淺談自動化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

羅 強(qiáng) ， 甄少華 ， 菅迎賓

（1.北方工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，河北 石家莊 050000；2.石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050000）

科技創(chuàng)造生產(chǎn)力，科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展為各行各業(yè)的發(fā)展帶來了極大的推動力，成為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化建設(shè)的重要驅(qū)動力。在現(xiàn)代化技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，全面提升機(jī)械設(shè)計(jì)制造的高效性、節(jié)約性、安全性，需要下大力氣研究自動化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，積極促進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)的發(fā)展，提升機(jī)械設(shè)計(jì)制造自動化水平。

1 自動化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用原則

1）遵循標(biāo)準(zhǔn)化原則。在實(shí)際的設(shè)計(jì)研發(fā)過程中，不僅要嚴(yán)格按照既定的研發(fā)流程來進(jìn)行操作，同時(shí)還要根據(jù)機(jī)械設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境來確定標(biāo)識、尺寸和數(shù)量，防止產(chǎn)生設(shè)計(jì)誤差[1]。設(shè)計(jì)人員要經(jīng)過不斷的重復(fù)實(shí)驗(yàn)，才能取得關(guān)鍵性的突破，使最終設(shè)計(jì)出來的自動化機(jī)械設(shè)備滿足國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）遵循安全性原則。在將自動化技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)中時(shí)應(yīng)該將安全性原則作為首要的前提條件之一。一方面，要確保設(shè)計(jì)研發(fā)過程具有很高的安全性；另一方面，要確保機(jī)械設(shè)備所需的零部件具有極強(qiáng)的安全性。在對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中需要應(yīng)用大量的機(jī)械進(jìn)行研發(fā)，而在應(yīng)用這些機(jī)械的時(shí)候必定會存在一定的風(fēng)險(xiǎn)性，這就需要研發(fā)人員在進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)的過程中對自身的安全加強(qiáng)保護(hù)，防止在研發(fā)過程中因?yàn)椴僮鞑划?dāng)而發(fā)生安全事故。此外，設(shè)計(jì)研發(fā)人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)研發(fā)的過程中還應(yīng)該對設(shè)備零部件的質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格把控，對零部件要反復(fù)檢查，保證每個(gè)零部件都可以達(dá)到規(guī)定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，這樣就可以防止零部件在使用的時(shí)候出現(xiàn)變形、開裂等問題，從而對自動化機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)研發(fā)成功率產(chǎn)生極大的影響。

3）遵循技術(shù)性原則。將自動化技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械設(shè)計(jì)過程中要將先進(jìn)的技術(shù)性充分體現(xiàn)出來，并要在相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范條例基礎(chǔ)上，保證先進(jìn)技術(shù)得到有效的應(yīng)用。自動化機(jī)械設(shè)備無論是在進(jìn)行動態(tài)設(shè)計(jì)的過程中，還是在進(jìn)行靜態(tài)設(shè)計(jì)的過程中，都應(yīng)該以技術(shù)性為原則展開設(shè)計(jì)[2]。例如，按照動態(tài)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)展開設(shè)計(jì)，自動化機(jī)械設(shè)計(jì)需要具備動態(tài)運(yùn)行功能，包括熱平穩(wěn)性、磨損性等指標(biāo)，這些方面都必須能夠?qū)⑾冗M(jìn)的技術(shù)性體現(xiàn)出來；按照靜態(tài)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)展開設(shè)計(jì)，機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)需要具備靜態(tài)運(yùn)動功能，包括使用壽命、強(qiáng)度、電流等指標(biāo)，這些方面都要體現(xiàn)出技術(shù)性標(biāo)準(zhǔn)。

