自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)的運(yùn)用初探

瞿 忠

（南京理工大學(xué)紫金學(xué)院，江蘇 南京210023）

自動(dòng)化技術(shù)是指利用數(shù)據(jù)控制、分析技術(shù)，通過信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的智能控制。自動(dòng)化技術(shù)在我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域、生活領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，且發(fā)揮著巨大的應(yīng)用價(jià)值，但在實(shí)際應(yīng)用過程中，仍存在虛擬化程度不足、機(jī)械集成度不高等問題，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的科學(xué)應(yīng)用，提高機(jī)械運(yùn)作效率。

1 自動(dòng)化技術(shù)概述

自動(dòng)化技術(shù)具有綜合性特點(diǎn)，包括控制理論、計(jì)算機(jī)集成技術(shù)、電子信息學(xué)等。自動(dòng)化技術(shù)在工業(yè)、民生領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛，且功能更加多元、控制更加精準(zhǔn)。計(jì)算機(jī)知識(shí)、編程控制理論是機(jī)械自動(dòng)化運(yùn)行基礎(chǔ)，電氣一體化、功能多元化、智能化是機(jī)械運(yùn)作發(fā)展方向，通過編程語(yǔ)言擬定的控制程序?qū)崿F(xiàn)發(fā)出控制指令，與硬件設(shè)備建立動(dòng)態(tài)控制關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)備自動(dòng)控制。

基于自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用的機(jī)械設(shè)備具有運(yùn)行效率高、失誤率低、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，將安全預(yù)警系統(tǒng)、風(fēng)險(xiǎn)阻斷技術(shù)與系統(tǒng)融合，構(gòu)建新的生產(chǎn)方式，建立新的生產(chǎn)目標(biāo)。將自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械設(shè)計(jì)中，改善傳統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行情況，減少人工操作投入，根據(jù)工作要求變更相應(yīng)參數(shù)，增加系統(tǒng)運(yùn)行靈活性，生產(chǎn)效率、生產(chǎn)質(zhì)量均得到一定程度提升，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)行業(yè)智能化、技術(shù)自動(dòng)化。

目前，我國(guó)自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用比較廣泛，但設(shè)備大都從國(guó)外進(jìn)口，我國(guó)自主研發(fā)的數(shù)控技術(shù)應(yīng)用較少，在整體自動(dòng)化轉(zhuǎn)型應(yīng)用過程中，技術(shù)水平、自動(dòng)化水平均無法滿足日常工作需要，與發(fā)達(dá)國(guó)家之間存在一定差距[1]。

2 自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用原則

2.1 功能原則

將自動(dòng)化技術(shù)與機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)合，應(yīng)盡可能滿足機(jī)械功能需求。不同類型機(jī)械所應(yīng)用范圍、內(nèi)容均不相同。因此，將自動(dòng)化技術(shù)與機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)合，不可以盲目將智能技術(shù)作為根本，需要結(jié)合設(shè)備具體應(yīng)用環(huán)境、功能模塊、實(shí)際情況，確保其最基礎(chǔ)功能準(zhǔn)確。具體設(shè)計(jì)期間根據(jù)功能需求，保障自動(dòng)化產(chǎn)品在工業(yè)制造、零件加工領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用，避免出現(xiàn)盲目應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)情況。

2.2 全面性原則

全面性原則是指在應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)時(shí)，對(duì)機(jī)械整體運(yùn)作情況具有全面、深入了解，將設(shè)計(jì)需求與實(shí)際操作需求結(jié)合，通過對(duì)設(shè)計(jì)理念合理應(yīng)用，把握智能設(shè)計(jì)方法，確保設(shè)計(jì)效果全面性。若應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)不考慮實(shí)際操作情況，忽視整體運(yùn)行效率提升，則會(huì)造成極其嚴(yán)重的資源成本浪費(fèi)，無法保障機(jī)械設(shè)計(jì)整體效益。

