机电一体化技术在智能制造中的应用研究与分析

陈 利， 胡茂凌

（四川中烟工业有限责任公司， 四川 成都 610016）

0 引言

制造业是我国国民经济的重要构成部分，市场环境日渐激烈，要想走出国门获得长足发展，就必须要持续推进生产技术创新，而通过对机电一体化技术应用力度的加大，可以在一定程度上使得制造智能化水平迈向新台阶，进而实现生产质效双提升，助力我国工业生产高质量发展，以满足社会多元化的发展需求，为地区经济可持续增长贡献力量，促进国民经济畅通循环。

1 机电一体化技术概述

机电一体化技术作为一种新技术，是以传统机械技术为基础，并将传感技术、微电子技术、信息技术、信号变化技术、接口技术等结合起来的综合性技术[1]。 在我国工业领域应用机电一体化技术可以构建集约型工业生产新模式。 就目前而言，该技术在我国制造业领域应用十分广泛，通过模拟人脑可以综合评估和动态化监控制造生产各环节，从而为企业提供全面详实的参考信息，助力企业优化生产流程，提高生产效率，降低生产成本。

机电一体化产品最突出的特点就是打破了技术与功能的局限性，其集多种技术和功能于一体，尤其是在智能制造中应用功能被放大。 而且，机电一体化产品适用领域较广，可以满足不同用户的多元需求。 此外，依托机电一体化技术还能使得机械设备结构更加精简， 尤其是传动部件得以简化，能够减小因机械磨损、受力变形等导致的作业误差， 同时凭借着计算机检测技术与控制技术对外界干扰所形成的动态误差进行校正， 从而使得制造精度得以提升[2]。 不仅如此，机电一体化产品还能实现自动监测、预警、诊断、保护，这些功能使得发生人身伤害、设备故障等的几率降低，设备安全性能提升。

2 机电一体化技术在智能制造中的应用必要性

我国制造业转型升级具有紧迫性和必要性，尤其是对于工业智能化、数字化的需求越来越强烈。 如何依托机电一体化技术助力“制造强国”建设，已成为当前社会各界关注的焦点和热点话题。 伴随着以互联网为代表的新一轮信息技术革命的掀起， 使得人类生活方式发生明显改变，这也倒逼传统产业必须要加快革命步伐，传统制造业智能化发展成为必然趋势。但若是智能技术与制造业、实体经济这个基础脱节，其价值难以最大化发挥。我国作为制造业第一大国，2021 年，制造业增加值规模达31.4 万亿元，GDP占比高达27.4%，智能制造发展空间广阔。党的十九大报告中亦提出要进一步推动实际经济与互联网、大数据、人工智能的深度融合。 一方面，随着制造强国建设进程加快，将促进机电一体化技术的发展和应用， 助推传统产业转型升级，实现制造业整体性突破。 另一方面，随着机电一体化地层技术开源化，制造业有望依托其积累行业数据，实现机电一体化技术与实体经济的深度融合。 对此，深入探究机电一体化技术的应用，有助于推动我国制造业智能化转型。

3 机电一体化技术在智能制造中的实践运用策略

3.1 数控技术

在我国工业体系中，制造业占据着主导地位，且随着行业的不断发展，相关技术手段不断更新，前瞻性较强。且随着机电一体化技术的发展，为机械制造业提供了全新的机遇。数控技术作为一种控制手段， 主要借助数字信息对机械运动和过程进行控制，能够有效提高制造业生产效率，减少人为误差。首先，数控技术操控非常灵活，可应用于各种智能操作系统，有效保障系统内部数据处理、分析、采集的精准性和高效性。其次，依托数控技术能够使得操作流程更加简化，只需要提前设定好数控程序，数控机床就能自主工作，从而减少操作人员工作量[3]。 最后，数控技术在智能制造中应用非常广泛，可以使机床自主工作、自主判断、自主分析，从而提高工作效率。同时，还能降低高自动化生产中高精度加工的难度，有效保障高精度零件的生产质量。 当前，在智能制造领域中所使用的数控技术多为CPU+总线模式，可实现三维仿真模拟，机电一体化技术得以充分凸显。

