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【摘 要】物联网的出现将现实世界的物体和虚拟的网络世界联系起来，传统工业生产也随着物联网的发展越来越智能化。物联网作为当下的重点关注的信息技术之一，也就是在利用嵌入机械的传感器将车间生产的环境信息数据一一对应地传送到虚拟地互联网上，这样可以确保整个车间流水线的工作智能化。以物联网为基础开发出的机械可以实现智能控制，实现物联系统与智能制造系统对点联通、融合是当下备受关注的研究课题。本文首先介绍了智能机械的定义与物联网的发展概况，然后对基于物联网的机械智能系统的现状做了简要分析。提出基于物联网的机械智能系统的结构和智能制造的主要特征，最后分析了基于物联网的智能制造的发展趋势。
【关键词】物联网;机械制造;能源管理;智能制造
一 绪论
1.1研究背景
从最古老的机械来看，传统机械都是以力学基础来设计的，需要靠人工来实现运作，也就需要人类大脑间接控制机械工作。那么一旦使用环境发生变化或者机械使用者本身出现问题，机械工作就无法控制，这样机械就有可能遭到损坏，还有可能严重威胁人民生命财产。进入工业化社会后，机械工程总量越来越多，但是机械分布不集中而且信息传送手段慢，那么工厂生产过程中的信息难以收集。这样造成工厂机械运行成本高，机械设备监管困难。随着信息化时代的到来，如果工厂工业和信息化没有融合起来，那么机械综合利用水平低，这样就会使工业机械生产效率难以大幅度提高，阻碍现代工业机械产业的快速发展。因此，开发基于物联网的机械智能控制系统是时代的需求，这种新时代的智能机械在工业生产时可以提高产量也可以提高生产灵活度。通过物联网与机械制造的融合，让工业经济流程中的客户、工厂和供应商之间联系更加紧密，这样产品的生产就可以形成较好的循环。
虽然智能机械是当下工厂生产的需求，但是由于工程机械需求量小和使用周期长，工业机械自动化转变还是较慢。近年来智能机械在物联网的发展下有了较快的进展，但是装配工艺仍然不够成熟。由于大部分工作车床体积大，仍然还是老式的固定安装，车床之间还是需要人工利用起重机或者叉车进行物料转运，那么工厂车间传送还没有达到完全自动化。目前国内工厂车间生产线大部分依靠人工操作，工件运输和安装也需要人工完成，由此可见目前国内外还没有自动化程度足够高的装配生产线。网络发展至今，各种信息之间的互联互通让工程机械物联网概念逐渐完善。与物联网相关的技术可以满足市场的需求，让传统机械制造向智能制造转变。为智能机械而建设的物联网可以显示完整的机械现状、潜在故障和使用寿命等信息，然后使用者就可以全程监控远程操作。这样工厂产品质量可以得到保证，同时也可以为设计者提供详细准确的数据支持。
对收集存储的大量数据进行统计分析分析，可以对机械工作效率和员工操作习惯进行全方位比较，然后帮助企业管理者了解产品的市场发展趋势并及时做出大方向的调整，这样极大的让产品满足市场的需求。在物联网快速发展的大环境下，积极开发机械智能控制系统，不但能够提高工厂自动化与智能化程度，而且能够提高工业经济效益，带动各行各业的快速发展。
1.2研究意义
随着自动化技术、物联网和集成控制技术的发展，传统机械制造业也迎来了信息化的发展前景。高速发展的物联网技术让实体世界的物品之间建立了联系，人与物品之间的联系不再局限于人工操作机械这个途径，车间机械生产管理和监控可以通过物联网这个新途径实现了。物联网的设计思路就是在机械系统中装配感应设备，把实体世界中机械生产过程中的生产状态、工作环境、维护计划等数据传输到网络信息世界。在企业工厂车间的生产流水线上给所有机械设备都配备相关的物联网的技术，这样就不需要大量基础工人近距离操控机械，只需要少量操作者远程监测和管理机械生产。物联网的实时传送接受数据可以保证操作者可以全程大范围的管理机械，这样可以明显减少员工投入而提高生产效率。生产车间的原料采购、生产、流通的各个环节的实施都可以转化成数据传送到互联网上，可以为企业管理者对市场方向做出判断时提供可靠的依据。未来工程机械智能制造的发展方向就是实现工厂的智能管理，最终提高工厂生产效率。针对大型工程机械装配车间中的数据采集困难和信息反馈滞后的问题，就需要改变传统的机械设备制造厂的理念，用物联网思维重新设计机械设备的零件和功能。将机械智能装配系统与物联网衔接融合的意义，首先提高了工业生产的产品的产品附加值。由此可见，机械智能与物联衔接对于中国工程机械行业乃至整个装备制造工业而言，都是企业发展扩大增强的一条必经之路。
二 机械智能和物联网相关概述
2.1物聯网发展概况
互联网技术主要是人与人之间的信息传递，而物联网技术实现的是实体物体之间的联系。主要是一些工业产品或农业产品，利用射频识别和各类传感器将终端物体的信息采集，然后通过互联网通信链路将物体的信息传输至数据库。互联网和传统电信网作为物联网技术中传递数据的工具，让嵌入传感器的机械设备将多种实体物体联系到一个大的网络平台上。这样就实现了物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，使人对物识别更加方便，也可以实现远程管理和控制。物联网技术的基本原理图如图1所示
由图1可知，物联网系统主要由应用层、感知层和网络层等模块组成，这些模块的功能跟人体一样可以实现智能控制。感知层模块功能和人体的眼睛、鼻子和皮肤一样可以初步感觉到物品的颜色性状等信息。网络层相当于人体的神经系统，可以传递转化信息数据。应用层对应机械性能设计的嵌入式系统相当于人体的大脑，可以在接收到信息后对信息分类处理。利用人体功能来比喻物联网各模块的功能，对传感器和嵌入式系统在物联网中的位置与功能有了更加深入的了解。 物联网系统的核心技术包括传感器技术、射频识别（RFID）技术和通信技术等：
1）传感器技术
