陳 利， 胡茂凌

（四川中煙工業(yè)有限責(zé)任公司， 四川 成都 610016）

0 引言

制造業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的重要構(gòu)成部分，市場環(huán)境日漸激烈，要想走出國門獲得長足發(fā)展，就必須要持續(xù)推進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新，而通過對機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用力度的加大，可以在一定程度上使得制造智能化水平邁向新臺(tái)階，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)質(zhì)效雙提升，助力我國工業(yè)生產(chǎn)高質(zhì)量發(fā)展，以滿足社會(huì)多元化的發(fā)展需求，為地區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)增長貢獻(xiàn)力量，促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)暢通循環(huán)。

1 機(jī)電一體化技術(shù)概述

機(jī)電一體化技術(shù)作為一種新技術(shù)，是以傳統(tǒng)機(jī)械技術(shù)為基礎(chǔ)，并將傳感技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、信號(hào)變化技術(shù)、接口技術(shù)等結(jié)合起來的綜合性技術(shù)[1]。 在我國工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)可以構(gòu)建集約型工業(yè)生產(chǎn)新模式。 就目前而言，該技術(shù)在我國制造業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，通過模擬人腦可以綜合評估和動(dòng)態(tài)化監(jiān)控制造生產(chǎn)各環(huán)節(jié)，從而為企業(yè)提供全面詳實(shí)的參考信息，助力企業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)流程，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

機(jī)電一體化產(chǎn)品最突出的特點(diǎn)就是打破了技術(shù)與功能的局限性，其集多種技術(shù)和功能于一體，尤其是在智能制造中應(yīng)用功能被放大。 而且，機(jī)電一體化產(chǎn)品適用領(lǐng)域較廣，可以滿足不同用戶的多元需求。 此外，依托機(jī)電一體化技術(shù)還能使得機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)更加精簡， 尤其是傳動(dòng)部件得以簡化，能夠減小因機(jī)械磨損、受力變形等導(dǎo)致的作業(yè)誤差， 同時(shí)憑借著計(jì)算機(jī)檢測技術(shù)與控制技術(shù)對外界干擾所形成的動(dòng)態(tài)誤差進(jìn)行校正， 從而使得制造精度得以提升[2]。 不僅如此，機(jī)電一體化產(chǎn)品還能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測、預(yù)警、診斷、保護(hù)，這些功能使得發(fā)生人身傷害、設(shè)備故障等的幾率降低，設(shè)備安全性能提升。

2 機(jī)電一體化技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用必要性

我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級具有緊迫性和必要性，尤其是對于工業(yè)智能化、數(shù)字化的需求越來越強(qiáng)烈。 如何依托機(jī)電一體化技術(shù)助力“制造強(qiáng)國”建設(shè)，已成為當(dāng)前社會(huì)各界關(guān)注的焦點(diǎn)和熱點(diǎn)話題。 伴隨著以互聯(lián)網(wǎng)為代表的新一輪信息技術(shù)革命的掀起， 使得人類生活方式發(fā)生明顯改變，這也倒逼傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)必須要加快革命步伐，傳統(tǒng)制造業(yè)智能化發(fā)展成為必然趨勢。但若是智能技術(shù)與制造業(yè)、實(shí)體經(jīng)濟(jì)這個(gè)基礎(chǔ)脫節(jié)，其價(jià)值難以最大化發(fā)揮。我國作為制造業(yè)第一大國，2021 年，制造業(yè)增加值規(guī)模達(dá)31.4 萬億元，GDP占比高達(dá)27.4%，智能制造發(fā)展空間廣闊。黨的十九大報(bào)告中亦提出要進(jìn)一步推動(dòng)實(shí)際經(jīng)濟(jì)與互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能的深度融合。 一方面，隨著制造強(qiáng)國建設(shè)進(jìn)程加快，將促進(jìn)機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用， 助推傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)整體性突破。 另一方面，隨著機(jī)電一體化地層技術(shù)開源化，制造業(yè)有望依托其積累行業(yè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化技術(shù)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)的深度融合。 對此，深入探究機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用，有助于推動(dòng)我國制造業(yè)智能化轉(zhuǎn)型。

