0引言

地坪研磨作為建筑地面處理的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié),其核心在于通過(guò)機(jī)械磨削作用改善基礎(chǔ)地面平整度與粗糙度[1]。現(xiàn)有工業(yè)級(jí)地坪研磨設(shè)備普遍采用220 V交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制移動(dòng)底盤(pán),配合380 V變頻器驅(qū)動(dòng)磨盤(pán)旋轉(zhuǎn)電機(jī)。這種傳統(tǒng)電氣架構(gòu)存在顯著局限性:設(shè)備運(yùn)行完全依賴工業(yè)380 V電網(wǎng)供電,在轉(zhuǎn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)需切斷電源,迫使產(chǎn)業(yè)工人采用人力推動(dòng)方式完成設(shè)備遷移,既降低了施工效率,又增加了職業(yè)安全隱患。針對(duì)這一技術(shù)瓶頸,本研究提出一種新型續(xù)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,該方案既適用于傳統(tǒng)研磨設(shè)備的電氣系統(tǒng)升級(jí)改造,又能為智能化交流式移動(dòng)底盤(pán)研磨機(jī)器人提供持續(xù)電力支持,具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

本研究涉及的核心技術(shù)創(chuàng)新已由廣東博智林機(jī)器人有限公司申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利[2](申請(qǐng)公開(kāi)號(hào):CN119906129A),筆者為該專利發(fā)明團(tuán)隊(duì)的核心成員。

1地坪研磨機(jī)技術(shù)特征與應(yīng)用分析

1.1 地坪研磨機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景分析

地坪研磨機(jī)主要用于混凝土基面的研磨處理,其典型應(yīng)用場(chǎng)景包括大型交通樞紐(如機(jī)場(chǎng)航站樓、高鐵站廳)、工業(yè)廠房、商業(yè)建筑地下停車(chē)場(chǎng)等對(duì)地面平整度要求較高的場(chǎng)所。這些場(chǎng)景通常具有作業(yè)面積大、施工質(zhì)量要求嚴(yán)格等特點(diǎn)。

1.2 地坪研磨機(jī)技術(shù)分類

根據(jù)自動(dòng)化程度和技術(shù)特征,現(xiàn)代地坪研磨設(shè)備可分為兩大類型:

1)傳統(tǒng)手動(dòng)研磨機(jī):依賴人工操作或遠(yuǎn)程遙控,需要操作人員全程參與作業(yè)過(guò)程。

2)智能自動(dòng)研磨機(jī):集成先進(jìn)傳感與控制系統(tǒng),具備三維環(huán)境建模、自主路徑規(guī)劃、實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位及動(dòng)態(tài)避障等功能,代表行業(yè)技術(shù)發(fā)展方向。

1.3地坪研磨機(jī)核心組件系統(tǒng)分析

本文以工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的800型地坪研磨設(shè)備為研究對(duì)象,結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

其核心動(dòng)力系統(tǒng)主要由以下關(guān)鍵部件構(gòu)成:

1)研磨執(zhí)行單元:采用直徑800mm(公差±10mm)的專用研磨盤(pán)。

2)主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng):配置額定功率15kw的三相異步電動(dòng)機(jī) (380V/50Hz),負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)研磨盤(pán)實(shí)現(xiàn)0~1 500 r/min無(wú)級(jí)變速旋轉(zhuǎn)。

3)行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng):集成兩臺(tái)400 w單相交流伺服電機(jī)(220 V/50 Hz),通過(guò)精密減速機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)設(shè)備移動(dòng)控制,定位精度可達(dá)± 1 mm。

在智能化升級(jí)版本中,系統(tǒng)還集成了以下關(guān)鍵智能組件:3D激光雷達(dá)、工業(yè)級(jí)嵌入式工控機(jī)、工業(yè)級(jí)千兆以太網(wǎng)路由器。

1.4地坪研磨機(jī)控制系統(tǒng)架構(gòu)分析

根據(jù)技術(shù)演進(jìn)路徑,現(xiàn)代地坪研磨機(jī)的控制系統(tǒng)主要呈兩種典型架構(gòu)。

1.4.1傳統(tǒng)控制系統(tǒng)

采用基于小型可編程邏輯控制器(PLC)或ARM架構(gòu)微控制單元(MCU)的嵌入式控制系統(tǒng)。操作人員通過(guò)以下兩種方式實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制:

1)本地控制:通過(guò)設(shè)備面板的機(jī)械式按鈕和電位器旋鈕進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)。

