計算機(jī)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計制造及其自動化中的應(yīng)用研究

張 陽，胡兆霞，胡加加

（中聯(lián)農(nóng)業(yè)機(jī)械股份有限公司，安徽 蕪湖 241080）

隨著我國計算機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，計算機(jī)技術(shù)在社會多領(lǐng)域中得到有效地應(yīng)用和拓展，其中在機(jī)械設(shè)計制造及其自動化應(yīng)用領(lǐng)域中，應(yīng)用成效尤為顯著。 一方面，借助計算機(jī)技術(shù)，可以最大程度降低傳統(tǒng)機(jī)械制造存在的問題和疏漏；另一方面，計算機(jī)技術(shù)的高效計算成果，是傳統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)和企及的。

1 計算機(jī)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計制造及其自動化應(yīng)用的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著工業(yè)制造4.0 概念創(chuàng)建，以機(jī)械設(shè)計制造及其自動化應(yīng)用為代表，成為當(dāng)前社會正向發(fā)展的重要內(nèi)容。 一方面，借助計算機(jī)技術(shù)，可以極大提升機(jī)械工程領(lǐng)域的生產(chǎn)效率；另一方面，傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計制造及其自動化應(yīng)用，需要大量的研發(fā)周期以及經(jīng)營成本，無法滿足當(dāng)前社會的主流需求。 特別在我國各項機(jī)械產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的年代，亟待計算技術(shù)的各項應(yīng)用，為機(jī)械工程領(lǐng)域帶來新的發(fā)展和動力，以滿足當(dāng)前機(jī)械領(lǐng)域的發(fā)展需求。 以計算機(jī)仿真技術(shù)、計算機(jī)3D 打印技術(shù)、計算機(jī)大數(shù)據(jù)技術(shù)、計算機(jī)AI 技術(shù)等相關(guān)內(nèi)容，在機(jī)械工程領(lǐng)域中產(chǎn)生重要的應(yīng)用成效[1]。

2 機(jī)械制造及其自動化應(yīng)用中的計算機(jī)技術(shù)分析

2.1 仿真技術(shù)

計算機(jī)仿真技術(shù)，是近年來針對部分機(jī)械工程中實(shí)際需求而開展的應(yīng)用研究。 例如，傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計制造對于零部件的設(shè)計以及具體應(yīng)用數(shù)據(jù)，在實(shí)際應(yīng)用過程中，可能無法達(dá)到相應(yīng)的研究成效，而借助計算機(jī)仿真技術(shù)的有效加持，可以在根本上實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計制造領(lǐng)域的有效升級。 一方面，基于計算機(jī)仿真技術(shù)，以三維圖形成像軟件為代表，對涉及到的機(jī)械零部件進(jìn)行設(shè)計和加工，同時對相應(yīng)的設(shè)計內(nèi)容開展相關(guān)的應(yīng)用研究；另一方面，計算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用，為傳統(tǒng)機(jī)械部件設(shè)計打開了新的發(fā)展思路，可以減少傳統(tǒng)機(jī)械制造的設(shè)計周期以及研發(fā)成本，同時在仿真技術(shù)的加持下，可以在設(shè)計過程中及時發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的問題和缺陷。 以現(xiàn)代化物流產(chǎn)業(yè)為例，自動化貨物傳送臺的設(shè)計，需要對貨物的運(yùn)送路徑以及貨物慣性、運(yùn)動能耗等相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行分析，借助仿真技術(shù)可以對運(yùn)送路徑以及現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行合理化分析，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計過程中存在的數(shù)據(jù)問題，為后續(xù)的研究減少阻礙和難題。 仿真技術(shù)的應(yīng)用，已經(jīng)不僅僅是傳統(tǒng)的仿制科學(xué)，而是將一些虛擬的數(shù)據(jù)與實(shí)體進(jìn)行科學(xué)的融合、試探，從而探尋最佳的設(shè)計比例以及設(shè)計方案[2]。

2.2 3D 打印技術(shù)

