智能制造背景下機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展方向研究

李 峰

(牡丹江大為機(jī)電有限公司，黑龍江 牡丹江 157041)

0 引言

機(jī)械設(shè)計(jì)與制造是支撐我國(guó)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，綜合發(fā)達(dá)國(guó)家的發(fā)展歷史，無(wú)不是以工業(yè)發(fā)展保障國(guó)家國(guó)際地位，我國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入平穩(wěn)發(fā)展的時(shí)期，同時(shí)整個(gè)社會(huì)已經(jīng)進(jìn)入運(yùn)用人工智能等技術(shù)促進(jìn)技術(shù)發(fā)展的時(shí)代，如何借助新一代數(shù)字化、智能化技術(shù)，推動(dòng)我國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化技術(shù)升級(jí)換代，以強(qiáng)有力機(jī)械能力助力我國(guó)工業(yè)發(fā)展，成為當(dāng)下相關(guān)學(xué)者研究的熱門問(wèn)題。

1 智能制造的概念及特點(diǎn)

1.1 智能制造的概念

智能制造概念的提出已有近30年歷史，最初是由日本在1990年倡導(dǎo)的“智能制造系統(tǒng)IMS”國(guó)際項(xiàng)目中提出的，可以被認(rèn)定為一種由智能機(jī)器和人類專家系統(tǒng)共同組成的人機(jī)一體化智能系統(tǒng)，其通過(guò)運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)等智能算法對(duì)制造過(guò)程中的人的各項(xiàng)工作活動(dòng)進(jìn)行取代，完成對(duì)事件的分析、推理、判斷構(gòu)思和決策。智能制造的提出和應(yīng)用，極大地延伸了人類專家在制造過(guò)程中的腦力勞動(dòng)，推動(dòng)著自動(dòng)化的概念向柔性化、智能化和集成化方向發(fā)展。

1.2 智能制造的內(nèi)涵

1.2.1 數(shù)字化

數(shù)字化是智能制造的基礎(chǔ)，智能制造旨在減少人對(duì)于制造過(guò)程的干預(yù)，使設(shè)備具有自主決策和工作的能力，相對(duì)于人對(duì)各項(xiàng)生產(chǎn)要素的主觀決策分析能力，機(jī)械設(shè)備對(duì)于外部環(huán)境的感知能力較弱，因此，且由于設(shè)備的決策過(guò)程是通過(guò)計(jì)算機(jī)智能算法實(shí)現(xiàn)的，因此，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)制造向智能制造的轉(zhuǎn)型升級(jí)，就必須先要實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程的數(shù)字化。

1.2.2 可視化

可視化是智能制造實(shí)現(xiàn)過(guò)程的必要環(huán)節(jié)，由于人類對(duì)于數(shù)字的處理也均通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)有大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)時(shí)，僅靠人類的腦力難以進(jìn)行控制和察覺(jué)，因此需要借助可視化工具，將各項(xiàng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)表現(xiàn)的更為直觀，有助于人類對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程的檢測(cè)和調(diào)整。

1.2.3 自動(dòng)化

自動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)，也是將人類從制造活動(dòng)中解放的有力工具，且伴隨著近年來(lái)數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)化水平也在逐年提升，通過(guò)添置自動(dòng)化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的無(wú)人化，同時(shí)，自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用也能極大保證生產(chǎn)過(guò)程各項(xiàng)活動(dòng)的精準(zhǔn)性，對(duì)于提高制造水平具有重要意義。

1.2.4 協(xié)同化

任何一款產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造過(guò)程都是分步進(jìn)行的，往往需要借助多種設(shè)備依次對(duì)部件進(jìn)行加工，才能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)功能，因此，就需要不同設(shè)備之間的協(xié)調(diào)與配合。生產(chǎn)過(guò)程協(xié)同化主要涉及到復(fù)雜產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程，通過(guò)協(xié)同，減少生產(chǎn)過(guò)程中不必要的等待與迂回，進(jìn)而提高整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的流暢性，是實(shí)現(xiàn)智能制造的重要保證。

