自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械設(shè)備控制中的應(yīng)用研究

戈瑤，黃昌全，杜建偉

（1.中國核電工程有限公司，北京 100840；2.江蘇鈕泰克科技有限公司，江蘇 無錫 214181）

隨著科技的迅速發(fā)展，自動(dòng)化技術(shù)已成為提高生產(chǎn)效率、降低成本、確保安全性的不可或缺的工具，希望通過分析能夠?yàn)楣I(yè)界提供實(shí)用的解決方案，推動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械工程領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用與發(fā)展。這項(xiàng)研究對(duì)于推動(dòng)現(xiàn)代工業(yè)向更智能、高效的方向發(fā)展具有積極意義，能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化的可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量。

1 機(jī)械設(shè)備控制中應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)的現(xiàn)實(shí)意義

機(jī)械設(shè)備控制中自動(dòng)化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)日益突出。自動(dòng)化技術(shù)的引入不僅提高了生產(chǎn)效率，還在多個(gè)層面上產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

自動(dòng)化技術(shù)為機(jī)械設(shè)備控制帶來了更高的精度和可靠性，傳統(tǒng)的手動(dòng)操作容易受到人為因素的干擾，而自動(dòng)化系統(tǒng)能夠以更為一致和精準(zhǔn)的方式執(zhí)行任務(wù)，從而顯著提高產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)降低因人為失誤引起的生產(chǎn)成本。自動(dòng)化技術(shù)讓工業(yè)界能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械設(shè)備的精確控制，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用使得機(jī)械設(shè)備在生產(chǎn)過程中更具靈活性。傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備通常需要大量的人工調(diào)整和設(shè)置，而自動(dòng)化系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)定的參數(shù)自動(dòng)適應(yīng)不同的生產(chǎn)需求，這種靈活性不僅縮短了生產(chǎn)周期，而且使企業(yè)更容易適應(yīng)市場(chǎng)變化，從而顯著提高企業(yè)競(jìng)爭力。

在安全性方面，高風(fēng)險(xiǎn)的工作環(huán)境中的自動(dòng)化系統(tǒng)能夠執(zhí)行危險(xiǎn)任務(wù)，這明顯減少了工人暴露于危險(xiǎn)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)，降低事故發(fā)生的可能性，保護(hù)工人的生命安全。同時(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)還能夠?qū)υO(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問題，進(jìn)一步提高生產(chǎn)過程的安全性。

自動(dòng)化技術(shù)的不斷創(chuàng)新也為人力資源的合理配置提供了更多可能性，自動(dòng)化系統(tǒng)的引入讓工人可以從繁重、危險(xiǎn)和單調(diào)的工作中解脫出來，將更多精力投入創(chuàng)新性、高附加值的工作中，使得員工的工作滿意度進(jìn)一步提高，同時(shí)推動(dòng)整個(gè)行業(yè)向更高水平發(fā)展。

2 機(jī)械設(shè)備中應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)的現(xiàn)存問題

機(jī)械設(shè)備中應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)具有顯著優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也伴隨著一系列問題，這些問題涉及技術(shù)、人力資源、安全性等多個(gè)層面，需要嚴(yán)肅審視和解決，以便讓自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械設(shè)備中的應(yīng)用能夠取得更好的效果。

2.1 技術(shù)復(fù)雜性的增加

隨著自動(dòng)化技術(shù)的迅猛發(fā)展，設(shè)備的控制系統(tǒng)變得日益復(fù)雜，這就要求操作人員需要具備更高水平的技術(shù)知識(shí)和技能，而這增加了培訓(xùn)和招聘的難度，使維護(hù)和修理工作變得更加困難。自動(dòng)化技術(shù)引入后，技術(shù)故障不再僅僅是機(jī)械問題，還涉及軟件和電子元件，因此需要更專業(yè)的維修人員介入。當(dāng)前高度自動(dòng)化的機(jī)械設(shè)備通常涉及復(fù)雜的傳感器、控制器和軟件系統(tǒng)，這些元件的成本顯著提高了整體設(shè)備的成本，使得中小型企業(yè)在引入自動(dòng)化技術(shù)時(shí)面臨較大的財(cái)務(wù)壓力，限制了技術(shù)普及的速度。