計算機(jī)3D 打印技術(shù)，是近年來最具發(fā)展?jié)摿Φ膽?yīng)用技術(shù)。一方面，3D 打印技術(shù)在機(jī)械設(shè)計制造中產(chǎn)生了巨大的應(yīng)用成效，可以將較為復(fù)雜的機(jī)械部件進(jìn)行快速打印，同時可以實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品數(shù)據(jù)的有效調(diào)整，進(jìn)而滿足多樣化的功能需求；另一方面，3D 打印技術(shù)之所以能夠在機(jī)械設(shè)計制造領(lǐng)域中產(chǎn)生巨大的成效，源于其高效的制作速度。 以機(jī)械設(shè)計制造的零部件為例，借助計算機(jī)3D 打印技術(shù)，僅需要將設(shè)計內(nèi)容輸入到計算機(jī)系統(tǒng)中，便可以快速得到相應(yīng)的設(shè)計模型，并且通過選用合適的材料，可以得出完整的設(shè)計內(nèi)容，無論材質(zhì)、比例、數(shù)據(jù)等方面都可以做到完美的仿制。因此，3D 打印技術(shù)被譽(yù)為新時代的工業(yè)革命技術(shù)，被譽(yù)為工業(yè)4.0 時代的技術(shù)代表。 在機(jī)械設(shè)計制造領(lǐng)域中，將設(shè)計圖形進(jìn)行實(shí)體化需要漫長的過程，而3D 打印技術(shù)的誕生，不僅加速了設(shè)計研發(fā)周期，同時還能夠在關(guān)鍵時刻，實(shí)現(xiàn)對重要部件的快速制作，滿足機(jī)械自動化生產(chǎn)的多項需求。例如，某工程的重要部件發(fā)生嚴(yán)重磨損，而調(diào)用相關(guān)零部件需要從國外調(diào)取，涉及到大量的時間等待周期，為企業(yè)造成嚴(yán)重的損失，而借助3D 打印技術(shù)，可以在短時間得到相應(yīng)的零部件樣品，不僅為企業(yè)挽回巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時還能夠減少企業(yè)的運(yùn)營成本。3D 打印技術(shù)在當(dāng)前的技術(shù)應(yīng)用發(fā)展趨勢中，已經(jīng)占據(jù)極為重要的地位，例如，著名的小商品城義烏，只需要提供制造的產(chǎn)品圖片，就可以在24 小時實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的批量自動化生產(chǎn)，其中應(yīng)用的技術(shù)正是3D 打印技術(shù)，不僅實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的快速研發(fā)、快速應(yīng)用，同時還能夠滿足多種的技術(shù)要求，從而在機(jī)械制造領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的價值和意義[3]。

2.3 大數(shù)據(jù)技術(shù)

在機(jī)械設(shè)計制造及其自動化領(lǐng)域中，大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，為傳統(tǒng)機(jī)械領(lǐng)域提供了全方位的保障和支撐。 例如，傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計制造，需要在大量的設(shè)備儀器中進(jìn)行打磨和試驗，從而得出相應(yīng)的設(shè)計數(shù)據(jù)以及研發(fā)報告，因此設(shè)計出一款產(chǎn)品，需要投入大量的資源和時間，而借助計算機(jī)大數(shù)據(jù)技術(shù)，可以將同類產(chǎn)品的研發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的梳理和匯總，同時對一些實(shí)驗設(shè)計參數(shù)進(jìn)行剖析和總結(jié)，幫助設(shè)計人員減少不必要的設(shè)計誤區(qū)，減少設(shè)計時間和研發(fā)成本。 另外在機(jī)械部件生產(chǎn)完畢后，需要對性能以及自動化成效進(jìn)行檢驗和測試，而借助大數(shù)據(jù)技術(shù)，可以減少檢驗成本和測試誤區(qū)，從而在根本上實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)機(jī)械制造技術(shù)的升級和改善。 例如，以某自動化傳動帶的應(yīng)用設(shè)計，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，可以提供科學(xué)的設(shè)備配比、承載配比以及設(shè)備軸承承載力等相關(guān)內(nèi)容。 如果缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)，在開展機(jī)械部件的設(shè)計和制造時，需要投入大量的精力與成本，即便購買相關(guān)的專利或者技術(shù)，也需要進(jìn)行相應(yīng)的磨合和試驗，而借助大數(shù)據(jù)技術(shù)，可以快速得出所有的計算數(shù)據(jù)，既能夠解決傳統(tǒng)機(jī)械部件設(shè)計數(shù)據(jù)缺陷問題，還能夠在設(shè)備部件制造之前，對相關(guān)性能以及連帶效應(yīng)進(jìn)行分析和預(yù)測。 大數(shù)據(jù)技術(shù)不僅僅在機(jī)械設(shè)計制造中產(chǎn)生巨大的應(yīng)用成效，在自動化應(yīng)用領(lǐng)域，還可以為生產(chǎn)線提供最佳的加工邏輯以及生產(chǎn)順序，保障機(jī)械工程設(shè)備的有序開展[4]。

