自动化技术在机械设备控制中的应用研究

戈瑶，黄昌全，杜建伟

（1.中国核电工程有限公司，北京 100840；2.江苏钮泰克科技有限公司，江苏 无锡 214181）

随着科技的迅速发展，自动化技术已成为提高生产效率、降低成本、确保安全性的不可或缺的工具，希望通过分析能够为工业界提供实用的解决方案，推动自动化技术在机械工程领域的进一步应用与发展。这项研究对于推动现代工业向更智能、高效的方向发展具有积极意义，能够为实现工业自动化的可持续发展贡献一份力量。

1 机械设备控制中应用自动化技术的现实意义

机械设备控制中自动化技术的优势日益突出。自动化技术的引入不仅提高了生产效率，还在多个层面上产生了深远的影响。

自动化技术为机械设备控制带来了更高的精度和可靠性，传统的手动操作容易受到人为因素的干扰，而自动化系统能够以更为一致和精准的方式执行任务，从而显著提高产品质量，同时降低因人为失误引起的生产成本。自动化技术让工业界能够实现机械设备的精确控制，从而提高生产效率和产品质量。

自动化技术的应用使得机械设备在生产过程中更具灵活性。传统的机械设备通常需要大量的人工调整和设置，而自动化系统可以根据预定的参数自动适应不同的生产需求，这种灵活性不仅缩短了生产周期，而且使企业更容易适应市场变化，从而显著提高企业竞争力。

在安全性方面，高风险的工作环境中的自动化系统能够执行危险任务，这明显减少了工人暴露于危险环境的风险，降低事故发生的可能性，保护工人的生命安全。同时自动化系统还能够对设备状态进行实时监测，及时发现潜在问题，进一步提高生产过程的安全性。

自动化技术的不断创新也为人力资源的合理配置提供了更多可能性，自动化系统的引入让工人可以从繁重、危险和单调的工作中解脱出来，将更多精力投入创新性、高附加值的工作中，使得员工的工作满意度进一步提高，同时推动整个行业向更高水平发展。

2 机械设备中应用自动化技术的现存问题

机械设备中应用自动化技术具有显著优势，但同时也伴随着一系列问题，这些问题涉及技术、人力资源、安全性等多个层面，需要严肃审视和解决，以便让自动化技术在机械设备中的应用能够取得更好的效果。

2.1 技术复杂性的增加

随着自动化技术的迅猛发展，设备的控制系统变得日益复杂，这就要求操作人员需要具备更高水平的技术知识和技能，而这增加了培训和招聘的难度，使维护和修理工作变得更加困难。自动化技术引入后，技术故障不再仅仅是机械问题，还涉及软件和电子元件，因此需要更专业的维修人员介入。当前高度自动化的机械设备通常涉及复杂的传感器、控制器和软件系统，这些元件的成本显著提高了整体设备的成本，使得中小型企业在引入自动化技术时面临较大的财务压力，限制了技术普及的速度。

2.2 需要大量的资金投入

在机械设备中应用自动化技术的一个显著问题是需要大量的资金投入。引入自动化技术需要购置先进的设备和系统，这通常伴随着高昂的成本，企业需要投资于先进的传感器、控制器、软件以及自动化硬件，这些元件的价格相对较高，对企业的财务状况提出了挑战。再加上当前自动化技术的应用需要对员工进行专业培训，以便适应自动化系统的操作和维护，这导致员工的工作时间减少，最终对企业的生产效率带来一定程度的冲击。另一方面，自动化技术的相应设备和系统也需要定期维护，以确保正常运行。此外，由于自动化技术的迅速发展，旧有的自动化系统需要及时进行升级或更换，这都需要大量的资金支持。

