機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化的設(shè)計(jì)原則及發(fā)展趨勢

李劍康

摘 要：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化的應(yīng)用能夠很大程度地提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，使企業(yè)在市場競爭中更具有優(yōu)勢，對加快機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化的學(xué)科建設(shè)具有重要意義?；诖?，本文概述了機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化，闡述了機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化的設(shè)計(jì)原則，對機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的自動化技術(shù)應(yīng)用及其發(fā)展趨勢進(jìn)行了探討分析。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化；設(shè)計(jì)原則；應(yīng)用；發(fā)展趨勢

一、機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化的概述

機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化是將微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、信息技術(shù)、電力技術(shù)和軟件編程等眾多技術(shù)融為一體，以系統(tǒng)功能目標(biāo)為指導(dǎo)，以優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)為生產(chǎn)目標(biāo)，在高質(zhì)多能、低能耗、高可靠性的原則之上，最大限度的實(shí)現(xiàn)既定的功能價值，達(dá)到整個系統(tǒng)最優(yōu)化的最終效果。傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)制造和現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化，兩者本質(zhì)上的區(qū)別在于自動化和智能化?，F(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)的智能化特點(diǎn)，并不是由于它是多種技術(shù)的單純疊加，而是它將多種技術(shù)融為一體，實(shí)現(xiàn)了整體上的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

二、機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化的設(shè)計(jì)原則

1.滿足功能的內(nèi)在需求

產(chǎn)品研發(fā)目的都是為了滿足人們需要，因此不同產(chǎn)品有其不同的功能所在。工業(yè)的三要素包括：物質(zhì)、信息和能量。機(jī)械設(shè)計(jì)自動化就是在輸入這三者時對其進(jìn)行處理，使之輸出具有各自特性的物質(zhì)、信息和能量。

2.不斷的創(chuàng)新功能

紡織機(jī)械、食品加工機(jī)械、印刷機(jī)械、交通運(yùn)輸機(jī)械、各種機(jī)床等，都可以統(tǒng)稱為“加工機(jī)”，它是一種物質(zhì)系統(tǒng)或產(chǎn)品，經(jīng)過對物質(zhì)、信息和能量的加工處理，以物料的搬運(yùn)和加工為主，改變輸出的位置和形態(tài)?！皠恿C(jī)”是指輸入信息及能量，通過能量的轉(zhuǎn)換，最后輸出能量的系統(tǒng)。比如生活里常常用到的電動機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等。如果輸出的是機(jī)械能，那就稱之為“原動機(jī)”。當(dāng)輸入的是信息和能量，通過信息處理的加工轉(zhuǎn)換之后，輸出的是數(shù)據(jù)、文字、聲音、圖像等，這種產(chǎn)品稱之為“信息機(jī)”。此外機(jī)械設(shè)計(jì)制造自動化還有動力、控制、檢測、構(gòu)造等多種其它的內(nèi)部功能。

三、機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的自動化技術(shù)應(yīng)用分析

1.機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的智能自動化技術(shù)應(yīng)用分析

智能機(jī)械制造技術(shù)是一個由機(jī)械制造技術(shù)、自動化技術(shù)、系統(tǒng)工程和人工智能等相互滲透，相互交織所形成的一門綜合性的技術(shù)。它是由智能機(jī)械和人類專家共同組成的人機(jī)一體化智能系統(tǒng)，該系統(tǒng)在機(jī)械制造過程中能進(jìn)行一些智能活動，如分析、推理、判斷、決策等。也就是說，智能機(jī)械制造技術(shù)就是把人工智能和機(jī)械制造技術(shù)進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，將人工智能融入到機(jī)械制造系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)中，通過模擬專家的智力活動，取代或延伸機(jī)械制造環(huán)境中應(yīng)由專家完成的那部分活動。在智能機(jī)械制造系統(tǒng)中，系統(tǒng)具有專家的智能，能自動監(jiān)視自身的運(yùn)行狀況，隨時發(fā)現(xiàn)錯誤或預(yù)測錯誤的發(fā)生，并且自身含有改進(jìn)和預(yù)防的功能。除此之外，智能機(jī)械制造系統(tǒng)還具有應(yīng)付外界突發(fā)事件的能力，能夠自動調(diào)整自身參數(shù)來適應(yīng)外部環(huán)境的需求，使自己始終運(yùn)行在最佳狀態(tài)。

2.機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的集成自動化技術(shù)應(yīng)用分析

機(jī)械制造中的自動化技術(shù)集成化應(yīng)用主要是借助系統(tǒng)工程理論的有效指導(dǎo)和信息技術(shù)對企業(yè)的制造流程進(jìn)行整體上的優(yōu)化，通過精簡機(jī)構(gòu)和過程重組等手段促進(jìn)適度自動化，并在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫和信息網(wǎng)絡(luò)的支持下，將機(jī)械制造企業(yè)的各種要素以及經(jīng)營管理活動集成為一個有機(jī)整體，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械制造以人為中心的柔性化生產(chǎn)。自動化及相關(guān)技術(shù)的集成化應(yīng)用有很多優(yōu)點(diǎn)，例如，自動化及相關(guān)技術(shù)的集成化應(yīng)用在提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量，降低新產(chǎn)品的研發(fā)成本，保護(hù)生態(tài)環(huán)境這三個方面都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)以及自動化技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域應(yīng)用的不斷增多，為了實(shí)現(xiàn)不同級別集成制造系統(tǒng)的構(gòu)造，比較簡便有效的方法就是對各種技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)集成。

