机电一体化技术在智能制造中的应用

李成伟

（洛阳涧光工程技术有限公司，河南 洛阳 471000）

1 机电一体化技术与智能制造概述

1.1 机电一体化技术

采用机电一体化技术的产品在功能、性能等方面具有诸多的优势，集合了多种功能，能够适应多种不同应用情景，满足相应的使用需求，应变能力极强[1]；该技术缩减了传动类部件的使用量，简化了产品结构，控制了受力变形磨损带来的误差，通过控制技术与计算机检测技术减少动态误差，所以制造的产品精度水平比较高；机电一体化产品具备安全连锁控制、自动保护、自动诊断、报警与自动监控等自动化功能，能够最大化地保障安全性，降低使用期间的事故的发生率；机电一体化产品还具有极为便捷的数字显示功能，可提供友好的人机互动界面，使手柄与操作按钮的使用数量少，设备操作性能良好，操作方式也较为简单。

1.2 智能制造

智能制造系统采用人机一体化的形式，使用者在系统中处于核心地位，与智能化机器进行配合，二者相辅相成；虚拟现实技术在智能化与虚拟化制造系统中可发挥重要作用，能够通过传感设备与音像装置，以虚拟化的方式展示产品与制造过程；智能制造还具有自组织超柔性，系统中的各个单元可依照具体的使用需求，自动组合出最优结构，无论是结构形式，还是运行方式，都具有柔性化的特点；智能制造系统在运行过程中能够不断更新知识库，其本身具有强大的自动学习能力，即使系统中有设备出现故障，也能够自动诊断、排除故障，完成自动维护。

2 机电一体化技术在智能制造中的应用

2.1 在工业机器人制造中的应用

工业机器人由控制部分、传感部分与机械部分构成。当前的工业机器人具有串联与并联两种机械结构，早期多选择串联机构，采用并联结构的机器人自由度更高[2]。并联结构由手臂与手腕组成，手腕主要负责连接机器人主体与工具，手臂决定机器人的活动空间，并联型机器人还有运动负荷偏小，微动精度水平高、承载能力强等优点，同时其结构更加稳定。

驱动系统的作用是为机械结构供给动力，驱动系统的主要传动方式有机械式、电气式、气压式与液压式：并联加工机器人或者大型重载类机器人多采用液压系统，这种系统的设计成本较高，同时还存在噪声与泄漏等使用问题；气压驱动系统多被应用到末端执行器上，虽然其价格不高、维修容易实现，系统结构并不复杂，运行速度快，但是其定位精度较差，工作压强不高；大部分工业机器人都采用电气驱动的传动方式，充电方式便捷、响应速度快、驱动力强是电力驱动系统的主要优势，其处理、传递与检测信号的功能都极易实现，控制方式也更为灵活，驱动电机包括伺服电机与步进电机。

感知系统可以将机器人的外部环境信息与内部状态信息对应的信号转换为机器人能够应用与理解的信息。借助视觉感知系统可改变机器人的姿态与所处位置，外部传感器与内部传感器共同构成感知系统，给机器人应用智能传感器后，其智能化水平大幅提升，适应性与机动性也有所增强。机器人依靠环境交互系统可以与外部设备保持相互协调，可将外部设备与机器人集成装配单元、焊接单元或者加工制造单元等，也可以在一个功能单元中集成多个机器人，用以处理特殊或者复杂的制造任务。人机交互系统主要有危险信号报警装置、信息显示板、指令控制台与计算机标准终端。控制系统需要依照传感器传送的信号与作业指令，控制机器人的执行机构，进行相应的动作。控制系统主要有人工智能化控制系统、适应性控制系统与程序控制系统。

2.2 在数控机床中的应用

2.2.1 传感技术

传感技术的载体是传感器，可以对指定物质或者周边环境进行感知，包括人体、温湿度、光线与气体等，将模拟信号转变为数字信号，中央处理器进行信号处理，从而为使用者提供温湿度数据、光线强度参数与气体浓度参数等[3]。将传感技术应用到智能制造活动中时，应确保装置满足灵敏性与准确性要求，避免传感器受到其他非目标信号的其他信号的干扰。在应用传感器设备的基础上，还需进一步构建传感器网络，传感器可对目标信号进行收集，无线型传感器网络可传输信息，计算机获取传感设备发送的信息之后，即可展开处理与分析，实现对生产制造过程的控制。光纤电缆传感器在生产制造领域中的使用率比较高，其采用的检测手段具有非接触性特点，同时应用标准化、统一化的接口，也可选择具有更大的成本优势的串行接口。

智能传感器集合了信息存储、信息交换、信息处理与信息采集等多种功能，系统中应用了软件算法、驱动程序、微处理器、通信芯片与传感单元[4]。智能传感器已经成为当前智能制造系统的基础技术之一，物流、检测与生产领域中都需要应用传感器装置。以数控机床为例，对压力、速度、位置以及位移情况进行检测时，都需要应用高性能型传感器，以此来实时地监督机床中的刀具磨损情况、产品加工情况，并及时地校正与补偿加工中的误差，提高产品合格率。当前的数控机床已经逐步形成明显的智能化升级趋势，因此更需要有视觉传感器来满足可视化监督需求，实现智能监控的技术目标。工业制造领域中出现了越来越多的新材料与新技术，给新型传感器创造了良好的应用环境，传感器对制造领域的影响也愈加重要，新型传感器在未来的发展中将不断提升灵敏度，并保持低功耗、微型化、智能化、多功能化等发展趋势，以此来更好地支持工业制造活动。

