機(jī)電技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的運(yùn)用分析

摘要：國(guó)家“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃明確指出，機(jī)電技術(shù)的應(yīng)用是提升制造業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要途徑。機(jī)電一體化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的運(yùn)用能夠有效優(yōu)化制造流程，提高產(chǎn)品質(zhì)量及其生產(chǎn)效率，成為推動(dòng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵因素。通過將機(jī)械系統(tǒng)與電子控制系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的高度自動(dòng)化，從而降低人工成本減少操作錯(cuò)誤的發(fā)生率，為制造業(yè)的發(fā)展提供了重要支持。

關(guān)鍵詞：機(jī)電技術(shù)"機(jī)械設(shè)計(jì)制造"智能控制"數(shù)控技術(shù)"自動(dòng)智造

Analysis"of"the"Application"of"Electromechanical"Technology"in"Mechanical"Design"and"Manufacturing

SANG"Guoyang

Yangxin"County"Vocational"Secondary"School"（Yangxin"County"Technical"School），"Binzhou，Shandong"Province，251800"China

Abstract：The"national"\"14th"Five-Year"Plan\""intelligent"manufacturing"development"plan"clearly"points"out"that"the"application"of"electromechanical"technology"is"an"important"way"to"enhance"the"core"competitiveness"of"the"manufacturing"industry."The"application"of"mechatronics"technologynbsp;in"mechanical"design"and"manufacturing"can"effectively"optimize"the"manufacturing"process，"improve"product"quality"and"production"efficiency，"and"become"a"key"factor"to"promoting"the"transformation"and"upgrading"of"the"manufacturing"industry."Through"the"organic"combination"of"mechanical"systems"and"electronic"control"systems，"a"high"degree"of"automation"of"production"equipment"can"be"achieved，"thereby"reducing"labor"costs"and"reducing"the"incidence"of"operational"errors，"which"provides"important"support"for"the"development"of"the"manufacturing"industry.

Key"Words："Electromechanical"technology;"Mechanical"design"and"manufacturing;"Intelligent"control;"Numerical"control"technology;"Automatic"intelligent"manufacturing

機(jī)電技術(shù)作為現(xiàn)代工業(yè)的核心組成部分，推動(dòng)了機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的重大革新。該技術(shù)融合了機(jī)械工程、電子科技與信息技術(shù)，能夠形成一種高效智能的制造新模式，從而提升設(shè)備的性能，有效降低了生產(chǎn)成本。此外，機(jī)電技術(shù)還能夠增強(qiáng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)靈活性，使生產(chǎn)過程能夠快速響應(yīng)市場(chǎng)變化，以此來滿足個(gè)性化定制的工程需求。

1智能控制與機(jī)械設(shè)計(jì)的集成效應(yīng)

在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)制造中，智能控制技術(shù)與機(jī)械創(chuàng)新相結(jié)合在生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用。在提高機(jī)械設(shè)備運(yùn)行精度的同時(shí)，智能控制系統(tǒng)的引入大大促進(jìn)了生產(chǎn)效率的提高和產(chǎn)品品質(zhì)的提高。采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的決策方式，使智控融合技術(shù)能夠有效地提高機(jī)械操作的動(dòng)態(tài)性[1]。

例如：該系統(tǒng)通過引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，對(duì)設(shè)備的潛在故障進(jìn)行預(yù)判和診斷，并對(duì)其進(jìn)行先期維護(hù)，減少故障發(fā)生的時(shí)間。這種預(yù)測(cè)模型涉及隨機(jī)森林算法復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式，其中通過建立成千上萬個(gè)決策樹來預(yù)測(cè)設(shè)備故障的設(shè)備性能數(shù)據(jù)作為輸入變量。在設(shè)計(jì)智能機(jī)械設(shè)備時(shí)，可采用適應(yīng)生產(chǎn)需求變化的模塊化方法。在汽車制造中，智能控制系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)時(shí)的需要，對(duì)流水線的速度和配置進(jìn)行調(diào)整，從而對(duì)市場(chǎng)的即時(shí)需要做出反應(yīng)。這類系統(tǒng)利用實(shí)時(shí)反饋循環(huán)來調(diào)整速度、壓力、溫度等參數(shù)，使生產(chǎn)過程達(dá)到最優(yōu)化的目的，其公式如下。

式（1）中：y是輸出；e是設(shè)定點(diǎn)與實(shí)際輸出的誤差；分別是比例、積分以及微分增益；是誤差的積分項(xiàng)，表示從開始到當(dāng)前時(shí)刻誤差的累積總和；是誤差的微分項(xiàng)，表示誤差隨時(shí)間的變化率。