3.2 传感技术

近年来，数字经济浪潮席卷全球，加之工业4.0、中国制造2025 等战略部署出台， 加速推进了新一轮产业革命，智能制造成为焦点。其中智能传感技术作为机电一体化技术的核心技术之一， 在保障国家工业平稳发展中具有非常重要的作用。因具有较快的运行效率，传感器在运行时可以对动态化图形数据进行实时收集， 然后通过传感器传输手段， 第一时间反馈所收集到的图像信息。 同时，因传感技术运行效率高，因此能够很好地减少生产时间， 从而控制生产成本， 为智能制造提供数据与技术保障。传感技术还可以进行高质量数据处理，当数据传输到传感器后，基于终端系统控制，能够开展数据信息处理，从而满足制造生产需求。 在智能制造中传感技术主要应用于数控机床之中，尤其是在位移、位置、速度、压力检测方面基本上都安装有高性能传感器， 能够实时监控加工状态、刀具状态、磨损情况等，可对误差进行灵活的补偿与自校正[4]。 不仅如此，依托视觉传感器的可视化监控技术还能实现对数控机床的智能监控。在配电系统中，传感技术的运用也非常广泛， 配电系统在日常的运行中存在着较大的风险， 需要24h 对配电系统的运行状态进行监视和监控，传感技术可对配电系统的电压、电流、关键点位温度进行实时的监控，同时还可以通过视觉传感技术对配电房和重要设备进行可视化监控，有效降低了配电系统的风险和管理难度，提升了配电系统的安全性和可靠性。

3.3 柔性制造系统

2021 年，我国制造业增加值占GDP 比重27.45%，连续12 年增加值总量位居世界首位。 伴随着工业4.0 时代的来临，依托“互联网+”使得制造业发展前景广阔，尤其是机电一体化技术在制造业中的广泛应用， 使得传统工业产销形式发生改变，柔性生产成为必然趋势。柔性制造系统包括信息控制系统、物料储运系统等部分，可实现自动转换加工对象，体现出了智能制造的特征。不仅如此，在智能制造中运用柔性制造系统不仅能够对产品生产过程进行深度了解， 同时也能够为生产过程中的相关决策提供依据，如加工设备应用、物料储运等。例如，在产品生产环节，依托柔性制造系统进行数字化评估，精准分析需求，从而实现以需定产[5]；又比如在制定生产方案时，依托5G、工业互联网平台，通过大数据进行分析，AI 进行智能决策。此外，柔性制造系统还能使得智能制造供应链、物流等环节的柔性程度得到提升，有利于构建协同关系。如通过对物流路径进行柔性管理，可推动资源动态协同，通过精益排产与调度，能够使得设备使用率大幅度提升；供应链柔性则有利于优化生产流程，通过精准化生产实现“零库存”目标，从而降低库存压力，减少库存积压情况的发生。

3.4 智能机器人

智能制造是中国制造的必然走向， 而机器人则是智能制造的基础设施。智能机器人核心技术包括视觉、人机交互、传感技术等，是机电一体化技术的重要分支。 焊接作为工业“裁缝”，是制造业非常常见的加工方式，但通常情况下焊接工作环境不佳， 对工人身心健康都有着很大的影响，加之降本增效需求的不断提升，传统焊接供需矛盾日渐尖锐。工业焊接机器人具有非常紧凑的结构，主要依靠智能控制系统进行机器人控制、数据存储等操作，通过编程将数据传输到控制系统中， 系统就能够根据数据设置相应的参数。 此外，在工业焊接机器人中还安装有各类型传感器，如视觉传感器、力学传感器、质量传感器、防碰撞传感器等，通过这些传感器可以准确快速向控制系统传递焊缝位置、规格等信息，同时还能对焊接质量进行动态化实时监控，一旦发现问题系统将立即报警[6]。可见，依托智能机器人能够实现焊接智能化、自动化，而且在焊接时全程由机器人代替工人在恶劣的生产环境中工作， 对于预防职业病有着很好地作用，同时还能帮助企业降低人力成本，减少人工支出。 此外，运用智能机器人还能对生产流程进行规范，有效避免因人为操作失误造成的误差，提高工件加工精度。 并且智能机器人不受外界环境因素的影响，即便生产环境存在一定的安全隐患和危险指数，依旧可以确保生产有序进行，极大提高了我国智能制造生产效率。