3.機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的柔性自動化技術(shù)應(yīng)用分析

柔性自動化系統(tǒng)是在確保柔性生產(chǎn)的前提下，通過人機(jī)界面的優(yōu)化和自動化的合理追求建立相對完善的信息管理系統(tǒng)，進(jìn)而充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)管理所能產(chǎn)生的效益。在柔性自動化系統(tǒng)中，自動化設(shè)備可能與普通設(shè)備是共同存在的，而且在機(jī)械制造的個別環(huán)節(jié)允許人為干預(yù)的出現(xiàn)，因而有效提高了機(jī)械制造對外界因素變化的適應(yīng)能力，使得制造出的產(chǎn)品可以更好地適應(yīng)市場的需求。除此之外，柔性自動化加工系統(tǒng)還有一個非常重要的功能，就是它可以實(shí)現(xiàn)與柔性制造系統(tǒng)的有效銜接，從而提高機(jī)械生產(chǎn)、機(jī)械設(shè)置與機(jī)械制造之間的聯(lián)系，因此，機(jī)械制造的自動化程度就會大大的提高。隨著現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，機(jī)械使用者對機(jī)械制造企業(yè)的應(yīng)變能力、客戶需求的快速反應(yīng)與適應(yīng)能力都提出了更高的要求，這也就需要企業(yè)能夠結(jié)合市場需求和技術(shù)更新等外部條件的變化，實(shí)現(xiàn)對機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)結(jié)構(gòu)以及制造種類的合理調(diào)整，這時柔性自動化技術(shù)的應(yīng)用就顯得尤為重要。

四、機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化的發(fā)展趨勢

1.高可靠性

信息技術(shù)的快速發(fā)展，使得數(shù)控機(jī)床網(wǎng)絡(luò)化將得到廣泛應(yīng)用。對于無人工廠而言，如果要求在l6小時內(nèi)連續(xù)正常工作，無故障率在P（t）>99%以上，則數(shù)控機(jī)床的平均無故障運(yùn)行時間MTBF就必須大于3000小時。對一臺數(shù)控機(jī)床而言，如主機(jī)與數(shù)控系統(tǒng)的失效率之比為l0：1（數(shù)控的可靠比主機(jī)高一個數(shù)量級）。此時數(shù)控系統(tǒng)的MTBF就要大于33333小時，而其中數(shù)控裝置、主軸及驅(qū)動等的MTBF就必須大于l0萬小時。當(dāng)前國外數(shù)控裝置的MTBF值已達(dá)6000小時以上，驅(qū)動裝置達(dá)30000小時以上。

2.高速度及高精度方向發(fā)展

速度和精度直接關(guān)系到加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量，是數(shù)控機(jī)床的兩個重要指標(biāo)。高速度、超精度加工技術(shù)可極大地提高效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。為此國際生產(chǎn)工程學(xué)會（CIRP）將其確定為21世紀(jì)的中心研究方向之一。目前在超高速加工中，車削和銑削的切削速度已達(dá)到5000～8000m/min以上；主軸轉(zhuǎn)數(shù)在30000轉(zhuǎn)/分（有的高達(dá)10萬轉(zhuǎn)/分）以上；工作臺的移動速度（進(jìn)給速度）：在分辨率為l微米時，在100m/min（有的到200m/min）以上，在分辨率為0.1um時，在24m/min以上；自動換刀速度在1秒以內(nèi)；小線段插補(bǔ)進(jìn)給速度達(dá)到12m/min。在加工精度方面，近10年來，普通級數(shù)控機(jī)床的加工精度已由10um提高到5um，精密級加工中心則從3～5um，提高到1～1.5um，并且超精密加工精度已開始進(jìn)入納米級（0.01um）。

3.柔性化、智能化

柔性化發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)為：從點(diǎn)（數(shù)控單機(jī)、加工中心和數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床）、線（FMC、FMS、FTL、FML）向面（工段車間獨(dú)立制造島、FA）、體（CIMS、分布式網(wǎng)絡(luò)集成制造系統(tǒng)）的方向發(fā)展。數(shù)控機(jī)床及其構(gòu)成柔性制造系統(tǒng)能方便與CAD、CAM、CAPP、MTS聯(lián)結(jié)，向信息集成方向發(fā)展。智能化加工主要是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和理論的加工，其是在加工過程中模擬人類專家的智能活動，具體表現(xiàn)為：為提高驅(qū)動性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動識別負(fù)載自動選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作的智能化，如智能化的自動編程，智能化的人機(jī)界面等；智能診斷、智能監(jiān)控，方便系統(tǒng)的診斷及維修等。

五、結(jié)束語

綜上所述，隨著機(jī)械運(yùn)用范圍的不斷擴(kuò)張，社會對機(jī)械化、自動化水平的要求也越來越嚴(yán)格。隨著機(jī)械技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，現(xiàn)代的機(jī)械自動化較之傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)制造，更具有高效率、節(jié)能節(jié)約材料、多功能化等特點(diǎn)，更能滿足人們和生產(chǎn)生活的需求，從而帶來良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。endprint