智能機(jī)械發(fā)展史

智能機(jī)械發(fā)展史摘要：智能機(jī)械的出現(xiàn)是機(jī)械發(fā)展史上的一座里程碑。智能機(jī)械不同于傳統(tǒng)機(jī)械，對于傳統(tǒng)機(jī)械，智能機(jī)械是新興事物，智能機(jī)械擁有很多優(yōu)點(diǎn)，它可以實(shí)現(xiàn)自動化控制。本文簡要介紹智能機(jī)械發(fā)展的進(jìn)程，從開始出現(xiàn)到大量運(yùn)用以及其發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：智能機(jī)械、自動化、技術(shù)、柔性化TheDevelopmentofIntelligentMachineryAbstract：theintelligentmachineryisamilestoneinthehistoryofthedevelopment.Intelligentmachinesaredifferentfromtraditionalmachines,forthetraditionalmechanical,intelligentmachineistheemergingthings,intelligentmachinehasmanyadvantages，itcanrealizeautomaticcontrol.Inthispaper，brieflyintroducingthedevelopmentofintelligentmechanicalprocess，fromstarttoappeartoapplyanditsdevelopmenttrend.Keywords:Intelligentmachinery,automation,intelligence,flexibility一、引言自有機(jī)械以來，機(jī)械都是按照力學(xué)原理設(shè)計(jì)的，沒有生命，也沒有智能。因此，在環(huán)境的變化和人為因素的影響下，會使機(jī)械的運(yùn)行難以預(yù)測，可能會使機(jī)械損壞，甚至使人民生命財(cái)產(chǎn)受到嚴(yán)重威脅。為了盡可能保證機(jī)械的運(yùn)行安全，設(shè)計(jì)者往往采取保守的設(shè)計(jì)，比如增大尺寸與重量，從而增加了能耗，減小了機(jī)械的有效載荷，所以機(jī)械的效率不高。但是，為了提高機(jī)械的效率，必須對機(jī)械進(jìn)行重大改進(jìn)，或者是附加一些設(shè)備，這些設(shè)備可以不是機(jī)械或機(jī)構(gòu)。因此，智能機(jī)械應(yīng)運(yùn)而生或二、 智能機(jī)械基本結(jié)構(gòu)智能機(jī)械是相對于傳統(tǒng)機(jī)械而言，智能機(jī)械與傳統(tǒng)機(jī)械不同，智能機(jī)械應(yīng)該具備以下幾種基本結(jié)構(gòu)：1、 智能結(jié)構(gòu)，就是在基體中嵌入或粘貼傳感器和致動器，并具有對致動器有控制作用的控制裝置，從而能感知外界環(huán)境的變化及自身的實(shí)際狀態(tài)，并能通過自身的感知，做出判斷，發(fā)出指令，執(zhí)行和完成動作，實(shí)現(xiàn)動態(tài)或在線狀態(tài)下的自檢測、自診斷、自監(jiān)控、自修復(fù)及自適應(yīng)等多種功能⑵。2、 智能機(jī)械和結(jié)構(gòu)主要由驅(qū)動元件、傳感元件、信息處理方法和控制系統(tǒng)等組成，目前的應(yīng)用主要是在智能控制、智能診斷和智能修復(fù)等方面，尤其是在減振降噪，智能機(jī)械結(jié)構(gòu)，智能表層結(jié)構(gòu)特性控制，智能自適應(yīng)機(jī)械等方面的研究很活躍［3］。3、 傳感器、致動器和控制器是智能機(jī)械結(jié)構(gòu)重要的三個(gè)組成部分。傳感器要求具有高度感受結(jié)構(gòu)力學(xué)狀態(tài)的能力，能夠?qū)?yīng)變或位移直接轉(zhuǎn)換成電信號輸出，它擔(dān)負(fù)著感知外界環(huán)境變化，收集外界信息的任務(wù)。用作傳感器有光纖傳感器、電阻應(yīng)變片傳感器、壓電材料傳感器等。