传感器技术为物联网系统提供信息获取功能，需要传感器把模拟信号转换成数字信号计算机才能处理。目前在工程车间生产过程中，物联网系统的传感器类型包括温度传感器、力学传感器、位置传感器和速度传感器等，为物联网系统提供目标追踪所需的信息。
2）射频识别（RFID）技术
射频识别（RFID）技术也被称为无线射频技术，融合了无线射频技术和嵌入式技术为一体的综合技术。这种技术利用无线电信号进行特定目标识别，可以让探测者远程锁定目标。在物联网系统中，使用射频识别技术可以提高目标物体的追踪和识别能力，方便、快捷的获取目标信息，提高物联网的产品终端关联水平。
3）嵌入式技术
嵌入式技术是综合了计算机软硬件、传感器技术、集成电路技术、电子应用技术为一体的复杂技术。物联网系统的嵌入式技术基于计算机基础，对实现物联网的自动化控制等功能具有非常重要的意义。
4）通信技术
目前，主流的物联网通信技术包括Wi-Fi技术、蓝牙技术和Zig-bee技术等，这些通信技术保障了物联网的数据传输。在物联网系统中，需要根据不同工业机械生产过程特点来选取适宜的通信技术。
二十世纪九十年代初，施乐公司推出的网络可乐贩售机是物联网的初步雏形。1999年美国麻省理工学院建立了“自动识别中心（Auto-ID）”，提出“万物皆可通过网络互联”，阐明了物联网的基本含义。物联网最初是以RFID技术为基础的物流网络，随着网络信息技术和工厂机械应用的发展，物联网涵盖的范围越来越广。在2009年8月，温家宝总理以“感知中国”为主题的的讲话将研究物联网技术视为打赢国际竞争的新技术，这个讲话的精神引领我国物联网研究和应用进入一个全新的世界。为了认真贯彻落实总理讲话精神，物联网作为国家科技创新战略性产业，得到了政府的大力支持。物联网在我国引起了各界极大的关注，其应用领域主要包括运输和物流、工业制造、健康医疗、智能环境（家庭、办公、工厂）等，具有十分广阔的市场前景。
2.2机械智能发展概况
传统机械都是以力学基础来设计的，需要靠人工操作机械运行功能。而基于物联网设计的机械相对来说增加了自动识别和自动操作的能力。智能机械可以脱离人工操控，实现远程监测和自动化控制，智能机械的出现是机械发展史上的一座里程碑。我国在几千年前就有杠杆水车等机械工具，最早可以追溯到旧石器时代，机械工具就开始围绕着人们的生产生活中。机械的结构也随着时代的发展越来越复杂，机械结构变化的同时，机械动力也从一开始人工直接操控逐渐转变成借助外力间接操控。但是机械结构还是很庞大，机械效率还是很低。而减少人工人力投入可以提高机械效率，真正实现机械自动控制还是要依靠物联网技术的出现，机械实现智能化才能让机械设备生产安全有效。智能机械真正形成还要依赖于计算机信息技术的发展，计算机最初的功能只是信息存储和处理以及语音图形识别。运用计算机控制机械嵌入式设备可以使机械实现完全自动化运行。近代计算机发展下诞生的物联网使得传统机械运作转向智能化操作。上个世纪80年代，我国一些有大型生产车间的企业为了提高机械设备的生产效率，引进了一些技术先进的控制系统。促进车间生产过程和生产管理自动化，机械设备与生产过程联系更加紧密。生产过程中的设备工作信息可以通过计算机传送更加全面，同时还可以进行相关处理。
机械设备实现智能操作就是需要可以实现感知和能动作用的零件，那么在机械生产时就装配在设备中的传感器和致动器就可以实现这两个功能，最后再根据企业车间生产需求开发出控制平台连接机械的控制器来信息处理和“思考”。传统机械安装了这些智能结构后，就能和人类一样感知外界环境的变化和机械自身的实际状态。智能机械通过传感器感知外界信息，再利用控制装置做出判断，再对致动器发出动作指令，最后机械就可以自动化执行和完成操作。这些智能结构还可以帮助机械在动态或在线状态下的自检测和自诊断，还可以随时监控设备运行状态进行自动修复和自适应等多种功能。能实现全自动生产的机械依赖于以下三个重要零件：
（1）传感器对机械结构力学状态要高度敏感，快速将机械应变或位移直接转换成电信号输出。总体来说传感器担任着帮助机械感知外界环境变化，然后收集外界信息的任务。
（2）致动器的功能是执行控制器发出的指令，然后根据生产设备工作需求对外界或内部状态与特性变化做出合理的反应。控制器对传感器传来的信息处理后变为指令发给致动器，然后致动器在指令下使机械按照需求工作。也就是机械的工作零件的形状、刚度、位置、固有频率、阻尼等机械特性会做出改变，这种改变就是适应设备工作环境的变化。
（3）控制器作为工程机械的大脑，在机械生产的时候就要嵌入设备的结构当中，跟人类大脑一样就是控制实体机械设备的所有动作。那么控制器在感受和制动之间要实时连接，整个机械工作过程中都要处理各种信息。
由此可以看出，智能机械有许多传统机械不具有的某些特性。这些优于传统机械的特性使智能机械成为现代网络信息研究领域的一个重要的组成部分，是当下各界人员关注的焦点。智能机械是作为机械发展的前沿领域，使机械发展跨越了一座里程碑。
三 机械智能和物联衔接发展探析
3.1 工业4.0的影响
实现工业生产“互联互通"是物联网和智能制造的核心。脱离人和动物提供动力的机械设备带来了第一次工业革命，机械设备的动力和速度都比人类高很多，使企业生产效率得到了明显的提高。虽然第一次工业革命后燃料等能源提供动力，但是机械设备还是需要人工操作控制。电子和信息通信技术嵌入到机械设备中，让车間机械的制造过程实现的自动化操作，这个就是第三次工业革命的标志。那么物联网技术嵌入到机械工作实现远距离操控和少部分人实现大范围操控的全自动生产线，就是第四次工业革命的特征，也就是常说的工业4.0时代到来了。从原材料开始直到产品最终交付客户的整个过程实现智能化，以满足客户灵活多变的要求。机械智能与物联网衔接是实现智能制造的核心与关键。 智能制造类比人体的话，信息系统相当于大脑，机械设备相当于各部分器官。而物联网系统相当于联通各器官之间的血管，可以实现物料在生产工序间有序流转，使智能制造系统效运行的载体。