3.5 自动化生产控制技术

在智能制造领域中应用机电一体化技术， 其中最为常见的技术手段就是自动化生产控制技术， 其主要由微电子设备、可编程序控制装备、人机界面控制装置、光电控制系统等设备组成。以PLC 控制系统为例，其可以对各种操控算法程序进行编制，实现闭环操作，使得质料和动力消耗得以有效降低， 其在智能制造数控机床中的应用十分普遍。首先，运用PLC 技术对电气控制系统的运行过程进行掌握，从而采集相关数据，在这一过程中PLC 技术具有断开和接通外部电路的功能， 经过接口向映像寄存器进行传输，达到执行数控设备的功能[7]。 其次，PLC 技术与电气控制系统内部的组件结合， 通过对操作指令进行解析，根据指令开展各项操作。 最后，基于PLC 技术完成输入和执行操作后，寄存器内含有输入信号，当指令结束后，将继电器状态进行输出，经由锁存器转存，从而实现外部控制。有效降低能源消耗，自动化生产控制技术发挥着重要的作用，例如，制造业的生产过程中，我们可以通过自动化生产控制技术对水电气汽的使用实现精准控制，可以通过数据模型的分析，可以在生产结束前一定时间内关闭中央空调，从而也能保证工艺指标达标，而不是传统的生产结束后才关闭中央空调，导致能源的浪费。总之， 基于PLC 技术的自动化生产控制技术不仅可以提高设备加工速度，还能增强加工精度以及能源消耗。

4 机电一体化技术的发展前景展望

随着现代科技的不断发展， 电子装备不断向高频段、高密度、高精度、小型化的方向发展，机电之间耦合性不断增强。因此，机电一体化也迈进了机电耦合新阶段，表现出较机电综合更加理性的机电一体化， 其主要特征有两方面：一方面是不仅可以对机械、电磁、热等自动数值进行仿真分析，同时也确保了各个学科之间信息传递更加真实可靠。另一方面通过数学将基于物理量耦合的多物理系统的耦合理论模型导出，对非线性机械结构因素影响电性能的机理进行了探明。可以看出，与机电综合相比，机电耦合存在本质上的区别，性质有了飞跃性改变。 而伴随着电子技术、信息技术、材料学等学科的不断发展与成熟，今后机电一体化电子设备发展将具有极端性特征，具体表现为极端频率和极端环境，这些都使得机电耦合理论与技术研究面临更多困境，因此未来研究应着重解决好以下问题：一是如何建立电磁场、结构位移场、温度场之间的耦合理论模型（electro-mechanical coupling，EMC），这些直接关系到电子装备的研发，因此EMC 之间存在着相互依存、相互制约的关系，必须要明确揭示出彼此之间的耦合关系与影响因素，梳理多领域、多场之间的耦合机制，多工况之间的影响因素，并通过定量数学关系式来进行描述。 二是电子装备非线性机械结构因素，如结构参数、制造精度等愈发明显，从而影响着电子装备的电磁性能，急需对这些非线性因素影响电性能的规律进行探索总结，进而摸清其对电性能的影响机理（influence mechanism，IM）。三是加强对机电耦合设计方法的研究。 着重对耦合理论模型、IM 特点与规律等进行综合研究，从而提出科学合理的机电设备耦合设计方法，做好机、电、热分析模型的难点处理工作，强化解决机、电、热之间数值分析网络滑移问题。 四是明确耦合度的数学表征，从理论角度出发，可以对任何耦合进行度量。但为了对物理系统之间的耦合进行更加深入的探索，就需要建立一种通用的数学表征方法进行耦合度量，从而列出能够对耦合度进行计算的数学表达式。五是未来机电一体化必将朝着机电耦合方向发展，其在制造领域中的应用将呈现出更深度的融合。尤其是在各种机电装备中都会存在着机电耦合技术， 是推动智能制造迭代的关键性技术之一，对于推动高端装备制造转型升级有着重要的作用。

伴随着科技革命新时代的来临，尤其是以智能化、数字化、网络化为代表的智能制造的出现，制造业与机电技术的融合将更加深入， 而这一融合也客观体现出了机电耦合理论的实际应用， 可见未来机电耦合成为机电一体化研究和发展的重要方向，具有广阔的发展前景。

5 结束语

总而言之， 机电一体化技术对于智能制造领域而言作用显著，不仅能够改变传统的制造业生产模式，同时也能推动我国制造业智能化转型，其应用前景极为广阔。而机电一体化技术涉及领域较多，包含众多先进的技术，制造企业必须要持续深入探索和研究， 切实发挥其技术价值，有效应用到智能制造中，从而提高我国制造业水平，真正实现从制造大国向制造强国转变。