2.2.2 数控生产技术

数控技术体系中的数控机床是典型的机电一体化产品，其内部应用自动化控制系统与精密机械，定位精度极高，机床本身的结构与传动系统的热稳定性与刚度都很高；数控系统可以对误差进行自动补偿。智能制造中应用的数控系统提供的零件产品的一致性良好，质量相对稳定。数控机床的切削用量更大，有利于缩短加工时间，数控机床还能够实现各种自动化操作，充分提升了加工效率，加工期间可以缩减测量与检验的环节。使用者可根据零件加工需求，预先设计与之对应的数控程序，通过数控机床完成自动化加工任务，若作为加工对象的零部件出现变动，直接调整数控程序即可，相比采用样板、靠板等专门的工艺装备，生产周期更短，加工系统自身适应性较强，能够更好地应对当前产品更新速度较快的现状。仅应用常规的手工加工技术很难加工出符合质量要求的复杂型机械零件，数控机床在加工曲面零件或者曲线复杂的零件时有良好的使用效果，通过联动多坐标轴即可实现加工目标。数控机床支持一机多用，在一次装夹的条件下，可满足零件大多数工序的实际加工需求；数控机床集合多项工序，通过一台数控机床可对多台常规机床进行替代，以此省略工序之间的装夹、测量以及运输等环节，缩短加工需要的时间，节省机床所占据的空间，以此创造更高的生产效益。

2.3 专家系统在人工智能中的应用

专家系统来自人工智能应用领域，主要借助来自人类专家的专业化知识来应对与处理智能制造中的问题。这一系统综合应用了计算机技术与人工智能技术，依靠专家的经验与知识，模拟人类决策过程，通过判断与推理来探求问题的解决办法。知识库、推理机以及人机界面等共同组成专家系统。知识库的主要用来存储专家提供的知识与经验，在解决实际问题时，需要应用知识库中知识资源来对专家的思维方式进行模拟；专家系统的质量水平由知识库中的知识数量与质量决定，使用者需要不断地对知识库进行完善与升级，从而强化专家系统的性能；推理机根据具体问题的已知信息，对知识库内部的规则进行反复多次匹配，获取与问题的解决措施，推理方式有反向推理与正向推理两种。

2.4 自动化生产技术在生产线中的应用

自动化生产线在联结设备时主要采用柔性或者刚性的联结方式。采用刚性联结方式时，工序之间不设置储料装置，工件的传送与加工过程均要保持良好的节奏性，若生产线中有一台设备出现异常，生产线将直接停工，因此选择刚性联结方式时，对于其中的设备有更加严苛的要求；柔性联结方式的使用情况与之不同，各个工序之间增设了储料装置，不同工序也不需要保持完全一致的作业节奏，若有设备无法运行，可通过储料装置来发挥平衡与调节作用，避免其他设备受到影响，因此当组合型机床自动化生产线较长时往往会选择柔性联结方式，自动化装配线与综合自动化生产线也多采用柔性联结方式，以此规避停工的风险。

2.5 柔性制造技术在设备加工中的应用

柔性制造系统中的关键技术包括计算机辅助技术、模糊控制技术、传感器技术、专家系统、人工智能系统、综合控制系统与人工神经网络技术。在诸多技术的影响下，系统显现出机器柔性，若生产来自同一个系统但是类别不同的零件或者产品，加工设备可依照产品的变动完成难度不同的加工任务。系统具有工艺柔性，在不调整工艺流程的前提下，能够对原材料与产品本身的变化进行适应。产品柔性体现在更新产品后，系统能够继承或者兼容原来产品的特性；当产品完全转向或者完成更新之后，柔性系统能够在较短的时间内就具备生产新型产品的能力；柔性系统还具有维护柔性的特点，可通过多种不同的方式来处理故障问题、查询故障信息，恢复系统的生产加工能力；生产柔性是柔性制造系统最重要的特征，即使生产量出现变化，系统仍旧能够保持经济化的运行方式，结合订货情况，组织生产活动。相比其他的制造系统，柔性制造系统具有良好的扩展能力，能够依照生产需求，在现有系统的基础上进行扩展，通过增设新的功能模块来赋予系统新的能力。

3 结语

越来越多的机电一体化技术进入智能制造领域，满足多种制造需求，提高产品制造效率与质量。智能制造模式逐步取代传统化的生产制造模式，在产品质量与生产效率等方面具有更好的表现。机电一体化技术在升级智能制造模式的工作中发挥了重要作用，应继续开发升级机电一体化技术，提升其智能化与自动化水平，从而推动我国工业制造产业全面升级。