智能机械发展史

智能机械发展史摘要：智能机械的出现是机械发展史上的一座里程碑。智能机械不同于传统机械，对于传统机械，智能机械是新兴事物，智能机械拥有很多优点，它可以实现自动化控制。本文简要介绍智能机械发展的进程，从开始出现到大量运用以及其发展趋势。关键词：智能机械、自动化、技术、柔性化TheDevelopmentofIntelligentMachineryAbstract：theintelligentmachineryisamilestoneinthehistoryofthedevelopment.Intelligentmachinesaredifferentfromtraditionalmachines,forthetraditionalmechanical,intelligentmachineistheemergingthings,intelligentmachinehasmanyadvantages，itcanrealizeautomaticcontrol.Inthispaper，brieflyintroducingthedevelopmentofintelligentmechanicalprocess，fromstarttoappeartoapplyanditsdevelopmenttrend.Keywords:Intelligentmachinery,automation,intelligence,flexibility一、引言自有机械以来，机械都是按照力学原理设计的，没有生命，也没有智能。因此，在环境的变化和人为因素的影响下，会使机械的运行难以预测，可能会使机械损坏，甚至使人民生命财产受到严重威胁。为了尽可能保证机械的运行安全，设计者往往采取保守的设计，比如增大尺寸与重量，从而增加了能耗，减小了机械的有效载荷，所以机械的效率不高。但是，为了提高机械的效率，必须对机械进行重大改进，或者是附加一些设备，这些设备可以不是机械或机构。因此，智能机械应运而生或二、 智能机械基本结构智能机械是相对于传统机械而言，智能机械与传统机械不同，智能机械应该具备以下几种基本结构：1、 智能结构，就是在基体中嵌入或粘贴传感器和致动器，并具有对致动器有控制作用的控制装置，从而能感知外界环境的变化及自身的实际状态，并能通过自身的感知，做出判断，发出指令，执行和完成动作，实现动态或在线状态下的自检测、自诊断、自监控、自修复及自适应等多种功能⑵。2、 智能机械和结构主要由驱动元件、传感元件、信息处理方法和控制系统等组成，目前的应用主要是在智能控制、智能诊断和智能修复等方面，尤其是在减振降噪，智能机械结构，智能表层结构特性控制，智能自适应机械等方面的研究很活跃［3］。3、 传感器、致动器和控制器是智能机械结构重要的三个组成部分。传感器要求具有高度感受结构力学状态的能力，能够将应变或位移直接转换成电信号输出，它担负着感知外界环境变化，收集外界信息的任务。用作传感器有光纤传感器、电阻应变片传感器、压电材料传感器等。致动器的功能是执行信息处理单元发出的控制指令，并按照规定的方式对外界或内部状态与特性变化做出合理的反应，能直接将控制器输出的电信号转变为结构的应变或位移，具有改变智能结构形状、刚度、位置、固有频率、阻尼及其它机械特性的能力。致动器有压电材料致动器、电致伸缩材料致动器、磁致伸缩材料致动器、形状记忆合金致动器、电流变体致动器等。控制器是智能结构的神经中枢，智能结构的控制器集成于结构之中，其控制对象是结构本身［4］。可以看出，智能机械与传统机械的区别非常显著，有许多传统机械不具有的某此特性。而恰恰是这此特性使智能机械在高科技领域中占有一席之地，成为众人瞩目的焦点。智能机械是机械发展的前沿领域，所以说它的出现使机械发展的历史跨越了一座里程碑。三、 智能机械的发展一算机推动机械的产生已经有几千年的历史了，从古代石器的使用开始，机械就开始出现在人们的生活中。自古以来，人类就力图根据认识水平和当时的技术条件，企图用智能机械代替人的部分脑力活动，以提高征服自然的能力。从原来简单的机械机构到复杂的机械机构，机械本身的复杂程度在变化，机械的动力也由人力逐渐转向自然力，机械的操作也由直接操作向间接操作转变。但是机械结构还是很庞大，机械效率还是很低。要提高机械效率，让机械安全有效的运转，需要实现机械的智能化。在机械演变的早期，也有自动控制的简单机构，例如水车和风车，都是利用自然力作为动力，自动驱动机构的运转，实现能量之间的转变。