機械設計制造及其自動化發(fā)展方向研究

于蘭

摘要：機械設計制造及其自動化是國家綜合國力的體現(xiàn)。機械設計制造及其自動化的發(fā)展體現(xiàn)了我國制造業(yè)在國際制造業(yè)上的地位。機械自動化引起了社會各界的廣泛關注，機器設備自動化的實現(xiàn)不僅可以推動機器設計制造自動化系統(tǒng)的進步，而且可以大大提高安全和生產(chǎn)效率。智能化、機電一體化、網(wǎng)絡化、綠色化、微型化、模塊化的運用推動了機械化自動化的進步，改善老舊的制造方式的技術缺陷，提升產(chǎn)量對我國經(jīng)濟的繁榮有不可磨滅的作用。

Abstract： Mechanical design and manufacturing and its automation are the embodiment of the country's comprehensive national strength. The development of mechanical design and manufacturing and its automation reflects the status of my country's manufacturing industry in the international manufacturing industry. Machinery automation has attracted widespread attention from all walks of life. The realization of machine equipment automation can not only promote the progress of machine design and manufacturing automation systems， but also greatly improve safety and production efficiency. The application of intelligence， mechatronics， networking， greening， miniaturization， and modularization promotes the progress of mechanized automation， improves the technical defects of the old manufacturing methods， and increases the output， which has an indelible effect on the prosperity of my country's economy.

關鍵詞：自動化;機械設計;發(fā)展方向

Key words： automation;mechanical design;direction of development

中圖分類號：TH122 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）05-0199-03

0 ?引言

就機械制造而言，自動化是其追求的內(nèi)在目標。在實現(xiàn)機械自動化全面發(fā)展的過程中，技術的開發(fā)和應用是主要的關鍵因素。為了有效地進行機械化，我們需要改革和創(chuàng)新技術。并對整個產(chǎn)品和功能進行技術集成和升級，使整機自動化系統(tǒng)更加完整、科學。[1]目前，我們正在通過科學技術推動機械自動化的改進和完善，這也符合我國機械行業(yè)目前的發(fā)展趨勢。

1 ?機械設計制造及其自動化基本概述

機械制造自動化的本質(zhì)是設計和制造機械設備及相關產(chǎn)品。在整個制造過程中，一切都由智能自動化控制。這種自動化技術與傳統(tǒng)制造有很大不同，我們不再使用簡單的大型機器制造產(chǎn)品，而是在機器制造的基礎上，融合了一些信息技術和自動控制技術。[2]在實際生產(chǎn)中，每一個項目都是通過復雜的算法和精密的工具有效地安排和進行的。目前，隨著機器制造和自動化的結合，制造業(yè)有了很大的改善，在效率和技術上都有了很大的發(fā)展和飛躍。伴隨科技的不斷前進，機械制造與自動化技術將進一步完善，將越來越發(fā)達、越來越具體。最近幾年來，制造業(yè)發(fā)展迅速，與以前的制造業(yè)相比，制造工藝和技術有了很大的提高。但是，我們的技術與發(fā)達國家相比還比較落后，所以我們需要進一步加強追趕最新前沿技術的速度，而這些前沿技術往往是從國外引進的。

2 ?機械設計制造及其自動化優(yōu)點

2.1 提高了工作的效率 ?機械設計、制造和自動化的主要目標是提高機械產(chǎn)品的產(chǎn)出，滿足生產(chǎn)需求，進而推動我國制造業(yè)的繁榮。在老舊的機械生產(chǎn)環(huán)境中大多數(shù)的制造都是手工操作，不可規(guī)避的生產(chǎn)失誤致使生產(chǎn)出的產(chǎn)品精準度不夠，自動化機械設備規(guī)避了這些存在的誤差，在確保產(chǎn)品質(zhì)量不下降的條件下，精準地生產(chǎn)出產(chǎn)品。自動化機械設備不但釋放了眾多生產(chǎn)力且降低了一部分生產(chǎn)成本。從總體上來看提高了工作效率。