致動器的功能是執(zhí)行信息處理單元發(fā)出的控制指令，并按照規(guī)定的方式對外界或內(nèi)部狀態(tài)與特性變化做出合理的反應(yīng)，能直接將控制器輸出的電信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)的應(yīng)變或位移，具有改變智能結(jié)構(gòu)形狀、剛度、位置、固有頻率、阻尼及其它機(jī)械特性的能力。致動器有壓電材料致動器、電致伸縮材料致動器、磁致伸縮材料致動器、形狀記憶合金致動器、電流變體致動器等?？刂破魇侵悄芙Y(jié)構(gòu)的神經(jīng)中樞，智能結(jié)構(gòu)的控制器集成于結(jié)構(gòu)之中，其控制對象是結(jié)構(gòu)本身［4］。可以看出，智能機(jī)械與傳統(tǒng)機(jī)械的區(qū)別非常顯著，有許多傳統(tǒng)機(jī)械不具有的某此特性。而恰恰是這此特性使智能機(jī)械在高科技領(lǐng)域中占有一席之地，成為眾人矚目的焦點(diǎn)。智能機(jī)械是機(jī)械發(fā)展的前沿領(lǐng)域，所以說它的出現(xiàn)使機(jī)械發(fā)展的歷史跨越了一座里程碑。三、 智能機(jī)械的發(fā)展一算機(jī)推動機(jī)械的產(chǎn)生已經(jīng)有幾千年的歷史了，從古代石器的使用開始，機(jī)械就開始出現(xiàn)在人們的生活中。自古以來，人類就力圖根據(jù)認(rèn)識水平和當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，企圖用智能機(jī)械代替人的部分腦力活動，以提高征服自然的能力。從原來簡單的機(jī)械機(jī)構(gòu)到復(fù)雜的機(jī)械機(jī)構(gòu)，機(jī)械本身的復(fù)雜程度在變化，機(jī)械的動力也由人力逐漸轉(zhuǎn)向自然力，機(jī)械的操作也由直接操作向間接操作轉(zhuǎn)變。但是機(jī)械結(jié)構(gòu)還是很龐大，機(jī)械效率還是很低。要提高機(jī)械效率，讓機(jī)械安全有效的運(yùn)轉(zhuǎn)，需要實(shí)現(xiàn)機(jī)械的智能化。在機(jī)械演變的早期，也有自動控制的簡單機(jī)構(gòu)，例如水車和風(fēng)車，都是利用自然力作為動力，自動驅(qū)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)能量之間的轉(zhuǎn)變。但是機(jī)械實(shí)現(xiàn)真正的自動控制，還是等到智能機(jī)械出現(xiàn)之后。智能機(jī)械的真正形成階段是在20世紀(jì)50年代之后，而在1946年，美國賓夕法尼亞大學(xué)莫爾電工學(xué)院物理學(xué)家莫旗勒和電氣工程師?？颂氐劝l(fā)明的第一臺電子數(shù)字計(jì)算機(jī)ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndComputer電子數(shù)字積分機(jī)和計(jì)算機(jī)），揭開了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)發(fā)展階段的序幕。計(jì)算機(jī)逐漸發(fā)展之后，計(jì)算機(jī)不但能夠進(jìn)行信息存儲處理、語音圖形識別、而且正向定理證明、基因克隆運(yùn)算、DNA密碼解讀和探索、聯(lián)想、自然語言理解等智能化方向發(fā)展。計(jì)算機(jī)的運(yùn)用，可以使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制機(jī)械的運(yùn)行，使得近代機(jī)械行業(yè)逐漸轉(zhuǎn)向智能化控制［5］。在20世紀(jì)80年代中期，我國許多條件好的企業(yè)紛紛引進(jìn)技術(shù)先進(jìn)的控制系統(tǒng)，使生產(chǎn)過程自動化和生產(chǎn)管理自動化同步發(fā)展，向多層序控制邁進(jìn)。計(jì)算機(jī)的應(yīng)用強(qiáng)化了生產(chǎn)過程信息的獲取和利用，易于實(shí)現(xiàn)較先進(jìn)的控制規(guī)律，大大提高了生產(chǎn)工藝的運(yùn)行質(zhì)量和生產(chǎn)管理水平。到90年代，我國工業(yè)生產(chǎn)還是自動化、半自動化和原始手工操作的生產(chǎn)方式并存。