工程機(jī)械電氣設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)研究

周峰，連超

（威海石島重工有限公司，山東 威海 264309）

在國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度不斷加快的背景下，工程機(jī)械制造領(lǐng)域?qū)﹄姎庠O(shè)備自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用占據(jù)關(guān)鍵地位。工程機(jī)械設(shè)備穩(wěn)定性、適用性與整個(gè)行業(yè)的生產(chǎn)效率密切相關(guān)。因此，該行業(yè)對(duì)機(jī)械設(shè)備各項(xiàng)指標(biāo)的控制要求是非常嚴(yán)格的。生產(chǎn)控制領(lǐng)域中電氣自動(dòng)化技術(shù)不但能夠?qū)こ虣C(jī)械設(shè)備功能進(jìn)行合理優(yōu)化，還可以促進(jìn)系統(tǒng)控制效率的提升，推動(dòng)機(jī)械設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)升級(jí)創(chuàng)新。因此，我們需要積極嘗試掌握電氣自動(dòng)化技術(shù)控制要點(diǎn)，與機(jī)械設(shè)備實(shí)際情況相結(jié)合，落實(shí)一套完善的機(jī)械控制系統(tǒng)模式，考慮工程機(jī)械設(shè)備應(yīng)用要點(diǎn)，解決傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備控制模式中存在的一系列問題，推動(dòng)機(jī)械設(shè)備控制模式的創(chuàng)新與優(yōu)化發(fā)展。

1 工程機(jī)械電氣設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用意義

工程機(jī)械領(lǐng)域電氣設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用不斷成熟與發(fā)展，為促進(jìn)電氣設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)與效率的合理提升，需要使工程機(jī)械電氣設(shè)備工程運(yùn)作呈現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)化以及制度化發(fā)展趨勢(shì)。尤其是我國(guó)當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度提升，工程機(jī)械領(lǐng)域行業(yè)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，導(dǎo)致工程機(jī)械以及電氣設(shè)備安裝行業(yè)規(guī)模增大。同時(shí)，受相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域發(fā)展速度進(jìn)一步提升的影響，工程機(jī)械以及電氣設(shè)備安裝呈現(xiàn)出專業(yè)化發(fā)展趨勢(shì)。為了滿足工程機(jī)械電氣設(shè)備自動(dòng)化發(fā)展需求，需要落實(shí)全方位標(biāo)準(zhǔn)化管理，采取一系列科學(xué)方法對(duì)項(xiàng)目管理內(nèi)容進(jìn)行嚴(yán)格控制，以促進(jìn)項(xiàng)目施工效率的提升，確保項(xiàng)目建設(shè)任務(wù)的順利落實(shí)。在工程機(jī)械以及電氣設(shè)備安裝環(huán)節(jié)中，落實(shí)項(xiàng)目控制策略，確保項(xiàng)目戰(zhàn)略措施實(shí)施期間自動(dòng)化技術(shù)優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮。依賴于項(xiàng)目管理措施的有效落實(shí)，可減少資源浪費(fèi)問題，同時(shí)推動(dòng)行業(yè)經(jīng)濟(jì)效益水平的提升。同時(shí)，基于對(duì)電氣設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用，通過引入BIM 技術(shù)的方式，在工程機(jī)械電氣設(shè)備安裝中預(yù)先進(jìn)行仿真計(jì)算，以獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)并在實(shí)際安裝應(yīng)用中加以體現(xiàn)，以保障工程機(jī)械電氣設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用價(jià)值的順利實(shí)現(xiàn)。

2 工程機(jī)械電氣設(shè)備自動(dòng)化應(yīng)用原則

（1）技術(shù)性原則。工程機(jī)械設(shè)計(jì)制造技術(shù)持續(xù)發(fā)展與更新，對(duì)保障工程機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備持續(xù)優(yōu)化有重要促進(jìn)的作用。在自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備應(yīng)用期間，需要確保最終成品達(dá)到滿意狀態(tài)，使其能夠符合預(yù)期設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)使機(jī)械設(shè)備使用發(fā)展需求得到充分滿足。在工程機(jī)械制造設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，需要對(duì)技術(shù)性指標(biāo)內(nèi)容進(jìn)行充分考量，包括設(shè)備使用年限以及工作強(qiáng)度等，以提高工程機(jī)械設(shè)備與市場(chǎng)需求的契合性，減少設(shè)計(jì)以及制造弊端對(duì)電氣設(shè)備應(yīng)用所產(chǎn)生不良影響。同時(shí)，考慮經(jīng)濟(jì)性問題，自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備應(yīng)用具有一定成本，若設(shè)計(jì)制造環(huán)節(jié)沒有實(shí)現(xiàn)對(duì)成本的轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致電氣自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用產(chǎn)生副作用，導(dǎo)致企業(yè)回報(bào)受到影響，難以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)成果的轉(zhuǎn)化與發(fā)展。