2 我國(guó)現(xiàn)階段機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

盡管近年來(lái)我國(guó)的機(jī)械設(shè)計(jì)與自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)得到快速發(fā)展，但由于各項(xiàng)科學(xué)技術(shù)的不斷應(yīng)用，加快了我國(guó)智能制造計(jì)劃的實(shí)現(xiàn)進(jìn)程，不可避免對(duì)現(xiàn)有的機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化技術(shù)產(chǎn)生沖擊，具體可從以下三個(gè)方面進(jìn)行概述。

2.1 自主創(chuàng)新能力弱，科技成果轉(zhuǎn)換低

自主創(chuàng)新能力弱，科技成果轉(zhuǎn)換率低是我國(guó)現(xiàn)階段機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展面臨的問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從21世紀(jì)初，我國(guó)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局授權(quán)的發(fā)明專利已經(jīng)連續(xù)數(shù)年位居世界第一，但由于我國(guó)各項(xiàng)生產(chǎn)工藝和母機(jī)產(chǎn)品對(duì)國(guó)外依賴性強(qiáng)，導(dǎo)致科技成果轉(zhuǎn)換不完全，對(duì)于設(shè)備的關(guān)鍵零部件、系統(tǒng)軟件及高端設(shè)備產(chǎn)品，我國(guó)還未具備自主的生產(chǎn)和加工能力，這也是限制我國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。

2.2 資源利用率低，環(huán)境污染嚴(yán)重

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)因?yàn)楦黜?xiàng)生產(chǎn)資源豐富，吸引了大量的外國(guó)企業(yè)來(lái)到我國(guó)進(jìn)行發(fā)展，快速提高了我國(guó)的設(shè)計(jì)與制造水平，同時(shí)也對(duì)于我國(guó)生態(tài)環(huán)境造成了不可磨滅的影響。由于我國(guó)的機(jī)械設(shè)計(jì)與自動(dòng)化技術(shù)是在外資企業(yè)的影響下快速發(fā)展起來(lái)的，因此，現(xiàn)階段各項(xiàng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與使用過(guò)程中，未考慮對(duì)于生態(tài)環(huán)境的影響。根據(jù)我國(guó)近年來(lái)的環(huán)境監(jiān)測(cè)公報(bào)，在全國(guó)地級(jí)及以上城市，控制質(zhì)量超標(biāo)的比例達(dá)到3/4。當(dāng)前，我國(guó)的主要矛盾發(fā)生改變，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)也從高速發(fā)展轉(zhuǎn)變?yōu)楦哔|(zhì)量發(fā)展，這必然對(duì)我國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化行業(yè)產(chǎn)生影響。

2.3 高端產(chǎn)品少，信息技術(shù)應(yīng)用不全面

高端產(chǎn)品少，信息化技術(shù)應(yīng)用不全面是我國(guó)現(xiàn)階段機(jī)械設(shè)計(jì)制造與自動(dòng)化技術(shù)面臨的一大難題。改革開(kāi)放40年，對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了重大影響，如果減少生產(chǎn)過(guò)程對(duì)于生產(chǎn)資源的過(guò)度消耗，提高我國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造過(guò)程的信息化智能化水平成為當(dāng)前我國(guó)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的一大瓶頸。在經(jīng)濟(jì)全球化背景下，推動(dòng)信息化技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用是未來(lái)工業(yè)發(fā)展的主要內(nèi)容，加快我國(guó)在產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、管理和服務(wù)過(guò)程中的信息化技術(shù)應(yīng)用是解決我國(guó)當(dāng)前產(chǎn)品不夠高端的主要途徑。

3 未來(lái)發(fā)展方向及支撐技術(shù)

3.1 發(fā)展方向

綜合現(xiàn)階段機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，以及我國(guó)在設(shè)計(jì)研發(fā)方面的資金投入和成果轉(zhuǎn)換力度，多學(xué)科耦合集成、模塊化與網(wǎng)絡(luò)化將成為未來(lái)我國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展方向。

3.1.1 多學(xué)科耦合集成化設(shè)計(jì)