2 自動化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造方面的具體應(yīng)用

2.1 生產(chǎn)自動化與裝備自動化

1）生產(chǎn)自動化。機(jī)械設(shè)計(jì)工作在開展過程中有一些工作屬于重復(fù)性工作，通過人工進(jìn)行操作會浪費(fèi)大量的時(shí)間和精力，不利于生產(chǎn)效率和質(zhì)量的提升[3]。而將自動化技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動化，就可以對機(jī)械設(shè)計(jì)中存在的這些重復(fù)性工作進(jìn)行優(yōu)化整合，將那些重復(fù)的工序自動消除，不僅可以節(jié)約更多的人力和精力，還能有效提升機(jī)械設(shè)計(jì)的生產(chǎn)效率。當(dāng)前，生產(chǎn)自動化技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、科研、商業(yè)、醫(yī)療以及交通運(yùn)輸?shù)戎T多方面，發(fā)揮著重要的作用。

2）裝備自動化。實(shí)現(xiàn)裝備自動化能夠保證相關(guān)的零部件嚴(yán)格按照自身的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)組裝、調(diào)試等功能，形成一套更具科學(xué)性和完整性的生產(chǎn)流水線。裝備自動化的實(shí)施不僅對原有的裝置模式進(jìn)行了改進(jìn)，同時(shí)還全面提升了機(jī)械設(shè)計(jì)的工作效率和質(zhì)量。在大量生產(chǎn)中，企業(yè)通過采用自動化生產(chǎn)線大大提升了勞動效率，產(chǎn)品質(zhì)量也更加穩(wěn)定，同時(shí)也降低了生產(chǎn)成本，縮短了生產(chǎn)周期，經(jīng)濟(jì)效益獲得顯著提升。

2.2 虛擬化技術(shù)的應(yīng)用

虛擬化技術(shù)的應(yīng)用主要是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息化技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)來進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，制造出更加優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品[4]。將虛擬化技術(shù)應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域，融合虛擬現(xiàn)實(shí)交互手段、工業(yè)仿真圖像引擎以及多樣化現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，既是工業(yè)仿真系統(tǒng)的進(jìn)一步拓展，又是實(shí)現(xiàn)“人-機(jī)-環(huán)境”的重要手段。虛擬化技術(shù)的應(yīng)用能夠結(jié)合模型對產(chǎn)品投入到市場中之后可能遇到的問題進(jìn)行精準(zhǔn)的評估，并根據(jù)產(chǎn)生的問題擬定有效的解決策略，以此來降低機(jī)械生產(chǎn)中出現(xiàn)問題的概率，減少材料浪費(fèi)，節(jié)約成本投入，提升生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量[5]。例如，在進(jìn)行汽車零件設(shè)計(jì)時(shí)，在概念設(shè)計(jì)階段需要頻繁試驗(yàn)，不斷更改零件結(jié)構(gòu)，采用虛擬化技術(shù)，可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)、測試，針對問題進(jìn)行改正調(diào)試，大大降低了實(shí)體生產(chǎn)成本和縮短了生產(chǎn)周期，待產(chǎn)品調(diào)試合格后再將實(shí)物樣品生產(chǎn)出來。