2.4 AI 技術(shù)

計算機(jī)AI 技術(shù)，是利用程序代碼輸入到計算機(jī)系統(tǒng)中，對一些常規(guī)工作進(jìn)行智能化生產(chǎn)。 以機(jī)械工程中的自動化應(yīng)用為例，在某汽車流水線加工作業(yè)過程中，利用計算機(jī)AI 技術(shù)，可以讓機(jī)械臂對不同角度、位置的設(shè)備進(jìn)行自動化安裝，同時對安裝位置的差異性自動化調(diào)節(jié)，可以準(zhǔn)確進(jìn)行變更和調(diào)整，確保設(shè)備流水線的安裝質(zhì)量。 由于計算機(jī)AI 技術(shù)的應(yīng)用，可以在總體上降低人工制造存在的主觀問題，尤其是相關(guān)環(huán)節(jié)的人為疏忽，會對自動化生產(chǎn)線造成嚴(yán)重的后果，因此，在自動化生產(chǎn)過程中，利用計算機(jī)AI 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)極高的準(zhǔn)確性和高效性。 以生產(chǎn)成本為例，應(yīng)用計算機(jī)AI 技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)作業(yè)的有效升級，將一些錯誤問題進(jìn)行收集和整理，保障在日后的自動化過程不會再次發(fā)生同樣的問題，同時隨著準(zhǔn)確率的逐步提升，生產(chǎn)效率也會進(jìn)一步改善。 據(jù)不完全統(tǒng)計，計算機(jī)AI 技術(shù)在機(jī)械設(shè)計制造及其自動化領(lǐng)域中，所產(chǎn)生的生態(tài)成效，是傳統(tǒng)生產(chǎn)模式生產(chǎn)效率的10 倍以上，甚至在汽車制造、手機(jī)制造等領(lǐng)域中，是人工制造效率的上百倍。 另外，隨著社會大眾對機(jī)械設(shè)備的多元化需求，單一的人工模式已經(jīng)無法滿足當(dāng)前的行業(yè)發(fā)展變化，結(jié)合AI 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)生態(tài)的升級和創(chuàng)新[5]。現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，將AI 技術(shù)給予一定的簡單智慧，因此，在開展重復(fù)性的機(jī)械設(shè)計時，可以隨著設(shè)計內(nèi)容的復(fù)雜性，而逐步提升自身的技術(shù)水平，尤其是對設(shè)計初始的經(jīng)驗累積，可以在后續(xù)的應(yīng)用過程中，實(shí)現(xiàn)對設(shè)計內(nèi)容極高的準(zhǔn)確率，并且還能夠及時發(fā)現(xiàn)和檢查機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域存在的問題和錯誤，保障設(shè)計數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性和可靠性。

2.5 5G 網(wǎng)絡(luò)

5G 網(wǎng)絡(luò)是通信技術(shù)領(lǐng)域中的前沿科技，同時也需要計算機(jī)技術(shù)的加持和幫助，從而實(shí)現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)的有效應(yīng)用和普及。 而5G 網(wǎng)絡(luò)對機(jī)械設(shè)計制造及其自動化應(yīng)用的作用，可能帶來的是顛覆性的創(chuàng)新舉措。 一方面，5G 網(wǎng)絡(luò)可以為機(jī)械工程的發(fā)展，提供更為高效的信息對比與影像傳遞，簡單來說，將傳統(tǒng)的電子機(jī)械設(shè)計，以影像化的模式展示在設(shè)計者面前，進(jìn)行直觀而全面的檢查和計算，同時結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)技術(shù)，可以在多時間內(nèi)容對多個機(jī)械設(shè)計方案進(jìn)行實(shí)驗和檢查，進(jìn)而得出一系列的試驗參數(shù)，助力后期相關(guān)內(nèi)容的改善和提升；另一方面，5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，可以為機(jī)械設(shè)計制造提供云端的加速服務(wù)器，以超級計算機(jī)為指引，提升機(jī)械設(shè)計制造的效率和準(zhǔn)確性。 利用5G 網(wǎng)絡(luò)的高速傳播性能，在云端處架設(shè)超級計算機(jī)，可以同時服務(wù)多家機(jī)械設(shè)計企業(yè)，從而實(shí)現(xiàn)資源的合理化應(yīng)用，同時各個企業(yè)無需購買超級計算機(jī)，降低設(shè)計研發(fā)成本，同時還能夠得到后期的維護(hù)保障，降低相應(yīng)的人員組織架構(gòu)。由此可見，5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)能夠為計算機(jī)技術(shù)與機(jī)械設(shè)計制造等相關(guān)內(nèi)容搭建最佳的發(fā)展橋梁，實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)研發(fā)設(shè)計工作的創(chuàng)新發(fā)展，助力機(jī)械自動化工程的快速應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)機(jī)械工程技術(shù)的蛻變和升級。

3 結(jié)論

綜上所述，計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，為機(jī)械設(shè)計制造及其自動化領(lǐng)域帶來新的發(fā)展動力與發(fā)展生機(jī)。 同時隨著計算機(jī)技術(shù)的延伸和創(chuàng)新，以生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本為代表的重要特征，成為推動機(jī)械工程領(lǐng)域不斷前進(jìn)和升級的重要動力，以促進(jìn)行業(yè)的發(fā)展來實(shí)現(xiàn)整個社會制造體系的蛻變。