自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械工程中的應(yīng)用

何剛

（肇東市人民政府油田服務(wù)中心，黑龍江 肇東151100）

機(jī)械工程主要包括機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造，為在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，提高機(jī)械產(chǎn)品的性能，應(yīng)當(dāng)對設(shè)計(jì)制造過程進(jìn)行優(yōu)化，該目標(biāo)可以通過自動(dòng)化技術(shù)中的虛擬技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及CAD/CAE/CAM技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。借此下面就自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械工程中的應(yīng)用展開分析探討。

1 虛擬技術(shù)在機(jī)械工程中的應(yīng)用

虛擬技術(shù)在機(jī)械工程中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在虛擬制造方面。具體而言，就是將機(jī)械制造的整個(gè)過程從現(xiàn)實(shí)環(huán)境轉(zhuǎn)移到先進(jìn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上來完成，以計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)作為支撐，通過計(jì)算機(jī)的協(xié)同工作，使機(jī)械產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到加工制造直至性能分析和質(zhì)檢等環(huán)節(jié)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，由此能夠進(jìn)一步提升制造過程的控制能力。

1.1 虛擬機(jī)械制造中的關(guān)鍵技術(shù)

在虛擬機(jī)械制造中，最為核心的技術(shù)有建模和仿真，這些技術(shù)為機(jī)械制造高效、高質(zhì)量完成提供了強(qiáng)有力的支撐。

1.1.1 建模技術(shù)

建模主要是對各種模型的構(gòu)建，在虛擬制造中，包括以下模型：生產(chǎn)模型、產(chǎn)品模型、工藝模型等。通過生產(chǎn)模型的建立，可以對生產(chǎn)能力、生產(chǎn)特性等進(jìn)行描述，并在已知需求的前提下，對整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行預(yù)測[1]；產(chǎn)品模型是機(jī)械制造中所有實(shí)體對象模型的集合，其能夠利用抽象等方法，對產(chǎn)品實(shí)施中相關(guān)活動(dòng)所需的模型進(jìn)行提??；工藝模型是虛擬機(jī)械制造中最為重要的一類模型，它能夠?qū)⒐に噮?shù)與影響機(jī)械產(chǎn)品功能的設(shè)計(jì)屬性有機(jī)地聯(lián)系到一起，從而反應(yīng)出生產(chǎn)與機(jī)械產(chǎn)品模型之間的交互作用。

1.1.2 仿真技術(shù)

仿真是一種以模型作為對象的研究方法，通過對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)強(qiáng)大的運(yùn)算能力加以利用，在相對較短的時(shí)間內(nèi)模擬出實(shí)際生產(chǎn)中需要很長時(shí)間才能完成的過程，以此來達(dá)到縮短決策時(shí)間，節(jié)省人財(cái)物力的目的。對機(jī)械產(chǎn)品制造過程的仿真包括系統(tǒng)仿真和加工仿真，如切削仿真、鑄造仿真、焊接仿真、裝配仿真等等。

1.2 具體應(yīng)用

在機(jī)械工程中，虛擬技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和機(jī)械建模兩個(gè)方面。

1.2.1 基于虛擬技術(shù)的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)

早期的虛擬技術(shù)主要是在軍事、航天等領(lǐng)域中應(yīng)用，而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和完善，使得虛擬技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步拓寬，在機(jī)械工程領(lǐng)域中得到越來越廣泛的應(yīng)用，為機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。數(shù)控機(jī)床是最為典型的機(jī)械產(chǎn)品，在對機(jī)床進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，可以應(yīng)用虛擬技術(shù)對數(shù)控機(jī)床中關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的幾何造型、運(yùn)動(dòng)特性、熱變形等進(jìn)行仿真分析，從而為設(shè)計(jì)人員提供參考依據(jù)。除此之外，還可在機(jī)械產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)、裝配等環(huán)節(jié)中，對虛擬技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，由此可進(jìn)一步提升造型水平和裝配質(zhì)量。機(jī)車是一類比較特殊的機(jī)械產(chǎn)品，其本身具有一定的復(fù)雜性。因此，可在機(jī)車的設(shè)計(jì)開發(fā)中，對虛擬技術(shù)進(jìn)行合理應(yīng)用，通過與傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合，可有效解決如下問題：動(dòng)力學(xué)計(jì)算、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及可靠性分析等[2]。在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中對虛擬技術(shù)的應(yīng)用，可以顯著提高產(chǎn)品的精度，機(jī)械性能隨之提升。

1.2.2 基于虛擬技術(shù)的機(jī)械建模

虛擬技術(shù)在機(jī)械建模中具有一定的應(yīng)用優(yōu)勢，將機(jī)械的組成情況、各個(gè)部件的連接方式、物理參數(shù)等輸入到虛擬系統(tǒng)當(dāng)中，系統(tǒng)能夠自行完成模型的構(gòu)建，整個(gè)過程不僅簡單，而且耗時(shí)非常短，能夠大幅度提升建模效率，設(shè)計(jì)人員的工作量也會(huì)隨之減輕。不僅如此，通過虛擬技術(shù)在機(jī)械建模中的應(yīng)用，可使相關(guān)軟件的功能得到充分發(fā)揮，比如計(jì)算結(jié)果可視化、數(shù)據(jù)圖形化等等，這樣設(shè)計(jì)人員便可直觀地看到機(jī)械建模的運(yùn)動(dòng)效果，從而保證模型的有效性。