2.2 針對性的滿足機械要求 ?為了進行自動化的機械生產(chǎn)，要利用多種科學技術協(xié)同工作，令不一樣的科技整合成一個整體。機械設計制造及其自動化可以在生產(chǎn)時充分發(fā)揮科技的作用，生產(chǎn)不同的產(chǎn)品也可以有不同的生產(chǎn)方法。

通常工廠在生產(chǎn)產(chǎn)品之前，要先對產(chǎn)品的用途進行調(diào)研，之后設計并生產(chǎn)能夠最大限度發(fā)揮其功能的產(chǎn)品。調(diào)研設計的過程之前都是人工進行，但是使用自動化機械設備之后，無需人工調(diào)研設計，機械設備可以自行選擇，這樣就能讓生產(chǎn)出來的器械實現(xiàn)最好的效用，生產(chǎn)出更多的工業(yè)產(chǎn)品。[3]因而可知，機械制造類設計最重要的準則就是要盡可能的滿足對機械的功能需求， 只有充分達到這一準則，機械設計制造及其自動化技術的優(yōu)勢才得以更好的發(fā)揮出來。

2.3 適用性與可持續(xù)性相輔相成 ?機械制造業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境相對較惡劣，若全部生產(chǎn)工序都由人工操作，那么長期下來工人的健康會受到損害，這樣會降低生產(chǎn)率。在自動化生產(chǎn)模式下，可以減少工人處于惡劣環(huán)境的時長，減少對工人身體的損害，提高生產(chǎn)率。并且自動化機械不受自然環(huán)境的影響，在惡劣環(huán)境中也能正常工作，環(huán)境對機械生產(chǎn)的限制減少，機械制造業(yè)也就得到更好的發(fā)展。[4]

工業(yè)制造之所以比其他制造業(yè)更難，是因為工業(yè)制造過程的多樣性和復雜性對其影響更大，對機械設備的要求也復雜，需要機械設備。包括這一適用功能，機器設計制造和自動化完全滿足這一要求，完全滿足工業(yè)制造行業(yè)對機械設備的要求。將機械設計制造和自動化與企業(yè)的生產(chǎn)情況聯(lián)系起來，使用自動化技術編程出可以減少風險的程序，可以提高機械設備的可持續(xù)性和適用性。[5]所謂機器制造與自動化，其實就是自動化技術在傳統(tǒng)機器制造的基礎上的應用，也是當前工業(yè)生產(chǎn)過程的技術指標。它用于重型設備和土木工程行業(yè)等各個領域的設備制造過程中。

以caterpillar內(nèi)燃機中心的曲軸流動機構為例，活塞行程H=152mm，曲軸半徑to=76mm，連桿長度b=200mm。它被優(yōu)化為帶有偏置活塞的內(nèi)燃機，即偏置滑動機構，運行速度系數(shù)k=1.2和活塞H=152mm被視為初始設計條件。需要優(yōu)化的各種參數(shù)的初始值和取值范圍如表1所示。

使用MATLAB編程對之前建立的優(yōu)化模型進行求解，優(yōu)化結果為x=[71.905.8900 54.4448 1.7835 0.7130]。為便于加工，取To=72.0mm、B=185.9mm和=54.4mm。值得注意的是，優(yōu)化后的驅動力無效分量之和比優(yōu)化前減少了40.3%，表明優(yōu)化效果良好。根據(jù)Cos-6588.（c）Min.=（a+（e）/B，c Min=47.16，上述優(yōu)化結果應替換為最小傳動角的表達式，以便優(yōu)化結果滿足傳動角不小于允許的傳動角（c）=第40次緩和。取發(fā)動機樹的轉速為1500r/min，P S活塞的軸向力為1000N。根據(jù)加速度和李的平衡方程式優(yōu)化前后活塞加速度隨曲軸角度變化的圖像以及活塞和氣缸套之間的正壓變化曲線如圖1、圖2所示。

從圖中可以看出，優(yōu)化后活塞加速度普遍降低，峰值從優(yōu)化前的2295m/S2下降到優(yōu)化后的2164m/S2，下降5.7%。由于加速度反映慣性力，活塞的優(yōu)化加速度減小，因此慣性力減小，活塞機構運動性能提高。優(yōu)化后活塞與缸套之間的正壓大大低于優(yōu)化前的對應值，峰值由優(yōu)化前的410.8n降至優(yōu)化后的402.9n，下降1.9%。因此，活塞與氣缸套之間的摩擦也減少了，從而延長了兩個零件的使用壽命。

