機電技術在機械設計制造中的運用分析

摘要：國家“十四五”智能制造發展規劃明確指出，機電技術的應用是提升制造業核心競爭力的重要途徑。機電一體化技術在機械設計制造中的運用能夠有效優化制造流程，提高產品質量及其生產效率，成為推動制造業轉型升級的關鍵因素。通過將機械系統與電子控制系統有機結合，能夠實現生產設備的高度自動化，從而降低人工成本減少操作錯誤的發生率，為制造業的發展提供了重要支持。

關鍵詞：機電技術"機械設計制造"智能控制"數控技術"自動智造

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

機電技術作為現代工業的核心組成部分，推動了機械設計制造領域的重大革新。該技術融合了機械工程、電子科技與信息技術，能夠形成一種高效智能的制造新模式，從而提升設備的性能，有效降低了生產成本。此外，機電技術還能夠增強產品的設計靈活性，使生產過程能夠快速響應市場變化，以此來滿足個性化定制的工程需求。

1智能控制與機械設計的集成效應

在現代機械設計制造中，智能控制技術與機械創新相結合在生產中起著舉足輕重的作用。在提高機械設備運行精度的同時，智能控制系統的引入大大促進了生產效率的提高和產品品質的提高。采用數據驅動的決策方式，使智控融合技術能夠有效地提高機械操作的動態性[1]。

例如：該系統通過引入神經網絡模型和機器學習算法，對設備的潛在故障進行預判和診斷，并對其進行先期維護，減少故障發生的時間。這種預測模型涉及隨機森林算法復雜的數學公式，其中通過建立成千上萬個決策樹來預測設備故障的設備性能數據作為輸入變量。在設計智能機械設備時，可采用適應生產需求變化的模塊化方法。在汽車制造中，智能控制系統能夠根據實時的需要，對流水線的速度和配置進行調整，從而對市場的即時需要做出反應。這類系統利用實時反饋循環來調整速度、壓力、溫度等參數，使生產過程達到最優化的目的，其公式如下。

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

智能制造的理論基礎還強調能量優化和資源管理的重要性，以使機械設計符合環保要求，并通過實施能效管理系統來降低生產成本。以最小化每個生產單元的能耗為目的，優化算法可以用遺傳算法來確定最優的機器運行參數，以達到最低能耗，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配置，從而促進技術創新，達到成本效率的最大化。其計算公式如下。

式（2）中：代表總成本；代表第臺機器的運行參數；∑為求和符號，用于計算從到的所有項的總和；為總的機器或生產單元數量；是相關的成本系數。

2"數控技術在精密加工中的應用

數控技術是現代制造業的重要支柱，能夠使機械加工精度達到前所未有的水平。數控技術的核心在于使用數字化信息來控制機械設備的動作，能夠提升制造過程中的精確度。通過編程，數控機床可以執行復雜的加工任務，這種程序化操作減少了人為錯誤，提高了工作效率以及材料利用率[2]。

例如：在制造業中，數控機床的動態性能是保證加工精度及其穩定性的關鍵因素，采用先進的控制理論結合模型預測控制技術，提高加工過程的精確性和系統的穩定性是當務之急。模型預測控制是通過建立機床的詳細數學模型來預測未來的操作狀態，并對加工過程的控制策略進行優化，最大程度降低加工誤差，從而使數控機床適應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，為了提高數控系統對關鍵加工參數的實時監控能力，將多種傳感器融合到系統中來，在加工過程中對機床的各種參數進行實時檢測。線性回歸模型的機器學習算法可以對收集的切削力和進給力資料進行有效的分析處理，從而對工具的磨損狀況進行精確預測，并據此對切削參數進行調整，以延長工具的壽命并降低生產成本。另外，通過對機床的控制參數進行不斷優化，使制造業在提高生產效率與降低成本方面能夠有進一步的提升，從而為機床操作者提供更高的安全保障，使其對復雜多變的生產需求有更有效應對。

3傳感器網絡在自動化裝配線中的效能

傳感器作為信息獲取的基本單元，能夠在沒有人工干預的情況下，準確捕捉到機械設備的運行狀態與環境變化，這些信息經過智能處理后，可直接用于優化決策與控制策略[3]。而智能連接技術則通過高速的數據傳輸與高效的信息處理，以此來保證系統的協同運作，使機械設備更加精準穩定地完成預定任務。