3 機(jī)電一體化技術(shù)在智能制造中的實(shí)踐運(yùn)用策略

3.1 數(shù)控技術(shù)

在我國工業(yè)體系中，制造業(yè)占據(jù)著主導(dǎo)地位，且隨著行業(yè)的不斷發(fā)展，相關(guān)技術(shù)手段不斷更新，前瞻性較強(qiáng)。且隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，為機(jī)械制造業(yè)提供了全新的機(jī)遇。數(shù)控技術(shù)作為一種控制手段， 主要借助數(shù)字信息對機(jī)械運(yùn)動(dòng)和過程進(jìn)行控制，能夠有效提高制造業(yè)生產(chǎn)效率，減少人為誤差。首先，數(shù)控技術(shù)操控非常靈活，可應(yīng)用于各種智能操作系統(tǒng)，有效保障系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)處理、分析、采集的精準(zhǔn)性和高效性。其次，依托數(shù)控技術(shù)能夠使得操作流程更加簡化，只需要提前設(shè)定好數(shù)控程序，數(shù)控機(jī)床就能自主工作，從而減少操作人員工作量[3]。 最后，數(shù)控技術(shù)在智能制造中應(yīng)用非常廣泛，可以使機(jī)床自主工作、自主判斷、自主分析，從而提高工作效率。同時(shí)，還能降低高自動(dòng)化生產(chǎn)中高精度加工的難度，有效保障高精度零件的生產(chǎn)質(zhì)量。 當(dāng)前，在智能制造領(lǐng)域中所使用的數(shù)控技術(shù)多為CPU+總線模式，可實(shí)現(xiàn)三維仿真模擬，機(jī)電一體化技術(shù)得以充分凸顯。

3.2 傳感技術(shù)

近年來，數(shù)字經(jīng)濟(jì)浪潮席卷全球，加之工業(yè)4.0、中國制造2025 等戰(zhàn)略部署出臺(tái)， 加速推進(jìn)了新一輪產(chǎn)業(yè)革命，智能制造成為焦點(diǎn)。其中智能傳感技術(shù)作為機(jī)電一體化技術(shù)的核心技術(shù)之一， 在保障國家工業(yè)平穩(wěn)發(fā)展中具有非常重要的作用。因具有較快的運(yùn)行效率，傳感器在運(yùn)行時(shí)可以對動(dòng)態(tài)化圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)收集， 然后通過傳感器傳輸手段， 第一時(shí)間反饋所收集到的圖像信息。 同時(shí)，因傳感技術(shù)運(yùn)行效率高，因此能夠很好地減少生產(chǎn)時(shí)間， 從而控制生產(chǎn)成本， 為智能制造提供數(shù)據(jù)與技術(shù)保障。傳感技術(shù)還可以進(jìn)行高質(zhì)量數(shù)據(jù)處理，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絺鞲衅骱?，基于終端系統(tǒng)控制，能夠開展數(shù)據(jù)信息處理，從而滿足制造生產(chǎn)需求。 在智能制造中傳感技術(shù)主要應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床之中，尤其是在位移、位置、速度、壓力檢測方面基本上都安裝有高性能傳感器， 能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控加工狀態(tài)、刀具狀態(tài)、磨損情況等，可對誤差進(jìn)行靈活的補(bǔ)償與自校正[4]。 不僅如此，依托視覺傳感器的可視化監(jiān)控技術(shù)還能實(shí)現(xiàn)對數(shù)控機(jī)床的智能監(jiān)控。在配電系統(tǒng)中，傳感技術(shù)的運(yùn)用也非常廣泛， 配電系統(tǒng)在日常的運(yùn)行中存在著較大的風(fēng)險(xiǎn)， 需要24h 對配電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和監(jiān)控，傳感技術(shù)可對配電系統(tǒng)的電壓、電流、關(guān)鍵點(diǎn)位溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，同時(shí)還可以通過視覺傳感技術(shù)對配電房和重要設(shè)備進(jìn)行可視化監(jiān)控，有效降低了配電系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)和管理難度，提升了配電系統(tǒng)的安全性和可靠性。

