自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)與制造中的應(yīng)用

董金華， 陸輝仲， 付 龍

（共享裝備股份有限公司， 寧夏 銀川 750021）

引言

所謂自動(dòng)化技術(shù)只在沒有人或較少人參與的情況下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行生產(chǎn)的技術(shù)，使人們的工作方式和生活方式發(fā)生了巨大的改變。該技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)和制造中的應(yīng)用能夠有效地減少人力成本的投入，提高生產(chǎn)效率，提高資源的利用率，促進(jìn)機(jī)械制造行業(yè)的長(zhǎng)足發(fā)展。

1 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造中應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

1.1 提升生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量

自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械制造中應(yīng)用，可以提升制造的精細(xì)化程度和智能化水平，生產(chǎn)效率無需受到人力的制約，生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量都得到提升，提高企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，借助自動(dòng)化技術(shù)，可以改進(jìn)機(jī)械生產(chǎn)中的設(shè)計(jì)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)中的缺陷，使生產(chǎn)效率得到優(yōu)化和提升。

1.2 降低資源成本和人力成本

在傳統(tǒng)的機(jī)械生產(chǎn)和制造中，多是采用粗放的生產(chǎn)模式，過分地依賴人工，生產(chǎn)效率較為低下，且需要浪費(fèi)大量的物料，制造企業(yè)成本較高，嚴(yán)重制約了制造企業(yè)的發(fā)展。而自動(dòng)化技術(shù)的良好應(yīng)用，可以對(duì)生產(chǎn)物料達(dá)到精細(xì)化的控制，廢料率較少，進(jìn)而降低了生產(chǎn)成本，提高了企業(yè)的效益。還可以對(duì)生產(chǎn)廢料經(jīng)過重新處理后再加工成產(chǎn)品，投放市場(chǎng)，可以降低成本，減少?gòu)U料的污染[1-2]。

除此之外，隨著自動(dòng)化技術(shù)的引用，減少流水線上人力的使用，而人力可以有更多的精力根據(jù)實(shí)際情況對(duì)機(jī)械制造的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，減少勞動(dòng)成本和勞動(dòng)費(fèi)用的支出。

1.3 實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化操作

在機(jī)械設(shè)計(jì)和制造產(chǎn)業(yè)中，對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)是極為敏感的，只有控制好生產(chǎn)數(shù)據(jù)才能保證生產(chǎn)的質(zhì)量和生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，使機(jī)械設(shè)備的價(jià)值得到充分的發(fā)揮。而自動(dòng)化技術(shù)的運(yùn)用就可以很好地解決這一問題，首先，自動(dòng)化技術(shù)可以利用計(jì)算機(jī)對(duì)機(jī)械設(shè)備下達(dá)精細(xì)化的指令；其次，自動(dòng)化技術(shù)可以嚴(yán)密監(jiān)視整個(gè)流程的執(zhí)行情況，并進(jìn)行科學(xué)的分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)流程中存在的問題，并針對(duì)問題可以設(shè)置改進(jìn)方案，以減少經(jīng)濟(jì)損失。除此之外，通過自動(dòng)化技術(shù)還可以對(duì)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，對(duì)可能存在故障的設(shè)備進(jìn)行及時(shí)的排查和維修，提高機(jī)械設(shè)備的使用壽命。

1.4 擁有較高安全性

自動(dòng)化技術(shù)融合了多種學(xué)科，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中考慮了多方面的因素，具備自動(dòng)診斷、自動(dòng)報(bào)警等安全性能。在實(shí)際生產(chǎn)中，機(jī)械設(shè)備難免出現(xiàn)故障問題，而自動(dòng)化技術(shù)可以自動(dòng)識(shí)別這些故障，并對(duì)故障進(jìn)行檢修。發(fā)生故障時(shí)，其會(huì)自動(dòng)控制程序停止生產(chǎn)活動(dòng)，起到保護(hù)設(shè)備和人員安全的目的。在生產(chǎn)過程中，利用自動(dòng)化技術(shù)控制全過程的運(yùn)行，可避免人為的失誤而造成設(shè)備的損壞或者釀成安全事故，提高了生產(chǎn)過程中的安全性[3]。

1.5 具有較強(qiáng)的適應(yīng)性

自動(dòng)化技術(shù)可以跳出單產(chǎn)品，單功能的制約，利用復(fù)合技術(shù)和功能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，自動(dòng)檢驗(yàn)等多種功能，可以應(yīng)用于不同產(chǎn)品，不同場(chǎng)合，滿足客戶的不同需求，具有較好的應(yīng)變性。

2 機(jī)械技術(shù)和制造中自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用

2.1 集成化技術(shù)