2.4 節(jié)約成本，提高安全性 ?獲得經(jīng)濟效益是大多數(shù)工廠生產(chǎn)產(chǎn)品的目的，要提高整體經(jīng)濟效益和社會效益，就要降低生產(chǎn)成本，尤其是在機械設計制造和自動化方面。[6]使用自動化設備可以提升生產(chǎn)效率和成品率、減少報廢率和生產(chǎn)材料的浪費，在生產(chǎn)環(huán)節(jié)就節(jié)約了成本。再者，使用自動化機械生產(chǎn)出來的產(chǎn)品品質(zhì)較高、細節(jié)較為完美，價格更低價值也將增加，在不同的方面為企業(yè)創(chuàng)收。

在實現(xiàn)機械自動化的過程中，如果一臺機器出現(xiàn)故障，機器可以自動解決問題，同時采取相應的保護措施，防止因錯誤而損壞機器。如果發(fā)生故障，會立即采取措施保護機器。這樣可以保證整個生產(chǎn)中工人和產(chǎn)品的安全。技術人員在設計機械自動化時，要更加人性化，這從另一方面也展現(xiàn)了機械的智能化。另外，在使用機械自動化進行生產(chǎn)時，每一個環(huán)節(jié)都要嚴格把控，盡量減少人為干預，使各環(huán)節(jié)實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，從而有效降低發(fā)生事故的概率。同時，機械自動化的靈敏度比較高，既能保證生產(chǎn)安全，又能提高生產(chǎn)效率。

3 ?機械設計制造及其自動化發(fā)展方向

3.1 智能化 ?在制造和設計中都實現(xiàn)了自動化。在機器制造過程中實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，可以避免人工失誤，生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品，提高整體生產(chǎn)效率。早期的機器制造并沒有實現(xiàn)整個過程的自動化，自動化技術只能應用于產(chǎn)品的一部分過程，一些復雜的過程還需要人工操作。現(xiàn)在自動化技術已經(jīng)體現(xiàn)在設計階段，可以依靠CIMS、CAD等技術完成更復雜的建模和計算，還可以對加工過程進行仿真實驗或仿真加工。自動化機械不浪費材料，甚至可以節(jié)省時間。

近年來，機器制造和自動化已廣泛應用于與機器設計相關的各個行業(yè)。依托大數(shù)據(jù)技術、挖掘技術、精密算法等人工智能系統(tǒng)的擴展，為我國的機械制造和自動化產(chǎn)業(yè)拓展更寬闊的發(fā)展渠道。目前，人工智能和計算機技術在機器制造和自動化的進步中已經(jīng)不同程度地滲透。例如，技術人員在制定機器制造的框架時，離不開已經(jīng)成為制造核心的智能操作程序的支持。同時，內(nèi)部信息全控，整個工作機制連通。中央處理系統(tǒng)負責分發(fā)這些信息，使系統(tǒng)內(nèi)的各種設備都能正常工作。自動化機械還可以根據(jù)工作情況自動優(yōu)化和調(diào)整工作模式。

目前的機械制造業(yè)基于控制理論，實現(xiàn)了融合人工智能、心理學、力學等相關知識的智能模擬。在給出指令時，計算機用于模擬人類的思想和動作，并將這些指令發(fā)送給負責執(zhí)行任務的機器人或機械臂。這種自動化和智能化可以體現(xiàn)在機械制造的諸多領域，有效降低成本，替代勞動力，因此智能化的發(fā)展?jié)摿Ρ容^大。同時，“私人定制”也越來越受到人們的歡迎。也為智能化生產(chǎn)和發(fā)展奠定了基礎。可以根據(jù)用戶的訂單要求，確定生產(chǎn)工藝和原材料，生產(chǎn)出讓用戶滿意的個性化產(chǎn)品。銷售商品并不意味著生產(chǎn)經(jīng)營的結束，這些智能產(chǎn)品可以將設備的數(shù)據(jù)狀態(tài)收集、整理并發(fā)送到工廠，企業(yè)可以據(jù)此了解產(chǎn)品和設備的使用和運行情況。數(shù)據(jù)和工作協(xié)同信息服務奠定了基礎。