3.3 柔性制造系統(tǒng)

2021 年，我國制造業(yè)增加值占GDP 比重27.45%，連續(xù)12 年增加值總量位居世界首位。 伴隨著工業(yè)4.0 時(shí)代的來臨，依托“互聯(lián)網(wǎng)+”使得制造業(yè)發(fā)展前景廣闊，尤其是機(jī)電一體化技術(shù)在制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用， 使得傳統(tǒng)工業(yè)產(chǎn)銷形式發(fā)生改變，柔性生產(chǎn)成為必然趨勢。柔性制造系統(tǒng)包括信息控制系統(tǒng)、物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)等部分，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)換加工對象，體現(xiàn)出了智能制造的特征。不僅如此，在智能制造中運(yùn)用柔性制造系統(tǒng)不僅能夠?qū)Ξa(chǎn)品生產(chǎn)過程進(jìn)行深度了解， 同時(shí)也能夠?yàn)樯a(chǎn)過程中的相關(guān)決策提供依據(jù)，如加工設(shè)備應(yīng)用、物料儲(chǔ)運(yùn)等。例如，在產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)節(jié)，依托柔性制造系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化評估，精準(zhǔn)分析需求，從而實(shí)現(xiàn)以需定產(chǎn)[5]；又比如在制定生產(chǎn)方案時(shí)，依托5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，通過大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，AI 進(jìn)行智能決策。此外，柔性制造系統(tǒng)還能使得智能制造供應(yīng)鏈、物流等環(huán)節(jié)的柔性程度得到提升，有利于構(gòu)建協(xié)同關(guān)系。如通過對物流路徑進(jìn)行柔性管理，可推動(dòng)資源動(dòng)態(tài)協(xié)同，通過精益排產(chǎn)與調(diào)度，能夠使得設(shè)備使用率大幅度提升；供應(yīng)鏈柔性則有利于優(yōu)化生產(chǎn)流程，通過精準(zhǔn)化生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)“零庫存”目標(biāo)，從而降低庫存壓力，減少庫存積壓情況的發(fā)生。

3.4 智能機(jī)器人

智能制造是中國制造的必然走向， 而機(jī)器人則是智能制造的基礎(chǔ)設(shè)施。智能機(jī)器人核心技術(shù)包括視覺、人機(jī)交互、傳感技術(shù)等，是機(jī)電一體化技術(shù)的重要分支。 焊接作為工業(yè)“裁縫”，是制造業(yè)非常常見的加工方式，但通常情況下焊接工作環(huán)境不佳， 對工人身心健康都有著很大的影響，加之降本增效需求的不斷提升，傳統(tǒng)焊接供需矛盾日漸尖銳。工業(yè)焊接機(jī)器人具有非常緊湊的結(jié)構(gòu)，主要依靠智能控制系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)器人控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等操作，通過編程將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中， 系統(tǒng)就能夠根據(jù)數(shù)據(jù)設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。 此外，在工業(yè)焊接機(jī)器人中還安裝有各類型傳感器，如視覺傳感器、力學(xué)傳感器、質(zhì)量傳感器、防碰撞傳感器等，通過這些傳感器可以準(zhǔn)確快速向控制系統(tǒng)傳遞焊縫位置、規(guī)格等信息，同時(shí)還能對焊接質(zhì)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)化實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)問題系統(tǒng)將立即報(bào)警[6]?？梢姡劳兄悄軝C(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)焊接智能化、自動(dòng)化，而且在焊接時(shí)全程由機(jī)器人代替工人在惡劣的生產(chǎn)環(huán)境中工作， 對于預(yù)防職業(yè)病有著很好地作用，同時(shí)還能幫助企業(yè)降低人力成本，減少人工支出。 此外，運(yùn)用智能機(jī)器人還能對生產(chǎn)流程進(jìn)行規(guī)范，有效避免因人為操作失誤造成的誤差，提高工件加工精度。 并且智能機(jī)器人不受外界環(huán)境因素的影響，即便生產(chǎn)環(huán)境存在一定的安全隱患和危險(xiǎn)指數(shù)，依舊可以確保生產(chǎn)有序進(jìn)行，極大提高了我國智能制造生產(chǎn)效率。