2.3 自动化技术对劳动力市场的影响

自动化技术的广泛应用让其设备的复杂性要求更高水平的技术专业知识，操作和维护人员需要更深入的了解编程等方面的技术，这对于一些传统技能水平较低的工人来说构成了一定的挑战。传统机械设备的操作只需要普通工人进行简单的操作和维护，但随着自动化技术的引入，高技术水平的工程师和技术专家的需求逐渐增加，这就造成一些传统从业人员的技能不再符合市场需求，从而增加了劳动力市场中一部分人的就业不确定性。

2.4 自动化技术的可靠性和稳定性问题

自动化系统中包含大量复杂的软件，一旦其中任何一个环节出现故障，都会导致整个系统的不稳定。同时，自动化系统的复杂性增加了故障排查和解决的难度。相对传统的机械设备，自动化系统中有更多的电子元件和编程代码，这使得发现解决故障的过程变得更为烦琐，这对维护人员提出了更高的技术要求，同时也增加了系统维护的时间和成本。

3 自动化技术在机械设备控制的具体应用

3.1 刀具自动化

在机械设备控制中实现刀具自动化是一个非常重要的工作，刀具自动化的成功实施涉及到多个技术领域和较为复杂的操作步骤。

传感器的应用能够实时监测刀具的状态、位置和磨损程度，通过安装合适的传感器可以获得关键的刀具信息，从而为后续的控制提供准确的数据支持，例如，振动传感器可以检测刀具在工作时的振动情况，而光电传感器可以实时感知刀具的位置。这些传感器的联动使得刀具自动化控制能够更加智能和敏感地作出反应。刀具自动化的实现需要先进的控制系统，尤其是数控系统和PLC（可编程逻辑控制器），这些系统能够根据传感器提供的数据做出实时决策，数控系统通过预设的程序来控制刀具的移动、速度和切削深度，而PLC 则主要负责逻辑控制来确保整个刀具系统的协同工作。这两者的有机结合使得刀具在自动化控制下能够精准、高效地执行各种切削任务。针对刀具磨损问题，则需要及时引入高精度的图像处理技术来对刀具表面进行实时监测，从而及时发现磨损迹象，一旦检测到磨损，自动控制系统可通过调整刀具的位置或更换刀具实现对磨损的及时响应。在实际操作中，还要重视开展路径规划和优化，通过先进的算法和数学模型使得在不同工件和刀具参数下规划最优的切削路径，进而提高加工效率并减少刀具的磨损。

3.2 加工自动化

CNC 技术主要通过将加工任务的控制参数输入计算机系统中实现对机械设备的自动控制。在数控系统的支持下，工程师可以通过预设的程序精确控制机械设备的运动轨迹、速度和切削深度，从而实现高度精密的加工操作。这种精准度超过了传统的手工操作，提高了产品的质量和一致性。视觉导航和识别技术的应用是通过在机械设备上安装摄像头和图像处理系统，让系统可以实时捕捉工件的形状和位置信息，这使得机械设备能够根据实际情况对加工路径和参数进行调整，进而达到对各种形状和尺寸的工件实现自适应加工的效果。视觉导航的应用能够快速提高加工的灵活性，而且还让设备能够更智能地应对各种复杂加工场景。在加工自动化中，需要特别注意是实时监测和反馈机制，各种传感器如温度传感器、振动传感器和力传感器等在当前工作中已经被广泛应用于机械设备上，利用这些传感器来实时监测加工过程中的各种参数，通过收集这些数据来实现系统的实时调整加工参数，进而达到适应不断变化的工况的效果，例如，当刀具温度过高时系统可以自动降低切削速度来避免过度加热导致刀具损坏，这种实时监测和反馈机制可以有效提高加工的稳定性和安全性。在加工自动化中，还要注意材料处理和流程控制，利用激光切割、电火花加工等先进的材料处理技术来完成机械设备的精确且复杂的切削任务。做好流程控制，综合考虑不同工序之间的协调和衔接，确保整个生产流程的高效运转，这需要对加工参数、材料特性和设备性能的深入理解，从而实现各个环节的无缝衔接。

