機(jī)械加工制造中自動化技術(shù)的應(yīng)用

孟憲滿

[摘? ? 要]近年來，在科學(xué)技術(shù)不斷創(chuàng)新的發(fā)展背景之下，先進(jìn)自動化技術(shù)不斷產(chǎn)生，并且被廣泛應(yīng)用于我國多個領(lǐng)域中。其中，機(jī)械加工制造業(yè)有效運用自動化技術(shù)，在很大的程度上改進(jìn)了以往傳統(tǒng)的機(jī)械加工制造模式，進(jìn)而滿足現(xiàn)代社會對于機(jī)械加工產(chǎn)品的發(fā)展需要。文章分析機(jī)械制造中自動化技術(shù)的意義與優(yōu)勢，列舉自動化技術(shù)在現(xiàn)代機(jī)械制造中的集成化應(yīng)用、柔性自動化應(yīng)用與智能化應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]機(jī)械加工制造;自動化技術(shù);應(yīng)用與發(fā)展;智能化

[中圖分類號]TH16 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）09–00–03

[Abstract]In recent years， under the new development background of continuous science and technology innovation， automation technology has emerged， and has been widely applied in many fields in China. Mechanical processing and manufacturing has also gradually become modernized， mechanical processing and manufacturing industry effectively use automation technology， can improve the traditional mechanical processing and manufacturing mode to a large extent， and then meet the needs of modern society for the development of mechanical processing products. This paper analyzes the significance and advantages of automation technology in mechanical manufacturing， and lists the integrated application， flexible automation application and intelligent application of automation technology in modern mechanical manufacturing.

[Keywords]mechanical processing and manufacturing; automation technology; application and development; intelligence

1 機(jī)械加工制造中自動化技術(shù)應(yīng)用的意義

目前，對于現(xiàn)代機(jī)械加工制造行業(yè)來講，合理有效地應(yīng)用自動化技術(shù)，可以在很大程度上節(jié)省時間、人力以及物力成本。且相對于人力操作來說，自動化技術(shù)的穩(wěn)定性較強(qiáng)，生產(chǎn)操作的方式也相對更加簡單安全，這樣不僅減輕了生產(chǎn)制造人員的工作壓力，還為機(jī)械加工制造的生產(chǎn)系統(tǒng)提供了穩(wěn)定、高效的保障。

更新并升級換代機(jī)械加工制造的生產(chǎn)方式，有效提高企業(yè)的自動化生產(chǎn)技術(shù)水平，這不僅讓機(jī)械設(shè)備裝置和現(xiàn)代化技術(shù)進(jìn)行了有效的融合，并且將其運用到了人們實際的生產(chǎn)活動之中，使得生產(chǎn)線上的各個步驟之間的聯(lián)系更加緊密，使得企業(yè)能夠大幅度提升自身的生產(chǎn)效率和資源的利用率，這樣在最大程度上避免了資源的浪費，將經(jīng)濟(jì)效益最大化。

2 機(jī)械加工制造中自動化技術(shù)的特點與優(yōu)勢

自動化技術(shù)包羅萬象，在多門學(xué)科的綜合應(yīng)用下，自動化技術(shù)被賦予了更加完善的功能，減少了人工參與制造生產(chǎn)，在設(shè)定計算機(jī)命令程序后便可進(jìn)行加工制造。在科技日新月異的發(fā)展背景之下，自動化技術(shù)在機(jī)械加工制造領(lǐng)域中實現(xiàn)了越來越專業(yè)和成熟的應(yīng)用，應(yīng)用的特點主要包括安全性，廣泛性，高效性。

