機械自動化技術在機械制造中的應用研究

付云開

（商丘職業(yè)技術學院，商丘 476000）

1 前言

機械自動化技術指的是使用數(shù)字技術操控設備并完成生產任務的技術手段，具有節(jié)約人力成本、提高制造質量等價值。新時代在環(huán)保、低耗等綠色發(fā)展理念廣泛推行的基礎上，機械制造工藝、流程、標準需不斷優(yōu)化，傳統(tǒng)的制造手段顯然無法滿足生產者與消費者的需求，這就需要增強機械制造的自動性，在創(chuàng)新爭優(yōu)、節(jié)約成本、控制能耗的層面上彰顯技術優(yōu)勢?；诖耍瑸榱酥莆覈鴻C械制造產業(yè)穩(wěn)健發(fā)展，研究機械自動化技術在機械制造中的應用策略顯得尤為重要。

2 概述機械自動化

20世紀70年代機電一體化在《機械設計》（日本）雜志中出現(xiàn)，1984年美國機械工程師協(xié)會對現(xiàn)代機械進行定義，該協(xié)會認為現(xiàn)代機械主要是指由網絡控制與協(xié)調的生產制造方式，需計算機系統(tǒng)與各類動力學任務機制共同發(fā)揮作用，20世紀90年代在歸納總結機電一體化發(fā)展經驗的前提下，將機電一體化視為電子控制系統(tǒng)、精密機械、產品設計、制造工藝等方面協(xié)同作用下的產物。機電一體化的探索與實踐為機械自動化技術應用推廣奠定了基礎。

機械自動化在多學科、多種技術手段交融滲透的基礎上不斷發(fā)展，它改變了生產方式、產品結構、技術流程，使機械制造得以邁進“自動化”時代，在傳感器技術、計算機技術、微電子等技術共同發(fā)揮作用的過程中，增強機械制造的綜合性、可靠性、創(chuàng)新性。機械自動化并非高新技術、機械制造技術的簡單拼湊，主要源于機械自動化技術在機械制造中的應用目的性，如有效控制誤差、實現(xiàn)綠色制造目標等，繼而助推機械制造產業(yè)穩(wěn)健發(fā)展[1]。

3 機械自動化技術在機械制造中應用的價值

3.1 提高制造質量

在機械制造中應用機械自動化技術具有提高制造質量的價值，主要源于應用編程技術，可事先在系統(tǒng)內錄入制造程序，該程序有著較強的目的性，可避免出現(xiàn)機械制造與預期不符的情況，在此基礎上提高機械制造質量。因為機械設備、制造系統(tǒng)按照既定的程序運轉，所以在生產制造活動中能免受人力干擾。相較于人力，機械設備受系統(tǒng)控制自動運轉的精度更高，更利于打造精密儀器。在機械制造中使用傳感器技術，及時了解制造的實際情況，在此前提下提高生產制造監(jiān)督質量，收集整理監(jiān)督反饋所得信息，并利用信息調整技術參數(shù)，進而不斷地提升機械制造水平。

3.2 降低運維難度

機械自動化由數(shù)字技術、先進設備、信息系統(tǒng)等部分構成，經驗表明，機械設備始終保持穩(wěn)定的狀態(tài)能更好地完成制造任務。在機械自動化技術的助力下，機械設備運維難度將有所降低，在傳感器技術、大數(shù)據(jù)等技術集成的條件下，機械設備具有自我保護、自動診斷、監(jiān)視、預警等功能，一旦發(fā)生過流、過壓等故障，機械設備就能立即分析故障成因，判讀故障所在位置，生成故障分析報告并傳至專職人員的移動終端，根據(jù)故障的危險系數(shù)及影響范圍選擇性地關閉生產制造系統(tǒng)，便于專職人員盡快鎖定故障區(qū)域，縮短因設備故障而停產的時間，保障機械制造系統(tǒng)能快速恢復正常。

使用大數(shù)據(jù)技術分析處理機械設備運行數(shù)據(jù)，可以對相關設備的穩(wěn)定性做出基本的判斷，并依據(jù)判斷結果制定設備運維方案，其目的是降低設備故障發(fā)生的幾率，還能保障機械制造系統(tǒng)長期處于穩(wěn)定狀態(tài)。值得一提的是，在廣泛占有設備運行數(shù)據(jù)的條件下，立足不同的機械制造系統(tǒng)能規(guī)設機械設備故障預警模型，使用云計算技術分析處理設備運行數(shù)據(jù)，專職人員可依據(jù)分析報告展開運維工作，有效提高機械設備故障檢修的前瞻性，延長設備壽命，優(yōu)化設備功能，增強機械制造系統(tǒng)的可靠性與靈敏性。