3 自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中具體應(yīng)用

3.1 智能集成技術(shù)應(yīng)用

自動(dòng)化理論與自動(dòng)化技術(shù)經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，已經(jīng)滲透進(jìn)入到人類日常生產(chǎn)、生活之中，小到紅綠燈控制、大到系統(tǒng)運(yùn)行建設(shè)，均擁有自動(dòng)化的影子。科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展推動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)一步應(yīng)用，并發(fā)揮著不同的控制作用以及功能。集成技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用比較廣泛，且具有強(qiáng)大控制功能。集成化設(shè)計(jì)為滿足機(jī)械設(shè)計(jì)需求，將多種信息技術(shù)手段與資源整合運(yùn)用，形成一套系統(tǒng)化、規(guī)范化的運(yùn)行體系。集成系統(tǒng)通過不同結(jié)構(gòu)模塊之間的搭配，實(shí)現(xiàn)所有功能體系建設(shè)，應(yīng)用該技術(shù)減少機(jī)械設(shè)計(jì)中的接口部件，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)設(shè)備、機(jī)械設(shè)備連續(xù)控制以及邏輯控制。集成技術(shù)是一組動(dòng)態(tài)編程，借助數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)一管理功能，實(shí)現(xiàn)多種控制功能協(xié)調(diào)運(yùn)作。該技術(shù)應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)，統(tǒng)一規(guī)范數(shù)據(jù)內(nèi)容編制，將信息系統(tǒng)組合在數(shù)據(jù)庫(kù)中，同一組程序數(shù)據(jù)可控制不同組機(jī)械組件，設(shè)備實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理，系統(tǒng)運(yùn)行期間自動(dòng)提存數(shù)據(jù)資料，降低數(shù)據(jù)運(yùn)行出錯(cuò)率，為機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)提供安全、可靠性支持。集成化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中以高度統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一集成組態(tài)和編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械控制系統(tǒng)通信連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)科學(xué)控制。基于集成技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，在產(chǎn)品上接入以太網(wǎng)接口，將以太網(wǎng)輸入到現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)元件、組件自動(dòng)化控制，并應(yīng)用開發(fā)式TIA，對(duì)現(xiàn)有的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化[2]。

3.2 虛擬化設(shè)計(jì)應(yīng)用

將自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用到智能系統(tǒng)之中，主要目的是盡可能提高設(shè)備運(yùn)行效率以及生產(chǎn)效率，確保機(jī)械生產(chǎn)質(zhì)量，提高機(jī)械產(chǎn)品、零件生產(chǎn)合格率。數(shù)控機(jī)床應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)，將零件偏差控制在0.2mm以下，極大程度降低誤差率。虛擬化技術(shù)在自動(dòng)化機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用可以將實(shí)體資源抽象化轉(zhuǎn)換，打破原有實(shí)體結(jié)構(gòu)障礙，將資源以更加優(yōu)質(zhì)組態(tài)方式展現(xiàn)出來，可以得知，虛擬化技術(shù)是一種資源管理技術(shù)。虛擬化技術(shù)將機(jī)械系統(tǒng)、機(jī)械設(shè)備中的各類自語(yǔ)言組態(tài)化、透明化，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類資料的儲(chǔ)存、提取，機(jī)械設(shè)計(jì)方案擬定設(shè)備生產(chǎn)環(huán)境，解決機(jī)械設(shè)備物理硬件產(chǎn)能過剩、設(shè)備老舊等問題的重新組用，實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)功能價(jià)值最大化。

虛擬化技術(shù)與超線程技術(shù)不同，多個(gè)系統(tǒng)可以同時(shí)運(yùn)行，且程序運(yùn)行數(shù)量也滿足標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)操作系統(tǒng)均在獨(dú)立的主機(jī)上，并可以支持更加廣泛的操作系統(tǒng)。硬件與軟件是支撐系統(tǒng)運(yùn)作的核心關(guān)鍵，抽象模擬設(shè)備真實(shí)運(yùn)行環(huán)境，分配虛擬機(jī)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，管理機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，其中包括虛擬處理器以及寄存器設(shè)備等。在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用虛擬化技術(shù)，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是通過將虛擬技術(shù)與集成技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)的優(yōu)化控制；二是借助虛擬模擬功能，模擬機(jī)械設(shè)計(jì)內(nèi)容，將實(shí)體設(shè)備抽象化，不斷完善機(jī)械運(yùn)行效果以及控制程度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化機(jī)械系統(tǒng)最優(yōu)化[3]。

