智能制造背景下机电一体化技术的应用与发展*

王 赞 ，何俊峰

（广东技术师范大学机电学院，广东 广州 510665）

制造业是立国之本，强国之基。新中国成立以来，我国制造产业逐步成熟，尤其是在改革开放后，持续快速发展，建成了门类齐全、独立完整的产业体系，一举成为世界第一制造大国。但我国制造业的自主创新能力不高、资源利用效率低下、产业结构水平参差不齐、产品质量与效益差，与世界先进水平相比仍存在明显差距，呈现出大而不强的特点。为了加速我国制造业转型升级，实现制造大国向制造强国的跨越，2015 年5 月19 日，国务院正式印发《中国制造2025》，确立了创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本的基本方针，以此作为实施制造强国战略的第一个十年行动纲领。智能制造是加快我国制造业转型升级、全面提高发展质量和核心竞争力的关键一步，也是实现制造大国向制造强国跨越的必经之路。在产业加速转型升级、大力发展智能制造的经济社会背景下，机电一体化技术作为新兴生产技术，有助于提高生产质量与效率，是推动智能制造进程的关键。

1 智能制造与机电一体化技术

1.1 智能制造

智能制造作为人工智能领域在制造产业的新突破与新发展[1]，是一种人机一体化智能模式，也是自动化制造的全面升级，由智能制造技术和智能制造系统两个核心部分构成，技术与系统相辅相成，在生产制造中能通过人机合作进行诸如分析、推理、判断、决策等活动[2]，很大程度上决定着智能制造的生产效率与产品质量[3]。与传统制造业不同，智能制造能在保证产品质量的同时，更具柔性化、智能化、思维化、高度集成化和经济效益最大化的特点。一方面，智能制造能够借助于计算机平台创建虚拟生产系统，以模拟、细化实践生产活动的各个环节，从而减少资源浪费，减少企业的物质资源投入；另一方面，智能制造能够应用计算机网络和相关程序进行编程，设置操作指令，通过计算机平台就能精准控制生产活动的进展，在有效整合各方资源的同时，解放人力资源，减少企业的人力资源投入。通过降低企业的资源和人力投入成本，提升生产的效率与产品的质量，达到提高企业整体经济效益的目的，从而更好地促进企业的智能化转型升级[4]。

经过多年的努力与积累，我国已经逐步攻克智能制造技术的一些难题，形成了较为完善的智能制造装备产业体系，为智能制造的建设和发展奠定了物质基础和技术基础。

1.2 机电一体化技术

机电一体化技术产生并得益于智能制造的大环境背景，是基于机械信息科学和电子技术科学的现代高科技技术。机电一体化技术可以将机械技术、自动控制技术、光学技术、传感器技术、计算机与信息技术等多项新兴技术融合，能够实时对生产过程的数据信息进行收集、预处理、编译、传输，以实现生产结构最优化和系统控制智能化[5]。机电一体化技术具有智能化、网络化、模块化、系统化等特点，应用于智能制造各个领域之中，可以提升生产效率和产品质量[6]，进而实现企业生产效益的最大化，促进我国产业的转型升级。

我国正处于由制造大国向制造强国跨越的关键时期，智能制造是我国制造产业转型升级最重要的环节之一。机电一体化的技术优势可以帮助企业缩短生产周期、提高生产效率、减少人力物力投入、提升生产的安全性，将其应用到生产实践中能够给传统制造业注入新鲜血液，推动我国传统产业的转型升级，加速智能制造的发展，实现制造强国的战略目标[7]。目前，我国机电一体化技术正在逐步尝试应用到煤矿领域、电力领域、数控生产领域、工业机器人领域等的各个产业中[8]。

2 智能制造中机电一体化技术的应用

2.1 煤矿领域

煤炭生产是一个非常复杂的工作，从开采到运输，再经过加工处理，最后投入日常使用的整个过程会使用到数量众多且作用不同的机电设备。传统的液压式采煤设备在安全性和效率性上已经无法满足现下煤矿产业的需求，机电一体化技术能够综合机械技术、计算机技术、自动控制技术和信息处理技术等。将机电一体化技术应用到煤矿领域，有助于推动煤矿产业的智能化、绿色化、程序化、微型化发展，提升煤炭从开采、提取、装载、运输到安全管理与监测整个过程的效率、质量和安全性[9]。

当前，机电一体化技术已经贯穿到我国煤矿生产的每个环节之中，对煤矿的信息化建设提供了有效支持。运用智能化、自动化的机械代替人力进行实时指挥、监控与检测，不仅提升了煤矿开采的工作效率和工作质量，还能帮助发现煤矿内部存在的安全隐患、设备故障问题，以便及时进行调整并解决问题，极大地减少了煤矿生产事故的发生，保障了煤矿生产的安全性与稳定性[10]。但机电一体化技术在煤矿领域的应用，还需要加强相应机电管理人员的管理理念和专业素养，增强工作责任意识，严格落实自身职责，定期进行设备的养护、检查和维修，这样才能保证我国煤矿产业的高效率、高质量、高安全性发展。

2.2 电力领域

电力系统的正常稳定运行依赖于大量的保护装置与控制技术，而这些保护装置和控制技术基于机电一体化技术才能得以稳定工作。通过传感器技术，实时进行系统监测、故障诊断、危险报警，能实现对电力系统的全方位检测，以保证系统的正常、稳定、安全运行[8]。