（2）標(biāo)準(zhǔn)化原則。工程機(jī)械電氣設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用核心目的是對(duì)成品進(jìn)行批量化生產(chǎn)，以優(yōu)化設(shè)備應(yīng)用效果，支持經(jīng)濟(jì)利益目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。為了保證工程機(jī)械生產(chǎn)制造效率，為成品批量化生產(chǎn)提供制造標(biāo)準(zhǔn)，就需要提高自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用。一方面，需要落實(shí)機(jī)械設(shè)計(jì)制造產(chǎn)品專業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)，形成尺寸、規(guī)格等標(biāo)準(zhǔn)，減少電氣設(shè)備批量生產(chǎn)中存在的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)誤差問題，使同一批次產(chǎn)品質(zhì)量保持一致狀態(tài)。另一方面，需要針對(duì)工程機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)、制造以及維護(hù)環(huán)節(jié)工作建立系列標(biāo)準(zhǔn)，落實(shí)標(biāo)準(zhǔn)化維護(hù)保養(yǎng)作業(yè)，以保障設(shè)備穩(wěn)定以及長(zhǎng)效運(yùn)行，提高設(shè)備故障檢測(cè)處理能力，達(dá)到優(yōu)化設(shè)備應(yīng)用效果的目的。

（3）安全性原則。作為現(xiàn)代化生產(chǎn)中的基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)，安全生產(chǎn)對(duì)避免安全事故影響工程機(jī)械設(shè)計(jì)制造有重要意義。在自動(dòng)化電氣設(shè)備應(yīng)用期間，需要避免設(shè)備零件在生產(chǎn)加工期間出現(xiàn)異常變形問題，確保安全生產(chǎn)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)備功能的相符性，以促進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)制造工作水平的提升，保障安全生產(chǎn)工作有序開展。同時(shí)，自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備應(yīng)用期間，需要重視對(duì)設(shè)備的合理調(diào)試，評(píng)估工程機(jī)械電氣設(shè)備在運(yùn)行期間面臨的一系列安全風(fēng)險(xiǎn)問題，進(jìn)行全面處理，以保障機(jī)械設(shè)備制造作業(yè)的順利實(shí)現(xiàn)。除此以外，在設(shè)備運(yùn)行期間，還需要著重考慮評(píng)估環(huán)境因素對(duì)安全生產(chǎn)所產(chǎn)生的不良影響，在滿足電氣設(shè)備自動(dòng)化功能的同時(shí)，采取有效措施控制自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備所產(chǎn)生的噪聲、廢氣等問題。

（4）復(fù)雜性。工程機(jī)械電氣設(shè)備自動(dòng)化調(diào)試作業(yè)實(shí)施前，需要配備專業(yè)調(diào)試人員展開檢驗(yàn)與調(diào)試工作，對(duì)電氣設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用期間存在的問題進(jìn)行修復(fù)與處理。同時(shí)，不同調(diào)試環(huán)節(jié)還存在工作人員專業(yè)能力參差不齊因素的影響，導(dǎo)致調(diào)試工作面臨較大難度，對(duì)工作人員素養(yǎng)水平以及專業(yè)水平提出了較高要求。調(diào)試修復(fù)的方法包括人工錄入測(cè)試代碼以及調(diào)試工具執(zhí)行等內(nèi)容。在此期間，及時(shí)發(fā)現(xiàn)破綻并對(duì)代碼進(jìn)行修改，避免差錯(cuò)事件發(fā)生。從這一角度上來(lái)說，對(duì)工程機(jī)械電氣設(shè)備自動(dòng)化調(diào)試工作的要求是相當(dāng)嚴(yán)格與復(fù)雜的。

3 工程機(jī)械電氣設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)