這種狀況存在相當(dāng)長的時(shí)間。但是隨著計(jì)算機(jī)、自動化和信息化技術(shù)的飛速發(fā)展和相互滲透，這個(gè)密切結(jié)合的技術(shù)群正在迅速改變著過程控制領(lǐng)域的現(xiàn)狀和觀念，推動著自動化、智能化技術(shù)的飛速發(fā)展［6］。四、智能機(jī)械的設(shè)計(jì)機(jī)械智能化要從最初的設(shè)計(jì)開始。在20世紀(jì)90年代，工程設(shè)計(jì)的“智能化”趨勢表現(xiàn)得特別明顯，由此提出了知識結(jié)構(gòu)優(yōu)化的問題。工程設(shè)想目標(biāo)是滿足人類的需要。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)使得人腦的某些功能得以擴(kuò)大或者被代替，人們進(jìn)入了“智力解放”的時(shí)代，工程設(shè)計(jì)發(fā)展的趨勢之一是通過人的各種功能的研究，設(shè)計(jì)出“擬人化”、“智能化”的物質(zhì)產(chǎn)品，以解放人的體力和智力［7］。當(dāng)智能化的趨勢不斷加強(qiáng)，機(jī)械的設(shè)計(jì)便開始向智能化轉(zhuǎn)變，在機(jī)械的更新?lián)Q代中，機(jī)械不再是體積龐大而動作笨重的了，智能化使得機(jī)械的設(shè)計(jì)突破傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)觀念。機(jī)械的智能化則是開始實(shí)現(xiàn)智能控制，智能控制就是要在無人干預(yù)的情況下能自主地驅(qū)動智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的自動控制技術(shù)。隨著人工智能和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)有可能把自動控制和人工智能以及系統(tǒng)科學(xué)中一些有關(guān)學(xué)科分支（如系統(tǒng)工程、系統(tǒng)學(xué)、運(yùn)籌學(xué)、信息論）結(jié)合起來，建立一種適用于復(fù)雜系統(tǒng)的控制理論和技術(shù)。智能控制正是在這種條件下產(chǎn)生的，它是自動控制技術(shù)的最新發(fā)展階段，也是用計(jì)算機(jī)模擬人類智能進(jìn)行控制的研究領(lǐng)域。五、智能機(jī)械的運(yùn)用智能機(jī)械的出現(xiàn)，大大減少了人力物力的消耗。在機(jī)械制造領(lǐng)域，數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)體現(xiàn)了制造技術(shù)的智能化。數(shù)控技術(shù)的核心技術(shù)及控制系統(tǒng)，它是數(shù)控機(jī)床的“大腦'。智能化數(shù)控系統(tǒng)是指具有擬人智能特征，例如自適應(yīng)、自識別、自修復(fù)等。智能加工是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制理論的加工和數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它模擬人類專家的智能活動，來解決加工過程中許多不確定的、要由人工干預(yù)才能解決的問題。智能化的內(nèi)容包括：為了追求加工效率和加工質(zhì)量智能化；為了提高驅(qū)動性能及使用連接方便的智能化；簡化操作、簡化編程的智能化等［8］。數(shù)控機(jī)床除了控制系統(tǒng)，還有伺服系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、機(jī)械傳動系統(tǒng)及其他輔助系統(tǒng)組成控制系統(tǒng)用于數(shù)控機(jī)床的運(yùn)算、管理和控制，通過輸入介質(zhì)得到數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋和運(yùn)算并對機(jī)床產(chǎn)生作用；伺服系統(tǒng)根據(jù)控制系統(tǒng)的指令驅(qū)動機(jī)床，使刀具和零件執(zhí)行數(shù)控代碼規(guī)定的運(yùn)動；檢測系統(tǒng)則是用來檢測機(jī)床執(zhí)行件（工作臺、轉(zhuǎn)臺、滑板等）的位移和速度變化量，并將檢測結(jié)果反饋到輸入端，與輸入指令進(jìn)行比較，根據(jù)其差別調(diào)整機(jī)床運(yùn)動；機(jī)床傳動系統(tǒng)是由進(jìn)給伺服驅(qū)動元件全機(jī)床執(zhí)行件之間的機(jī)械進(jìn)給傳動裝置；輔助系統(tǒng)種類繁多，如：固定循環(huán)（能進(jìn)行各種多次重復(fù)加工）、自動換刀（可交換指定刀具、傳動間隙補(bǔ)償機(jī)械傳動系統(tǒng)產(chǎn)生的間隙誤差）等等。智能機(jī)械出現(xiàn)后，其運(yùn)用范圍開始變得很廣泛，不僅在機(jī)械制造領(lǐng)域，在農(nóng)業(yè)的運(yùn)用也是很廣泛。下面是幾種智能機(jī)械應(yīng)用的例子。1、 農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化英國科學(xué)家研制出一種激光拖拉機(jī)，利用激光計(jì)算機(jī)導(dǎo)航裝置，不僅能夠準(zhǔn)確無誤地測定其所在位置及其運(yùn)行方向，使誤差不超過25厘米，而且能夠根據(jù)送入農(nóng)場計(jì)算機(jī)中心的電子圖表，查出該處土地的濕度、化學(xué)成分、排水溝位置和其他一些特點(diǎn)，并能夠準(zhǔn)確計(jì)算出最佳種植方案及所需種子、肥料和農(nóng)藥數(shù)量等。只需一人在室內(nèi)熒屏前便可操縱多臺激光拖拉機(jī)耕作，耕作速度快，且可減少種子、化肥和農(nóng)藥消耗，可節(jié)約生產(chǎn)成本50%，提高作物產(chǎn)量20%［9］。2、 基于人工智能的機(jī)械系統(tǒng)多學(xué)科優(yōu)化作為人工智能科學(xué)和認(rèn)知科學(xué)領(lǐng)域的最新發(fā)展，計(jì)算智能（ComputationalIntelligence簡稱CI）如今正日益受到重視，它包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ArtificialNeuralNetwork，簡稱ANN）、模糊系統(tǒng)(FuzzySvstetn,簡稱FS)、進(jìn)化計(jì)算(EvolutionaryComputation簡稱EC)和專家系統(tǒng)(ExpertSvstetn，簡稱ES)等，這些新方法的優(yōu)越性給復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展帶來了可能。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有擬人化的智能特性，不需要精確的數(shù)學(xué)模型，很適合多學(xué)科優(yōu)化中經(jīng)驗(yàn)性強(qiáng)、信息不足等特點(diǎn)，訓(xùn)練成功后的ANN具有自學(xué)習(xí)能力和并行計(jì)算能力，且推理速度快有聯(lián)想功能，能濾去輸入的噪聲，但缺乏透明性，不能解釋推理過程，而專家系統(tǒng)有明確的知識表示和解釋推理過程，但不能從實(shí)例中學(xué)習(xí)，知識獲取十分困難。因此，在多學(xué)科優(yōu)化中，將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、模糊決策等人工智能技術(shù)結(jié)合起來構(gòu)成互補(bǔ)系統(tǒng)，可以取長補(bǔ)短，克服目前難以處理的混合(離散)變量優(yōu)化問題、對不同問題適應(yīng)性差、難以進(jìn)行方案優(yōu)選等優(yōu)化方法的不足［10］。3、用于深潛救生艇水下對接的智能機(jī)械手用于深潛救生艇水下對接的智能機(jī)械手擁有開合和緩沖、手臂主動伸縮和被動柔順等功能，在深潛救生艇水下對接過程中，四只機(jī)械手通過自主作業(yè)和上位機(jī)的協(xié)調(diào)控制，完成與失事艇的目標(biāo)環(huán)的初聯(lián)接、救生艇對接裙與失事艇對接平臺的自動對中和精確對接等作業(yè)。