我国经济市场将在物联网的发展下产生巨大的变化，因此，研究者在经济学智库上设计了相关调查问卷。问卷结果统计显示对物联网持期待态度的人员占总人数的38%，同时，对于利用物联网技术可以增加企业竞争力的看法还是有非常多的票数。将物联网与机械智能衔接发展对我国经济有明显利好，为了推动智能制造车间的发展，我国相继发布了促进智能机械和生产的相关方针和政策。与此同时，企业针对物联网和机械智能衔接上的投资和研发力度也是有增无减，在原本趋于成熟的机械智能上加上物联网优势如虎添翼。由此可见，智能制造在我国有着极为广阔的发展空间，可以为我国经济市场提供更加全面的发展未来。
3.2机械智能与物联衔接障碍
智能制造简化了企业车间工业生产过程中的员工操作，提高企业生产效率和工业成品的质量。随着信息化世界的发展，各大企业对建设数字化工厂、数字化车间更为急迫。由于多数企业对智能制造的理解不够准确，只了解智能制造最终可以达到的效果，对于智能制造所需要的设备工作环境不太了解。对于企业的生产工艺能否通过智能制造来实现也不是很清楚，很多企业想要实现工厂智能制造就需要对传统生产工艺进行改良。首先如果一些产品利用智能机械生产需要进行大量改进和投入，而对产品质量和生产效率提高缓慢，这种企业是不适合完全进入自动化生产的。所以对于一些小规模的制造企业还不适合引进智能制造的生产理念，而一些可以进行大规模生产的企业还是比较适合进行生产车间的智能改造。
实施全自动化车间生产很可能需要通过改变企业原有的生产工艺或者生产流程来适应智能制造项目，而改变生产工艺有可能直接影响到成品品质与产量。要想实现智能制造就要考虑到生产工艺改变带来的影响，来规避企业投资风险。
基于物联网的智能制造项目需要大量的资金投入，这样就无法保障企业持续投入的资金，这样有可能连企业车间生产线都无法顺利实施。企业生产自动化后就得进入批量生产模式，在企业产品市场需求波动较大的情况下就容易造成产品积压。
3.3 基于物联网的机械智能设备研究
3.3.1 系统感知技术
在智能制造过程中，系统的感知和分析数据的能力是实现智能制造的关键。根据控制器处理数据形成指令，调整机械设备的操作设置。将这个整个过程信息保存，就可以和人一样进行迁移运用，类似人的学习和应用的能力。合适的生产系统和生产方法是物联与机械智能衔接的关键。机械工作环境会变化，机械配置的传感器就要及时感知变化来调整机械工作行为来适应环境变化，要过滤掉外界无用的干扰因素。提升传感器的系统感知技术后，可以将机械执行复杂装配指令时细节更加清晰，也可以提升机械的反应能力。对于错误指令也可以及时反应并纠正操作，对于生产车间的动态过程都可以积极响应并控制。整个生产装配部门需要多种功能的传感器，比如位置锁定，施力距离和压力感应功能的传感器。配备齐全的传感器可以让机械对车间生产流水线进行数据收集和分析，再利用控制器优化和控制，让车间生产过程更加精准和实时监控作用，保证智能机械可以主动收集生产过程信息。传统传感器对环境变化的反应和控制能力都较差，车间生产容错性差，机械和传感器配对契合性太高，在工程生产过程中无法到达全自动智能制造的要求。所以传感器设计需要更加智能和可靠，同时增加安全性和節能性的需求。根据多功能的传感器设计软件硬件平台，就可以对企业车间生产过程感应并传送数据，提升控制器的数据处理能力，提高传感器采样精度同时降低机械故障率。
3.3.2物联网核心软硬件产品研制及组网研究
规模较大的企业在进行智能车间改造时，除了智能机械的设计还需要设计智能控制中心，就是将无限传感器传输线路聚集在一起的大型网络平台。设计这类网络平台 就可以将机械各个位置的传感器节点和机械设备稳定并且实时关联起来，这样点对点的信息传输和显示就可以对车间生产进行全面的感知和监控。无线传感器网络与其他产品一样与具体的应用拥有着紧密联系，因此在进行路由设计时考虑外界因素对其的影响是必要的。大规模车间生产的环境比较复杂，那么传感器信号传输就容易收到金属机械设备零件的干扰。因此，在无限传感传输网络设计就需要进行复杂工作环境的可靠性研究。在车间生产时进行实际测试再经过理论分析综合得到对各个传感器节点无限传输的干扰因子，阻碍数据传输的障碍以及相对应的解决办法。那么开展企业车间生产针对性的物联网核心产品研究时必不可少的，这样可以对复杂车间工作流程的节点都有特定的网络平台节点，就可以将各个不同的网络节点互相联系起来。使得他们既可以独立运行，又可以联合运行，互相支撑，共享数据资源。这种方式研究并不困难是可行的且是已经有其他方面已经有雏形了的。例如现在部分区域实行的用蓝牙或网络对各个社区水电的监控和数据采集来进行管理，但同时又对其他区域水电情况相互联系从而进行数据共享、联合运行、相互支撑。这种形式用于生产间可使得整个产业链可宏观调控可微观优化，市场与政策的变化和于之对应的生产的产量的变化质量要求的变化产品外形和功能要求的变化，两者之间的调控和转化更加灵活，而打破了原本模具化生产这种灵活的生产模式所带来的经济效益也更加的高。
3.4工厂优化决策的透明性
智能机械的设计都是通过对数据进行统计或是根据概率计算的方式来保证智能机械的可靠性。而物联网在智能机械中能够提供准确数据，使其能够根据参数来进行概率计算和统计，从而有效确保了这些数据的安全性。由此可见，物联网能够为智能机械提供大量可变数据，而且可以确保这些数据的准确性。最终提高智能机械设计的准确性，可以帮助领导者随时作出适应市场变化的决策。物联网时效性之强以至应用除及时提供可变数据外在工厂由决策到实施这种端到端的调控具有明显的成效。例如可以利用移动技术来缩短问题和决策之间的时间差，使不达标的产品在未生产出来之前就已经加以制止或利用时间差计算偏离误差并改善。 3.5大数据创造价值