隨著人們對(duì)于產(chǎn)品功能的需求越來(lái)越充滿個(gè)性，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜，僅靠單一學(xué)科的產(chǎn)品設(shè)計(jì)已經(jīng)不能滿足人們的需求，機(jī)械、電氣、通信、控制等多學(xué)科耦合必然成為未來(lái)機(jī)械設(shè)計(jì)與自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)多學(xué)科進(jìn)行耦合，進(jìn)一步減少生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)于人工的依賴，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品功能仿真，并具有針對(duì)性的迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的完備性和可靠性。

3.1.2 模塊化與網(wǎng)絡(luò)化相結(jié)合

模塊化與網(wǎng)絡(luò)化的機(jī)械設(shè)計(jì)模式能統(tǒng)籌各項(xiàng)資源，將任務(wù)進(jìn)行分配與整合，從而提高機(jī)械設(shè)計(jì)與自動(dòng)化水平，按照設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的專業(yè)技能或者對(duì)產(chǎn)品的功能進(jìn)行拆解，對(duì)任務(wù)分配，實(shí)現(xiàn)模塊化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，即并行工程作業(yè)，能極大提升設(shè)計(jì)的進(jìn)程，保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)的質(zhì)量。同時(shí)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化，將各模塊化的功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)各工作小組之間的資源共享和及時(shí)溝通，從而保證產(chǎn)品整體的工作性能，最終提升了機(jī)械設(shè)計(jì)與自動(dòng)化水平。

3.2 關(guān)鍵支撐技術(shù)

智能制造背景下機(jī)械設(shè)計(jì)與自動(dòng)化技術(shù)朝著多學(xué)科耦合與網(wǎng)絡(luò)化等方向發(fā)展，需要大量的科學(xué)技術(shù)進(jìn)行支撐。

3.2.1 分布式網(wǎng)絡(luò)布局設(shè)計(jì)技術(shù)

現(xiàn)階段，幾乎所有的機(jī)械與自動(dòng)化設(shè)計(jì)過(guò)程均在計(jì)算機(jī)上完成，分布式網(wǎng)絡(luò)布局設(shè)計(jì)則為實(shí)現(xiàn)并行工程作業(yè)所必須的技術(shù)，將各工作小組團(tuán)隊(duì)的計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的交互，能有效減少因流程和資源傳輸導(dǎo)致的設(shè)計(jì)過(guò)程資源浪費(fèi)。

3.2.2 計(jì)算機(jī)三維可視化仿真技術(shù)

計(jì)算機(jī)三維可視化仿真技術(shù)包括兩部分內(nèi)容，第一是三維可視化，即通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，將客戶的需求進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，與傳統(tǒng)二維視圖相比，三維可視化能直觀明了的將產(chǎn)品細(xì)節(jié)進(jìn)行展示，避免因設(shè)計(jì)問(wèn)題而導(dǎo)致的產(chǎn)品報(bào)廢；第二是計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，由于現(xiàn)階段大多數(shù)產(chǎn)品均為多系統(tǒng)復(fù)雜產(chǎn)品，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，將產(chǎn)品的工作過(guò)程進(jìn)行數(shù)據(jù)化分析，找出關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行功能加強(qiáng)。

3.2.3 數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)與共享技術(shù)

數(shù)字化是實(shí)現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)，機(jī)械設(shè)計(jì)與自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)的過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量過(guò)程數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)與共享技術(shù)能有效實(shí)現(xiàn)部門之間的數(shù)據(jù)交流，并通過(guò)減少紙質(zhì)化存儲(chǔ)，保證了數(shù)據(jù)的安全性和可轉(zhuǎn)移性，便于后續(xù)深度開(kāi)發(fā)和經(jīng)驗(yàn)分享。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)智能制造2025計(jì)劃的不斷實(shí)施，各項(xiàng)科學(xué)技術(shù)對(duì)于我國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)與自動(dòng)化的發(fā)展產(chǎn)生了很大沖擊，借助最新科技成果，完成我國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)與自動(dòng)化技術(shù)的轉(zhuǎn)型升級(jí)對(duì)于我國(guó)工業(yè)發(fā)展具有重要意義。