所謂集成化技術(shù)，就是將信息系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)和制造中，在信息化的指導(dǎo)下，實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)和制造過程的優(yōu)化。利用集成化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造過程中涉及的生產(chǎn)流程、生產(chǎn)設(shè)備、管理流程等的集成。而要想實(shí)現(xiàn)高度集成，對(duì)設(shè)備參數(shù)和人員素質(zhì)都有較高要求，若設(shè)備參數(shù)與性能不符合要求容易造成生產(chǎn)產(chǎn)品不符合要求或者設(shè)備損壞的情況，所以需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行考核，并記錄機(jī)器設(shè)備的原始數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)的支持，才能提升機(jī)械設(shè)計(jì)制造的水平與質(zhì)量。除此之外，機(jī)械設(shè)計(jì)制造是一個(gè)復(fù)雜的過程，需要綜合考慮各方面的因素，如設(shè)備、物料、人力等等，關(guān)注好生產(chǎn)中的各個(gè)細(xì)節(jié)，以確?？梢约皶r(shí)完成生產(chǎn)制造的需求[4-5]。

2.2 數(shù)字化技術(shù)

傳統(tǒng)的生產(chǎn)制度模式多是使用大量的人工，生產(chǎn)效率低下、精準(zhǔn)度較差，且由普通工向熟練工轉(zhuǎn)變需要大量的時(shí)間積累。而借助自動(dòng)化技術(shù)，通過數(shù)控技術(shù)作為支撐，可以極大地提高制造的精準(zhǔn)度，進(jìn)而提升效率。數(shù)字化技術(shù)是控制技術(shù)和數(shù)字技術(shù)融合的一種新型技術(shù)，操作人員只需要在計(jì)算機(jī)界面對(duì)數(shù)據(jù)和流程進(jìn)行設(shè)置，就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)運(yùn)行。目前，此種技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，只需要專人負(fù)責(zé)設(shè)置機(jī)械操作流程、控制操作數(shù)據(jù)、管理相關(guān)設(shè)備，就能實(shí)現(xiàn)機(jī)械制造的平穩(wěn)運(yùn)行。

2.3 組裝自動(dòng)化技術(shù)

在機(jī)械設(shè)計(jì)生產(chǎn)中，一個(gè)機(jī)械成品的完成需要各個(gè)零件進(jìn)行組裝，如汽車就包含發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)向裝置、制動(dòng)裝置、儀表裝置等。在機(jī)械中應(yīng)用組裝制動(dòng)化技術(shù)，可以很大程度上提高組裝的效率和質(zhì)量，減少由于人工組裝造成的失誤。組裝技術(shù)主要包括自動(dòng)傳送和自動(dòng)組裝等。所謂自動(dòng)傳送，就是將各個(gè)零部件傳送到需要組裝的位置上，而自動(dòng)組裝是將需要組裝的零部件進(jìn)行清洗、分類、篩選、裝入、測(cè)試等。組裝自動(dòng)化技術(shù)可以使產(chǎn)品組裝速度和精度得到大幅度的提升，促進(jìn)企業(yè)提高自身的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

2.4 柔性自動(dòng)化技術(shù)

所謂柔性自動(dòng)化技術(shù)是一種可以實(shí)現(xiàn)多種產(chǎn)品，多批量產(chǎn)品的加工、制造、測(cè)試等工作的生產(chǎn)技術(shù)。柔性自動(dòng)化技術(shù)可以提高機(jī)械制造過程中的應(yīng)變能力，可以根據(jù)市場(chǎng)需求進(jìn)行柔性處理的機(jī)械產(chǎn)品。除此之外，可以通過信息技術(shù)對(duì)柔性制動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，提高生產(chǎn)線的可控性，從而對(duì)機(jī)械制造的產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，使其符合客戶的需求和市場(chǎng)的預(yù)期。

2.5 自動(dòng)化故障診斷

我國(guó)當(dāng)前自動(dòng)化模式和半自動(dòng)化模式是最常見的兩種模式，前者具有更明顯的優(yōu)勢(shì)，生產(chǎn)過程更加穩(wěn)定，故障檢修難度也會(huì)降低，可以利用自動(dòng)化診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在線診斷的目的，減少因故障停工的狀況。除此之外，半自動(dòng)化模式還是需要投入大量的人力，資金投入也會(huì)增加，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力就會(huì)降低。充分利用自動(dòng)化技術(shù)，不僅可以提高生產(chǎn)效率，還可以幫助企業(yè)在較短的時(shí)間內(nèi)完成檢測(cè)工作，保證生產(chǎn)制造的穩(wěn)定運(yùn)行，提高了運(yùn)行中的安全性。