对物联网设备在机械生产过程中存储的数据进行分析，可以带来经验价值和决策创新。例如，智能机械厂家可以依据传感器收集的机械工作时期的状态参数，来判断和预测设备是否发生故障，这样就可以及时为客户提供对症的维修服务。车间生产过程中可以提高设备生产效率和产品质量，确保客户利益得到保障，让企业与客户联系得更加稳固。智能制造车间配置智能电表，它可以提供机械工作时的详细数据。利用物联网技术处理分析这些数据，可以将环保能源要求来对车间生产实行节能高效的远程管理。
四 机械智能与物联衔接的发展成果
伴随着互联网、人工智能、物联网等新技术的发展，智能制造行业向做大做强的方向发展的趋势也越来越明显清晰。从机械生产自动化大量显现出新技术、新产品和新模式的情况来看，环保节能与智能化是行业发展的两大方向。
2018年举办的baumaChina2018展的主题“智造愿景，纵横大观”，全面向各界人士展示了车间工程机械智能制造的发展未来。车间生产成品智能化、车间设备运行智能化和设备操作平台智能化是机械智能发展的三个体现。智能机械融入物联网，各企业也是顺应时代潮流，在创新的激流中把握机遇，打造真正极致的产品，形成良好的用户口碑，使工程机械市场蓬勃发展。基于物联网的智能机械要具备自动化、感知环境和减少人工作业程度的特点。
工程机械智能化发展成为新趋势。目前国内许多主机厂已经设计出部分智能工程机械产品，如山推股份推出的DE17R，是我国最早利用无线遥控静压驱动的无人驾驶环卫型推土机。它是山推公司科研团队完全自主研发的，也使推土机开始了无人操控的时代。人员通过无线遥控进行远程操控，最远操控距离可以达到五百米。山河智能随后推出了稳定性高、人岩能力强的SWDM系列旋智能挖钻机的。这类智能挖钻机自动化程度较高，在路况复杂的情况下工作或者行驶时，操控着可以进行远程控制，确保工作人员生命安全。机械智能感应环境变化时可以智能化调整设备性能，这样也可以降低机器损坏率。工作人员远程操作更加舒适便利，也可以降低生产施工成本。智能挖钻机配护筒驱动器、配搓管机下套管，或配合全回转全套管钻机施工，功能多样。还有三一重工推出的远程救援挖掘机、卡特在baumaChina2018展现场演示的智能挖掘机作业、神钢配备3D智能挖掘系统的SK200等。这些智能机械都能够实现自动装载、状态识别、云通信、良好的人机交互等功能。斗山在5G远程控制技术方面的创新成果也让人瞩目。斗山工程机械5G远程控制技术从研发思路到实施效果的每一环节都体现了智能制造的优势。斗山表示，智能化已经成为整个行业的重中之重，更在企业升级中逐步落地，斗山的5G远程控制技术将成为未来行业发展的核心和榜样。
在物联网与智能机械的交互发展的情况下，国内工程机械企业都在研制嵌入物联技术的智能机械。纷纷推出各自的智能化机械，这些机械也在逐步实现智能制造的功能。随着各大企业纷纷投入智能机械的研究中，依据现有的智能制造的研究成果和成绩，在不久的将来各类机械制造企业将会推出生产自动化更加全面的机械和功能更加多样的成熟智能产品。机械操作在物联网的带领下越来越智能，车间机械生产车间流水线也可以实现全程智能化。中联重科作为全球高端装备制造商，建成的中联重科塔机智能工厂集智能产品、智能制造、智能服务于一体。是行业全球唯一的一座应用智能控制技术、智能生产线技术、智能物流技术、智能检测技术的产业园区。这样的智能工厂已经应用到生产实践当中，智能操控系统和智能网络系统实现在机械设备上互相融合，以此来构建更具有生态理发展念和更适应未来发展要求的人性化工厂。由此可见，基于物联网的智能机械产业是未来科技时代的体现，也可以适应市场经济的需求变化。
随着智能机械技术和物联网技术不断融合，我国一些企业开始搭建与物联网有关的工厂制造智能平台。雷沃智慧建设解决方案（iBuilding）是“整机+互联网”，通过智能终端与汽车实体相互对应连接，可以对行驶中的车辆状态进行监测和远程自动控制。配置iBuilding的车辆从出厂开始，就可以利用软件对车辆进行全面不间断的监测，再利用软件平台对数据进行分析监控。使车辆使用者可以得到金融服务、作业管理、保养维修、车辆租赁、二手机管理等全方位的一条龙服务。
成立于2009年的铁甲也是工程机械互联网领军企业，致力于用互联网的方式推动中国工程机械行业的发展。在baumaChina2018展亮相的铁甲云盒也是铁甲发力智慧工地建设，对机械产业物联网的探索与融合道路的探索产品。在工业4.0思潮和物联网等科技高质量发展中，工业互联网平台是机械智能制造的核心技术。全球互聯网产业发展逐渐成熟的情况下，物联网科技的发展将全球经济和科技带入了新的阶层。随着物联网科技的发展，工业机械设计领域的也得到了快速发展。工程机械产品向全程自动化制造的发展，并且机械智能化程度也越来越高。随着机械智能与物联网的紧密联接，工程机械行业正在逐步迈向智能化的未来发展，向着“互联物联产业智能”的目标不断前进。
五 结论
智能机械是信息时代高速发展的产物，在实际应用的过程中虽然遇到多种问题。但是工业生产进入智能化是科技社会的发展趋势，为适应车间生产正在不断改进相关技术，不久的将来智能制造的一定会得到大面积普及。本文首先概述了物联网和智能机械的发展和结构，然后引出了工业4.0的内涵，提出智能制造的理念。介绍了基于物联网的智能机械框架和主要技术，描述了智能制造的特征，最后介绍了我国在智能机械上的研究成果。在车间生产的流水线中，智能机械的传感器收集的信息经过处理可以让控制器发出指令实现智能操作。这些数据经过处理分析存储，可以让管理者对生产流程的资源分配做出正确的决策。将这些数据分析结果应用在车间智能生产实践过程中，就可以提高企业生产效率和产品质量。
将物联网与智能机械的融合设计是智能制造的主要思路，通过传感器和控制器对智能机械的工作环境和状态数据收集和处理。这些可靠的数据让智能机械工作过程和结果有一定的保障，这样就可以让智能机械的功能全部体现出来。将智能机械与物联网进行点对点融合是智能机械设计的方向，这样可以将智能机械的功能发挥到最大。我国的智能机械已经取得初步的成就，要让企业整个车间生产达到全自动操控，还需要各界企业和相关的研究机构共同努力。设计基于物联网的智能机械是高科技时代的发展方向，也可以让人类文明进入一个全新的智能时代。