3.3 装配自动化

实现机械设备控制中的装配自动化需要通过科学合理的技术手段和操作步骤，确保装配过程的高效性和准确性。

首先，自动化装配线可以实现不同工作站之间的自动传送、对接和协同工作，在这个过程中，设备沿着预设的路径移动，每个工作站负责完成特定的装配任务，通过在装配线上配置合适的传感器和执行器来完成装配过程的实时监测和自动控制。自动化装配线的运用大大提高了生产效率，同时减少了人为操作的干扰，实现了装配过程的高度自动化。其次，要注意结合机器视觉技术，在装配线上安装相机和图像处理系统，让系统能够实时捕捉并分析零部件的形状、位置和状态，以便让机械设备可以随时根据实际情况进行智能调整，从而保障零部件在装配过程中的正确位置和方向。机器视觉技术还可用于检测零部件的质量和缺陷，这有效提高了装配的准确性和一致性。值得关注的是，机器手臂是自动化装配线的一项关键技术，灵活的机器手臂能够根据预设的程序执行各种精细的装配操作如拧螺丝、插接插头等工作。使用具有高精度和敏感性的机器手臂可以快速实现小尺寸、高难度的装配任务，机器手臂的灵活性和可编程性使得它能够适应不同型号和规格的产品装配需求。此外，也要重视传送系统设计的合理性，确保零部件在装配线上的流畅传递并按照预定的顺序送达不同的工作站。传送系统通常包括输送带、滑轨和机械臂等，它们的协同工作使得零部件在装配过程中能够迅速而准确地到达指定位置，有序完成各项任务。最后，在装配自动化中，要注意设备的维护和保养工作，由于机械设备长时间高强度的运行，其极易受到磨损和发生故障，所以需要建立完善的设备维护计划，减少不必要的停机时间，做好定期的清洁、润滑和更换易损件以延长设备的寿命，维护人员还需进行设备性能的定期检测和调整，确保装配自动化系统的稳定运行。

3.4 检测过程自动化

通过在机械设备上安装高分辨率的摄像头和图像处理系统的方式可以实时捕捉产品表面的图像，并进行形状、颜色、缺陷等方面的分析。这种技术可以被广泛应用于产品外观检测、尺寸测量、缺陷检测等领域，为产品质量的自动化监测提供强大的工具。在检测过程自动化中，引入机器学习和人工智能技术，可以进一步提升系统的自适应性和智能化水平，通过对传感器数据和视觉检测结果进行大量学习，系统能够建立模型并快速识别正常和异常工况。有效的系统模型可以通过产品的特征自动判断产品是否符合标准，从而实现对异常情况的自动报警或自动调整。在检测过程中，还要注意合理设计检测工艺流程，通过对检测工艺流程的优化确保各个环节合理有序，以减少不必要的时间和资源浪费。合理的工艺流程还应考虑不同产品和工艺的特点，制定相应的检测策略和方法。如对于复杂多变的产品采用分阶段的检测方法，从而逐步确认产品各个部分的质量，以确保检测的高效性和准确性。当前的人工检测存在很多漏洞，且工作效率低下，而自动化检测设备能够高效地完成对产品成分、组分的分析，提高检测的准确性和速度。所以，在检测过程中也应根据实际情况引入自动化检测设备，如自动化光谱仪、X 射线检测等设备。自动化工具的应用还可以降低人工操作的干扰，使得检测过程更加稳定可靠。

4 结语

综上所述，通过对自动化技术在机械设备控制的应用研究，不仅突显了自动化技术在提高生产效率和产品质量方面的显著优势，同时也呈现了其对制造业转型的积极影响。通过精细控制机械设备运动、引入智能化视觉检测、实现装配和检测过程自动化，可以实现生产流程的高度智能化和自适应性，提升生产线的灵活性，加强对复杂任务的处理能力。自动化技术的不断演进为未来制造业的创新和可持续发展奠定了坚实基础。这项研究为推动机械设备领域的技术进步和产业升级提供了有益的思路，为实现更高效、智能的制造过程创造了新的可能性。