2.3 高度集成化技術(shù)的應(yīng)用

簡單來說，集成化指的是將某些東西或者功能集合在一起，而高度集成化則是大量設(shè)備或者功能的集合，使其表現(xiàn)出更加強(qiáng)大、多樣化的功能，而不是一兩個(gè)簡單設(shè)備或者功能。集成化在機(jī)械制造行業(yè)中的應(yīng)用，是在系統(tǒng)工程理論的指導(dǎo)之下，借助信息化技術(shù)的優(yōu)勢對機(jī)械制造流程從整體上進(jìn)行優(yōu)化和整合。同時(shí)在進(jìn)行優(yōu)化和整合的過程中，通過精簡結(jié)構(gòu)和重組的方式來實(shí)現(xiàn)自動化。另外，在計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息化技術(shù)的作用下，將經(jīng)營管理活動和機(jī)械制造中的各種生產(chǎn)要求整合到一起，形成一個(gè)有機(jī)整體。在這種生產(chǎn)環(huán)境下，也可以實(shí)現(xiàn)以人為本的柔性管理[6]。例如，企業(yè)在進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)的時(shí)候，可以通過對經(jīng)濟(jì)管理和生產(chǎn)過程中的動態(tài)集中，將全部的工作動態(tài)整合到一起，然后對各項(xiàng)工作要求進(jìn)行融合。在實(shí)際應(yīng)用中，工作人員必須到現(xiàn)場實(shí)地考察，對機(jī)械設(shè)備功能指標(biāo)、參數(shù)設(shè)置進(jìn)行查看，記錄設(shè)備原始數(shù)據(jù)，以便于后期對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，在做好前期準(zhǔn)備工作的基礎(chǔ)上才能在實(shí)踐過程中提升行業(yè)生產(chǎn)效率。這對于保護(hù)生態(tài)環(huán)境、降低新產(chǎn)品研發(fā)成本、提升產(chǎn)品質(zhì)量來說，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2.4 智能制造技術(shù)應(yīng)用

智能制造技術(shù)的綜合性很強(qiáng)，應(yīng)用范圍很廣。智能制造技術(shù)指的是用計(jì)算機(jī)模擬、分析，為制造業(yè)智能信息收集、存儲、完善、共享、集成以及發(fā)展而誕生的先進(jìn)的制造技術(shù)。智能機(jī)械技術(shù)涵蓋的技術(shù)領(lǐng)域較多，不僅包括系統(tǒng)工程、人工智能，還包括機(jī)械制造技術(shù)和自動化技術(shù)等等[7]。這些技術(shù)融合到一起就形成了智能制造技術(shù)。在機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)過程中，利用智能制造技術(shù)可以高效進(jìn)行生產(chǎn)制造活動。例如，在制造過程中涉及的決策活動、推理活動以及分析活動等等，都可以利用智能制造技術(shù)進(jìn)行。智能制造技術(shù)其實(shí)就是機(jī)械制造智能與人工智能的有機(jī)結(jié)合體[8]。智能制造技術(shù)將人工智能技術(shù)成果引入了機(jī)械制造的全過程中，通過模擬專家智力，取代或者延伸機(jī)械制造過程中本該是專家完成的環(huán)節(jié)。在制造行業(yè)中有效應(yīng)用智能機(jī)械技術(shù)，不僅能夠?qū)︻愃朴趯＜业闹橇M(jìn)行合理運(yùn)用，從而對機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行狀況進(jìn)行自動化檢測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并針對這些問題制定出有效的解決策略，同時(shí)還能將智能機(jī)械技術(shù)具有的預(yù)防和改進(jìn)作用充分體現(xiàn)出來。

2.5 柔性自動化技術(shù)的應(yīng)用

柔性自動化技術(shù)是一種適用于多品種、中小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)，其原理是將物質(zhì)和信息兩大部分有機(jī)結(jié)合起來組織運(yùn)行，從而達(dá)到工業(yè)產(chǎn)品制造過程中高度自動化的目的，其本身具有很強(qiáng)的靈活性，可以經(jīng)常改變生產(chǎn)計(jì)劃。柔性自動化技術(shù)主要由自動機(jī)床、物流、信息以及軟件幾部分組成，在機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用柔性自動化技術(shù)就是在設(shè)計(jì)過程中，借助通信技術(shù)的優(yōu)勢對外界因素造成的差異性進(jìn)行有效應(yīng)對，提升其適應(yīng)能力[9]。隨著機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)的發(fā)展，用戶對產(chǎn)品的要求越來越高，為了使機(jī)械設(shè)計(jì)制造企業(yè)在用戶需求反應(yīng)能力、適應(yīng)能力以及應(yīng)變能力等方面能有所提升，更好地滿足產(chǎn)品用戶的需求，需要機(jī)械設(shè)計(jì)制造企業(yè)與技術(shù)更新、市場需求等外部因素進(jìn)行緊密結(jié)合，這樣才能更好地對產(chǎn)品制造種類以及產(chǎn)品生產(chǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)合理的調(diào)整。在此背景下，柔性自動化技術(shù)的應(yīng)用能夠起到很好的效果，可以針對目前機(jī)械設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題進(jìn)行有效解決。如：在實(shí)際的機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和制造過程中，如果用戶對產(chǎn)品的需求發(fā)生了變化，企業(yè)就可以利用柔性自動化技術(shù)具有的優(yōu)勢，來提升機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和制造的應(yīng)變能力，以此滿足用戶對產(chǎn)品的最新需求。柔性自動化技術(shù)的應(yīng)用對于縮短生產(chǎn)制造周期、減少產(chǎn)品庫存、提升產(chǎn)品質(zhì)量具有重要的意義。

