關(guān)于機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化行業(yè)的應(yīng)用及發(fā)展方向探討

（西華大學(xué),四川 成都 610039）

1 機(jī)械自動(dòng)化行業(yè)現(xiàn)狀分析

機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化是指設(shè)計(jì)人員根據(jù)相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和具體操作工程的規(guī)范和實(shí)際需求進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，將毛坯(或材料)和其他輔助材料作為原料，輸入機(jī)械制造系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)存儲(chǔ)、運(yùn)輸、加工、檢驗(yàn)等環(huán)節(jié),最后實(shí)現(xiàn)符合要求的零件或產(chǎn)品從系統(tǒng)輸出。自動(dòng)化技術(shù)是一門(mén)綜合性技術(shù)，它和控制論、信息論、系統(tǒng)工程、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子學(xué)、液壓氣壓技術(shù)、自動(dòng)控制等都有著十分密切的關(guān)系，而其中又以控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)自動(dòng)化技術(shù)的影響最大。

1.1 我國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化行業(yè)現(xiàn)狀

新中國(guó)建立后，我國(guó)的機(jī)械制造業(yè)和制造技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。至今，已形成了具有相當(dāng)規(guī)模、較高的技術(shù)水平和較完整的機(jī)械工業(yè)體系，成為我國(guó)工業(yè)體系中最大的產(chǎn)業(yè)之一[1]。

與發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家相比,我們?cè)谌司a(chǎn)率、材料利用率、機(jī)電產(chǎn)品的出口規(guī)模、以及出口商品結(jié)構(gòu)等諸多方面仍存在著較大差距。

經(jīng)濟(jì)咨詢機(jī)構(gòu)美國(guó)環(huán)球通視有限公司的研究報(bào)告顯示:按產(chǎn)出計(jì)算,中國(guó)已打破了美國(guó)連續(xù)一百余年占據(jù)世界頭號(hào)的歷史。2010 年，全世界制造業(yè)的產(chǎn)出為10.078 萬(wàn)億美元,中國(guó)占19.8%，美國(guó)占19.4%。2017 年,中國(guó)占近27%。但2010 年美國(guó)制造業(yè)的工人為1150 萬(wàn)人,中國(guó)相同部門(mén)則為1 億人。1850 年左右,中國(guó)占據(jù)世界頭號(hào)商品生產(chǎn)國(guó)的位置達(dá)近50 年。1830 年,中國(guó)占世界制造業(yè)產(chǎn)出的30%，1900年下降到6%,1990 年只有3%。

1.2 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化技術(shù)不成熟

自第一次工業(yè)革命以來(lái)，全世界的機(jī)械設(shè)計(jì)制造技術(shù)呈井噴式發(fā)展，但由于歷史關(guān)系，中國(guó)參與第一次工業(yè)革命和第二次工業(yè)革命，也沒(méi)有獲得過(guò)成果，自第三次工業(yè)革命開(kāi)始至今，我國(guó)的工業(yè)水平得到了顯著的提高，并且成為了世界制造大國(guó)，生產(chǎn)力得到大力提升。然而由于西方發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于核心技術(shù)的封鎖，我國(guó)只能在原有的技術(shù)基礎(chǔ)上改進(jìn)，并不能接觸到已有的核心技術(shù)，現(xiàn)有的自主研發(fā)的智能化機(jī)器很少，大部分只能依靠進(jìn)口，例如超高精度機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人。

就工業(yè)中常見(jiàn)的金屬加工機(jī)床來(lái)說(shuō)，據(jù)中國(guó)海關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2019 年1-2 季度中國(guó)金屬加工機(jī)床進(jìn)口量逐漸增長(zhǎng)，2019 年8 月中國(guó)金屬加工機(jī)床進(jìn)口量為3885 臺(tái)，累計(jì)方面，2019年1-8月中國(guó)金屬加工機(jī)床進(jìn)口量達(dá)到38091 臺(tái)。在進(jìn)口金額方面，2019 年8 月中國(guó)金屬加工機(jī)床進(jìn)口金額為615.3 百萬(wàn)美元，2019 年8 月中國(guó)金屬加工機(jī)床進(jìn)口均價(jià)為15.84 萬(wàn)美元/臺(tái)，相比7 月上漲了1.03 萬(wàn)美元/臺(tái)。累計(jì)方面，2019 年1-8 月中國(guó)金屬加工機(jī)床進(jìn)口金額達(dá)到510324.3 萬(wàn)美元(5103.24 百萬(wàn)美元)，進(jìn)口均價(jià)為13.40 萬(wàn)美元/臺(tái)。