智能制造的理論基礎(chǔ)還強(qiáng)調(diào)能量?jī)?yōu)化和資源管理的重要性，以使機(jī)械設(shè)計(jì)符合環(huán)保要求，并通過實(shí)施能效管理系統(tǒng)來降低生產(chǎn)成本。以最小化每個(gè)生產(chǎn)單元的能耗為目的，優(yōu)化算法可以用遺傳算法來確定最優(yōu)的機(jī)器運(yùn)行參數(shù)，以達(dá)到最低能耗，該算法模擬自然選擇過程中的突變，以找到成本效益最高的生產(chǎn)配置，從而促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新，達(dá)到成本效率的最大化。其計(jì)算公式如下。

式（2）中：代表總成本；代表第臺(tái)機(jī)器的運(yùn)行參數(shù)；∑為求和符號(hào)，用于計(jì)算從到的所有項(xiàng)的總和；為總的機(jī)器或生產(chǎn)單元數(shù)量；是相關(guān)的成本系數(shù)。

2"數(shù)控技術(shù)在精密加工中的應(yīng)用

數(shù)控技術(shù)是現(xiàn)代制造業(yè)的重要支柱，能夠使機(jī)械加工精度達(dá)到前所未有的水平。數(shù)控技術(shù)的核心在于使用數(shù)字化信息來控制機(jī)械設(shè)備的動(dòng)作，能夠提升制造過程中的精確度。通過編程，數(shù)控機(jī)床可以執(zhí)行復(fù)雜的加工任務(wù)，這種程序化操作減少了人為錯(cuò)誤，提高了工作效率以及材料利用率[2]。

例如：在制造業(yè)中，數(shù)控機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能是保證加工精度及其穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，采用先進(jìn)的控制理論結(jié)合模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)，提高加工過程的精確性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性是當(dāng)務(wù)之急。模型預(yù)測(cè)控制是通過建立機(jī)床的詳細(xì)數(shù)學(xué)模型來預(yù)測(cè)未來的操作狀態(tài)，并對(duì)加工過程的控制策略進(jìn)行優(yōu)化，最大程度降低加工誤差，從而使數(shù)控機(jī)床適應(yīng)不同的材料和加工條件的變化而提高加工過程的靈活性。另外，為了提高數(shù)控系統(tǒng)對(duì)關(guān)鍵加工參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控能力，將多種傳感器融合到系統(tǒng)中來，在加工過程中對(duì)機(jī)床的各種參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。線性回歸模型的機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以對(duì)收集的切削力和進(jìn)給力資料進(jìn)行有效的分析處理，從而對(duì)工具的磨損狀況進(jìn)行精確預(yù)測(cè)，并據(jù)此對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以延長(zhǎng)工具的壽命并降低生產(chǎn)成本。另外，通過對(duì)機(jī)床的控制參數(shù)進(jìn)行不斷優(yōu)化，使制造業(yè)在提高生產(chǎn)效率與降低成本方面能夠有進(jìn)一步的提升，從而為機(jī)床操作者提供更高的安全保障，使其對(duì)復(fù)雜多變的生產(chǎn)需求有更有效應(yīng)對(duì)。

3傳感器網(wǎng)絡(luò)在自動(dòng)化裝配線中的效能

傳感器作為信息獲取的基本單元，能夠在沒有人工干預(yù)的情況下，準(zhǔn)確捕捉到機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)與環(huán)境變化，這些信息經(jīng)過智能處理后，可直接用于優(yōu)化決策與控制策略[3]。而智能連接技術(shù)則通過高速的數(shù)據(jù)傳輸與高效的信息處理，以此來保證系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)作，使機(jī)械設(shè)備更加精準(zhǔn)穩(wěn)定地完成預(yù)定任務(wù)。

例如：在一個(gè)具有高度集成的傳感器網(wǎng)絡(luò)與智能控制系統(tǒng)的自動(dòng)化裝配線系統(tǒng)中，溫度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器等各類傳感器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控裝配線上各個(gè)工作站的運(yùn)行狀態(tài)。通過對(duì)數(shù)據(jù)的智能分析，系統(tǒng)能自動(dòng)調(diào)整裝配速度與力度，以適應(yīng)不同的組裝要求。當(dāng)某一工作站的溫度傳感器檢測(cè)到的平均溫度為22"℃，當(dāng)溫度升高到24.75"℃時(shí)，系統(tǒng)通過調(diào)整附近工作站的冷卻系統(tǒng)，確保溫度維持在最優(yōu)水平。此外，裝配線上的智能算法可以根據(jù)壓力傳感器反饋的數(shù)據(jù)（平均壓力1.58"kPa）自動(dòng)調(diào)整壓力，當(dāng)檢測(cè)到壓力低于1.20"kPa或高于1.95"kPa時(shí)，系統(tǒng)即時(shí)調(diào)節(jié)，確保裝配質(zhì)量。這種智能調(diào)節(jié)能夠有效提高生產(chǎn)效率，還能夠減少材料浪費(fèi)、降低生產(chǎn)成本。（如表1所示）。