参考文献：
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[9]宋宫玺，袁逸萍，李晓娟.基于物联网的生产车间数据采集系统研究[D]装备制造技术.2014
作者简介：
张梦军，男、1998.5、汉族、安徽淮北人、本科、研究方向：机械理论前沿。
（作者单位：池州学院）
【关键词】物联网;机械制造;能源管理;智能制造
一 绪论
1.1研究背景
从最古老的机械来看，传统机械都是以力学基础来设计的，需要靠人工来实现运作，也就需要人类大脑间接控制机械工作。那么一旦使用环境发生变化或者机械使用者本身出现问题，机械工作就无法控制，这样机械就有可能遭到损坏，还有可能严重威胁人民生命财产。进入工业化社会后，机械工程总量越来越多，但是机械分布不集中而且信息传送手段慢，那么工厂生产过程中的信息难以收集。这样造成工厂机械运行成本高，机械设备监管困难。随着信息化时代的到来，如果工厂工业和信息化没有融合起来，那么机械综合利用水平低，这样就会使工业机械生产效率难以大幅度提高，阻碍现代工业机械产业的快速发展。因此，开发基于物联网的机械智能控制系统是时代的需求，这种新时代的智能机械在工业生产时可以提高产量也可以提高生产灵活度。通过物联网与机械制造的融合，让工业经济流程中的客户、工厂和供应商之间联系更加紧密，这样产品的生产就可以形成较好的循环。
虽然智能机械是当下工厂生产的需求，但是由于工程机械需求量小和使用周期长，工业机械自动化转变还是较慢。近年来智能机械在物联网的发展下有了较快的进展，但是装配工艺仍然不够成熟。由于大部分工作车床体积大，仍然还是老式的固定安装，车床之间还是需要人工利用起重机或者叉车进行物料转运，那么工厂车间传送还没有达到完全自动化。目前国内工厂车间生产线大部分依靠人工操作，工件运输和安装也需要人工完成，由此可见目前国内外还没有自动化程度足够高的装配生产线。网络发展至今，各种信息之间的互联互通让工程机械物联网概念逐渐完善。与物联网相关的技术可以满足市场的需求，让传统机械制造向智能制造转变。为智能机械而建设的物联网可以显示完整的机械现状、潜在故障和使用寿命等信息，然后使用者就可以全程监控远程操作。这样工厂产品质量可以得到保证，同时也可以为设计者提供详细准确的数据支持。
对收集存储的大量数据进行统计分析分析，可以对机械工作效率和员工操作习惯进行全方位比较，然后帮助企业管理者了解产品的市场发展趋势并及时做出大方向的调整，这样极大的让产品满足市场的需求。在物联网快速发展的大环境下，积极开发机械智能控制系统，不但能够提高工厂自动化与智能化程度，而且能够提高工业经济效益，带动各行各业的快速发展。
1.2研究意义
随着自动化技术、物联网和集成控制技术的发展，传统机械制造业也迎来了信息化的发展前景。高速发展的物联网技术让实体世界的物品之间建立了联系，人与物品之间的联系不再局限于人工操作机械这个途径，车间机械生产管理和监控可以通过物联网这个新途径实现了。物联网的设计思路就是在机械系统中装配感应设备，把实体世界中机械生产过程中的生产状态、工作环境、维护计划等数据传输到网络信息世界。在企业工厂车间的生产流水线上给所有机械设备都配备相关的物联网的技术，这样就不需要大量基础工人近距离操控机械，只需要少量操作者远程监测和管理机械生产。物联网的实时传送接受数据可以保证操作者可以全程大范围的管理机械，这样可以明显减少员工投入而提高生产效率。生产车间的原料采购、生产、流通的各个环节的实施都可以转化成数据传送到互联网上，可以为企业管理者对市场方向做出判断时提供可靠的依据。未来工程机械智能制造的发展方向就是实现工厂的智能管理，最终提高工厂生产效率。针对大型工程机械装配车间中的数据采集困难和信息反馈滞后的问题，就需要改变传统的机械设备制造厂的理念，用物联网思维重新设计机械设备的零件和功能。将机械智能装配系统与物联网衔接融合的意义，首先提高了工业生产的产品的产品附加值。由此可见，机械智能与物联衔接对于中国工程机械行业乃至整个装备制造工业而言，都是企业发展扩大增强的一条必经之路。
二 机械智能和物联网相关概述
2.1物聯网发展概况
互联网技术主要是人与人之间的信息传递，而物联网技术实现的是实体物体之间的联系。主要是一些工业产品或农业产品，利用射频识别和各类传感器将终端物体的信息采集，然后通过互联网通信链路将物体的信息传输至数据库。互联网和传统电信网作为物联网技术中传递数据的工具，让嵌入传感器的机械设备将多种实体物体联系到一个大的网络平台上。这样就实现了物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，使人对物识别更加方便，也可以实现远程管理和控制。物联网技术的基本原理图如图1所示
由图1可知，物联网系统主要由应用层、感知层和网络层等模块组成，这些模块的功能跟人体一样可以实现智能控制。感知层模块功能和人体的眼睛、鼻子和皮肤一样可以初步感觉到物品的颜色性状等信息。网络层相当于人体的神经系统，可以传递转化信息数据。应用层对应机械性能设计的嵌入式系统相当于人体的大脑，可以在接收到信息后对信息分类处理。利用人体功能来比喻物联网各模块的功能，对传感器和嵌入式系统在物联网中的位置与功能有了更加深入的了解。 物联网系统的核心技术包括传感器技术、射频识别（RFID）技术和通信技术等：
1）传感器技术
传感器技术为物联网系统提供信息获取功能，需要传感器把模拟信号转换成数字信号计算机才能处理。目前在工程车间生产过程中，物联网系统的传感器类型包括温度传感器、力学传感器、位置传感器和速度传感器等，为物联网系统提供目标追踪所需的信息。
2）射频识别（RFID）技术