2019 年部分月份的金屬加工機(jī)床進(jìn)口情況表（如表1）

由此可見(jiàn)我國(guó)機(jī)械行業(yè)設(shè)計(jì)制造行業(yè)還未突破傳統(tǒng)機(jī)械技術(shù)，在機(jī)械自動(dòng)化制造領(lǐng)域與發(fā)達(dá)國(guó)家還有很大差距。

1.3 自主創(chuàng)新能力不強(qiáng)

高水平設(shè)備的核心技術(shù)和關(guān)鍵元器件的研究和發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有很大差距，例如生產(chǎn)芯片的核心設(shè)備光刻機(jī)是芯片生產(chǎn)的最核心環(huán)節(jié)，但是國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域最先進(jìn)的上海微電子有限公司生產(chǎn)的光刻機(jī)精度也只能達(dá)到90nm 精度，只能滿足一些中低端芯片的生產(chǎn)，而全球技術(shù)最頂尖的光刻機(jī)基本上被荷蘭的ASML 公司壟斷，其中7 納米水平的EUV 光刻機(jī)只有荷蘭ASML 公司能夠提供。

1.4 課程設(shè)置和實(shí)踐環(huán)節(jié)不成熟

機(jī)械設(shè)計(jì)制造自動(dòng)化的課程設(shè)置中機(jī)械設(shè)計(jì)制造方面已經(jīng)足夠全面，但與自動(dòng)化技術(shù)的相關(guān)課程相對(duì)應(yīng)的機(jī)械方面的課程較薄弱。傳統(tǒng)機(jī)械已經(jīng)有很長(zhǎng)的發(fā)展史，自動(dòng)化技術(shù)是近一個(gè)世紀(jì)才出現(xiàn)的，原來(lái)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造的研究一直停留在純機(jī)械結(jié)構(gòu)的領(lǐng)域中，運(yùn)用數(shù)學(xué)、力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、材料學(xué)知識(shí)，已經(jīng)滿足不了很多高精度電子類機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)需求。另一方面，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化是一個(gè)實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)，近年來(lái)高水平的機(jī)械設(shè)備更新速度迅速，機(jī)械類的機(jī)械設(shè)備價(jià)格較貴，各高校經(jīng)費(fèi)有限，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)目前還未實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量教學(xué)設(shè)備的完全覆蓋，特別是一些地處經(jīng)濟(jì)水平偏低地區(qū)的高校，各個(gè)高校的學(xué)生接觸的機(jī)械設(shè)備大多比當(dāng)前科技水平落后5～10 年。

表1 2019 年部分月份的金屬加工機(jī)床進(jìn)口情況表

2 機(jī)械實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的未來(lái)發(fā)展

強(qiáng)大的機(jī)械需要擁有一個(gè)合理高效的設(shè)計(jì)理念、一個(gè)性價(jià)比高的制造系統(tǒng)、一個(gè)發(fā)達(dá)的控制系統(tǒng)，高水平的機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)體現(xiàn)于高精度、高效率、高智能。如今我國(guó)有很多機(jī)械已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的自動(dòng)化，但是大多數(shù)自主研發(fā)的自動(dòng)化機(jī)械的工作效率仍不高，相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家還有很大的提升空間。機(jī)械設(shè)計(jì)制造的自動(dòng)化技術(shù)在未來(lái)將主要向以下幾個(gè)方面發(fā)展：計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用高普及、機(jī)械制造系統(tǒng)的高效化和高精度化、單片機(jī)控制機(jī)械系統(tǒng)的高水平化、自動(dòng)化與機(jī)械設(shè)計(jì)制造的人才培養(yǎng)方案成熟化[2]。

2.1 機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)