3.3 柔性設(shè)計(jì)應(yīng)用

柔性自動(dòng)化設(shè)計(jì)是指利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)過程的監(jiān)控，輔助應(yīng)用計(jì)算機(jī)開展系統(tǒng)管理工作，盡可能提高管理有效性，實(shí)現(xiàn)提高機(jī)械運(yùn)行效率以及生產(chǎn)效率目標(biāo)。柔性制造系統(tǒng)就是由此產(chǎn)生，集信息控制、運(yùn)輸儲(chǔ)存為一體，實(shí)現(xiàn)加工、控制，使其可以適用于多種功能之間變化，無需人工參與。FMS技術(shù)、成組技術(shù)是系統(tǒng)運(yùn)行基礎(chǔ)，按照功能對(duì)系統(tǒng)模塊進(jìn)行分類，確定不同加工對(duì)象以及操作對(duì)象，選擇適應(yīng)性比較強(qiáng)的數(shù)控工具，并經(jīng)由計(jì)算機(jī)設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)工具調(diào)整以及優(yōu)化。柔性就是指機(jī)械可以自動(dòng)調(diào)整，并承擔(dān)多種自動(dòng)生產(chǎn)功能，盡可能滿足市場(chǎng)需求。FMS具備加工、生產(chǎn)兩種功能，將其應(yīng)用到機(jī)械設(shè)計(jì)之中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)功能、操作功能、控制功能的拓展，極大程度提高生產(chǎn)效率。從市場(chǎng)發(fā)展、實(shí)用需求兩方面探討，全面評(píng)估柔性化設(shè)計(jì)功能性，將計(jì)算機(jī)作為信息控制中心，檢測(cè)機(jī)械具體運(yùn)行狀態(tài)，提高設(shè)備功能操作以及功能質(zhì)量。柔性系統(tǒng)包括制造單元、制造系統(tǒng)、生產(chǎn)線三大部分，制造單元有加工單元工程，輔助各類加工、生產(chǎn)工具，制造系統(tǒng)適用于形狀輔助、數(shù)量較多的零件生產(chǎn)，自動(dòng)生產(chǎn)線需要調(diào)整多種機(jī)床，實(shí)現(xiàn)多品種、小批量生產(chǎn)。

3.4 檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用

檢測(cè)系統(tǒng)將安全保護(hù)與系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)合，盡可能確保系統(tǒng)運(yùn)行安全性、可靠性，減少故障率以及容錯(cuò)率。機(jī)械設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)對(duì)人力要求較小，在檢測(cè)、搜集情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)技術(shù)系統(tǒng)的性能判斷以及質(zhì)量判斷，方便機(jī)械系統(tǒng)生產(chǎn)以及管理，避免其在運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障情況。自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、數(shù)據(jù)分析功能，系統(tǒng)在運(yùn)行過程中如若出現(xiàn)違規(guī)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)卡頓等問題，則將數(shù)據(jù)反饋到控制中心系統(tǒng)之中，相關(guān)作業(yè)將會(huì)即時(shí)停止，且不會(huì)對(duì)生產(chǎn)線造成影響，將設(shè)備生產(chǎn)、運(yùn)行所產(chǎn)生的故障問題降至最低，并盡可能實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化，阻止風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生，降低故障問題影響，這是基于自動(dòng)化技術(shù)機(jī)械設(shè)計(jì)中的著重點(diǎn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展為機(jī)械設(shè)計(jì)、制造帶來了新的機(jī)遇以及挑戰(zhàn)，有關(guān)部門在深化自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用過程中，需要不斷增加其在機(jī)械系統(tǒng)之 中適應(yīng)性，探索自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用模式。然而，虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能技術(shù)進(jìn)步與完善，為機(jī)械設(shè)計(jì)提供更多可能，也是機(jī)械未來設(shè)計(jì)主要發(fā)展方向，需要不斷進(jìn)行科研、試驗(yàn)，方能在機(jī)械運(yùn)作中充分發(fā)揮自動(dòng)化技術(shù)功能。