自動化技術(shù)在機械設(shè)計制造中的應(yīng)用與發(fā)展

孟鑫　盧清波　姬耀鋒

【摘? ? 要】工業(yè)蒸汽時代傳承下的簡易機械、傳統(tǒng)工業(yè)制造方式已被市場淘汰，應(yīng)用自動化技術(shù)成為各行業(yè)保持生命力的必然趨勢。隨著科技的快速發(fā)展，自動化技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于我國工業(yè)制造業(yè)，在機械設(shè)計與制造領(lǐng)域?qū)χ圃旆绞竭M行了翻天覆地的革新。自動化技術(shù)的引入增加了經(jīng)濟效益和生產(chǎn)效率，確保了計算的精度，降低了誤差率，提高了機械設(shè)計和制造行業(yè)的技術(shù)性和先進性。

【關(guān)鍵詞】自動化技術(shù)? 機械設(shè)計制造? 應(yīng)用與發(fā)展

中圖分類號：G4? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2021.12.149

一、機械設(shè)計制造及其自動化概述

近年來，科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展使我國智能制造業(yè)迎來了難得的發(fā)展機遇，機械制造自動化技術(shù)是當(dāng)前機械設(shè)計制造業(yè)十分關(guān)鍵的一項技術(shù)，在社會、工作、生活的許多領(lǐng)域均得到了廣泛應(yīng)用，如機械工程、制造業(yè)、醫(yī)藥、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、軍工、交通運輸、電等民用領(lǐng)域，對我國未來的社會經(jīng)濟發(fā)展具有一定的推動與促進作用。國家在經(jīng)濟發(fā)展社會進步的同時也給機械制造提供了人才、資金和技術(shù)的支持，推動其向更先進的方向改進，全面提升了核心競爭力。

機械設(shè)計的發(fā)展經(jīng)歷了人工操作、動力操作、信息傳輸?shù)倪^程。隨著科技的發(fā)展，已將傳統(tǒng)的人工解析指令或參數(shù)發(fā)展成設(shè)備自動化技術(shù)，其根據(jù)遙感技術(shù)、反饋原理、數(shù)據(jù)原理等技術(shù)，將預(yù)存數(shù)據(jù)生成可執(zhí)行的指令程序，以替代人工輸入程序。機械自動化就是讓機械設(shè)備代替人設(shè)定程序以實現(xiàn)自動化控制，在整個過程中能自行進行檢測、處理、分析。機械制造及其自動化的持續(xù)發(fā)展，更能滿足現(xiàn)代社會對機械設(shè)計發(fā)展的需求，有利于提高機械設(shè)計制造的整體水平，朝更加高效、節(jié)能、智能的方向邁進，促進企業(yè)生產(chǎn)效率與質(zhì)量不斷提升，使企業(yè)在激烈的市場競爭中脫穎而出。

二、自動化技術(shù)的發(fā)展

“自動化”最早是由美國的一個機械工程師提出來的，經(jīng)過不斷的研究和升級，自動化已發(fā)展到現(xiàn)在十分高的水平。自動化技術(shù)發(fā)展初期多以傳統(tǒng)的人工控制為主，其時效性差、效率低、精準(zhǔn)度低，時常出現(xiàn)質(zhì)量和人身安全問題。自動化技術(shù)是指在機器設(shè)備、儀表儀盤等設(shè)備中嵌入芯片，芯片會接收外界的程序或指令，設(shè)備會根據(jù)指令自行調(diào)節(jié)和加工，同時也會根據(jù)輸入的參數(shù)調(diào)節(jié)設(shè)備參數(shù)的技術(shù)。機械設(shè)計制造及其自動化以傳統(tǒng)機械設(shè)計制造為基礎(chǔ)，綜合運用微電子調(diào)控、計算機編程、智能化自動控制、傳感檢測、信息交換等手段，根據(jù)所要求達到的功能與特性，實現(xiàn)設(shè)備運行的自動化與智能化，以期達到企業(yè)高產(chǎn)、低耗的目標(biāo)，使整個生產(chǎn)系統(tǒng)實現(xiàn)最優(yōu)化。隨著自動化控制的發(fā)展，機械設(shè)計領(lǐng)域和制造領(lǐng)域已徹底走向智能型發(fā)展，不僅能增加設(shè)備的時效性、提高生產(chǎn)效率、降低人工成本、降低人工操作的復(fù)雜性和危險性，將技術(shù)人員從復(fù)雜的工序中解脫出來，且自動化技術(shù)的作業(yè)精度遠高于人工。機械設(shè)計制造及其自動化所涉獵的范圍極廣，既可以被應(yīng)用到航天、航空等重要科研項目中，也可以被應(yīng)用到導(dǎo)彈、戰(zhàn)機等軍事國防領(lǐng)域，在家電等民用領(lǐng)域為人民提供便捷。自動化技術(shù)能極大地改善機械性能，通過數(shù)據(jù)化控制、自動診斷、自動報警等技術(shù)優(yōu)勢，使機械的使用壽命增長無效做功減少，真正做到綠色高效生產(chǎn)。