射频识别（RFID）技术也被称为无线射频技术，融合了无线射频技术和嵌入式技术为一体的综合技术。这种技术利用无线电信号进行特定目标识别，可以让探测者远程锁定目标。在物联网系统中，使用射频识别技术可以提高目标物体的追踪和识别能力，方便、快捷的获取目标信息，提高物联网的产品终端关联水平。
3）嵌入式技术
嵌入式技术是综合了计算机软硬件、传感器技术、集成电路技术、电子应用技术为一体的复杂技术。物联网系统的嵌入式技术基于计算机基础，对实现物联网的自动化控制等功能具有非常重要的意义。
4）通信技术
目前，主流的物联网通信技术包括Wi-Fi技术、蓝牙技术和Zig-bee技术等，这些通信技术保障了物联网的数据传输。在物联网系统中，需要根据不同工业机械生产过程特点来选取适宜的通信技术。
二十世纪九十年代初，施乐公司推出的网络可乐贩售机是物联网的初步雏形。1999年美国麻省理工学院建立了“自动识别中心（Auto-ID）”，提出“万物皆可通过网络互联”，阐明了物联网的基本含义。物联网最初是以RFID技术为基础的物流网络，随着网络信息技术和工厂机械应用的发展，物联网涵盖的范围越来越广。在2009年8月，温家宝总理以“感知中国”为主题的的讲话将研究物联网技术视为打赢国际竞争的新技术，这个讲话的精神引领我国物联网研究和应用进入一个全新的世界。为了认真贯彻落实总理讲话精神，物联网作为国家科技创新战略性产业，得到了政府的大力支持。物联网在我国引起了各界极大的关注，其应用领域主要包括运输和物流、工业制造、健康医疗、智能环境（家庭、办公、工厂）等，具有十分广阔的市场前景。
2.2机械智能发展概况
传统机械都是以力学基础来设计的，需要靠人工操作机械运行功能。而基于物联网设计的机械相对来说增加了自动识别和自动操作的能力。智能机械可以脱离人工操控，实现远程监测和自动化控制，智能机械的出现是机械发展史上的一座里程碑。我国在几千年前就有杠杆水车等机械工具，最早可以追溯到旧石器时代，机械工具就开始围绕着人们的生产生活中。机械的结构也随着时代的发展越来越复杂，机械结构变化的同时，机械动力也从一开始人工直接操控逐渐转变成借助外力间接操控。但是机械结构还是很庞大，机械效率还是很低。而减少人工人力投入可以提高机械效率，真正实现机械自动控制还是要依靠物联网技术的出现，机械实现智能化才能让机械设备生产安全有效。智能机械真正形成还要依赖于计算机信息技术的发展，计算机最初的功能只是信息存储和处理以及语音图形识别。运用计算机控制机械嵌入式设备可以使机械实现完全自动化运行。近代计算机发展下诞生的物联网使得传统机械运作转向智能化操作。上个世纪80年代，我国一些有大型生产车间的企业为了提高机械设备的生产效率，引进了一些技术先进的控制系统。促进车间生产过程和生产管理自动化，机械设备与生产过程联系更加紧密。生产过程中的设备工作信息可以通过计算机传送更加全面，同时还可以进行相关处理。
机械设备实现智能操作就是需要可以实现感知和能动作用的零件，那么在机械生产时就装配在设备中的传感器和致动器就可以实现这两个功能，最后再根据企业车间生产需求开发出控制平台连接机械的控制器来信息处理和“思考”。传统机械安装了这些智能结构后，就能和人类一样感知外界环境的变化和机械自身的实际状态。智能机械通过传感器感知外界信息，再利用控制装置做出判断，再对致动器发出动作指令，最后机械就可以自动化执行和完成操作。这些智能结构还可以帮助机械在动态或在线状态下的自检测和自诊断，还可以随时监控设备运行状态进行自动修复和自适应等多种功能。能实现全自动生产的机械依赖于以下三个重要零件：
（1）传感器对机械结构力学状态要高度敏感，快速将机械应变或位移直接转换成电信号输出。总体来说传感器担任着帮助机械感知外界环境变化，然后收集外界信息的任务。
（2）致动器的功能是执行控制器发出的指令，然后根据生产设备工作需求对外界或内部状态与特性变化做出合理的反应。控制器对传感器传来的信息处理后变为指令发给致动器，然后致动器在指令下使机械按照需求工作。也就是机械的工作零件的形状、刚度、位置、固有频率、阻尼等机械特性会做出改变，这种改变就是适应设备工作环境的变化。
（3）控制器作为工程机械的大脑，在机械生产的时候就要嵌入设备的结构当中，跟人类大脑一样就是控制实体机械设备的所有动作。那么控制器在感受和制动之间要实时连接，整个机械工作过程中都要处理各种信息。
由此可以看出，智能机械有许多传统机械不具有的某些特性。这些优于传统机械的特性使智能机械成为现代网络信息研究领域的一个重要的组成部分，是当下各界人员关注的焦点。智能机械是作为机械发展的前沿领域，使机械发展跨越了一座里程碑。
三 机械智能和物联衔接发展探析
3.1 工业4.0的影响
实现工业生产“互联互通"是物联网和智能制造的核心。脱离人和动物提供动力的机械设备带来了第一次工业革命，机械设备的动力和速度都比人类高很多，使企业生产效率得到了明显的提高。虽然第一次工业革命后燃料等能源提供动力，但是机械设备还是需要人工操作控制。电子和信息通信技术嵌入到机械设备中，让车間机械的制造过程实现的自动化操作，这个就是第三次工业革命的标志。那么物联网技术嵌入到机械工作实现远距离操控和少部分人实现大范围操控的全自动生产线，就是第四次工业革命的特征，也就是常说的工业4.0时代到来了。从原材料开始直到产品最终交付客户的整个过程实现智能化，以满足客户灵活多变的要求。机械智能与物联网衔接是实现智能制造的核心与关键。 智能制造类比人体的话，信息系统相当于大脑，机械设备相当于各部分器官。而物联网系统相当于联通各器官之间的血管，可以实现物料在生产工序间有序流转，使智能制造系统效运行的载体。
我国经济市场将在物联网的发展下产生巨大的变化，因此，研究者在经济学智库上设计了相关调查问卷。问卷结果统计显示对物联网持期待态度的人员占总人数的38%，同时，对于利用物联网技术可以增加企业竞争力的看法还是有非常多的票数。将物联网与机械智能衔接发展对我国经济有明显利好，为了推动智能制造车间的发展，我国相继发布了促进智能机械和生产的相关方针和政策。与此同时，企业针对物联网和机械智能衔接上的投资和研发力度也是有增无减，在原本趋于成熟的机械智能上加上物联网优势如虎添翼。由此可见，智能制造在我国有着极为广阔的发展空间，可以为我国经济市场提供更加全面的发展未来。