3.2 機電一體化 ?隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展，計算機技術在廣泛的領域得到普及，機電領域在社會領域的融合得到了充分的應用。制造業(yè)和機械行業(yè)，自動化行業(yè)升級了數(shù)據(jù)挖掘技術、復雜算法、依托數(shù)據(jù)技術深化了人工智能系統(tǒng)等。當今我國在人工智能中的機電一體化已經(jīng)有了卓越的成效。該技術有利于工業(yè)行業(yè)的發(fā)展，目前部分技術人員設計并制造出了機電一體化的程序并搭建了框架。

并由一組內(nèi)部信息控制，并確保機器制造系統(tǒng)中的每一臺設備都由中央處理單元系統(tǒng)分配和協(xié)調(diào)。在框架運行的同時，可以獨立優(yōu)化工作任務和工作模式，在一些領域開始應用這種機電一體化機器制造系統(tǒng)，降低經(jīng)濟成本。更有利的是，智能化的發(fā)展方向在機械設計制造和自動化的發(fā)展中具有無限的潛力。

3.3 網(wǎng)絡化 ?當前，我國已進入全面信息技術時代，信息技術發(fā)展迅猛，信息技術已成為人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ髦胁豢苫蛉钡囊徊糠?。將信息技術利用到機械設計制造和自動化中，全方位利用現(xiàn)代信息技術，處理機械自動化生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題并搜集信息資料。這樣提高了自動化機械的功能性，大大提高了自動化機械的生產(chǎn)效率，在一定程度上提升了自動化機械的市場競爭力。目前，大多數(shù)機械設備都是基于現(xiàn)代信息技術實現(xiàn)遠程控制的系統(tǒng)，這種應用在生活和生產(chǎn)中還沒有得到廣泛應用，但卻是未來發(fā)展的必然趨勢。這不僅是因為機械制造技術與信息技術的發(fā)展越來越緊密，而且也是未來機械制造技術發(fā)展的主要方向。同時，隨著人們生活質(zhì)量的提高，科技進步的速度將加快，為今后的發(fā)展提供更大的便利。從而促進工業(yè)生產(chǎn)成本的節(jié)約和控制。同時，以高效率、高質(zhì)量、高精度的操作設備生產(chǎn)出的產(chǎn)品質(zhì)量保證更高、價格更低價值也將增加，同時控制成本，進一步提高經(jīng)濟效益易。

3.4 綠色化 ?我國在發(fā)展初期，由于一些特殊原因，自然環(huán)境遭到破壞，不僅生態(tài)環(huán)境變得惡劣，而且對如今群眾的生活造成了非常不利的影響。所以，環(huán)保工作一直倍受關注。在機械設計和制造行業(yè)，也要貫徹環(huán)保理念，減少對生態(tài)環(huán)境的污染，時刻牢記要保護環(huán)境。在設計和制造機械時，不要將經(jīng)濟效益作為最重要的指標，要將環(huán)保理念放在第一位。這樣在生產(chǎn)自動化機械時才不會對環(huán)境造成嚴重污染。在選擇相關材料時，不僅要合理有效地回收利用各種廢棄物，還要大量使用環(huán)保材料，防止物質(zhì)資源的浪費。工廠要強化對所有生產(chǎn)程序的監(jiān)管，將環(huán)保理念貫徹始終。此外，生產(chǎn)環(huán)保機械設備不但能夠降低工業(yè)生產(chǎn)成本，還可以增加經(jīng)濟效益，并且保護了我們周圍的環(huán)境。

3.5 微型化 ?目前，微型化也是工業(yè)行業(yè)的發(fā)展趨勢。在傳統(tǒng)的機械制造過程中，工作裝配占用的結構空間比較大，所以機械設備的立方體積也相應較大，占用了很大一部分空間，阻礙了企業(yè)的發(fā)展。本文提到的這種小型化趨勢主要體現(xiàn)在機械自動化系統(tǒng)上。機械自動化系統(tǒng)的整體性能沒有變化，但其整體體積成比例下降。在機械制造過程中，目前微科技的應用范圍還比較小，但由于其精度高、體積相對較小，具有廣泛的應用優(yōu)勢，可以促進工業(yè)的良性發(fā)展。