2.1 安全性

在計算機(jī)技術(shù)的支持下，機(jī)械加工制造生產(chǎn)線可以建立安全演示平臺以及危險預(yù)警平臺，能夠最大程度上保證參與機(jī)械加工制造人員的安全。在過去很長的一段時間內(nèi)，機(jī)械加工制造都是需要繪制相應(yīng)的圖紙，并需要操作人員進(jìn)行現(xiàn)場的勘測和加工處理，由于受到多方面人員因素的影響，使得機(jī)械加工制造行業(yè)的安全一直無法得到有效保障。隨著自動化技術(shù)的誕生完善，計算機(jī)虛擬仿真技術(shù)開始建立安全演示和預(yù)警平臺，這些技術(shù)應(yīng)用都能及時地發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)線上潛在的安全隱患問題，并將這些問題盡早解決，最終達(dá)到規(guī)避機(jī)械加工制造中安全隱患問題的目的。

2.2 廣泛性

隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，自動化技術(shù)迎來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇，自動化技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域行業(yè)。在機(jī)械制造加工過程中，自動化技術(shù)在制造、研發(fā)、設(shè)計和運輸?shù)雀鱾€環(huán)節(jié)都起到了至關(guān)重要的作用。

2.3 高效性

過去的很長一段時間內(nèi)，機(jī)械制造加工都是主要依靠人力解決，但是隨著社會對于加工進(jìn)度和要求的不斷提升，傳統(tǒng)的制造加工方式已經(jīng)逐漸無法滿足社會需求。自動化技術(shù)可以有效地提高加工的速度和質(zhì)量，達(dá)到高效精準(zhǔn)的加工制造效果，使得整個加工制造流程變得更加高效率、高質(zhì)量。

3 國內(nèi)機(jī)械加工制造中自動化技術(shù)的應(yīng)用

3.1 集成化應(yīng)用

隨著高性能材料技術(shù)與微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)械自動化加工設(shè)備愈加愈趨于小型化和集成化，機(jī)械自動化加工系統(tǒng)依托于嵌入式技術(shù)也愈發(fā)變得系統(tǒng)化，應(yīng)用范圍也愈來愈廣泛。

集成化的機(jī)械加工制造中自動化技術(shù)將自動化系統(tǒng)分成程序模塊、傳感模塊、作用模塊、制定模塊與控制模塊五部分。程序模塊即軟件層面的機(jī)械加工制造控制，隨著技術(shù)的發(fā)展與工程效率的需求，機(jī)械自動化軟件更多地采用圖形化的編程方式與強(qiáng)大的人機(jī)交互界面，一方面使自動化設(shè)備更加明確產(chǎn)品的技術(shù)要求，另一方面使得技術(shù)人員越發(fā)明確設(shè)備的運行情況，使得機(jī)械自動化設(shè)備的可控性與操作性大幅增強(qiáng);傳感模塊即機(jī)械自動化技術(shù)中硬件層面的應(yīng)用，傳感模塊有眾多不同種類的高性能傳感器構(gòu)成，MQTT無線通信技術(shù)的發(fā)展與工業(yè)化應(yīng)用使得眾多傳感器的龐大數(shù)據(jù)量能夠并行、高效、無失真的傳輸，實現(xiàn)了對機(jī)械加工制造過程的實時控制、作用模塊即機(jī)械自動化設(shè)備的能量供應(yīng)系統(tǒng)，通過計算加工過程的工程量控制能源供應(yīng)，提高能源利用率并減少污染物排放;制定模塊是機(jī)械自動化系統(tǒng)的核心模塊，通過制定模塊采集、整合、分析傳感器數(shù)據(jù)并反饋給微控制器，并將程序輸入設(shè)備進(jìn)行對切割刀具的控制;控制模塊與制定模塊在物理結(jié)構(gòu)上聯(lián)通，位于機(jī)械自動化系統(tǒng)的終端，通過控制系統(tǒng)最終完成對機(jī)械臂、切割刀具的動作控制，并保障加工過程中的標(biāo)準(zhǔn)型與安全性。在機(jī)械自動化系統(tǒng)設(shè)備層外，還通過計算機(jī)技術(shù)建立工程數(shù)據(jù)庫，不斷累積加工數(shù)據(jù)，用于調(diào)配物資、規(guī)劃流程、人員管理等方面，對于高質(zhì)量的機(jī)械加工實現(xiàn)具有重要意義。