3.2机械智能与物联衔接障碍
智能制造简化了企业车间工业生产过程中的员工操作，提高企业生产效率和工业成品的质量。随着信息化世界的发展，各大企业对建设数字化工厂、数字化车间更为急迫。由于多数企业对智能制造的理解不够准确，只了解智能制造最终可以达到的效果，对于智能制造所需要的设备工作环境不太了解。对于企业的生产工艺能否通过智能制造来实现也不是很清楚，很多企业想要实现工厂智能制造就需要对传统生产工艺进行改良。首先如果一些产品利用智能机械生产需要进行大量改进和投入，而对产品质量和生产效率提高缓慢，这种企业是不适合完全进入自动化生产的。所以对于一些小规模的制造企业还不适合引进智能制造的生产理念，而一些可以进行大规模生产的企业还是比较适合进行生产车间的智能改造。
实施全自动化车间生产很可能需要通过改变企业原有的生产工艺或者生产流程来适应智能制造项目，而改变生产工艺有可能直接影响到成品品质与产量。要想实现智能制造就要考虑到生产工艺改变带来的影响，来规避企业投资风险。
基于物联网的智能制造项目需要大量的资金投入，这样就无法保障企业持续投入的资金，这样有可能连企业车间生产线都无法顺利实施。企业生产自动化后就得进入批量生产模式，在企业产品市场需求波动较大的情况下就容易造成产品积压。
3.3 基于物联网的机械智能设备研究
3.3.1 系统感知技术
在智能制造过程中，系统的感知和分析数据的能力是实现智能制造的关键。根据控制器处理数据形成指令，调整机械设备的操作设置。将这个整个过程信息保存，就可以和人一样进行迁移运用，类似人的学习和应用的能力。合适的生产系统和生产方法是物联与机械智能衔接的关键。机械工作环境会变化，机械配置的传感器就要及时感知变化来调整机械工作行为来适应环境变化，要过滤掉外界无用的干扰因素。提升传感器的系统感知技术后，可以将机械执行复杂装配指令时细节更加清晰，也可以提升机械的反应能力。对于错误指令也可以及时反应并纠正操作，对于生产车间的动态过程都可以积极响应并控制。整个生产装配部门需要多种功能的传感器，比如位置锁定，施力距离和压力感应功能的传感器。配备齐全的传感器可以让机械对车间生产流水线进行数据收集和分析，再利用控制器优化和控制，让车间生产过程更加精准和实时监控作用，保证智能机械可以主动收集生产过程信息。传统传感器对环境变化的反应和控制能力都较差，车间生产容错性差，机械和传感器配对契合性太高，在工程生产过程中无法到达全自动智能制造的要求。所以传感器设计需要更加智能和可靠，同时增加安全性和節能性的需求。根据多功能的传感器设计软件硬件平台，就可以对企业车间生产过程感应并传送数据，提升控制器的数据处理能力，提高传感器采样精度同时降低机械故障率。
3.3.2物联网核心软硬件产品研制及组网研究
规模较大的企业在进行智能车间改造时，除了智能机械的设计还需要设计智能控制中心，就是将无限传感器传输线路聚集在一起的大型网络平台。设计这类网络平台 就可以将机械各个位置的传感器节点和机械设备稳定并且实时关联起来，这样点对点的信息传输和显示就可以对车间生产进行全面的感知和监控。无线传感器网络与其他产品一样与具体的应用拥有着紧密联系，因此在进行路由设计时考虑外界因素对其的影响是必要的。大规模车间生产的环境比较复杂，那么传感器信号传输就容易收到金属机械设备零件的干扰。因此，在无限传感传输网络设计就需要进行复杂工作环境的可靠性研究。在车间生产时进行实际测试再经过理论分析综合得到对各个传感器节点无限传输的干扰因子，阻碍数据传输的障碍以及相对应的解决办法。那么开展企业车间生产针对性的物联网核心产品研究时必不可少的，这样可以对复杂车间工作流程的节点都有特定的网络平台节点，就可以将各个不同的网络节点互相联系起来。使得他们既可以独立运行，又可以联合运行，互相支撑，共享数据资源。这种方式研究并不困难是可行的且是已经有其他方面已经有雏形了的。例如现在部分区域实行的用蓝牙或网络对各个社区水电的监控和数据采集来进行管理，但同时又对其他区域水电情况相互联系从而进行数据共享、联合运行、相互支撑。这种形式用于生产间可使得整个产业链可宏观调控可微观优化，市场与政策的变化和于之对应的生产的产量的变化质量要求的变化产品外形和功能要求的变化，两者之间的调控和转化更加灵活，而打破了原本模具化生产这种灵活的生产模式所带来的经济效益也更加的高。
3.4工厂优化决策的透明性
智能机械的设计都是通过对数据进行统计或是根据概率计算的方式来保证智能机械的可靠性。而物联网在智能机械中能够提供准确数据，使其能够根据参数来进行概率计算和统计，从而有效确保了这些数据的安全性。由此可见，物联网能够为智能机械提供大量可变数据，而且可以确保这些数据的准确性。最终提高智能机械设计的准确性，可以帮助领导者随时作出适应市场变化的决策。物联网时效性之强以至应用除及时提供可变数据外在工厂由决策到实施这种端到端的调控具有明显的成效。例如可以利用移动技术来缩短问题和决策之间的时间差，使不达标的产品在未生产出来之前就已经加以制止或利用时间差计算偏离误差并改善。 3.5大数据创造价值
对物联网设备在机械生产过程中存储的数据进行分析，可以带来经验价值和决策创新。例如，智能机械厂家可以依据传感器收集的机械工作时期的状态参数，来判断和预测设备是否发生故障，这样就可以及时为客户提供对症的维修服务。车间生产过程中可以提高设备生产效率和产品质量，确保客户利益得到保障，让企业与客户联系得更加稳固。智能制造车间配置智能电表，它可以提供机械工作时的详细数据。利用物联网技术处理分析这些数据，可以将环保能源要求来对车间生产实行节能高效的远程管理。
四 机械智能与物联衔接的发展成果