（1）機(jī)械設(shè)備虛擬模型設(shè)計(jì)。在機(jī)械制造領(lǐng)域中，對(duì)虛擬仿真機(jī)械設(shè)計(jì)模型技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍與成熟。工作人員可以嘗試以虛擬化機(jī)械模型為依據(jù)，展現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部組成特征，以精確設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)各個(gè)部位結(jié)構(gòu)參數(shù)。相較人工機(jī)械設(shè)計(jì)方案而言，虛擬化機(jī)械設(shè)計(jì)仿真能夠大大節(jié)約設(shè)計(jì)成本，確保不同業(yè)務(wù)領(lǐng)域人員在機(jī)械設(shè)計(jì)中積極配合與協(xié)同。虛擬仿真技術(shù)輔助下立體化模型在工程機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。以智能化BIM 機(jī)械設(shè)計(jì)模型為例，立體化模型能夠?qū)C(jī)械系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)基本特征充分展現(xiàn)出來(lái)，設(shè)計(jì)人員可以對(duì)立體化機(jī)械設(shè)計(jì)方案形成全面認(rèn)知，降低設(shè)計(jì)缺陷誤差的發(fā)生率。在機(jī)械系統(tǒng)模型構(gòu)建期間，要求工作人員掌握BIM 模型使用方法，正確應(yīng)用系統(tǒng)輔助軟件，以密切工程機(jī)械設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)與制造領(lǐng)域技術(shù)人員的銜接關(guān)系。以板式塔為例，其內(nèi)部部件、管路相對(duì)復(fù)雜，操作點(diǎn)以及觀察點(diǎn)眾多，需要精密確定各個(gè)部件尺寸、位置以及連接，并配合對(duì)Cinema 4D 的應(yīng)用，進(jìn)行部件建模處理。然后將所有部件導(dǎo)入一個(gè)統(tǒng)一的模型文件中，根據(jù)實(shí)物尺寸對(duì)模型位置以及大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，將各自材質(zhì)球在部件中進(jìn)行加載，以滿足高度仿真需求。系統(tǒng)通過公式對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算，在“數(shù)據(jù)處理”界面，給出各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)及求得的理論塔板數(shù)，并借助NGUI 插件繪制對(duì)角線、相平衡線、精餾段操作線、q 線、提餾段操作線、理論塔板梯級(jí)，過程直觀，有助理解。設(shè)計(jì)中采取自上至下的設(shè)計(jì)方法，首先，對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行建模處理，然后采用設(shè)計(jì)表進(jìn)行參數(shù)化處理，創(chuàng)建總布局草圖以參考的平面，對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行裝配定位，然后通過添加方程式的方式滿足參數(shù)化驅(qū)動(dòng)需求。在此過程中，首先調(diào)動(dòng)零部件參數(shù)表格，對(duì)工藝參數(shù)與型號(hào)進(jìn)行修改，調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)表參數(shù)化零部件，然后對(duì)參數(shù)化配置進(jìn)行修改。然后開啟總裝配模型對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)參數(shù)表，對(duì)壓力容器零部件的位置參數(shù)進(jìn)行修改，并將設(shè)計(jì)表導(dǎo)入總裝配模型中，驅(qū)動(dòng)模型或獲取壓力容器對(duì)應(yīng)的張培模型。最后，打開工程圖自動(dòng)更新并對(duì)圖面進(jìn)行團(tuán)縱橫，相關(guān)參數(shù)與零部件保持連接關(guān)系，更新后參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，無(wú)須手動(dòng)進(jìn)行修改。

（2）埋弧焊接技術(shù)。此項(xiàng)技術(shù)是指電弧在焊劑層下方燃燒，以支持焊接目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，目前，被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械設(shè)備元件焊接中。從電氣設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用角度上來(lái)說，埋弧焊接技術(shù)得到了深入應(yīng)用，且技術(shù)具有成熟性特征，可以分為半自動(dòng)焊接以及全自動(dòng)焊接兩種類型。以全自動(dòng)埋弧焊接技術(shù)為例，其可以依托機(jī)械設(shè)備完成埋弧焊全部工作，保障焊接質(zhì)量，支持量產(chǎn)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。而對(duì)于零配件制造要求較高且焊接數(shù)量相對(duì)較少的焊接件而言，可以嘗試應(yīng)用半自動(dòng)埋弧焊技術(shù)達(dá)到滿意效果。在對(duì)工程機(jī)械設(shè)備零部件進(jìn)行制造期間，需要根據(jù)制造需求對(duì)焊接模式進(jìn)行合理選擇。在電弧熱的影響下，焊絲端產(chǎn)生熔化，為焊絲提供空間支持，確保焊絲熔化速度與焊絲送進(jìn)速度達(dá)到平衡狀態(tài)，以滿足自動(dòng)化目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