3 機(jī)械技術(shù)和制造中自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展方向

3.1 智能化

自動(dòng)化技術(shù)的延伸正朝著智能化的方向發(fā)展。智能化是指機(jī)械設(shè)備具有思考、分析、與判斷的能力，使制造的各個(gè)環(huán)節(jié)均能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。我們可以根據(jù)生產(chǎn)制造的實(shí)際情況，合理地采用智能化技術(shù)，使機(jī)械設(shè)備安裝相關(guān)程序指令完成相關(guān)的任務(wù)。我們可以利用人工智能系統(tǒng)，通過高端的設(shè)備和軟件，對(duì)機(jī)械制造的過程進(jìn)行科學(xué)的掌控，從而充分發(fā)揮智能化的優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)在智能化技術(shù)已經(jīng)在智能物流、智能機(jī)器人、GPS 定位、傳感技術(shù)等方面得到運(yùn)用，但是對(duì)機(jī)械制造行業(yè)運(yùn)用還不廣泛，這是機(jī)械制造行業(yè)未來的發(fā)展趨勢(shì)。

3.2 虛擬化

所謂虛擬化是指利用計(jì)算機(jī)技術(shù)中的仿真技術(shù)，對(duì)生產(chǎn)制造過程進(jìn)行情景模擬，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)制造中的不足并加以改進(jìn)，保證整個(gè)生產(chǎn)過程的順利進(jìn)行。傳統(tǒng)的自動(dòng)化技術(shù)必須要進(jìn)行生產(chǎn)才能發(fā)現(xiàn)程序設(shè)置中的問題和不足，使用虛擬化技術(shù)將這一過程提前，不僅能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)行仔細(xì)的分析，并進(jìn)行及時(shí)糾正，能更好地把握生產(chǎn)過程中的特征，減少生產(chǎn)過程中物料的浪費(fèi)，減少經(jīng)濟(jì)損失，為生產(chǎn)制造保駕護(hù)航。

3.3 網(wǎng)絡(luò)化

自動(dòng)化技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中需要通過網(wǎng)絡(luò)建立連接，利用網(wǎng)絡(luò)開放性、便捷性的優(yōu)點(diǎn)可以簡(jiǎn)化機(jī)械設(shè)計(jì)和制造的流程，為自動(dòng)化技術(shù)提供更為優(yōu)化的方案。但是我們需要注意的是，在機(jī)械制造中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)價(jià)的應(yīng)用，需要專業(yè)人員進(jìn)行設(shè)置，以保證其合理性和有效性，使網(wǎng)絡(luò)化得到最大限度的應(yīng)用。除此之外，在系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)優(yōu)化的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行構(gòu)建，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化在機(jī)械設(shè)計(jì)與制造中得到合理的運(yùn)用。

3.4 節(jié)能化

機(jī)械制造行業(yè)的發(fā)展不應(yīng)當(dāng)只注重效率的提升，還應(yīng)當(dāng)考慮環(huán)境的保護(hù)和資源的節(jié)約，謀求可持續(xù)發(fā)展，人與自然和諧共存，這也是現(xiàn)代的發(fā)展趨勢(shì)和需要我們關(guān)注的問題。在機(jī)械制造的材料方面，要盡量地節(jié)省原材料，使其可以得到最大的利用率，還需要盡量減少污染物的排放，如工業(yè)廢水、廢棄、廢渣等。

3.5 機(jī)電一體化

機(jī)電一體化是指由計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、控制技術(shù)、電子技術(shù)等相融合的一門交叉學(xué)科。其幫助機(jī)械制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的智能化、網(wǎng)絡(luò)化、微型化、系統(tǒng)化等，提升產(chǎn)品的精確性和生產(chǎn)效率，提升企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力。機(jī)電一體化的應(yīng)用是目前機(jī)械制造行業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)，機(jī)電一體化在機(jī)械制造領(lǐng)域有很大的發(fā)展空間，幫助產(chǎn)品設(shè)計(jì)更加合理。

3.6 機(jī)械視覺技術(shù)

所謂機(jī)械視覺技術(shù)就是使用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和電子技術(shù)相結(jié)合，用計(jì)算機(jī)信號(hào)對(duì)人體視覺進(jìn)行模擬，借助精密測(cè)量和智能監(jiān)控，為制造提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，制定監(jiān)測(cè)方案，幫助數(shù)據(jù)校對(duì)。