但是机械实现真正的自动控制，还是等到智能机械出现之后。智能机械的真正形成阶段是在20世纪50年代之后，而在1946年，美国宾夕法尼亚大学莫尔电工学院物理学家莫旗勒和电气工程师埃克特等发明的第一台电子数字计算机ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndComputer电子数字积分机和计算机），揭开了现代计算机发展阶段的序幕。计算机逐渐发展之后，计算机不但能够进行信息存储处理、语音图形识别、而且正向定理证明、基因克隆运算、DNA密码解读和探索、联想、自然语言理解等智能化方向发展。计算机的运用，可以使用计算机系统控制机械的运行，使得近代机械行业逐渐转向智能化控制［5］。在20世纪80年代中期，我国许多条件好的企业纷纷引进技术先进的控制系统，使生产过程自动化和生产管理自动化同步发展，向多层序控制迈进。计算机的应用强化了生产过程信息的获取和利用，易于实现较先进的控制规律，大大提高了生产工艺的运行质量和生产管理水平。到90年代，我国工业生产还是自动化、半自动化和原始手工操作的生产方式并存。这种状况存在相当长的时间。但是随着计算机、自动化和信息化技术的飞速发展和相互渗透，这个密切结合的技术群正在迅速改变着过程控制领域的现状和观念，推动着自动化、智能化技术的飞速发展［6］。四、智能机械的设计机械智能化要从最初的设计开始。在20世纪90年代，工程设计的“智能化”趋势表现得特别明显，由此提出了知识结构优化的问题。工程设想目标是满足人类的需要。随着科学技术的发展，电子计算机的出现使得人脑的某些功能得以扩大或者被代替，人们进入了“智力解放”的时代，工程设计发展的趋势之一是通过人的各种功能的研究，设计出“拟人化”、“智能化”的物质产品，以解放人的体力和智力［7］。当智能化的趋势不断加强，机械的设计便开始向智能化转变，在机械的更新换代中，机械不再是体积庞大而动作笨重的了，智能化使得机械的设计突破传统的设计观念。机械的智能化则是开始实现智能控制，智能控制就是要在无人干预的情况下能自主地驱动智能机器实现控制目标的自动控制技术。随着人工智能和计算机技术的发展，已经有可能把自动控制和人工智能以及系统科学中一些有关学科分支（如系统工程、系统学、运筹学、信息论）结合起来，建立一种适用于复杂系统的控制理论和技术。智能控制正是在这种条件下产生的，它是自动控制技术的最新发展阶段，也是用计算机模拟人类智能进行控制的研究领域。五、智能机械的运用智能机械的出现，大大减少了人力物力的消耗。在机械制造领域，数控机床的出现体现了制造技术的智能化。数控技术的核心技术及控制系统，它是数控机床的“大脑'。智能化数控系统是指具有拟人智能特征，例如自适应、自识别、自修复等。智能加工是基于神经网络控制、模糊控制理论的加工和数字化网络技术，它模拟人类专家的智能活动，来解决加工过程中许多不确定的、要由人工干预才能解决的问题。智能化的内容包括：为了追求加工效率和加工质量智能化；为了提高驱动性能及使用连接方便的智能化；简化操作、简化编程的智能化等［8］。数控机床除了控制系统，还有伺服系统、检测系统、机械传动系统及其他辅助系统组成控制系统用于数控机床的运算、管理和控制，通过输入介质得到数据，对这些数据进行解释和运算并对机床产生作用；伺服系统根据控制系统的指令驱动机床，使刀具和零件执行数控代码规定的运动；检测系统则是用来检测机床执行件（工作台、转台、滑板等）的位移和速度变化量，并将检测结果反馈到输入端，与输入指令进行比较，根据其差别调整机床运动；机床传动系统是由进给伺服驱动元件全机床执行件之间的机械进给传动装置；辅助系统种类繁多，如：固定循环（能进行各种多次重复加工）、自动换刀（可交换指定刀具、传动间隙补偿机械传动系统产生的间隙误差）等等。智能机械出现后，其运用范围开始变得很广泛，不仅在机械制造领域，在农业的运用也是很广泛。下面是几种智能机械应用的例子。1、 农业机械智能化英国科学家研制出一种激光拖拉机，利用激光计算机导航装置，不仅能够准确无误地测定其所在位置及其运行方向，使误差不超过25厘米，而且能够根据送入农场计算机中心的电子图表，查出该处土地的湿度、化学成分、排水沟位置和其他一些特点，并能够准确计算出最佳种植方案及所需种子、肥料和农药数量等。