伴随着互联网、人工智能、物联网等新技术的发展，智能制造行业向做大做强的方向发展的趋势也越来越明显清晰。从机械生产自动化大量显现出新技术、新产品和新模式的情况来看，环保节能与智能化是行业发展的两大方向。
2018年举办的baumaChina2018展的主题“智造愿景，纵横大观”，全面向各界人士展示了车间工程机械智能制造的发展未来。车间生产成品智能化、车间设备运行智能化和设备操作平台智能化是机械智能发展的三个体现。智能机械融入物联网，各企业也是顺应时代潮流，在创新的激流中把握机遇，打造真正极致的产品，形成良好的用户口碑，使工程机械市场蓬勃发展。基于物联网的智能机械要具备自动化、感知环境和减少人工作业程度的特点。
工程机械智能化发展成为新趋势。目前国内许多主机厂已经设计出部分智能工程机械产品，如山推股份推出的DE17R，是我国最早利用无线遥控静压驱动的无人驾驶环卫型推土机。它是山推公司科研团队完全自主研发的，也使推土机开始了无人操控的时代。人员通过无线遥控进行远程操控，最远操控距离可以达到五百米。山河智能随后推出了稳定性高、人岩能力强的SWDM系列旋智能挖钻机的。这类智能挖钻机自动化程度较高，在路况复杂的情况下工作或者行驶时，操控着可以进行远程控制，确保工作人员生命安全。机械智能感应环境变化时可以智能化调整设备性能，这样也可以降低机器损坏率。工作人员远程操作更加舒适便利，也可以降低生产施工成本。智能挖钻机配护筒驱动器、配搓管机下套管，或配合全回转全套管钻机施工，功能多样。还有三一重工推出的远程救援挖掘机、卡特在baumaChina2018展现场演示的智能挖掘机作业、神钢配备3D智能挖掘系统的SK200等。这些智能机械都能够实现自动装载、状态识别、云通信、良好的人机交互等功能。斗山在5G远程控制技术方面的创新成果也让人瞩目。斗山工程机械5G远程控制技术从研发思路到实施效果的每一环节都体现了智能制造的优势。斗山表示，智能化已经成为整个行业的重中之重，更在企业升级中逐步落地，斗山的5G远程控制技术将成为未来行业发展的核心和榜样。
在物联网与智能机械的交互发展的情况下，国内工程机械企业都在研制嵌入物联技术的智能机械。纷纷推出各自的智能化机械，这些机械也在逐步实现智能制造的功能。随着各大企业纷纷投入智能机械的研究中，依据现有的智能制造的研究成果和成绩，在不久的将来各类机械制造企业将会推出生产自动化更加全面的机械和功能更加多样的成熟智能产品。机械操作在物联网的带领下越来越智能，车间机械生产车间流水线也可以实现全程智能化。中联重科作为全球高端装备制造商，建成的中联重科塔机智能工厂集智能产品、智能制造、智能服务于一体。是行业全球唯一的一座应用智能控制技术、智能生产线技术、智能物流技术、智能检测技术的产业园区。这样的智能工厂已经应用到生产实践当中，智能操控系统和智能网络系统实现在机械设备上互相融合，以此来构建更具有生态理发展念和更适应未来发展要求的人性化工厂。由此可见，基于物联网的智能机械产业是未来科技时代的体现，也可以适应市场经济的需求变化。
随着智能机械技术和物联网技术不断融合，我国一些企业开始搭建与物联网有关的工厂制造智能平台。雷沃智慧建设解决方案（iBuilding）是“整机+互联网”，通过智能终端与汽车实体相互对应连接，可以对行驶中的车辆状态进行监测和远程自动控制。配置iBuilding的车辆从出厂开始，就可以利用软件对车辆进行全面不间断的监测，再利用软件平台对数据进行分析监控。使车辆使用者可以得到金融服务、作业管理、保养维修、车辆租赁、二手机管理等全方位的一条龙服务。
成立于2009年的铁甲也是工程机械互联网领军企业，致力于用互联网的方式推动中国工程机械行业的发展。在baumaChina2018展亮相的铁甲云盒也是铁甲发力智慧工地建设，对机械产业物联网的探索与融合道路的探索产品。在工业4.0思潮和物联网等科技高质量发展中，工业互联网平台是机械智能制造的核心技术。全球互聯网产业发展逐渐成熟的情况下，物联网科技的发展将全球经济和科技带入了新的阶层。随着物联网科技的发展，工业机械设计领域的也得到了快速发展。工程机械产品向全程自动化制造的发展，并且机械智能化程度也越来越高。随着机械智能与物联网的紧密联接，工程机械行业正在逐步迈向智能化的未来发展，向着“互联物联产业智能”的目标不断前进。
五 结论
智能机械是信息时代高速发展的产物，在实际应用的过程中虽然遇到多种问题。但是工业生产进入智能化是科技社会的发展趋势，为适应车间生产正在不断改进相关技术，不久的将来智能制造的一定会得到大面积普及。本文首先概述了物联网和智能机械的发展和结构，然后引出了工业4.0的内涵，提出智能制造的理念。介绍了基于物联网的智能机械框架和主要技术，描述了智能制造的特征，最后介绍了我国在智能机械上的研究成果。在车间生产的流水线中，智能机械的传感器收集的信息经过处理可以让控制器发出指令实现智能操作。这些数据经过处理分析存储，可以让管理者对生产流程的资源分配做出正确的决策。将这些数据分析结果应用在车间智能生产实践过程中，就可以提高企业生产效率和产品质量。
将物联网与智能机械的融合设计是智能制造的主要思路，通过传感器和控制器对智能机械的工作环境和状态数据收集和处理。这些可靠的数据让智能机械工作过程和结果有一定的保障，这样就可以让智能机械的功能全部体现出来。将智能机械与物联网进行点对点融合是智能机械设计的方向，这样可以将智能机械的功能发挥到最大。我国的智能机械已经取得初步的成就，要让企业整个车间生产达到全自动操控，还需要各界企业和相关的研究机构共同努力。设计基于物联网的智能机械是高科技时代的发展方向，也可以让人类文明进入一个全新的智能时代。
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作者简介：
张梦军，男、1998.5、汉族、安徽淮北人、本科、研究方向：机械理论前沿。
（作者单位：池州学院）