3.2 柔性自動化應(yīng)用

柔性自動化是相對于傳統(tǒng)的剛性自動化而產(chǎn)生的概念，為了改善傳統(tǒng)自動化領(lǐng)域存在的生產(chǎn)產(chǎn)品單一性的問題，并彌補(bǔ)剛性自動化生產(chǎn)線更換或維護(hù)組件周期長的問題，提高生產(chǎn)效率，現(xiàn)代自動化領(lǐng)域提出了柔性自動化技術(shù)（圖1）。柔性自動化具有生產(chǎn)工藝多樣性與生產(chǎn)產(chǎn)品可變性的特點，并保留了剛性自動化生產(chǎn)率高的優(yōu)點。在結(jié)構(gòu)上，柔性自動化生產(chǎn)線通過計算機(jī)管理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一控制，完成物料儲運、工藝設(shè)計、加工制造的一體化實現(xiàn)。柔性自動化生產(chǎn)線在加工精度上也具有很大優(yōu)勢，柔性自動化設(shè)備有自主排查與糾錯能力，當(dāng)生產(chǎn)線的某一部分發(fā)生故障時，微控制器通過分析故障原因可做出流程調(diào)整或故障設(shè)備繞行的解決方案。理想化的柔性自動化生產(chǎn)系統(tǒng)可以達(dá)到全程無人化生產(chǎn)，極大地削減人工成本的同時最大化地實現(xiàn)安全生產(chǎn)。

3.3 智能化應(yīng)用

智能化是在柔性自動化基礎(chǔ)上的進(jìn)一步技術(shù)升級。隨著人工智能、深度學(xué)習(xí)技術(shù)與大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展與融合，基于人工智能的機(jī)械加工制造自動化呈現(xiàn)出智能化的特點，具體表現(xiàn)在高速度、高精度、高效率的實現(xiàn)，以及復(fù)合工藝與多軸化技術(shù)的逐步成熟。在“三高”的實現(xiàn)上，設(shè)備采用高速控制系統(tǒng)與高分辨率檢測元件組成的交流數(shù)字伺服系統(tǒng)，有效提高了設(shè)備的動態(tài)與靜態(tài)特性;復(fù)合工藝的實踐減少了工序數(shù)量與各工序時長，通過多軸設(shè)計聯(lián)動性完成設(shè)備的自動換刀、旋轉(zhuǎn)主軸頭與交換工作臺等操作。在管理層面，智能化體現(xiàn)在實時管理系統(tǒng)的應(yīng)用與升級上，傳統(tǒng)實時管理系統(tǒng)僅能實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度與工期保障，而智能化的實時管理系統(tǒng)通過計算仿真，濾除管理中的冗余部分，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的動態(tài)化控制。

此外，智能化的最突出特點在于自動化設(shè)備的自主學(xué)習(xí)能力，設(shè)備通過機(jī)器視覺技術(shù)對大量工程經(jīng)驗進(jìn)行累計，并通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與數(shù)學(xué)建模，最終通過可視化的人機(jī)交互界面反饋給技術(shù)人員。高度智能化的自動生產(chǎn)線可以實現(xiàn)無機(jī)械接觸的遠(yuǎn)程控制，即設(shè)備的運行、更換與故障處理都由設(shè)備自主完成，工程僅需完成設(shè)備的監(jiān)測與機(jī)器溝通的任務(wù)。

4 機(jī)械加工制造中自動化技術(shù)的發(fā)展趨勢

4.1 虛擬化

虛擬化是機(jī)械加工制造及其自動化發(fā)展的一大趨勢，虛擬化主要是指運用計算機(jī)技術(shù)實現(xiàn)工藝設(shè)計虛擬化、操作系統(tǒng)圖像化以及制作工藝仿真化。