3.5 自動(dòng)化生產(chǎn)控制技術(shù)

在智能制造領(lǐng)域中應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)， 其中最為常見的技術(shù)手段就是自動(dòng)化生產(chǎn)控制技術(shù)， 其主要由微電子設(shè)備、可編程序控制裝備、人機(jī)界面控制裝置、光電控制系統(tǒng)等設(shè)備組成。以PLC 控制系統(tǒng)為例，其可以對各種操控算法程序進(jìn)行編制，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)操作，使得質(zhì)料和動(dòng)力消耗得以有效降低， 其在智能制造數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用十分普遍。首先，運(yùn)用PLC 技術(shù)對電氣控制系統(tǒng)的運(yùn)行過程進(jìn)行掌握，從而采集相關(guān)數(shù)據(jù)，在這一過程中PLC 技術(shù)具有斷開和接通外部電路的功能， 經(jīng)過接口向映像寄存器進(jìn)行傳輸，達(dá)到執(zhí)行數(shù)控設(shè)備的功能[7]。 其次，PLC 技術(shù)與電氣控制系統(tǒng)內(nèi)部的組件結(jié)合， 通過對操作指令進(jìn)行解析，根據(jù)指令開展各項(xiàng)操作。 最后，基于PLC 技術(shù)完成輸入和執(zhí)行操作后，寄存器內(nèi)含有輸入信號(hào)，當(dāng)指令結(jié)束后，將繼電器狀態(tài)進(jìn)行輸出，經(jīng)由鎖存器轉(zhuǎn)存，從而實(shí)現(xiàn)外部控制。有效降低能源消耗，自動(dòng)化生產(chǎn)控制技術(shù)發(fā)揮著重要的作用，例如，制造業(yè)的生產(chǎn)過程中，我們可以通過自動(dòng)化生產(chǎn)控制技術(shù)對水電氣汽的使用實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，可以通過數(shù)據(jù)模型的分析，可以在生產(chǎn)結(jié)束前一定時(shí)間內(nèi)關(guān)閉中央空調(diào)，從而也能保證工藝指標(biāo)達(dá)標(biāo)，而不是傳統(tǒng)的生產(chǎn)結(jié)束后才關(guān)閉中央空調(diào)，導(dǎo)致能源的浪費(fèi)。總之， 基于PLC 技術(shù)的自動(dòng)化生產(chǎn)控制技術(shù)不僅可以提高設(shè)備加工速度，還能增強(qiáng)加工精度以及能源消耗。