機(jī)械設(shè)計(jì)已經(jīng)從原來(lái)的圖像處理技術(shù)、工程分析技術(shù)、數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)交換技術(shù)、文檔處理技術(shù)、界面開(kāi)發(fā)技術(shù)、到基于Web 的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和開(kāi)發(fā)技術(shù)。就目前來(lái)說(shuō)，機(jī)械設(shè)計(jì)制造的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)備的應(yīng)用已經(jīng)很廣泛了，運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件和計(jì)算機(jī)硬件進(jìn)行二維與三維繪圖已經(jīng)開(kāi)始常態(tài)化，相對(duì)于以前傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，它使設(shè)計(jì)的過(guò)程變得更加的形象和簡(jiǎn)潔。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（CG）是通過(guò)計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形，并進(jìn)行顯示的原理、方法和技術(shù)。CG 的內(nèi)容有硬件、軟件、圖形處理的理論與方法、圖形處理應(yīng)用等。軟件繪圖包括二維設(shè)計(jì)和三維設(shè)計(jì)，二維是指平面設(shè)計(jì)，三維是指立體設(shè)計(jì)，二維三維之間可以相互轉(zhuǎn)換，二維設(shè)計(jì)制圖軟件有：AutoCAD，功能強(qiáng)大，廣泛應(yīng)用于各大設(shè)計(jì)行業(yè)。三維設(shè)計(jì)制圖軟件有很多，例如UG/NX、SOLIDWORKS，以及常見(jiàn)于各大汽車(chē)相關(guān)周邊產(chǎn)品設(shè)計(jì)的CATIA，還有Pro/E：此軟件以參數(shù)化設(shè)計(jì)著稱，是最早應(yīng)用參數(shù)化設(shè)計(jì)的軟件，且采用模塊化，用戶可針對(duì)性的使用不同模塊。

2.2 制造的發(fā)展趨勢(shì)

2.2.1 機(jī)械制造基本流程

機(jī)械制造基本流程主要包括礦石加工和非金屬原材料加工，其中礦石加工是礦石通過(guò)鑄造、壓力加工、切削加工，經(jīng)過(guò)鑄錠、型材、毛坯等階段加工成零件，非金屬材料加工是通過(guò)模具加工成非金屬零件，然后零件和非金屬零件通過(guò)部件裝配、總裝配成部件、機(jī)器。

2.2.2 制造技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

生產(chǎn)手段方面，數(shù)字化、智能化將貫穿產(chǎn)品的整個(gè)生命周期；發(fā)展模式方面，綠色化、服務(wù)化日漸成為制造業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展新趨勢(shì)；組織方式方面，內(nèi)部組織將扁平化和資源配置全球化已成為制造業(yè)培育競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的新途徑；發(fā)展格局方面，比較優(yōu)勢(shì)動(dòng)態(tài)變化將重塑全球制造業(yè)版，其中切削加工仍然是機(jī)械制造的主導(dǎo)加工方法，提高生產(chǎn)率和質(zhì)量是今后的發(fā)展方向。超精密及細(xì)微加工技術(shù)，特種加工技術(shù)，自動(dòng)化制造技術(shù)在以后的先進(jìn)生產(chǎn)管理模式占主導(dǎo)地位的技術(shù)包括精益生產(chǎn)（LP)、準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)（JIT）、并行生產(chǎn)（CE）、敏捷制造（AM）、虛擬制造（VM）。另外，在未來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)接口普遍的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)可以減少對(duì)其模塊化管理的難度以及對(duì)機(jī)械設(shè)備的損耗。

2.3 單片機(jī)在機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用與前景

2.3.1 單片機(jī)的現(xiàn)狀

單片機(jī)是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能（可能還包括一些電路和轉(zhuǎn)換器）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。從上世紀(jì)80 年代，由當(dāng)時(shí)的4 位、8 位單片機(jī)，發(fā)展到現(xiàn)在的300M 的高速單片機(jī)。單片機(jī)在工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中很常見(jiàn)，普通設(shè)備的自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備運(yùn)行一般是，先按照需要滿足的工作要求和機(jī)械設(shè)計(jì)要求進(jìn)行程序編寫(xiě)并輸入，開(kāi)啟設(shè)備后它通過(guò)向各個(gè)模塊輸出信息法號(hào)指令，信息到達(dá)模塊后按照模塊功能進(jìn)行數(shù)據(jù)分析然后向機(jī)械設(shè)備發(fā)出指令，工作后機(jī)械設(shè)備又會(huì)將信息通過(guò)模塊反饋給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理[3]。

單片機(jī)在智能制造方面的應(yīng)用有很多方面，例如機(jī)械手控制系統(tǒng)、自動(dòng)平衡控制系統(tǒng)、人機(jī)交互控制系統(tǒng)方面。

機(jī)械手系統(tǒng)通常包括主控板、轉(zhuǎn)接板、顯示器、控制按鍵、配套電源、舵機(jī)（關(guān)節(jié)性傳動(dòng)裝置）、擁有多個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)擁有一個(gè)自由度。一般的機(jī)械手擁有3 個(gè)關(guān)節(jié)就能滿足大部分運(yùn)動(dòng)及方位鎖定要求，三個(gè)關(guān)節(jié)分別是縱向Y 軸，橫向X 軸及補(bǔ)償部分，其對(duì)應(yīng)的三個(gè)自由度就是縱向的往返運(yùn)動(dòng)、橫向的往返運(yùn)動(dòng)、補(bǔ)償方向的上下運(yùn)動(dòng)[4]。