機(jī)械手的變動伸縮和被動柔順功能，為協(xié)調(diào)控制機(jī)械手、實(shí)現(xiàn)對接創(chuàng)造了條件，機(jī)械手的緩沖和柔順功能，可以保護(hù)機(jī)械手、緩沖慣性力，避免機(jī)械手因?yàn)闆_擊而損壞。該智能機(jī)械手能夠在失事艇有縱橫傾的條件下，完成救生艇與失事艇的對接［11］。從智能機(jī)械在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用可以知道，智能機(jī)械正在以很快的速度取代傳統(tǒng)機(jī)械的地位，逐漸成為機(jī)械發(fā)展的主力。六、智能機(jī)械發(fā)展的困難雖然智能機(jī)械有非常廣泛的應(yīng)用范圍與無可限量的發(fā)展前景，但由于它是新興的學(xué)科門類，因此也具有一些軟肋。首先，成本高昂。智能機(jī)械由于采用了大量高科技元件，制作成本比較高，而且其組裝工藝的愈加精湛也會使其成本增高。這大大的限制了智能機(jī)械的應(yīng)用范圍，影響了智能機(jī)械的推廣普及。難以形成規(guī)模化生產(chǎn)，就無法創(chuàng)造規(guī)?；б?。而且，由于智能機(jī)械自動化程度很高，依靠人力監(jiān)管其運(yùn)作不僅效率低而且不符合智能機(jī)械的發(fā)展趨勢。然而由于智能機(jī)械一般自成體系，很難用一種統(tǒng)一的應(yīng)用軟件加以管理，往往是一套設(shè)備配一種軟件，所以設(shè)計(jì)制作成本很高。因此，智能機(jī)械往往是企業(yè)為了宣揚(yáng)其品牌而作的一樁“賠本買賣'。也就是說，智能機(jī)械本身不賺錢，甚至入不敷出，但由此產(chǎn)生的品牌效應(yīng)可以使企業(yè)在其他產(chǎn)品的銷售上取得好的業(yè)績，這本身也影響了智能機(jī)械的普及與推廣。其次，較易損壞。智能機(jī)械系統(tǒng)龐大各部件本身精密細(xì)致，連接精巧繁多因此對于一部智能機(jī)械來說出一個(gè)小錯(cuò)誤的概率是比較高的，這個(gè)錯(cuò)誤無論大小，總會對整個(gè)機(jī)械的運(yùn)行情況有影響，因此智能機(jī)械在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)不能達(dá)到像傳統(tǒng)機(jī)械那樣的經(jīng)久耐用，換言之，使用壽命不高。再次，維修困難。智能機(jī)械種類繁多形態(tài)各異，驅(qū)動軟件與設(shè)備各不相同，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)一旦某個(gè)零件失效，基本上只能去找原配廠家。無法做到生產(chǎn)規(guī)格的規(guī)范化，就無法形成產(chǎn)品的共通性，相應(yīng)配套產(chǎn)品(比如替換零件)的研制就會比較困難，生產(chǎn)這類產(chǎn)品的廠家就會比較少，直接的后果就是很難找到可以替換的零件，這也影響了智能機(jī)械的推廣應(yīng)用［12］。七、 智能機(jī)械發(fā)展前景隨著智能機(jī)械得到越來越多的運(yùn)用，其發(fā)展也將會更加智能化，在將來的發(fā)展中，智能機(jī)械有以下幾個(gè)趨勢：柔性化一一使工藝裝備與工藝路線能適用于生產(chǎn)各種產(chǎn)品的需要，能適用于迅速更換工藝、更換產(chǎn)品的需要；靈捷化一一使生產(chǎn)推向市場準(zhǔn)備時(shí)間縮為最短，使機(jī)械制造廠機(jī)制能靈話轉(zhuǎn)向；智能化——柔性自動化的重要組成部分，它是柔性自動化的新發(fā)展和延伸；信息化——機(jī)械制造業(yè)將不再是由物質(zhì)和能量借助于信息的力量生產(chǎn)出價(jià)值，而是由信息借助于物質(zhì)和能量的力量生產(chǎn)出價(jià)值［13］。八、 總結(jié)雖然真正的智能機(jī)械出現(xiàn)的時(shí)間只有幾十年的時(shí)間，但是從一開始的簡單機(jī)構(gòu)到現(xiàn)在的全智能化機(jī)械，這表明了現(xiàn)代企業(yè)發(fā)展，現(xiàn)代機(jī)械發(fā)展對智能化機(jī)械的需求不斷增大。從智能機(jī)械出現(xiàn)后，人們開始認(rèn)識都智能化機(jī)械的優(yōu)點(diǎn)，因此智能機(jī)械逐漸取代傳統(tǒng)機(jī)械，代替