2.2 需要大量的資金投入

在機(jī)械設(shè)備中應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)的一個(gè)顯著問題是需要大量的資金投入。引入自動(dòng)化技術(shù)需要購置先進(jìn)的設(shè)備和系統(tǒng)，這通常伴隨著高昂的成本，企業(yè)需要投資于先進(jìn)的傳感器、控制器、軟件以及自動(dòng)化硬件，這些元件的價(jià)格相對(duì)較高，對(duì)企業(yè)的財(cái)務(wù)狀況提出了挑戰(zhàn)。再加上當(dāng)前自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用需要對(duì)員工進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)，以便適應(yīng)自動(dòng)化系統(tǒng)的操作和維護(hù)，這導(dǎo)致員工的工作時(shí)間減少，最終對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)效率帶來一定程度的沖擊。另一方面，自動(dòng)化技術(shù)的相應(yīng)設(shè)備和系統(tǒng)也需要定期維護(hù)，以確保正常運(yùn)行。此外，由于自動(dòng)化技術(shù)的迅速發(fā)展，舊有的自動(dòng)化系統(tǒng)需要及時(shí)進(jìn)行升級(jí)或更換，這都需要大量的資金支持。

2.3 自動(dòng)化技術(shù)對(duì)勞動(dòng)力市場(chǎng)的影響

自動(dòng)化技術(shù)的廣泛應(yīng)用讓其設(shè)備的復(fù)雜性要求更高水平的技術(shù)專業(yè)知識(shí)，操作和維護(hù)人員需要更深入的了解編程等方面的技術(shù)，這對(duì)于一些傳統(tǒng)技能水平較低的工人來說構(gòu)成了一定的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備的操作只需要普通工人進(jìn)行簡單的操作和維護(hù)，但隨著自動(dòng)化技術(shù)的引入，高技術(shù)水平的工程師和技術(shù)專家的需求逐漸增加，這就造成一些傳統(tǒng)從業(yè)人員的技能不再符合市場(chǎng)需求，從而增加了勞動(dòng)力市場(chǎng)中一部分人的就業(yè)不確定性。

2.4 自動(dòng)化技術(shù)的可靠性和穩(wěn)定性問題

自動(dòng)化系統(tǒng)中包含大量復(fù)雜的軟件，一旦其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。同時(shí)，自動(dòng)化系統(tǒng)的復(fù)雜性增加了故障排查和解決的難度。相對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備，自動(dòng)化系統(tǒng)中有更多的電子元件和編程代碼，這使得發(fā)現(xiàn)解決故障的過程變得更為煩瑣，這對(duì)維護(hù)人員提出了更高的技術(shù)要求，同時(shí)也增加了系統(tǒng)維護(hù)的時(shí)間和成本。

3 自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械設(shè)備控制的具體應(yīng)用

3.1 刀具自動(dòng)化

在機(jī)械設(shè)備控制中實(shí)現(xiàn)刀具自動(dòng)化是一個(gè)非常重要的工作，刀具自動(dòng)化的成功實(shí)施涉及到多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域和較為復(fù)雜的操作步驟。

傳感器的應(yīng)用能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)刀具的狀態(tài)、位置和磨損程度，通過安裝合適的傳感器可以獲得關(guān)鍵的刀具信息，從而為后續(xù)的控制提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，例如，振動(dòng)傳感器可以檢測(cè)刀具在工作時(shí)的振動(dòng)情況，而光電傳感器可以實(shí)時(shí)感知刀具的位置。這些傳感器的聯(lián)動(dòng)使得刀具自動(dòng)化控制能夠更加智能和敏感地作出反應(yīng)。刀具自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)需要先進(jìn)的控制系統(tǒng)，尤其是數(shù)控系統(tǒng)和PLC（可編程邏輯控制器），這些系統(tǒng)能夠根據(jù)傳感器提供的數(shù)據(jù)做出實(shí)時(shí)決策，數(shù)控系統(tǒng)通過預(yù)設(shè)的程序來控制刀具的移動(dòng)、速度和切削深度，而PLC 則主要負(fù)責(zé)邏輯控制來確保整個(gè)刀具系統(tǒng)的協(xié)同工作。這兩者的有機(jī)結(jié)合使得刀具在自動(dòng)化控制下能夠精準(zhǔn)、高效地執(zhí)行各種切削任務(wù)。針對(duì)刀具磨損問題，則需要及時(shí)引入高精度的圖像處理技術(shù)來對(duì)刀具表面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)磨損跡象，一旦檢測(cè)到磨損，自動(dòng)控制系統(tǒng)可通過調(diào)整刀具的位置或更換刀具實(shí)現(xiàn)對(duì)磨損的及時(shí)響應(yīng)。在實(shí)際操作中，還要重視開展路徑規(guī)劃和優(yōu)化，通過先進(jìn)的算法和數(shù)學(xué)模型使得在不同工件和刀具參數(shù)下規(guī)劃最優(yōu)的切削路徑，進(jìn)而提高加工效率并減少刀具的磨損。