2.6 數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用

數(shù)控技術(shù)即數(shù)字控制技術(shù)，指的是通過計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行編程，從而實(shí)現(xiàn)對機(jī)械制造加工的生產(chǎn)控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)械制造自動化。在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，利用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)可以完成數(shù)控仿真分析，并在虛擬環(huán)境中展示出機(jī)械產(chǎn)品的尺寸、形狀以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)人員可以據(jù)此來進(jìn)行圖紙修正，確保機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性[10]。例如，對于普通的二軸車床，可以在車床利用數(shù)控系統(tǒng)和驅(qū)動裝置，完成零件編程加工，實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)改造。如果加工對象發(fā)生變化，僅需對刀具、程序等進(jìn)行調(diào)整即可，能輕松實(shí)現(xiàn)大量工件的加工。當(dāng)前，主要采用PLC可編程邏輯控制器來進(jìn)行機(jī)械控制，提升加工精度的同時(shí)提高加工效率。在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中，數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)各不相同，但是其主要包含控制單元、數(shù)控機(jī)床、可編程單元以及控制中心幾部分。在完成計(jì)算機(jī)編程后，將編寫好的程序信息輸入，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電路驅(qū)動，計(jì)算機(jī)對這些信息進(jìn)行分析處理后，得出加工坐標(biāo)軸移動輸入分量，通過將其放大、轉(zhuǎn)換后再輸入控制裝置，實(shí)現(xiàn)控制機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)的目標(biāo)。

2.7 創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用

創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法是機(jī)械設(shè)計(jì)未來的重要發(fā)展趨勢，要想機(jī)械設(shè)計(jì)能夠滿足社會發(fā)展需求，就需要掌握創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，而創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在可以對復(fù)雜的機(jī)械設(shè)計(jì)方案自動地進(jìn)行仿真、裝配以及建模。在這個(gè)過程中，自動化技術(shù)能夠經(jīng)過基本的建構(gòu)占據(jù)有利的空間位置，同時(shí)建立相互聯(lián)系，以此實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的優(yōu)化配置。除此之外，自動化系統(tǒng)還能夠利用有效的預(yù)定算法，選擇出最佳的設(shè)計(jì)方案，使企業(yè)可以更好地掌握市場發(fā)展前景，提升市場競爭力，并在激烈的市場競爭中獲取更多的市場份額。

3 結(jié)束語

綜上所述，對于機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)來說，自動化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用能夠有效提升我國的機(jī)械設(shè)計(jì)制造水平。相對于發(fā)達(dá)國家而言，我國的機(jī)械設(shè)計(jì)水平相對落后，因此，必須要加強(qiáng)在自動化機(jī)械制造設(shè)計(jì)方面的研究。而將自動化技術(shù)有效應(yīng)用到機(jī)械設(shè)計(jì)中，使其發(fā)揮最大化的資源利用率，以及節(jié)約成本、提升生產(chǎn)效率和質(zhì)量的重要作用，能夠增強(qiáng)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，幫助企業(yè)不斷提升市場競爭力，并促進(jìn)自動化機(jī)械制造行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。