4自動(dòng)化與智能化技術(shù)在制造工藝中的應(yīng)用

自動(dòng)化與智能化的結(jié)合，以現(xiàn)代制造業(yè)為背景，正促進(jìn)著制造工藝的革新和生產(chǎn)方式的根本變化。其核心是運(yùn)用先進(jìn)的自動(dòng)化信息技術(shù)，達(dá)到高效率的生產(chǎn)過程，而這一變革又在此基礎(chǔ)上以數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析和決策支撐系統(tǒng)的集成為基礎(chǔ)，以提升整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的智能響應(yīng)能力為重點(diǎn)[4]。

自動(dòng)智造在實(shí)際運(yùn)用中的體現(xiàn)，可以采用基于云計(jì)算的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，將整個(gè)工廠的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，并通過高效的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)對(duì)生產(chǎn)流程進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而利用統(tǒng)計(jì)過程控制和故障模式及影響分析等方法對(duì)潛在的生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并提前制定相應(yīng)的響應(yīng)措施，從而使生產(chǎn)系統(tǒng)的控制決策模型得到如下表達(dá)式。

式（3）中：∑為求和符號(hào)；Q（t）表示在時(shí)間t的生產(chǎn)質(zhì)量控制指標(biāo)；表示第i個(gè)生產(chǎn)單元的運(yùn)行成本；表示第j個(gè)生產(chǎn)單元的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值；是用于平衡成本與風(fēng)險(xiǎn)的權(quán)重因子。

另外，還可以應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)模型來對(duì)生產(chǎn)線上的自動(dòng)化裝置進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，以提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，如對(duì)裝配線上的攝像頭數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以使機(jī)器學(xué)習(xí)模型對(duì)產(chǎn)品裝配過程中的缺陷進(jìn)行識(shí)別，并對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，以避免重復(fù)錯(cuò)誤。這一自動(dòng)調(diào)整過程可通過以下控制算法來實(shí)現(xiàn)。

式（4）中：和分別是調(diào)整后和調(diào)整前的設(shè)備參數(shù)；是由機(jī)器學(xué)習(xí)模型計(jì)算出的誤差改善量是學(xué)習(xí)率，控制參數(shù)調(diào)整的速度。

以上說明自動(dòng)智造是通過高級(jí)算法對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行自我優(yōu)化，從而有效地提高了生產(chǎn)效率，增強(qiáng)了制造系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜生產(chǎn)任務(wù)的適應(yīng)能力，并能不斷推進(jìn)工藝革新，達(dá)到生產(chǎn)活動(dòng)的智能化，從而有效提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

5機(jī)電一體化在現(xiàn)代機(jī)器人設(shè)計(jì)中的優(yōu)化

機(jī)電一體化在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)制造中，可以促進(jìn)設(shè)計(jì)的革新以及產(chǎn)品性能的提高。這一技術(shù)的核心在于在設(shè)計(jì)階段即保證產(chǎn)品的高性能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)械部件的無縫集成與電子控制系統(tǒng)[5]。

機(jī)器人設(shè)計(jì)的早期涉及精確設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，通常是以線性和非線性控制理論為基礎(chǔ)，確保控制信號(hào)能夠得到精確的響應(yīng)。在實(shí)際操作中，利用比例-積分-微分（Proportional-Integral-Derivative，PID）算法對(duì)機(jī)器人執(zhí)行器的位置和速度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，通過實(shí)時(shí)反饋機(jī)制來保證操作的準(zhǔn)確性。這種反饋控制技術(shù)由于可以通過調(diào)整比例、積分和微分增益來優(yōu)化性能響應(yīng)，因此，在機(jī)器人技術(shù)中被廣泛使用。除了PID控制，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)還可能采用模型預(yù)測(cè)控制（Model"Predict"Control，MPC）策略，這是一種更高級(jí)的控制技術(shù)，它不僅響應(yīng)當(dāng)前的操作條件，還預(yù)測(cè)未來的狀態(tài)變化。這種控制方法通過優(yōu)化控制動(dòng)作來應(yīng)對(duì)即將到來的擾動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)更加穩(wěn)定和高效的操作。

此外，機(jī)電一體化不僅限于控制算法的應(yīng)用，還涉及整個(gè)設(shè)計(jì)制造過程的優(yōu)化，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需要考慮電子和機(jī)械組件的整合方式，以及這些技術(shù)如何影響最終產(chǎn)品的性能。通過精確的控制和預(yù)測(cè)技術(shù)，機(jī)器人系統(tǒng)能在理論上達(dá)到預(yù)期的性能標(biāo)準(zhǔn)，并在實(shí)際操作中表現(xiàn)出卓越的效率。

6結(jié)語

綜上所述，機(jī)電一體化技術(shù)在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的深度應(yīng)用，體現(xiàn)出高科技融合的趨勢(shì)，還展現(xiàn)了制造業(yè)向更高智能化與自動(dòng)化水平邁進(jìn)的必然路徑。通過將精密的電子控制系統(tǒng)與機(jī)械設(shè)計(jì)完美結(jié)合，機(jī)電技術(shù)極大地提升了制造過程中的效率與產(chǎn)品的精確度，確保了生產(chǎn)過程的可持續(xù)發(fā)展。

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