目前，我国机电一体化技术对电力系统的保护技术主要是通过在系统中安装自动空气断路器或熔断器、电磁式或接触式电压继电器、弱磁继电器、热继电器、接触器与中间继电器、过电流继电器、ZDB 保护器与建立RBF 神经网络算法模型，依次分别对电力系统进行短路保护、欠压保护、弱磁保护（直流电机）、过载保护、失压保护、过电流保护以及智能保护。对电力系统的控制技术分为直流电机控制和交流电机控制。其中，直流电机控制技术是指DSP 数字信号处理技术，一般通过安装通用型号单片机设备作为控制器和计算机软件编程来完成控制任务；交流电机控制技术分为矢量控制、转矩控制和PID 控制技术，依次分别通过安装VFD 变频器、控制系统运行参数和控制偏差值来完成控制任务[10]。

2.3 数控生产领域

数控生产是机电一体化技术在智能制造中的基础应用领域，通过计算机程序控制、PLC 编程控制、人机交互操作和光电电子驱动来构建自动化生产线，实现生产机械的智能化[11]。由于数控企业的生产活动对智能控制系统的要求较高，既需要加工机床和系统内部的模拟信号数据资料建立联系，又需要依靠智能控制系统在企业内进行控制与管理。因此，在我国从事数控生产的企业，最先开始对机电一体化技术进行研究，并尝试将其应用于实践[12]。其中，基于PLC机电一体化技术的数控机床是机电一体化技术应用于数控生产领域的典型代表。

数控机床中的机械设计、自动控制系统、执行和驱动技术以及控制面板都离不开PLC 机电一体化技术。首先，PLC 机电一体化技术的应用使数控机床在生产加工过程中可以独立运行，不再需要主动传送和进给两种模式协同操作，可以减少相关工具的磨损，延长使用寿命；其次，可以为单片机、输入输出、通信系统以及执行器等提供技术支持，并根据生产要求编辑指令或修改参数；再次，可以将数控设备与执行元件连接，简化操作过程，以最快的速度完成输入指令的任务指示；最后，还可以优化电子元件结构、测试机床中的数据，解决传统加工无法及时发送输入信号和接收区域信号的问题[13]。

2.4 工业机器人领域

工业机器人是机电一体化技术和智能制造成功结合而形成的产物，它可以进行简单的人工思维，分析指令任务，并运用数据算法和控制技术等，在使用过程中自行对所有的数据进行计算模拟分析，最终下达最准确的指令[14]。机电一体化技术在工业机器人系统中的应用主要体现在导航、交互、传感以及控制这四个方面：导航系统能够满足企业对机器人在传输路线、生产路线和巡视路线方面的要求；交互系统可以保证企业生产按照预期规划有序进行，使机器人严格按照操作者的指令完成传达与转化工作；传感系统能够使机器人全面感知周围的环境并监控设备的运行状态，确保生产信息实时、及时地传达给操作者和管理者；控制系统能够对机器人所收集到的信息快速进行分析、整合，使机器人具备故障诊断和制定维修方案、解决问题的能力[15]。

作为近几年的新兴产业之一，工业机器人具有工作效率高、环境适应性强、生产安全性好等特点，它的成长充分体现了机电一体化技术的智能化发展历程，也是我国智能制造飞速发展的标志性成果。我国的工业机器人目前还处于起步阶段，只能进行一些简单的操作和思维判断，未来我国工业机器人会朝着智能化、思维性方向发展[16]。

3 机电一体化技术的发展趋势

3.1 微型化

随着机电一体化技术的快速发展，微机电系统开始进入研究者们的视线，研究重点逐渐转向微型化方向，并成为机电一体化技术新的研究目标：朝着微米、纳米级别的方向推进。微机电系统应用前景广泛，不仅可以节约资源、减少能耗，还能进一步提升系统的精细化程度、提高操作质量，一旦技术成熟，便可以应用到航空航天领域（如卫星机电一体化产品）和生物医学领域（如仿生器官、微型机器人手术）[17]。但微机电技术需要将机电一体化技术与微电子技术进行全方位融合[8]，目前我国的微机电技术还尚未成熟，在企业生产活动中还达不到普及的程度。

3.2 智能化

近年来，为了实现由制造大国向制造强国的跨越，我国越来越注重科技创新，无论是国家政策、科学研究还是企业实践，都在努力将机电一体化技术向智能化方向发展。国家政策上，国务院于2015 年颁发的《中国制造2025》确立了创新驱动的方针，将智能制造放在重要的战略地位；科学研究上，为加速实现各行业产业的智能化生产，人工智能技术已被列入国家重点科研项目；企业实践上，虽然目前我国并未实现完全智能化的机电一体化生产，但是人工智能产品的应用水平在持续提升，应用层次在不断加深，普及程度在逐渐扩大[18]。可以说，人工智能的技术研发与创新应用是未来机电一体化的发展方向之一，人工智能产品的高速度、性能好、智能化将为我国制造业带来一次全新的变革。

3.3 绿色化

绿色环保一直都是世界倡导的发展主题和追求目标。我国历来倡导并坚持走绿色发展道路，秉持“绿水青山就是金山银山”的发展原则，《中国制造2025》中也明确提出“绿色发展”是我国实现制造强国战略目标的基本方针。当前，我国智能制造尚未达到完全的智能化机电一体化水平，生产过程中的能源消耗较大、资源利用率不高，而且存在材料的及时回收和循环使用问题，这将是我国未来制造业的发展方向，也是机电一体化技术需要不断进步和完善的目标之一。因此，要加快机电一体化的技术研发，加速产业的转型升级，进一步减少能耗，提高资源利用率，构建一个可回收、能循环的绿色环保产业体系。