傳統(tǒng)機械設備制作行業(yè)，產(chǎn)量是企業(yè)的核心競爭力。然而在工業(yè)領域，精密機械部件轉型程度成為企業(yè)的核心競爭力。機械設備制作行業(yè)，不但在生產(chǎn)上對體積有了更高的要求，對精密技術，科技化程度也有了更高的要求，這都是為了產(chǎn)出高精度的機械零部件。按照各種工藝，設置更加科學有序的運行模式。例如：在數(shù)控切割工具技術方面，國內(nèi)致力于復合數(shù)控刀具的研發(fā)。并在車床上，機床的這些方面也取得了一定的成效。它不僅降低了經(jīng)濟成本，也充分發(fā)揮了精細加工技術的作用。如此它仍然是未來的發(fā)展指南。

3.6 模塊化 ?當前接口的種類豐富而復雜，因為機械自動化產(chǎn)品的種類很多。所以，需要提高機械設備設計制造的嚴謹性。在機械設備的設計和制造中，不但要確保機械設備模塊化的特點，還要保證機械設備滿足原始設計的要求。如此這般就能夠大規(guī)模增加機械設備的生產(chǎn)，大大降低材料成本和時間成本。目前，很多工廠已經(jīng)將模塊化應用到工業(yè)生產(chǎn)中，效果非常好，尤其是在電器產(chǎn)品方面，在使用模塊化之后取得了很好的成效。然而，徹底使用模塊化的程序是相當困難的。這是因為運行一個不合理的應用程序會產(chǎn)生相反的效果，會產(chǎn)生負面影響。因此，我們需要結合機械化生產(chǎn)大規(guī)模使用模塊化的實際情況，使機械設計制造和自動化具有更廣闊的發(fā)展前景。

4 ?結語

隨著我國機械制造行業(yè)的技術和制度的進一步完善，機械制造逐漸脫離原有的模式，運用了科學技術與電子信息生成了自動化機械制造，其數(shù)字化、自動化的特點能夠全面掌控生產(chǎn)過程，極大地提高了生產(chǎn)率，產(chǎn)生了現(xiàn)實的經(jīng)濟價值?？傊?，機械設計制造的快速發(fā)展和自動化，可以顯著提高的工廠的產(chǎn)量，并且促進經(jīng)濟發(fā)展。機械設計制造及其自動化既滿足當前綠色環(huán)保的生產(chǎn)標準和可持續(xù)發(fā)展理念又與當今國家的發(fā)展的方向相吻合?，F(xiàn)代信息技術的繁榮興盛，推動了機械設計制造及其自動化的進步。將智能化、機電一體化、網(wǎng)絡化、綠色化、微型化、模塊化運用到機械化設計中，既能夠提升自動化機械設備的生產(chǎn)效率、安全性與實用性又能夠節(jié)約成本、滿足不同機械的需要。所以機械生產(chǎn)行業(yè)應該大力推行自動化機械，為我國工業(yè)發(fā)展和經(jīng)濟發(fā)展做出更大的貢獻。

參考文獻：

[1]梁喜佳，張洪偉.淺析機械設計制造及其自動化的特點與優(yōu)勢及發(fā)展趨勢[J].科技創(chuàng)新與應用，2016（6）：126.

[2]邱國棟.計算機技術在機械設計制造及其自動化領域應用中的重要性分析[J].今日自動化，2021（1）：68-69.

[3]馬君，孫娟紅.解析機械設計制造及其自動化的技術核心[J].智庫時代，2019（17）：200-201.

[4]閆杰.機械自動化設計原則與應用分析[J].建筑工程技術與設計，2017（30）：1526.

[5]趙磊.論述計算機技術在機械設計制造及其自動化領域應用中的重要性[J].信息系統(tǒng)工程，2020（4）：99-100.

[6]沙澤宇.機械設計制造及其自動化的發(fā)展方向論述[J].內(nèi)燃機與配件，2019（10）：171-172.