對于工藝設(shè)計虛擬化，采用CAD/CAM技術(shù)進(jìn)行計算機(jī)輔助設(shè)計與計算機(jī)輔助制造一體化應(yīng)用一個完整的CAD/CAM系統(tǒng)包括數(shù)字計算與圖形處理、3D建模與幾何規(guī)劃、數(shù)控加工與數(shù)據(jù)儲存、快速檢索與快速調(diào)取、人機(jī)交互界面以及多維度輸入輸出等功能，在硬件層面涉及計算機(jī)及外部設(shè)備與終端數(shù)控機(jī)床，人工操作始終是現(xiàn)階段機(jī)械加工與制造的核心。技術(shù)人員通過CAD軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計、工程分析與圖紙繪制，再通過CAM軟件進(jìn)行工藝設(shè)計、工裝設(shè)計，并通過NC自動編程實現(xiàn)加工軌跡、工藝參數(shù)與輔助動作的編寫，并作用于控制介質(zhì)上，實現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的加工制造。由于我國機(jī)械自動化領(lǐng)域起步較晚，且技術(shù)人員長期學(xué)習(xí)并采用OpenGL等國外軟件進(jìn)行設(shè)計開發(fā)，目前我國對于CAD/CAM技術(shù)的研究程度與應(yīng)用程度均與工業(yè)發(fā)達(dá)國家存在不小的差距，對于CAD/CAM技術(shù)的自主創(chuàng)新能力也存在較大的上升空間。對于操作系統(tǒng)圖像化，利用高級編程語言對人機(jī)交互界面進(jìn)行人性化、模塊化、圖像化的設(shè)計，并對操作界面進(jìn)行多功能的技術(shù)分區(qū)，滿足用戶對于圖像模擬、圖像追蹤等功能的需求。對于制作工藝仿真化，虛擬化技術(shù)通過仿真技術(shù)模擬整個生產(chǎn)流程，更好地把握設(shè)計精度，在機(jī)械自動化的應(yīng)用極大地縮減了企業(yè)的設(shè)計成本與設(shè)計周期，并顯著提高了工程的材料利用率。

4.2 數(shù)字化

數(shù)字化是機(jī)械加工制造及其自動化發(fā)展的另一大趨勢，機(jī)械自動化的數(shù)字化發(fā)展是指對于生產(chǎn)流程的數(shù)字化解析與數(shù)字化控制。我國提出要由制造大國向制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)變，就必須實現(xiàn)機(jī)械加工制造的全領(lǐng)域數(shù)字化生產(chǎn)。此外，由于機(jī)械設(shè)計制造的特性化發(fā)展，企業(yè)需要更好地處理網(wǎng)絡(luò)信息，并進(jìn)行高質(zhì)量、短周期的設(shè)計以滿足多樣化的市場需求。數(shù)字化技術(shù)的深入應(yīng)用也為這一目標(biāo)的實現(xiàn)打下堅實的基礎(chǔ)。

對于數(shù)字化在機(jī)械自動化的應(yīng)用，工業(yè)發(fā)達(dá)國家在20世紀(jì)80年代起就已經(jīng)開始了對這一領(lǐng)域的研究。德國西門子公司開發(fā)的SINUMERIK ONE數(shù)字化原生數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床與開發(fā)軟件的雙胞胎式融合，并幫助用戶在一個數(shù)字化的空間內(nèi)對工作流程進(jìn)行完整的仿真與測試，采用SINUMERIK ONE的PLC控制系統(tǒng)可達(dá)到傳統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)處理速度的10倍，并采用TIA Portal集成系統(tǒng)實現(xiàn)操作流程任意兩點間與自動化設(shè)備任意端對端間的控制，極大地節(jié)約了企業(yè)的時間與資金。對于自動化設(shè)備設(shè)計廠商的需求，同屬西門子公司開發(fā)NX Virtual Machine虛擬機(jī)中的Sinumerik-VNCK功能實現(xiàn)了機(jī)床的設(shè)計、工程建構(gòu)、調(diào)試與維護(hù)的數(shù)字化，用戶無需通過拆解設(shè)備即可了解設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)并對設(shè)備進(jìn)行直接控制。