3.3 有效節(jié)約能耗

機械自動化技術賦予機械制造設備諸多功能，如自我保護功能、自我調節(jié)功能、自我校驗功能、自動補償功能等，應用上述功能可有效節(jié)約機械制造能耗。以自我調節(jié)功能為例，當機械制造系統(tǒng)分析判斷得出能耗超標的結論后，就能運用數(shù)字技術操控系統(tǒng)內的機械設備，選擇性地關停部分設備，達到節(jié)約能耗的目的。因為機械自動化技術提高了機械制造的精度，所以可減少劣質元件的數(shù)量，還能提高制造效率，有效地節(jié)省了人力成本，同時減少因返工而投入的費用。機械自動化技術助推機械系統(tǒng)向著輕小型的方向優(yōu)化升級，這可進一步減少能源的投入率。當前低耗、綠色、節(jié)能、環(huán)保是機械制造產業(yè)發(fā)展的主旋律，使用機械自動化技術不僅能改進機械制造系統(tǒng)，還能科學合理地控制能耗、減少成本及污染物的排放量，繼而助推機械制造產業(yè)可持續(xù)發(fā)展[2]。

4 在機械制造中主要的機械自動化技術應用策略

4.1 數(shù)控技術在機械制造中的應用

數(shù)控技術主要指的是利用數(shù)字信息控制機械設備的技術手段，集網絡通信技術、傳感檢測技術、現(xiàn)代控制等技術于一體，可以根據(jù)機械制造需求靈活設計軟硬件模塊。因為在機械制造過程中可全程使用計算機程序控制生產系統(tǒng)，所以能減少人力成本。數(shù)控技術是機械自動化的動力之一，主要源于該技術增強了機械制造系統(tǒng)的開放性，控制源為計算機，根據(jù)機械制造實際情況驅動控制單元，還可重組執(zhí)行控制模塊，得到新的自動控制機構，該機構具有針對性、實效性等特點。數(shù)控車床是數(shù)控技術發(fā)揮作用的載體，車床上的刀具按照特定的程序自動運轉，完成精準加工元件的生產任務，在此基礎上能保證加工精度達標、加工路線最短、刀具運用時間最少、有效簡化工序，實現(xiàn)高效加工的目標。應用數(shù)控技術展開機械制造活動，需專職人員率先剖析元件生產要求及圖樣，在明確元件尺寸、圖形、特性的條件下設定制造方案，利用計算機技術得出數(shù)據(jù)，通常情況下數(shù)控系統(tǒng)有圓弧插補及直線插補的功能作用，只需計算得出元件輪廓上相近幾何元素的坐標值就能編程，加之程序檢驗，落實基于數(shù)控技術的機械制造目標。未來數(shù)控技術將向著精密化、高速化、復合化、開放化的方向發(fā)展，有效提高機械制造綜合質量[3]。

4.2 虛擬技術在機械制造中的應用

虛擬技術主要是指能夠構建虛擬世界的信息技術，依托仿真系統(tǒng)模擬真實環(huán)境，運用諸多信息搭建三維場景，逼真的視覺、聽覺、觸覺與嗅覺能給人一種身臨其境的真實感，“真”正是虛擬技術的優(yōu)勢。虛擬技術具有沉浸、交互、想象三大特征，在機械制造中“交互”與“想象”這兩個特征較為突出。專職人員可使用虛擬技術把腦海中的設想呈現(xiàn)出來，提高虛擬設計質量，利用多維信息設計機械產品，在感性認知、理性探究互相影響的基礎上深化產品概念，優(yōu)化產品結構，提升設計制造水平。以汽車設計制造為例，在傳統(tǒng)的設計制造流程中，圖紙設計、鑄模、評測、修改等環(huán)節(jié)需投入較多的時間成本，還會耗費大量的資金，汽車新品研發(fā)壓力隨之加劇。使用虛擬技術則無需構建實體模型，有效簡化了機械制造工序，利用CAM、CAD等程序中的數(shù)據(jù)加強仿真模擬，壓縮機械制造周期，同時使用虛擬技術能及時發(fā)現(xiàn)機械制造環(huán)節(jié)可能存在的問題，如管道鋪設不合理、元件精度不達標等，設計人員將利用多維模型再次改進設計方案，有效解決不合理的設計問題。

機械裝配是機械制造重要一環(huán)，專職人員把諸多的零部件組裝到一起，最終得到機械產品，因裝配不達標而降低產品質量的情況客觀存在，基于此專職人員可使用虛擬技術提升裝配水平，在線模擬裝配流程，檢查裝配設計方案，并以解決裝配問題為導向自動修整裝配方案。因為虛擬技術具有交互性，所以專職人員如同在真實情境中拆裝零部件，系統(tǒng)提供序列處理、裝配約束處理、碰撞檢測等功能，使專職人員能夠客觀地分析、規(guī)劃、驗證裝配序列。仿真裝配完畢后，系統(tǒng)不僅能記錄虛擬裝配相關數(shù)據(jù)，還能得到視頻、評審報告等內容，以便專職人員后續(xù)分析與優(yōu)化機械裝配程序。