2)遠(yuǎn)程控制:采用工業(yè)級(jí)無(wú)線遙控器(工作頻段2.4 GHz)實(shí)現(xiàn)磨盤(pán)轉(zhuǎn)速(調(diào)節(jié)范圍0~1 500 r/min)和行走系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

1.4.2智能控制系統(tǒng)

基于X86架構(gòu)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)構(gòu)建分布式控制系統(tǒng),主要特征包括:

1)人機(jī)交互:通過(guò)移動(dòng)終端(iOS/Android平臺(tái))專用應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控,支持wi—Fi通信。

2)自主決策:集成實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(如ROS),實(shí)現(xiàn)作業(yè)參數(shù)智能優(yōu)化和異常工況自動(dòng)處理。

3)數(shù)據(jù)管理:具備施工數(shù)據(jù)云端存儲(chǔ)與分析功能,支持PDF/Excel格式報(bào)告自動(dòng)生成。

1.5 智能化地坪研磨機(jī)作業(yè)流程分析

智能化地坪研磨機(jī)的作業(yè)流程可分為環(huán)境建模、任務(wù)規(guī)劃與自動(dòng)執(zhí)行三個(gè)階段。在工業(yè)廠房地面處理場(chǎng)景中,首先通過(guò)移動(dòng)終端APP控制設(shè)備沿作業(yè)區(qū)域邊界執(zhí)行環(huán)境掃描,集成式3D激光雷達(dá)實(shí)時(shí)采集建筑結(jié)構(gòu)點(diǎn)云數(shù)據(jù)(包括立柱、墻體等特征物),經(jīng)SLAM算法處理生成高精度二維作業(yè)地圖。操作人員隨后在APP界面內(nèi)選定 目標(biāo)作業(yè)區(qū)域、設(shè)定工藝參數(shù)、確認(rèn)安全邊界?？刂葡到y(tǒng)自動(dòng)生成最優(yōu)加工路徑,經(jīng)確認(rèn)后設(shè)備即進(jìn)入自主作業(yè)模式。

該自動(dòng)化方案相較傳統(tǒng)人工操作具有顯著優(yōu)勢(shì):勞動(dòng)強(qiáng)度降低,粉塵暴露風(fēng)險(xiǎn)下降,且由于恒定的研磨壓力與運(yùn)動(dòng)速度,成品地面平整度可達(dá)±1mm/2m。

2地坪研磨機(jī)供電系統(tǒng)技術(shù)要求

2.1傳統(tǒng)地坪研磨機(jī)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)手動(dòng)地坪研磨機(jī)采用三相五線制供電方案(L1/L2/L3/N/PE),通過(guò)5芯耐磨電纜接入AC380 V工業(yè)電源。該供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三級(jí)電能轉(zhuǎn)換:首先,三相交流電直接驅(qū)動(dòng)變頻器控制研磨電機(jī);其次,通過(guò)L1-N相線獲取AC220 V單相電源,為伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供工作電壓;最后,經(jīng)開(kāi)關(guān)電源模塊將AC220 V轉(zhuǎn)換為DC24 V,為PLC控制器、傳感器等低壓控制元件供電。

2.2 智能升級(jí)型供電系統(tǒng)優(yōu)化

升級(jí)版自動(dòng)研磨機(jī)器人采用混合供電架構(gòu),在核心研磨作業(yè)時(shí)仍需接入AC380V工業(yè)電源以滿足大功率需求(峰值功率10~22 kw)。其創(chuàng)新性體現(xiàn)在雙模供電設(shè)計(jì):工業(yè)電源模式下,系統(tǒng)優(yōu)先使用電網(wǎng)供電;在移動(dòng)建圖、轉(zhuǎn)場(chǎng)等輔助作業(yè)時(shí)(功率需求≤3kw),可采用內(nèi)置鋰電池組逆變供電。電池系統(tǒng)通過(guò)內(nèi)置純正弦波逆變器輸出AC220 V(THD≤3%),確保伺服系統(tǒng)、導(dǎo)航模塊等關(guān)鍵部件的穩(wěn)定運(yùn)行。這種設(shè)計(jì)使設(shè)備擺脫了電纜束縛,作業(yè)半徑擴(kuò)大至500~1000m,顯著提升了施工靈活性。

2.3 多電源供電的潛在風(fēng)險(xiǎn)分析

在工業(yè)設(shè)備的多電源供電系統(tǒng)中,主要存在兩類電氣安全隱患。

首先是220 V級(jí)交流電源并聯(lián)風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)研磨機(jī)同時(shí)接入市電(AC200 V)和電池逆變輸出(AC220 V)時(shí),盡管兩路電源的電壓有效值和頻率同,U=220×(1±10%)V,f=(50±0.5)Hz,但由于相位差Δφ的存在(0°≤Δφ≤180°),特別是在Δφ≈180O的極端情況下,將產(chǎn)生超大短路電流。這種異常電流將導(dǎo)致設(shè)備損壞,甚至引發(fā)電氣火災(zāi)[3]。