只需一人在室内荧屏前便可操纵多台激光拖拉机耕作，耕作速度快，且可减少种子、化肥和农药消耗，可节约生产成本50%，提高作物产量20%［9］。2、 基于人工智能的机械系统多学科优化作为人工智能科学和认知科学领域的最新发展，计算智能（ComputationalIntelligence简称CI）如今正日益受到重视，它包括人工神经网络（ArtificialNeuralNetwork，简称ANN）、模糊系统(FuzzySvstetn,简称FS)、进化计算(EvolutionaryComputation简称EC)和专家系统(ExpertSvstetn，简称ES)等，这些新方法的优越性给复杂机械系统多学科优化设计的发展带来了可能。人工神经网络具有拟人化的智能特性，不需要精确的数学模型，很适合多学科优化中经验性强、信息不足等特点，训练成功后的ANN具有自学习能力和并行计算能力，且推理速度快有联想功能，能滤去输入的噪声，但缺乏透明性，不能解释推理过程，而专家系统有明确的知识表示和解释推理过程，但不能从实例中学习，知识获取十分困难。因此，在多学科优化中，将人工神经网络、专家系统、模糊决策等人工智能技术结合起来构成互补系统，可以取长补短，克服目前难以处理的混合(离散)变量优化问题、对不同问题适应性差、难以进行方案优选等优化方法的不足［10］。3、用于深潜救生艇水下对接的智能机械手用于深潜救生艇水下对接的智能机械手拥有开合和缓冲、手臂主动伸缩和被动柔顺等功能，在深潜救生艇水下对接过程中，四只机械手通过自主作业和上位机的协调控制，完成与失事艇的目标环的初联接、救生艇对接裙与失事艇对接平台的自动对中和精确对接等作业。机械手的变动伸缩和被动柔顺功能，为协调控制机械手、实现对接创造了条件，机械手的缓冲和柔顺功能，可以保护机械手、缓冲惯性力，避免机械手因为冲击而损坏。该智能机械手能够在失事艇有纵横倾的条件下，完成救生艇与失事艇的对接［11］。从智能机械在现实中的应用可以知道，智能机械正在以很快的速度取代传统机械的地位，逐渐成为机械发展的主力。六、智能机械发展的困难虽然智能机械有非常广泛的应用范围与无可限量的发展前景，但由于它是新兴的学科门类，因此也具有一些软肋。首先，成本高昂。智能机械由于采用了大量高科技元件，制作成本比较高，而且其组装工艺的愈加精湛也会使其成本增高。这大大的限制了智能机械的应用范围，影响了智能机械的推广普及。难以形成规模化生产，就无法创造规模化效益。而且，由于智能机械自动化程度很高，依靠人力监管其运作不仅效率低而且不符合智能机械的发展趋势。然而由于智能机械一般自成体系，很难用一种统一的应用软件加以管理，往往是一套设备配一种软件，所以设计制作成本很高。因此，智能机械往往是企业为了宣扬其品牌而作的一桩“赔本买卖'。也就是说，智能机械本身不赚钱，甚至入不敷出，但由此产生的品牌效应可以使企业在其他产品的销售上取得好的业绩，这本身也影响了智能机械的普及与推广。其次，较易损坏。智能机械系统庞大各部件本身精密细致，连接精巧繁多因此对于一部智能机械来说出一个小错误的概率是比较高的，这个错误无论大小，总会对整个机械的运行情况有影响，因此智能机械在实际应用中的表现不能达到像传统机械那样的经久耐用，换言之，使用寿命不高。再次，维修困难。智能机械种类繁多形态各异，驱动软件与设备各不相同，缺乏统一的标准一旦某个零件失效，基本上只能去找原配厂家。无法做到生产规格的规范化，就无法形成产品的共通性，相应配套产品(比如替换零件)的研制就会比较困难，生产这类产品的厂家就会比较少，直接的后果就是很难找到可以替换的零件，这也影响了智能机械的推广应用［12］。七、 智能机械发展前景随着智能机械得到越来越多的运用，其发展也将会更加智能化，在将来的发展中，智能机械有以下几个趋势：柔性化一一使工艺装备与工艺路线能适用于生产各种产品的需要，能适用于迅速更换工艺、更换产品的需要；灵捷化一一使生产推向市场准备时间缩为最短，使机械制造厂机制能灵话转向；智能化——柔性自动化的重要组成部分，它是柔性自动化的新发展和延伸；信息化——机械制造业将不再是由物质和能量借助于信息的力量生产出价值，而是由信息借助于物质和能量的力量生产出价值［13］。八、 总结虽然真正的智能机械出现的时间只有几十年的时间，但是从一开始的简单机构到现在的全智能化机械，这表明了现代企业发展，现代机械发展对智能化机械的需求不断增大。从智能机械出现后，人们开始认识都智能化机械的优点，因此智能机械逐渐取代传统机械，代替