三、自動化技術(shù)在機械設(shè)計制造中的應(yīng)用

（一）數(shù)控技術(shù)

自動化技術(shù)的引進能有效抑制和解決生產(chǎn)方式過于滯后、效率不高、消耗諸多的資金和人力等問題，保障產(chǎn)品的整體質(zhì)量提高。數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不僅可對機械化程度進行提升，還能對生產(chǎn)的效率和質(zhì)量進行更好的保障。數(shù)控技術(shù)主要對電腦程序進行編制，然后實現(xiàn)對機械運行的控制，而數(shù)字化技術(shù)是借助軟件管理操作機械設(shè)備，采取預(yù)先設(shè)計的軟件程序來監(jiān)控機械生產(chǎn)環(huán)節(jié)，增強技術(shù)人員的專業(yè)能力，達到機械操作自動化運行的目標(biāo)。當(dāng)前，數(shù)控技術(shù)正在朝著智能化和開放化的方向發(fā)展，生產(chǎn)和管理人員對整個生產(chǎn)的流程和質(zhì)量進行遠程實時監(jiān)控，通過這樣的方式降低工人勞動強度，改善工人的工作環(huán)境，對工作效率進行有效提升。

（二）集成化技術(shù)

在機械制造自動化中集成化是非常重要的部分，所謂集成是指機械制造借助信息技術(shù)的作用開展，制造在集成環(huán)節(jié)能夠促進生產(chǎn)環(huán)節(jié)中規(guī)范性加工制造，能運用計算機集成制造系統(tǒng)實現(xiàn)對生產(chǎn)環(huán)節(jié)的科學(xué)管控。集成相應(yīng)的分散自動化系統(tǒng)，構(gòu)建更加高效的生產(chǎn)控制系統(tǒng)，保證機械設(shè)計、制造以及運營等不同環(huán)節(jié)之間的緊密關(guān)聯(lián)。同時，及時收集市場信息、制定生產(chǎn)計劃方案、產(chǎn)品的開發(fā)與設(shè)計、加工和營銷等環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)信息，完成信息流、物料流等方面的統(tǒng)一化管控任務(wù)。

（三）虛擬化技術(shù)

為滿足客戶提出的要求選擇與之相符的設(shè)備，工作者設(shè)計產(chǎn)品時可借助虛擬化技術(shù)實現(xiàn)針對相關(guān)機械設(shè)備的建模，設(shè)定準(zhǔn)確的模擬參數(shù)，為客戶制造出滿意的產(chǎn)品。機械制造虛擬化是實施機械產(chǎn)品生產(chǎn)流程仿真工作，利用機械產(chǎn)品制造不同環(huán)節(jié)的仿真以及模擬，全面探究產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計和生產(chǎn)制造期間存在的不足之處，減少機械自動化生產(chǎn)期間各項物料消耗過多現(xiàn)象的出現(xiàn)，從而達到模擬控制機械產(chǎn)品自動化生產(chǎn)的目的。虛擬技術(shù)的應(yīng)用縮短了設(shè)計制造周期，使成本大幅度降低，同時虛擬化技術(shù)使小批量個性化定制成為可能。

（四）智能技術(shù)

