾的條件下，可滿足零件大多數工序的實際加工需求；數控機床集合多項工序，通過一臺數控機床可對多臺常規機床進行替代，以此省略工序之間的裝夾、測量以及運輸等環節，縮短加工需要的時間，節省機床所占據的空間，以此創造更高的生產效益。

2.3 專家系統在人工智能中的應用

專家系統來自人工智能應用領域，主要借助來自人類專家的專業化知識來應對與處理智能制造中的問題。這一系統綜合應用了計算機技術與人工智能技術，依靠專家的經驗與知識，模擬人類決策過程，通過判斷與推理來探求問題的解決辦法。知識庫、推理機以及人機界面等共同組成專家系統。知識庫的主要用來存儲專家提供的知識與經驗，在解決實際問題時，需要應用知識庫中知識資源來對專家的思維方式進行模擬；專家系統的質量水平由知識庫中的知識數量與質量決定，使用者需要不斷地對知識庫進行完善與升級，從而強化專家系統的性能；推理機根據具體問題的已知信息，對知識庫內部的規則進行反復多次匹配，獲取與問題的解決措施，推理方式有反向推理與正向推理兩種。

2.4 自動化生產技術在生產線中的應用

自動化生產線在聯結設備時主要采用柔性或者剛性的聯結方式。采用剛性聯結方式時，工序之間不設置儲料裝置，工件的傳送與加工過程均要保持良好的節奏性，若生產線中有一臺設備出現異常，生產線將直接停工，因此選擇剛性聯結方式時，對于其中的設備有更加嚴苛的要求；柔性聯結方式的使用情況與之不同，各個工序之間增設了儲料裝置，不同工序也不需要保持完全一致的作業節奏，若有設備無法運行，可通過儲料裝置來發揮平衡與調節作用，避免其他設備受到影響，因此當組合型機床自動化生產線較長時往往會選擇柔性聯結方式，自動化裝配線與綜合自動化生產線也多采用柔性聯結方式，以此規避停工的風險。

2.5 柔性制造技術在設備加工中的應用

柔性制造系統中的關鍵技術包括計算機輔助技術、模糊控制技術、傳感器技術、專家系統、人工智能系統、綜合控制系統與人工神經網絡技術。在諸多技術的影響下，系統顯現出機器柔性，若生產來自同一個系統但是類別不同的零件或者產品，加工設備可依照產品的變動完成難度不同的加工任務。系統具有工藝柔性，在不調整工藝流程的前提下，能夠對原材料與產品本身的變化進行適應。產品柔性體現在更新產品后，系統能夠繼承或者兼容原來產品的特性；當產品完全轉向或者完成更新之后，柔性系統能夠在較短的時間內就具備生產新型產品的能力；柔性系統還具有維護柔性的特點，可通過多種不同的方式來處理故障問題、查詢故障信息，恢復系統的生產加工能力；生產柔性是柔性制造系統最重要的特征，即使生產量出現變化，系統仍舊能夠保持經濟化的運行方式，結合訂貨情況，組織生產活動。相比其他的制造系統，柔性制造系統具有良好的擴展能力，能夠依照生產需求，在現有系統的基礎上進行擴展，通過增設新的功能模塊來賦予系統新的能力。

3 結語

越來越多的機電一體化技術進入智能制造領域，滿足多種制造需求，提高產品制造效率與質量。智能制造模式逐步取代傳統化的生產制造模式，在產品質量與生產效率等方面具有更好的表現。機電一體化技術在升級智能制造模式的工作中發揮了重要作用，應繼續開發升級機電一體化技術，提升其智能化與自動化水平，從而推動我國工業制造產業全面升級。