1）產(chǎn)品監(jiān)測(cè)。由于監(jiān)測(cè)員能力存在差異，且長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)容易產(chǎn)生視覺疲勞，監(jiān)測(cè)的質(zhì)量容易受到檢測(cè)員狀態(tài)的影響，導(dǎo)致機(jī)械零器件可能存在細(xì)微的差異。有效利用機(jī)械視覺技術(shù)，可以解決人工監(jiān)測(cè)精確性不足的問題，通過控制相關(guān)的參數(shù)，可以有效地對(duì)系統(tǒng)零部件進(jìn)行精確的監(jiān)測(cè)，保證監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。除此之外，此技術(shù)的應(yīng)用可以準(zhǔn)確地反應(yīng)測(cè)試數(shù)據(jù)，為生產(chǎn)過程提供準(zhǔn)確的參考，幫助企業(yè)提高生產(chǎn)質(zhì)量。

2）工件測(cè)量。通過視覺技術(shù)的應(yīng)用對(duì)零部件與基準(zhǔn)材料進(jìn)行比較，可以對(duì)零部件進(jìn)行精確測(cè)量，其中使用到了相機(jī)、計(jì)算機(jī)和光學(xué)系統(tǒng)。其使用原理就是利用光束的投影，用顯微鏡顯示零件的構(gòu)造，并利用計(jì)算機(jī)獲取精確的成像數(shù)據(jù)。因?yàn)榱魉€上的部件產(chǎn)品都是在移動(dòng)的，需要其完全暴露在鏡頭下，以確保測(cè)量的準(zhǔn)確。

3）預(yù)調(diào)方案。傳統(tǒng)的預(yù)調(diào)方案是利用光學(xué)進(jìn)行投影進(jìn)行定位，進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量和讀取。這種方案的缺點(diǎn)就是需要人力資源較多，工作效率低，使用新型的預(yù)調(diào)測(cè)量技術(shù)，添加了自動(dòng)控制程序和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處理程序，在傳統(tǒng)視覺技術(shù)的基礎(chǔ)上增加了光柵技術(shù)，通過立體成像使流程更加簡(jiǎn)化，準(zhǔn)確性也得到相應(yīng)的提高。

3.7 數(shù)字化

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化技術(shù)更趨向于數(shù)字化發(fā)展，很多工作需要與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合，運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)作為支撐，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行信息數(shù)字化處理。數(shù)字化的發(fā)展可以使機(jī)械制造行業(yè)整體效率得到提升，提高產(chǎn)品的綜合競(jìng)爭(zhēng)力，使產(chǎn)品更加精確，靈活的滿足客戶物品。

3.8 微型化

隨著機(jī)械制造自動(dòng)化的發(fā)展，微型化是其很重要的發(fā)展趨勢(shì)，生產(chǎn)產(chǎn)品的體積越來越小，且在節(jié)能，靈敏度等方面有很大的提升。針對(duì)微型化的發(fā)展特點(diǎn)，可以有效的降低設(shè)備與技術(shù)投入，在資源節(jié)約方面也發(fā)揮了積極的作用。

3.9 全球化

所謂全球化是指生產(chǎn)一個(gè)產(chǎn)品往往需要很多國(guó)家分工協(xié)作才能完成，機(jī)械自動(dòng)化也在朝著全球化的方向發(fā)展。生產(chǎn)全球化推動(dòng)著信息技術(shù)全球化的發(fā)展，借助網(wǎng)絡(luò)信息全球化，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造不間斷，對(duì)機(jī)械過程高效融合，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率的提高。

4 國(guó)內(nèi)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展

我國(guó)是生產(chǎn)制造的大國(guó)，擁有完整的工業(yè)體系，我國(guó)在吸收國(guó)外自動(dòng)化生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，立足本國(guó)國(guó)情，進(jìn)行自主研發(fā)，由低到高、由簡(jiǎn)入繁，逐步發(fā)展建立一套擁有中國(guó)特色的自動(dòng)化系統(tǒng)。在不斷適應(yīng)市場(chǎng)需求的過程中，實(shí)現(xiàn)由原始單元，傳統(tǒng)機(jī)械生產(chǎn)到計(jì)算機(jī)、人工智能化、微型化、數(shù)字化的過渡，建立了一套擁有核心技術(shù)的自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)，并得到了良好的運(yùn)用。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)科技水平的提升，自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)在機(jī)械設(shè)計(jì)和制造行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，不僅提高了生產(chǎn)效率，提高了生產(chǎn)的精確性，而且節(jié)約了資源成本和人工成本，幫助企業(yè)獲取了更多的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)了良性發(fā)展。自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用也是一個(gè)國(guó)家科技化、智能化的體現(xiàn)，同時(shí)各項(xiàng)新型技術(shù)和功能應(yīng)用于傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)和制造行業(yè)，也符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的理念。