其次是直流電源并聯(lián)風(fēng)險(xiǎn)。雖然理論上相同標(biāo)稱電壓(DC48 V)的電源可以并聯(lián),但實(shí)際運(yùn)行中存在顯著差異。鋰電池輸出電壓隨SOC變化呈現(xiàn)54V(SOC=100%)至42 V(SOC=20%)的動(dòng)態(tài)范圍,而開(kāi)關(guān)電源輸出保持48×(1±1%)V的穩(wěn)定電壓。當(dāng)電壓差ΔU達(dá)到最大值6 V時(shí),在典型內(nèi)阻0.3 Ω條件下可產(chǎn)生20 A的環(huán)流,導(dǎo)致系統(tǒng)效率下降,并在局部產(chǎn)生80~120℃的異常溫升,存在嚴(yán)重的安全隱患。

2.4續(xù)電系統(tǒng)的技術(shù)要求

地坪研磨機(jī)續(xù)電系統(tǒng)的技術(shù)要求涉及多重電源管理策略,需要確保系統(tǒng)在工業(yè)用電和電池供電模式下的安全可靠運(yùn)行。該系統(tǒng)必須滿足以下技術(shù)要求:

1)在交流電源管理方面,系統(tǒng)需有效隔離工業(yè)用電(AC380 V)與電池逆變輸出(AC220 V),通過(guò)機(jī)械互鎖裝置實(shí)現(xiàn)安全切換,防止因相位差導(dǎo)致的短路事故。

2)在直流電源管理方面,需采用二極管隔離方案,避免開(kāi)關(guān)電源輸出(DC48V)與鋰電池(42~54V)之間的電壓差引發(fā)環(huán)流問(wèn)題。

3)系統(tǒng)應(yīng)支持雙供電模式獨(dú)立運(yùn)行,在單一電源接入時(shí)確保設(shè)備正常啟動(dòng)和底盤(pán)移動(dòng)功能。

4)電源切換過(guò)程中須保證工控機(jī)持續(xù)供電,維持與移動(dòng)終端APP的通信連接不中斷。

5)系統(tǒng)需集成智能充電管理模塊,在接入工業(yè)電源時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)鋰電池充電程序,并具備SOC精確估算和溫度監(jiān)控功能,實(shí)現(xiàn)電池的智能化維護(hù)。

3續(xù)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

依據(jù)地坪研磨機(jī)的供電技術(shù)要求,本研究設(shè)計(jì)了一套能夠適配交流式移動(dòng)底盤(pán)研磨機(jī)的續(xù)電系統(tǒng),其原理如圖2所示。

3.1 關(guān)鍵部件選型規(guī)范

交流負(fù)載模塊(MAC)選用交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),

該方案相比直流伺服系統(tǒng)具有顯著優(yōu)勢(shì):成本降低約20%,供貨周期縮短約20%。

電源切換裝置(TS)采用機(jī)械式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān),其機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)確保工業(yè)電源 (AC380V)與逆變電源(AC220 V)的物理隔離。

相序保護(hù)繼電器(PT)選用智能型產(chǎn)品,具備相序檢測(cè) (精度 ± 1°)、缺相保護(hù)和 電壓監(jiān)測(cè) (范圍300~450 V)功能,其雙觸點(diǎn)設(shè)計(jì)(1NO+1NC)實(shí)現(xiàn)了電池電源模式與電池充電模式的自動(dòng)聯(lián)鎖控制。

純正弦波逆變器(UI)轉(zhuǎn)換效率≥90%,滿足設(shè)備動(dòng)態(tài)負(fù)載需求。

三段式智能充電器(UR1)采用恒流(0.2C)-恒壓(54.6 V)-浮充(53.5 V)的充電算法,溫度補(bǔ)償范圍-20~60℃,充電效率≥92%。

開(kāi)關(guān)電源(UR2)輸出DC48×(1±1%)V,功率因數(shù)≥0.95,具有過(guò)壓、過(guò)流多重保護(hù)。

儲(chǔ)能單元選用磷酸鐵鋰電池組(GB),標(biāo)稱電壓48 V,容量≥100 Ah,配備智能BMS系統(tǒng),支持CAN總線通信,可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)SOC(精度±3%)和溫度等參數(shù)[4]。