例如：在一個具有高度集成的傳感器網絡與智能控制系統的自動化裝配線系統中，溫度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器等各類傳感器能夠實時監控裝配線上各個工作站的運行狀態。通過對數據的智能分析，系統能自動調整裝配速度與力度，以適應不同的組裝要求。當某一工作站的溫度傳感器檢測到的平均溫度為22"℃，當溫度升高到24.75"℃時，系統通過調整附近工作站的冷卻系統，確保溫度維持在最優水平。此外，裝配線上的智能算法可以根據壓力傳感器反饋的數據（平均壓力1.58"kPa）自動調整壓力，當檢測到壓力低于1.20"kPa或高于1.95"kPa時，系統即時調節，確保裝配質量。這種智能調節能夠有效提高生產效率，還能夠減少材料浪費、降低生產成本。（如表1所示）。

4自動化與智能化技術在制造工藝中的應用

自動化與智能化的結合，以現代制造業為背景，正促進著制造工藝的革新和生產方式的根本變化。其核心是運用先進的自動化信息技術，達到高效率的生產過程，而這一變革又在此基礎上以數據實時分析和決策支撐系統的集成為基礎，以提升整個生產系統的智能響應能力為重點[4]。

自動智造在實際運用中的體現，可以采用基于云計算的生產管理系統，將整個工廠的生產數據進行整合，并通過高效的數據處理平臺對生產流程進行優化，進而利用統計過程控制和故障模式及影響分析等方法對潛在的生產風險進行預測，并提前制定相應的響應措施，從而使生產系統的控制決策模型得到如下表達式。

式（3）中：∑為求和符號；Q（t）表示在時間t的生產質量控制指標；表示第i個生產單元的運行成本；表示第j個生產單元的風險評估值；是用于平衡成本與風險的權重因子。

另外，還可以應用機器學習模型來對生產線上的自動化裝置進行參數調整，以提高產品質量和生產效率，如對裝配線上的攝像頭數據進行監測，可以使機器學習模型對產品裝配過程中的缺陷進行識別，并對機械臂的運動參數進行自動調整，以避免重復錯誤。這一自動調整過程可通過以下控制算法來實現。

式（4）中：和分別是調整后和調整前的設備參數；是由機器學習模型計算出的誤差改善量是學習率，控制參數調整的速度。

以上說明自動智造是通過高級算法對生產過程進行自我優化，從而有效地提高了生產效率，增強了制造系統對復雜生產任務的適應能力，并能不斷推進工藝革新，達到生產活動的智能化，從而有效提高企業的競爭力。

5機電一體化在現代機器人設計中的優化

機電一體化在現代機械設計制造中，可以促進設計的革新以及產品性能的提高。這一技術的核心在于在設計階段即保證產品的高性能，同時實現機械部件的無縫集成與電子控制系統[5]。

機器人設計的早期涉及精確設計控制系統，通常是以線性和非線性控制理論為基礎，確?？刂菩盘柲軌虻玫骄_的響應。在實際操作中，利用比例-積分-微分（Proportional-Integral-Derivative，PID）算法對機器人執行器的位置和速度進行動態調整，通過實時反饋機制來保證操作的準確性。這種反饋控制技術由于可以通過調整比例、積分和微分增益來優化性能響應，因此，在機器人技術中被廣泛使用。除了PID控制，設計團隊還可能采用模型預測控制（Model"Predict"Control，MPC）策略，這是一種更高級的控制技術，它不僅響應當前的操作條件，還預測未來的狀態變化。這種控制方法通過優化控制動作來應對即將到來的擾動，從而實現更加穩定和高效的操作。

此外，機電一體化不僅限于控制算法的應用，還涉及整個設計制造過程的優化，設計團隊需要考慮電子和機械組件的整合方式，以及這些技術如何影響最終產品的性能。通過精確的控制和預測技術，機器人系統能在理論上達到預期的性能標準，并在實際操作中表現出卓越的效率。

6結語

綜上所述，機電一體化技術在現代機械設計制造領域的深度應用，體現出高科技融合的趨勢，還展現了制造業向更高智能化與自動化水平邁進的必然路徑。通過將精密的電子控制系統與機械設計完美結合，機電技術極大地提升了制造過程中的效率與產品的精確度，確保了生產過程的可持續發展。

參考文獻

[1]龔應育.快速成型技術在機械設計及制造中的應用分析"[J]."農機使用與維修，"2024（5）：85-87.

[2]袁魯男.傳感器技術在機械設計制造中的應用分析"[J]."鍛壓裝備與制造技術，"2024，"59"（1）："91-94.

[3]于軼蓉.基于PMN-PT材料的壓電微機械超聲換能器單元設計和制造[D]."西安：西安工業大學，2024.

[4]馮偉.機械制造領域APS系統的設計與實現[D].大連：大連交通大學，"2022.

[5]"XIANG"Y"X.Exploration"of"the"Application"of"Artificial"Intelligence"Technology"in"Mechatronics"Technology"Based"on[J].Journal"of"Physics：Conference"Series，2021，1915（2）：022059.