（3）輪式移動(dòng)機(jī)械人動(dòng)力學(xué)路徑跟蹤控制。作為機(jī)械人的典型類型，輪式移動(dòng)機(jī)械人運(yùn)動(dòng)靈活，同時(shí)具有操作性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等一系列優(yōu)勢(shì)，在多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)代電氣設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展過程中，輪式機(jī)械人自主行動(dòng)能力越來(lái)越多，支持自主避障、路徑跟蹤以及軌跡跟蹤等功能的實(shí)現(xiàn)。以路徑跟蹤為例，其作為工程機(jī)械領(lǐng)域電氣設(shè)備自動(dòng)化的一大研究?jī)?nèi)容，可支持自動(dòng)運(yùn)動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)。但現(xiàn)階段控制方法多建立在運(yùn)動(dòng)學(xué)模型上，基于對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)誤差模型的應(yīng)用，對(duì)路徑跟蹤控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)，對(duì)外部干擾因素影響下路徑跟蹤控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，支持應(yīng)用控制策略確保移動(dòng)機(jī)械人跟蹤期望路徑。同時(shí)，還有研究人員嘗試對(duì)機(jī)械人行走路線以及行駛速度進(jìn)行分級(jí)控制，支持路徑跟蹤方法的實(shí)現(xiàn)，在此期間應(yīng)用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以支持對(duì)任意路徑的精確跟蹤。需要注意的是，由于基于運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的控制算法并沒有將移動(dòng)機(jī)械人動(dòng)力特性納入考量范疇，因此研究學(xué)者嘗試對(duì)路徑和跟蹤控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，構(gòu)建動(dòng)力學(xué)模型，并通過仿真驗(yàn)證算法的可靠性。

（4）遠(yuǎn)程控制應(yīng)用。傳統(tǒng)工程機(jī)械依賴工作人員完成，無(wú)論對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行何種操作，最重要的工作仍然需要由工作人員負(fù)責(zé)完成。部分情況下，受作業(yè)場(chǎng)所條件限制的影響，機(jī)械自動(dòng)操作存在一定的局限性。而工程機(jī)械電氣設(shè)備自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展使得工程機(jī)械裝備遙控作業(yè)得到了可靠實(shí)現(xiàn)，一方面，保障了工作人員安全，突破對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行控制的時(shí)空限制；另一方面，可以促進(jìn)機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)效率的提升。尤其是對(duì)于存在危險(xiǎn)性因素的室外工程而言，機(jī)械設(shè)備控制可以節(jié)約大量人工投入，通過安裝感應(yīng)器裝置與顯示器的方式，支持機(jī)械操作功能的順利實(shí)現(xiàn)。在此期間呈現(xiàn)影像資料，故障發(fā)生后也能第一時(shí)間定位并進(jìn)行處理。

（5）數(shù)控機(jī)床設(shè)備應(yīng)用。機(jī)床設(shè)備中對(duì)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用是非常廣泛的，當(dāng)前技術(shù)條件支持下，多采取橫向電機(jī)布置方案。受生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大因素影響，導(dǎo)致裝機(jī)容量持續(xù)性增加，一方面確保設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，另一方面促進(jìn)設(shè)備工作效率提升。因此，這類工程機(jī)械設(shè)備備受機(jī)床生產(chǎn)企業(yè)的青睞。在電氣自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用期間，以計(jì)算機(jī)為核心，配合對(duì)故障診斷以及感知技術(shù)的應(yīng)用，滿足裝備自動(dòng)化技術(shù)需求。尤其是在工程機(jī)械領(lǐng)域CNC 技術(shù)發(fā)展背景下，傳送設(shè)備呈現(xiàn)出多元化、重型化發(fā)展趨勢(shì)，通過引入雙速馬達(dá)設(shè)備的方式，結(jié)合對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，滿足數(shù)控機(jī)床制造全程的監(jiān)控功能實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

在當(dāng)前時(shí)代發(fā)展背景下，工程機(jī)械電氣設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)的合理應(yīng)用能夠避免風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生，推動(dòng)企業(yè)健康發(fā)展。基于對(duì)自動(dòng)化技術(shù)的綜合應(yīng)用，可靠防護(hù)電氣設(shè)備，節(jié)約人工成本，有極高的應(yīng)用價(jià)值。本文嘗試對(duì)工程機(jī)械電氣設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)問題展開研究，首先，對(duì)工程機(jī)械電氣設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用意義進(jìn)行分析，然后對(duì)工程機(jī)械電氣設(shè)備自動(dòng)化應(yīng)用的基本原則進(jìn)行闡述，包括技術(shù)性、標(biāo)準(zhǔn)性、安全性以及復(fù)雜性這4 個(gè)方面的內(nèi)容。最后，對(duì)自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)與方向進(jìn)行論述，闡述了機(jī)械設(shè)備虛擬模型設(shè)計(jì)、埋弧焊接技術(shù)、輪式移動(dòng)機(jī)械人動(dòng)力學(xué)路徑跟蹤控制、遠(yuǎn)程控制應(yīng)用以及數(shù)控機(jī)床設(shè)備應(yīng)用這幾個(gè)方面的內(nèi)容。希望能夠引起業(yè)內(nèi)關(guān)注，以促進(jìn)電氣設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展與完善，滿足工程機(jī)械設(shè)計(jì)制造所需。