防逆流二極管(VD)采用肖特基二極管陣列,正向壓降≤0.5 V,反向耐壓≥100 V,配合強(qiáng)制風(fēng)冷散熱(溫升≤30 K)。

直流負(fù)載模塊(MDC)包含工控機(jī)、激光雷達(dá)等設(shè)備,通過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換器獲得穩(wěn)定的24 V電源,紋波系數(shù)≤1%,滿足精密電子設(shè)備的供電需求。

3.2電池智能充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用雙模式充電架構(gòu),當(dāng)設(shè)備接入AC380V工業(yè)電源時(shí),相序保護(hù)繼電器(PT)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)三相電源狀態(tài)(電壓波動(dòng)范圍±10%,相序容差±5O),在確認(rèn)電源參數(shù)正常后,其控制觸點(diǎn)動(dòng)作時(shí)序?yàn)?首先斷開(kāi)逆變器控制繼電器(KA,動(dòng)作時(shí)間≤20 ms),隨后閉合充電回路接觸器(KM,接觸電阻≤50 mΩ)。該互鎖設(shè)計(jì)能確保充電過(guò)程中逆變器處于斷電狀態(tài),避免能量回饋干擾。充電過(guò)程采用三段式智能算法:恒流階段(0.5C)快速補(bǔ)充80%容量,恒壓階段(54.6±0.5)V精細(xì)充電至95%,浮充階段(53.5±0.2)V維持電池飽和狀態(tài)。

為應(yīng)對(duì)特殊工況,系統(tǒng)配置了應(yīng)急充電接口:采用三角標(biāo)準(zhǔn)插座,允許通過(guò)民用AC220 V電源(電壓范圍180~250 V)進(jìn)行臨時(shí)充電。該接口具備反接保護(hù)(耐受電壓600V)和過(guò)流保護(hù)(響應(yīng)時(shí)間≤100 μs),確保在非標(biāo)電源條件下的充電安全。

3.3 無(wú)電池啟動(dòng)機(jī)制設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)電源檢測(cè)方案采用嚴(yán)格的時(shí)序控制邏輯:首先依賴電池供電啟動(dòng)檢測(cè)電路,待相序繼電器(響應(yīng)時(shí)間≤50 ms)確認(rèn)三相電源參數(shù)(電壓容差±5%,頻率偏差± 1 Hz)符合IEC 60038標(biāo)準(zhǔn)后,方能接通主交流接觸器(接觸電阻≤30 mΩ)。該方案雖能確保電源質(zhì)量,但存在嚴(yán)重依賴電池的缺陷,即當(dāng)電池耗盡或BMS故障時(shí),設(shè)備將完全喪失移動(dòng)能力。

本研究提出的改進(jìn)方案采用雙路徑供電架構(gòu):主電路省略相序檢測(cè)環(huán)節(jié),通過(guò)功率器件直連(導(dǎo)通損耗≤0.5%)實(shí)現(xiàn)AC380 V市電或逆變電源的無(wú)縫接入。關(guān)鍵創(chuàng)新點(diǎn)包括:1)采用寬輸入范圍設(shè)計(jì)(電壓300~450 V,頻率45~65 Hz),兼容非理想電網(wǎng)條件;2)配置多級(jí)保護(hù)電路:變頻器過(guò)壓保護(hù) [閾值(460±5)V]、驅(qū)動(dòng)器過(guò)流保護(hù)(響應(yīng)時(shí)間≤10μs)、開(kāi)關(guān)電源浪涌抑制(8/20 μs波形耐受6 kV)。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明,該方案使設(shè)備平均故障間隔時(shí)間(MTBF)大幅提升,緊急工況下的設(shè)備可用性達(dá)到95%。同時(shí),維護(hù)成本降低,主要得益于:1)消除電池依賴導(dǎo)致的停機(jī)損失;2)減少電源檢測(cè)環(huán)節(jié)的故障點(diǎn);3)簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)操作流程。

3.4研磨機(jī)續(xù)電系統(tǒng)操作的便捷性

3.4.1典型工況劃分

根據(jù)施工工藝流程,將研磨機(jī)作業(yè)周期劃分為四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工況:設(shè)備轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)輸、作業(yè)環(huán)境掃描、地面研磨施工和設(shè)備返場(chǎng)維護(hù)。系統(tǒng)初始狀態(tài)設(shè)置為:電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)TS預(yù)設(shè)于逆變電源檔位,主電源開(kāi)關(guān)SA處于斷開(kāi)狀態(tài)。