2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在機(jī)械工程中的應(yīng)用

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)歸屬于自動(dòng)化技術(shù)的范疇，其在機(jī)械工程中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)方面。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，對機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)和完善，這是一個(gè)相對比較復(fù)雜的過程，需要以設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，通過數(shù)學(xué)建模，求取目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解，進(jìn)而達(dá)到設(shè)計(jì)優(yōu)化的目標(biāo)。在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員可以對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行應(yīng)用。

2.1 基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1.1 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其具有多維函數(shù)映射能力，能夠解決疑惑問題，由此使得BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到越來越廣泛的應(yīng)用。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠進(jìn)行自我調(diào)節(jié)和組織，它的硬件一經(jīng)實(shí)現(xiàn)后，便可達(dá)到較高的分類速率，能夠快速完成數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)、精確處理。非線性映射能力以及柔性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最為突出的優(yōu)點(diǎn)，在BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，神經(jīng)元的數(shù)量可任意設(shè)定，基本沒有任何限制，通過加快網(wǎng)絡(luò)的收斂速度能夠避免局部極小值的出現(xiàn)，從而確保解的準(zhǔn)確性。

2.1.2 在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)需要以原本的設(shè)計(jì)作為基礎(chǔ)，通過改進(jìn)和完善，來達(dá)到優(yōu)化的目的，從而提高機(jī)械性能。在對機(jī)械進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，可利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性映射功能，對機(jī)械控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。由于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本身所具備的特殊屬性，從而使其在優(yōu)化設(shè)計(jì)中能夠規(guī)避已經(jīng)認(rèn)定的目標(biāo)函數(shù)權(quán)值，這樣便可高效完成多目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[3]。具體的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程如下：以機(jī)械產(chǎn)品當(dāng)前的狀況為依據(jù)進(jìn)行BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建；以設(shè)計(jì)變量作為輸入向量，并以目標(biāo)函數(shù)作為輸出定量，進(jìn)而確定出BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中各環(huán)節(jié)的連接權(quán)重，這樣便可確認(rèn)設(shè)計(jì)變量與目標(biāo)函數(shù)之間的映射關(guān)系；按照這個(gè)映射關(guān)系，對變量間的數(shù)值進(jìn)行確定，通過求取最優(yōu)解，完成機(jī)械產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到提高機(jī)械性能的目的。

2.2 基于反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)

反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種非常先進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它能夠?qū)⑤敵鼋?jīng)時(shí)移接入到輸入層，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在快速尋優(yōu)問題的解決中具有非常明顯的優(yōu)勢。由于反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在無外部輸入的情況下，可以達(dá)到自我穩(wěn)定的狀態(tài)，所以神經(jīng)元間的連接權(quán)值基本上都處于相同的狀態(tài)，由此使得該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有非常高的穩(wěn)定性。在這一前提條件下，可將能量函數(shù)加入到網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，以函數(shù)為依據(jù)，對運(yùn)行方式的穩(wěn)定性進(jìn)行判斷，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化的目的[4]。在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，對反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，可將機(jī)械設(shè)備的相關(guān)問題與網(wǎng)絡(luò)模型建立銜接關(guān)系，依托神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度表達(dá)，對機(jī)械設(shè)計(jì)中的變量以及目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，這樣便可在網(wǎng)絡(luò)中完成動(dòng)態(tài)演化，從中找到最優(yōu)進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化。

3 CAD/CAE/CAM 技術(shù)在機(jī)械工程中的應(yīng)用

CAD/CAE/CAM全都?xì)w屬于計(jì)算機(jī)輔助工具的范疇，是具有代表性的自動(dòng)化技術(shù)，其中CAD 是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，CAE 是計(jì)算機(jī)輔助工程，CAM是計(jì)算機(jī)輔助制造，它們以計(jì)算機(jī)作為主要的技術(shù)手段，以軟件的形式為用戶提供輔助工具，從而快速完成模具結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)加工、機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。在機(jī)械工程中，CAD/CAE/CAM技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

3.1 在數(shù)控加工中的應(yīng)用

在數(shù)控加工中，對CAM技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，需要對工藝性加以充分考慮，具體包括刀具進(jìn)給方式的合理性；以直線加圓弧的方式對進(jìn)退刀進(jìn)行引入，這樣可以使工件上的刀痕達(dá)到最小化；在處理對稱特征的過程中，要以確保工件的加工質(zhì)量作為前提，將加工方向調(diào)整為順銑；采用轉(zhuǎn)角減速的處理方法，保證切削質(zhì)量[5]。通過對上述工藝的考慮，能夠有效縮短數(shù)控編程周期，編程效率和質(zhì)量隨之提高。

3.2 在鍛造中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的鍛造方法由于存在一定的缺陷，使得原材料大量浪費(fèi)，同時(shí)鍛造出來的工件存在局部應(yīng)力集中的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致鍛件表面常常會(huì)出現(xiàn)裂紋。因鍛造模具的模膛填充不足，使得鍛件的質(zhì)量無法得到保障。為解決這一問題，可以應(yīng)用CAD 和CAE 技術(shù)，對鍛造工藝進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，經(jīng)輔助設(shè)計(jì)后，將原本的直棒料改為圓盤料，通過試鍛造，鍛件的性能比未優(yōu)化前得到進(jìn)一步提升，從而達(dá)到節(jié)約材料和提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

4 結(jié)論

綜上所述，在機(jī)械工程中，可以對自動(dòng)化技術(shù)中的虛擬技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及CAD/CAE/CAM技術(shù)進(jìn)行合理運(yùn)用，由此除了能夠?qū)C(jī)械設(shè)計(jì)制造過程進(jìn)行優(yōu)化之外，還能進(jìn)一步提升機(jī)械產(chǎn)品的性能，對于促進(jìn)機(jī)械工程領(lǐng)域的發(fā)展意義重大。