直流電機(jī)改變其供電的直流電壓的有效值的大小和正負(fù)就能調(diào)整其轉(zhuǎn)速與方向。通過(guò)電力電子線路（各種晶體管、MOS 管等）來(lái)控制電機(jī)的供電電壓頻繁導(dǎo)通，如果用PWM來(lái)控制，倘若PWM 的頻率不變，只改變PWM 的占空比，把PWM 的占空比調(diào)節(jié)小后，輸出電壓的有效值就會(huì)減小，從而使電機(jī)的轉(zhuǎn)速變慢，反之就變快。對(duì)于交流電機(jī)調(diào)速，要控制電源的頻率，這事就要用交-直-交變頻，這種變頻方式也要用PWM，其難度相對(duì)于直流電機(jī)來(lái)說(shuō)較為復(fù)雜[5]。

2.3.2 單片機(jī)存在的的問(wèn)題及其發(fā)展趨勢(shì)

單片機(jī)的設(shè)計(jì)與制造工藝方面存在一些問(wèn)題，其中系統(tǒng)電源的抗干擾能力差的問(wèn)題較為突出，比如單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)如果部件配合不足,會(huì)導(dǎo)致在臨界的情況下元件質(zhì)量得不到保障。另外，控制不同要求的機(jī)械系統(tǒng)，需要具有很強(qiáng)的抗干擾能力的高性能單片機(jī)才能保證在整個(gè)系統(tǒng)工作時(shí)不出故障，如在高功率交變電源和高功率交變電流周?chē)鷷?huì)有磁場(chǎng)和空間輻射，解決高功率交變電源、高功率交變電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)和空間輻射對(duì)單片機(jī)工作影響的問(wèn)題是未來(lái)單片機(jī)研發(fā)和機(jī)械設(shè)計(jì)制造的共同研究方向。較為有效的較少磁場(chǎng)與輻射對(duì)單片機(jī)影響的方法是濾波算法抗干擾和通訊過(guò)程的軟件抗干擾，濾波算法抗干擾是對(duì)開(kāi)關(guān)量的輸入采用多次采集反饋和延時(shí)消抖等措施來(lái)消除開(kāi)關(guān)的抖動(dòng)，當(dāng)干擾影響到單片機(jī)系統(tǒng)的輸入信號(hào)時(shí),將增大系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集誤差,采用加權(quán)遞推平均濾波、遞推平均濾波、中位值濾波、消抖濾波法都可以得到較為有效并可靠的數(shù)據(jù)。通訊過(guò)程的軟件抗干擾是系統(tǒng)之間通信通常是利用總線技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,現(xiàn)在常用的總線有RS232、RS485、RS422 和CAN 等。數(shù)據(jù)通信首要考慮的是通信速率的問(wèn)題,一般的總線最高通信速率是10MB/s,在能滿足系統(tǒng)通信速率的條件下,盡量選擇較低的總線通信速率可在一定程度上提高系統(tǒng)的抗干擾性能,通信的距離可靠性,也是很重要的一個(gè)指標(biāo)。另外，發(fā)送的每一幀數(shù)據(jù),要加上起始位和停止位,要對(duì)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行異或校驗(yàn)和校驗(yàn)或者是CRC 校驗(yàn),來(lái)提高通信過(guò)程中數(shù)據(jù)發(fā)送的可靠性。所以如何提高通訊速率和縮短通訊距離是往后的研究方向的側(cè)重點(diǎn)。除此之外還有軟件“看門(mén)狗”抗干擾技術(shù)等等技術(shù)，總的來(lái)說(shuō)目前具有很強(qiáng)抗干擾能力的高性能單片機(jī)還有很多缺點(diǎn)應(yīng)該改進(jìn)[6]。

3 結(jié)語(yǔ)

未來(lái)的機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化將是以機(jī)械設(shè)計(jì)制造為核心，以自動(dòng)化為方向，并且結(jié)合各種科學(xué)技術(shù)發(fā)展的行業(yè)，是社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展到一定高度的必然要求，其宏觀發(fā)展態(tài)勢(shì)是設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單化、合理化，以及機(jī)械制造系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化，實(shí)現(xiàn)最大限度的節(jié)省生產(chǎn)成本和生產(chǎn)周期。