3.2 加工自動(dòng)化

CNC 技術(shù)主要通過將加工任務(wù)的控制參數(shù)輸入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)控制。在數(shù)控系統(tǒng)的支持下，工程師可以通過預(yù)設(shè)的程序精確控制機(jī)械設(shè)備的運(yùn)動(dòng)軌跡、速度和切削深度，從而實(shí)現(xiàn)高度精密的加工操作。這種精準(zhǔn)度超過了傳統(tǒng)的手工操作，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和一致性。視覺導(dǎo)航和識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用是通過在機(jī)械設(shè)備上安裝攝像頭和圖像處理系統(tǒng)，讓系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)捕捉工件的形狀和位置信息，這使得機(jī)械設(shè)備能夠根據(jù)實(shí)際情況對(duì)加工路徑和參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而達(dá)到對(duì)各種形狀和尺寸的工件實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)加工的效果。視覺導(dǎo)航的應(yīng)用能夠快速提高加工的靈活性，而且還讓設(shè)備能夠更智能地應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜加工場(chǎng)景。在加工自動(dòng)化中，需要特別注意是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋機(jī)制，各種傳感器如溫度傳感器、振動(dòng)傳感器和力傳感器等在當(dāng)前工作中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備上，利用這些傳感器來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加工過程中的各種參數(shù)，通過收集這些數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)整加工參數(shù)，進(jìn)而達(dá)到適應(yīng)不斷變化的工況的效果，例如，當(dāng)?shù)毒邷囟冗^高時(shí)系統(tǒng)可以自動(dòng)降低切削速度來避免過度加熱導(dǎo)致刀具損壞，這種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋機(jī)制可以有效提高加工的穩(wěn)定性和安全性。在加工自動(dòng)化中，還要注意材料處理和流程控制，利用激光切割、電火花加工等先進(jìn)的材料處理技術(shù)來完成機(jī)械設(shè)備的精確且復(fù)雜的切削任務(wù)。做好流程控制，綜合考慮不同工序之間的協(xié)調(diào)和銜接，確保整個(gè)生產(chǎn)流程的高效運(yùn)轉(zhuǎn)，這需要對(duì)加工參數(shù)、材料特性和設(shè)備性能的深入理解，從而實(shí)現(xiàn)各個(gè)環(huán)節(jié)的無縫銜接。

3.3 裝配自動(dòng)化

實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備控制中的裝配自動(dòng)化需要通過科學(xué)合理的技術(shù)手段和操作步驟，確保裝配過程的高效性和準(zhǔn)確性。

首先，自動(dòng)化裝配線可以實(shí)現(xiàn)不同工作站之間的自動(dòng)傳送、對(duì)接和協(xié)同工作，在這個(gè)過程中，設(shè)備沿著預(yù)設(shè)的路徑移動(dòng)，每個(gè)工作站負(fù)責(zé)完成特定的裝配任務(wù)，通過在裝配線上配置合適的傳感器和執(zhí)行器來完成裝配過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制。自動(dòng)化裝配線的運(yùn)用大大提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)減少了人為操作的干擾，實(shí)現(xiàn)了裝配過程的高度自動(dòng)化。其次，要注意結(jié)合機(jī)器視覺技術(shù)，在裝配線上安裝相機(jī)和圖像處理系統(tǒng)，讓系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)捕捉并分析零部件的形狀、位置和狀態(tài)，以便讓機(jī)械設(shè)備可以隨時(shí)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行智能調(diào)整，從而保障零部件在裝配過程中的正確位置和方向。機(jī)器視覺技術(shù)還可用于檢測(cè)零部件的質(zhì)量和缺陷，這有效提高了裝配的準(zhǔn)確性和一致性。值得關(guān)注的是，機(jī)器手臂是自動(dòng)化裝配線的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，靈活的機(jī)器手臂能夠根據(jù)預(yù)設(shè)的程序執(zhí)行各種精細(xì)的裝配操作如擰螺絲、插接插頭等工作。使用具有高精度和敏感性的機(jī)器手臂可以快速實(shí)現(xiàn)小尺寸、高難度的裝配任務(wù)，機(jī)器手臂的靈活性和可編程性使得它能夠適應(yīng)不同型號(hào)和規(guī)格的產(chǎn)品裝配需求。此外，也要重視傳送系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，確保零部件在裝配線上的流暢傳遞并按照預(yù)定的順序送達(dá)不同的工作站。傳送系統(tǒng)通常包括輸送帶、滑軌和機(jī)械臂等，它們的協(xié)同工作使得零部件在裝配過程中能夠迅速而準(zhǔn)確地到達(dá)指定位置，有序完成各項(xiàng)任務(wù)。最后，在裝配自動(dòng)化中，要注意設(shè)備的維護(hù)和保養(yǎng)工作，由于機(jī)械設(shè)備長時(shí)間高強(qiáng)度的運(yùn)行，其極易受到磨損和發(fā)生故障，所以需要建立完善的設(shè)備維護(hù)計(jì)劃，減少不必要的停機(jī)時(shí)間，做好定期的清潔、潤滑和更換易損件以延長設(shè)備的壽命，維護(hù)人員還需進(jìn)行設(shè)備性能的定期檢測(cè)和調(diào)整，確保裝配自動(dòng)化系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.4 檢測(cè)過程自動(dòng)化