4.3 檢測技術在機械制造中的應用

檢測技術主要指的是使用數(shù)字技術、儀器設備檢驗、測試機械設備性能的手段，該技術具有多樣性、科學性等特點，在機械制造中應用得較為廣泛。

為了避免劣質機械設備流向市場需有效應用檢測技術，傳統(tǒng)檢測技術可能會存在破壞機械設備整體結構的問題，基于此需在機械制造中應用自動化無損檢測技術。以超聲探傷技術為例，該技術能自動檢測出機械設備的內部是否存在質量問題，如焊接不到位、裝配不嚴密等，能在不拆除機械設備的條件下敏感捕捉表面缺陷，該探傷系統(tǒng)主要由探頭、超聲波探傷儀兩部分組成，通常要使用耦合劑，接觸探頭的表面需進行打磨處理，只有表面光潔才能更好地探傷。脈沖反射法是較為常見的超聲探傷技術手段，超聲波傳入金屬結構后會反射回來，通過分析回波就能判斷金屬結構內部是否有缺陷，根據(jù)結構特征可使用斜角探傷法、垂直探傷法，板材、鍛件、鑄件、復合材料及焊縫等均可檢測。使用超聲探傷技術能獲取金屬結構內部不連續(xù)的缺陷信息，在此基礎上得到立體模型及缺陷評估數(shù)據(jù)，為專職人員改進機械設備提供依據(jù)[4]。

4.4 柔性技術在機械制造中的應用

柔性技術指的是集信息技術、自動化技術于一體的現(xiàn)代機械制造技術，改變了設計、制造、運營相對獨立的狀態(tài)，在數(shù)據(jù)庫技術、計算機技術的支撐下，能建成覆蓋整個機械制造系統(tǒng)的柔性控制網絡，這使得機械制造適應客觀環(huán)境變化的水平得以提升，可以根據(jù)機械制造新要求、新工藝、新流程、新理念靈活地調整制造計劃，同時可調配機械制造資源，立足內部形成合力，在成本投入最小、風險最低的情況下展開機械制造活動。柔性技術與剛性技術的概念相對，后者雖能大批量生產某種元件，但存在生產模式單一及很難滿足小批量、多元性生產需求的問題，基于此需有效使用柔性技術，在設備柔性、工藝柔性、運行柔性的前提下靈活地完成機械制造任務，達到機械制造適應市場需求、更新速度快、成本較低的目的。當前使用柔性技術建成了許多的機械制造線，以FML（柔性制造線）為例，該生產線具有CNC機床、加工中心通用率較高的特點，相較于中小批量多品種柔性生產線，F(xiàn)ML對物料搬運柔性機制的要求并不高，采用離散型生產模式及分散型控制體系，實現(xiàn)機械制造自動化及線性柔化的生產目標。

4.5 智能技術在機械制造中的應用

在數(shù)字技術不斷取代人力展開機械制造活動的過程中智能技術持續(xù)發(fā)力，在數(shù)據(jù)分析、質量管理、規(guī)劃設計等方面發(fā)揮著積極作用。例如，專職人員可在廣泛占有機械制造生產數(shù)據(jù)的前提下，依據(jù)生產要求、制造標準使用智能合約技術，以實現(xiàn)機械制造目標為導向規(guī)設合約細則，機械制造系統(tǒng)若足以觸發(fā)智能合約，就會自動展開機械制造活動，加之模式識別、智能控制、神經網絡、機器學習等技術同時發(fā)揮積極作用，有效解決機械制造相關問題，全程無需人力操控，繼而達到自動化、智慧化機械制造的目的。

4.6 集成技術在機械制造中的應用

集成技術助力機械制造系統(tǒng)優(yōu)化升級，依托集成制造系統(tǒng)（CIMS）提升產品全生命周期管控水平，為了做到這一點細分輔助系統(tǒng)，如輔助測試系統(tǒng)（CAT）、輔助工藝規(guī)劃系統(tǒng)（CAPP）、輔助質控系統(tǒng)（CAQ）等，繼而充分收集、加工、運用在機械制造全程所生成的數(shù)據(jù)，并在生產制造、設計決策等環(huán)節(jié)發(fā)揮作用，同時支持“并行工程”，致力于機械制造全生命周期的各個環(huán)節(jié)在專家系統(tǒng)的服務下并行運轉，達到統(tǒng)攬全局優(yōu)化機械制造體系、縮短新品推廣周期、集約利用生產要素的目的[5]。集成制造系統(tǒng)不僅將生產系統(tǒng)、技術等系統(tǒng)集成到了一起，還將信息、人的思想等內容集成到了一起，有效滿足機械制造對諸多生產要素的切實需求。

5 結論

綜上所述，機械自動化技術在機械制造中的應用具有減少成本、提高生產效率、優(yōu)化產品性能等價值，基于此專職人員要注重應用機械自動化技術，如數(shù)控技術、集成技術等，將人力從繁重的機械制造活動中抽離出來，使生產者有更多的精力革新機械自動化技術。未來機械自動化技術將向著安全、穩(wěn)定、簡便、綠色、高效的方向持續(xù)優(yōu)化升級，進而助推機械制造產業(yè)穩(wěn)健發(fā)展。