3.4.2移動(dòng)工況操作規(guī)范

在轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)輸階段,操作人員僅需將SA開(kāi)關(guān)切換至ON檔位即可激活系統(tǒng)供電。通過(guò)內(nèi)置wi-Fi模塊建立的無(wú)線通信鏈路,操作人員可遠(yuǎn)程控制磨盤(pán)提升機(jī)構(gòu)及底盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)設(shè)備的場(chǎng)地轉(zhuǎn)移或運(yùn)輸裝載。

3.4.3測(cè)繪工況供電策略

環(huán)境掃描階段采用3D激光雷達(dá)進(jìn)行空間特征采集,通過(guò)SLAM算法實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維重建。此階段因磨盤(pán)機(jī)構(gòu)未啟動(dòng),系統(tǒng)維持電池供電模式,避免工業(yè)電源接入的冗余操作。

3.4.4研磨工況電源切換

進(jìn)入研磨階段時(shí),操作人員需接入三相五線制工業(yè)電源[AC380×(1±10%)V,電纜截面積10 mm²]。

需要特別說(shuō)明的是,在電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)(TS)進(jìn)行電池逆變檔至市電檔切換過(guò)程中,系統(tǒng)存在理論上的供電中斷風(fēng)險(xiǎn)。這一過(guò)渡期可能導(dǎo)致機(jī)器控制系統(tǒng)發(fā)生非計(jì)劃性斷電重啟事件,具體表現(xiàn)為:工控機(jī)與無(wú)線通信模塊(路由器)的強(qiáng)制關(guān)機(jī),其重啟過(guò)程將造成移動(dòng)終端APP與控制主機(jī)的通信鏈路中斷。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,此類系統(tǒng)重啟過(guò)程耗時(shí)范圍為10~60 s,不僅顯著延長(zhǎng)了作業(yè)等待時(shí)間,更導(dǎo)致操作人員需重復(fù)執(zhí)行設(shè)備重連操作,嚴(yán)重影響了人機(jī)交互效率。

為解決該技術(shù)瓶頸,本系統(tǒng)創(chuàng)新性地采用雙路冗余供電架構(gòu):通過(guò)電池組輸出DC48 V電源,經(jīng)高效開(kāi)關(guān)電源模塊(轉(zhuǎn)換效率≥92%)降壓至DC24 V,專用于維持工控系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的持續(xù)供電。該設(shè)計(jì)方案成功實(shí)現(xiàn)了電源切換過(guò)程中關(guān)鍵控制單元的不間斷運(yùn)行。

3.4.5系統(tǒng)復(fù)位流程

作業(yè)完成后執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)化斷電程序:1)斷開(kāi)工業(yè)電源連接器;2)切換TS開(kāi)關(guān)至逆變檔位;3)通過(guò)SA開(kāi)關(guān)執(zhí)行系統(tǒng)關(guān)機(jī)。

3.4.6人機(jī)交互設(shè)計(jì)

該續(xù)電系統(tǒng)通過(guò)優(yōu)化人機(jī)交互設(shè)計(jì)顯著提升了操作便捷性,其實(shí)物圖如圖3所示。

系統(tǒng)采用兩級(jí)開(kāi)關(guān)控制架構(gòu):主電源開(kāi)關(guān)SA負(fù)責(zé)系統(tǒng)啟?？刂?電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)TS實(shí)現(xiàn)供電模式切換。在標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程中,操作人員僅需執(zhí)行三個(gè)基礎(chǔ)操作:1)通過(guò)SA開(kāi)關(guān)完成系統(tǒng)啟停;2)保持TS開(kāi)關(guān)默認(rèn)處于逆變電源模式;3)在研磨工況或電池欠壓時(shí)切換至市電模式。這種設(shè)計(jì)將必要操作步驟精簡(jiǎn)至最低限度,同時(shí)確保了系統(tǒng)在不同工況下的供電可靠性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文所述續(xù)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)創(chuàng)新源于交流式移動(dòng)底盤(pán)的地坪研磨機(jī)器人實(shí)際工程需求。通過(guò)原型機(jī)驗(yàn)證測(cè)試(累計(jì)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)≥500 h),系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。更值得注意的是,該系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)理念使其具有良好的可擴(kuò)展性,經(jīng)適應(yīng)性改造后,可廣泛應(yīng)用于砂漿噴涂機(jī)器人、混凝土抹平機(jī)器人等各類建筑機(jī)器人平臺(tái)。這一特性顯著提升了研究成果的工程應(yīng)用價(jià)值,為建筑機(jī)器人供電系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)提供了重要參考[5]。

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《機(jī)電信息》2025年第19期第14篇