4.3 綠色化

綠色化是新時代社會對于工業(yè)企業(yè)提出的全新要求，由于全球范圍內(nèi)的氣候變化與傳統(tǒng)資源的高速消耗，綠色化與低碳化的新生產(chǎn)模式成為現(xiàn)代企業(yè)的必然發(fā)展方向。從企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的角度來看，綠色化與低碳化的生產(chǎn)模式可以削減能源成本，并且國家對于環(huán)境友好型工業(yè)生產(chǎn)方式的發(fā)展樹立了專項補(bǔ)貼與有利政策，都在一定程度上為企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)收益。此外，綠色化的生產(chǎn)方式對于工作環(huán)境的改善，使得員工具有更好的工作積極性，進(jìn)而實現(xiàn)工作質(zhì)量的提升與企業(yè)收益的增加。實現(xiàn)綠色化的生產(chǎn)方式，①需要從源頭入手，提高企業(yè)的環(huán)境保護(hù)意識。②在設(shè)備生產(chǎn)時盡量延長設(shè)備的使用壽命，對于老舊設(shè)備，及時回收老舊設(shè)備中的可循環(huán)利用的部分。

此外，加大對于綠色制造工藝的研究與應(yīng)用。綠色加工過程涉及綠色設(shè)計、綠色材料、綠色設(shè)備、綠色包裝、綠色管理五方面，全方位的綠色化轉(zhuǎn)型才能真正實現(xiàn)機(jī)械加工制造企業(yè)的綠色化。在國內(nèi)，上海交通大學(xué)、清華大學(xué)等高等院校研發(fā)的三價鉻電鍍工藝、無鉛焊接工藝、干凍消磨加工工藝等一系列工藝為機(jī)械自動化生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)提供綠色化的解決方案，中國機(jī)械科學(xué)研究總院提出的“數(shù)字化無膜鑄造精密成型技術(shù)研究”為金屬材料、玻璃材料與樹脂材料的鑄造提供了完整的電機(jī)產(chǎn)品綠色技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。國際上，歐盟針對機(jī)械制造過程中產(chǎn)生的廢料與機(jī)械自動化設(shè)備的回收問題，提出了“下一代生產(chǎn)系統(tǒng)”的解決方案。該系統(tǒng)在原理上通過使用可再生材料延長設(shè)備的生命周期，并使得設(shè)備離散化，實現(xiàn)更精密的設(shè)備循環(huán)利用，通過“下一代生產(chǎn)系統(tǒng)”處理后，機(jī)床設(shè)備的回收率接近80%、能源消耗減少了30%，并在減少噪聲污染、重金屬排放等方面有顯著成效。

5 結(jié)束語

自動化技術(shù)在機(jī)械加工制造行業(yè)的廣泛應(yīng)用，有效地為機(jī)械加工制造操作提供了有力的支持和保障，極大地推動了機(jī)械加工制造行業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展。隨著當(dāng)前社會科技的快速進(jìn)步與發(fā)展，機(jī)械加工制造中傳統(tǒng)技術(shù)的弊端也日益凸顯，傳統(tǒng)技術(shù)開始成為了機(jī)械加工制造發(fā)展路上的絆腳石，自動化技術(shù)的應(yīng)用具備了顯著優(yōu)勢，極大地提升機(jī)械加工制造的效率以及生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量。目前機(jī)械加工制造的自動化技術(shù)應(yīng)用還處于初步發(fā)展階段，需要進(jìn)一步加快自動化技術(shù)的發(fā)展與完善，創(chuàng)新與應(yīng)用，充分發(fā)揮計算機(jī)技術(shù)在該領(lǐng)域行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用，促進(jìn)機(jī)械加工制造的自動化發(fā)展，有效促進(jìn)機(jī)械加工制造的快速發(fā)展。

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