4 機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展前景展望

隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展， 電子裝備不斷向高頻段、高密度、高精度、小型化的方向發(fā)展，機(jī)電之間耦合性不斷增強(qiáng)。因此，機(jī)電一體化也邁進(jìn)了機(jī)電耦合新階段，表現(xiàn)出較機(jī)電綜合更加理性的機(jī)電一體化， 其主要特征有兩方面：一方面是不僅可以對機(jī)械、電磁、熱等自動(dòng)數(shù)值進(jìn)行仿真分析，同時(shí)也確保了各個(gè)學(xué)科之間信息傳遞更加真實(shí)可靠。另一方面通過數(shù)學(xué)將基于物理量耦合的多物理系統(tǒng)的耦合理論模型導(dǎo)出，對非線性機(jī)械結(jié)構(gòu)因素影響電性能的機(jī)理進(jìn)行了探明。可以看出，與機(jī)電綜合相比，機(jī)電耦合存在本質(zhì)上的區(qū)別，性質(zhì)有了飛躍性改變。 而伴隨著電子技術(shù)、信息技術(shù)、材料學(xué)等學(xué)科的不斷發(fā)展與成熟，今后機(jī)電一體化電子設(shè)備發(fā)展將具有極端性特征，具體表現(xiàn)為極端頻率和極端環(huán)境，這些都使得機(jī)電耦合理論與技術(shù)研究面臨更多困境，因此未來研究應(yīng)著重解決好以下問題：一是如何建立電磁場、結(jié)構(gòu)位移場、溫度場之間的耦合理論模型（electro-mechanical coupling，EMC），這些直接關(guān)系到電子裝備的研發(fā)，因此EMC 之間存在著相互依存、相互制約的關(guān)系，必須要明確揭示出彼此之間的耦合關(guān)系與影響因素，梳理多領(lǐng)域、多場之間的耦合機(jī)制，多工況之間的影響因素，并通過定量數(shù)學(xué)關(guān)系式來進(jìn)行描述。 二是電子裝備非線性機(jī)械結(jié)構(gòu)因素，如結(jié)構(gòu)參數(shù)、制造精度等愈發(fā)明顯，從而影響著電子裝備的電磁性能，急需對這些非線性因素影響電性能的規(guī)律進(jìn)行探索總結(jié)，進(jìn)而摸清其對電性能的影響機(jī)理（influence mechanism，IM）。三是加強(qiáng)對機(jī)電耦合設(shè)計(jì)方法的研究。 著重對耦合理論模型、IM 特點(diǎn)與規(guī)律等進(jìn)行綜合研究，從而提出科學(xué)合理的機(jī)電設(shè)備耦合設(shè)計(jì)方法，做好機(jī)、電、熱分析模型的難點(diǎn)處理工作，強(qiáng)化解決機(jī)、電、熱之間數(shù)值分析網(wǎng)絡(luò)滑移問題。 四是明確耦合度的數(shù)學(xué)表征，從理論角度出發(fā)，可以對任何耦合進(jìn)行度量。但為了對物理系統(tǒng)之間的耦合進(jìn)行更加深入的探索，就需要建立一種通用的數(shù)學(xué)表征方法進(jìn)行耦合度量，從而列出能夠?qū)︸詈隙冗M(jìn)行計(jì)算的數(shù)學(xué)表達(dá)式。五是未來機(jī)電一體化必將朝著機(jī)電耦合方向發(fā)展，其在制造領(lǐng)域中的應(yīng)用將呈現(xiàn)出更深度的融合。尤其是在各種機(jī)電裝備中都會(huì)存在著機(jī)電耦合技術(shù)， 是推動(dòng)智能制造迭代的關(guān)鍵性技術(shù)之一，對于推動(dòng)高端裝備制造轉(zhuǎn)型升級有著重要的作用。

伴隨著科技革命新時(shí)代的來臨，尤其是以智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化為代表的智能制造的出現(xiàn)，制造業(yè)與機(jī)電技術(shù)的融合將更加深入， 而這一融合也客觀體現(xiàn)出了機(jī)電耦合理論的實(shí)際應(yīng)用， 可見未來機(jī)電耦合成為機(jī)電一體化研究和發(fā)展的重要方向，具有廣闊的發(fā)展前景。

5 結(jié)束語

總而言之， 機(jī)電一體化技術(shù)對于智能制造領(lǐng)域而言作用顯著，不僅能夠改變傳統(tǒng)的制造業(yè)生產(chǎn)模式，同時(shí)也能推動(dòng)我國制造業(yè)智能化轉(zhuǎn)型，其應(yīng)用前景極為廣闊。而機(jī)電一體化技術(shù)涉及領(lǐng)域較多，包含眾多先進(jìn)的技術(shù)，制造企業(yè)必須要持續(xù)深入探索和研究， 切實(shí)發(fā)揮其技術(shù)價(jià)值，有效應(yīng)用到智能制造中，從而提高我國制造業(yè)水平，真正實(shí)現(xiàn)從制造大國向制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)變。