通過在機(jī)械設(shè)備上安裝高分辨率的攝像頭和圖像處理系統(tǒng)的方式可以實(shí)時(shí)捕捉產(chǎn)品表面的圖像，并進(jìn)行形狀、顏色、缺陷等方面的分析。這種技術(shù)可以被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品外觀檢測(cè)、尺寸測(cè)量、缺陷檢測(cè)等領(lǐng)域，為產(chǎn)品質(zhì)量的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)提供強(qiáng)大的工具。在檢測(cè)過程自動(dòng)化中，引入機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)，可以進(jìn)一步提升系統(tǒng)的自適應(yīng)性和智能化水平，通過對(duì)傳感器數(shù)據(jù)和視覺檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行大量學(xué)習(xí)，系統(tǒng)能夠建立模型并快速識(shí)別正常和異常工況。有效的系統(tǒng)模型可以通過產(chǎn)品的特征自動(dòng)判斷產(chǎn)品是否符合標(biāo)準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)異常情況的自動(dòng)報(bào)警或自動(dòng)調(diào)整。在檢測(cè)過程中，還要注意合理設(shè)計(jì)檢測(cè)工藝流程，通過對(duì)檢測(cè)工藝流程的優(yōu)化確保各個(gè)環(huán)節(jié)合理有序，以減少不必要的時(shí)間和資源浪費(fèi)。合理的工藝流程還應(yīng)考慮不同產(chǎn)品和工藝的特點(diǎn)，制定相應(yīng)的檢測(cè)策略和方法。如對(duì)于復(fù)雜多變的產(chǎn)品采用分階段的檢測(cè)方法，從而逐步確認(rèn)產(chǎn)品各個(gè)部分的質(zhì)量，以確保檢測(cè)的高效性和準(zhǔn)確性。當(dāng)前的人工檢測(cè)存在很多漏洞，且工作效率低下，而自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備能夠高效地完成對(duì)產(chǎn)品成分、組分的分析，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性和速度。所以，在檢測(cè)過程中也應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況引入自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備，如自動(dòng)化光譜儀、X 射線檢測(cè)等設(shè)備。自動(dòng)化工具的應(yīng)用還可以降低人工操作的干擾，使得檢測(cè)過程更加穩(wěn)定可靠。

4 結(jié)語

綜上所述，通過對(duì)自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械設(shè)備控制的應(yīng)用研究，不僅突顯了自動(dòng)化技術(shù)在提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量方面的顯著優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也呈現(xiàn)了其對(duì)制造業(yè)轉(zhuǎn)型的積極影響。通過精細(xì)控制機(jī)械設(shè)備運(yùn)動(dòng)、引入智能化視覺檢測(cè)、實(shí)現(xiàn)裝配和檢測(cè)過程自動(dòng)化，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程的高度智能化和自適應(yīng)性，提升生產(chǎn)線的靈活性，加強(qiáng)對(duì)復(fù)雜任務(wù)的處理能力。自動(dòng)化技術(shù)的不斷演進(jìn)為未來制造業(yè)的創(chuàng)新和可持續(xù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。這項(xiàng)研究為推動(dòng)機(jī)械設(shè)備領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級(jí)提供了有益的思路，為實(shí)現(xiàn)更高效、智能的制造過程創(chuàng)造了新的可能性。