智能技術(shù)是由多學(xué)科組成的，其中包含計算機技術(shù)、傳感技術(shù)和定位技術(shù)等內(nèi)容，它的核心就在于對相應(yīng)程序的設(shè)定，使用這種方式對傳統(tǒng)人工操作進行替代，能夠更好地解決傳統(tǒng)人工所無法完成的操作，提升機械制造設(shè)計和自動化的智能化程度。比如現(xiàn)在工廠中的智能制造加工單元，融合了機器人技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、MES管理系統(tǒng)等，使零件從毛坯到成型入庫全自動化智能化，并實現(xiàn)了物料追蹤。在對一些生產(chǎn)難度比較高和精密度比較高的產(chǎn)品進行設(shè)計和生產(chǎn)時，要對智能化的技術(shù)進行積極的利用，對其中存在的問題進行更好的解決。

（五）計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與故障診斷

在機械設(shè)計制造和自動化領(lǐng)域中經(jīng)常涉及機械圖繪制的內(nèi)容，通過對CAD、CAM等計算機繪圖軟件進行利用，可實現(xiàn)降低人工繪圖的復(fù)雜性，同時利用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以讓頭腦中的圖像得到立體化的展示，能利用軟件對其進行一定的測試，讓產(chǎn)品設(shè)計可以更加接近完美的狀態(tài)。自動化技術(shù)會按照指定的程序通過傳感器定時采集設(shè)備元件的信號和狀態(tài)，再經(jīng)由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)保存的特征庫分析出元件的狀態(tài)，特征庫中保存了各元件的狀態(tài)集合，根據(jù)模式匹配原理分析出元件當(dāng)前是否正常工作。自動化技術(shù)類似于人類的專家系統(tǒng)，專家會憑借經(jīng)驗、視覺或設(shè)備檢測等方式判斷故障原因，自動化技術(shù)會通過神經(jīng)元的學(xué)習(xí)和記憶調(diào)整當(dāng)前的處理狀態(tài)，采用合理維護的方法加以維修。

四、自動化技術(shù)在機械設(shè)計制造中的發(fā)展趨勢

（一）網(wǎng)絡(luò)化和智能化

通過網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的監(jiān)測和控制系統(tǒng)可隨時進行信息共享和監(jiān)測，以防止各種突發(fā)情況發(fā)生，構(gòu)建人工智能讓其能夠自己完成計算和決策等工作，實現(xiàn)機械設(shè)計制造的智能化。在實際生產(chǎn)中機械產(chǎn)品從設(shè)計初期到生產(chǎn)，最后到完工的過程都能實現(xiàn)智能化處理。智能化能有效避免設(shè)計生產(chǎn)中發(fā)生的質(zhì)量問題，保證企業(yè)的經(jīng)濟效益與生產(chǎn)質(zhì)量。隨著5G技術(shù)的成熟，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測與智能控制會在機械設(shè)計制造行業(yè)得到進一步應(yīng)用，通過實時監(jiān)控實現(xiàn)遠程生產(chǎn)加工，通過無線通訊實現(xiàn)遠程調(diào)試維護。

（二）數(shù)字化與微型化

機械設(shè)計及自動化的重點在于數(shù)字化，企業(yè)通過數(shù)字化技術(shù)實現(xiàn)信息資料的收集后，利用虛擬現(xiàn)實、數(shù)據(jù)庫和多媒體等技術(shù)對數(shù)據(jù)進行分析重組。同時該技術(shù)還能有效預(yù)警生產(chǎn)故障，形成穩(wěn)定、安全的生產(chǎn)運行狀態(tài)。微型化發(fā)展是機械設(shè)計制造及自動化生產(chǎn)的趨勢，很多機械零件尺寸都變得很微小，大部分都朝著微米、納米發(fā)展。

（三）機電一體化與模塊化

機電一體化是指將機械技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、電控技術(shù)等綜合起來形成的交叉型復(fù)雜綜合性技術(shù)。該技術(shù)能將智能化、綠色化、模塊化融合成一個有機整體，可以降低生產(chǎn)中能源消耗、減少各類污染物的排放，實現(xiàn)真正的綠色生產(chǎn)。模塊化是一種管理方式，針對不同機床的特性以及用處進行分模塊放置。對于程序，可將初始程序進行整合并設(shè)置高自由度的修改模式，形成機械設(shè)計及其自動化的“虛擬引擎”。將設(shè)備進行模塊化處理，每個部分進行一項運算操作，這樣不但能夠很好地保證產(chǎn)品的質(zhì)量，也使生產(chǎn)效率大大提高。

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