人工智能技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化中的應(yīng)用

文/孔藤橋

在我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的過(guò)程中，制造業(yè)發(fā)揮了顯著的促進(jìn)作用。與此同時(shí)，信息化技術(shù)不斷更新升級(jí)，智能化、自動(dòng)化逐漸成為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的熱門(mén)。例如，在機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域，人工智能等新興技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，不僅加快了整個(gè)制造業(yè)的發(fā)展步伐，還推動(dòng)了產(chǎn)業(yè)升級(jí)和轉(zhuǎn)型進(jìn)程。

人工智能技術(shù)的出現(xiàn)標(biāo)志著人類社會(huì)邁入了一個(gè)嶄新的時(shí)代。在此背景下，將人工智能技術(shù)運(yùn)用于機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化對(duì)整個(gè)行業(yè)的發(fā)展具有積極的推動(dòng)作用。因此，本文重點(diǎn)探討了機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)中人工智能技術(shù)的有效應(yīng)用策略。

一、人工智能技術(shù)概述

人工智能技術(shù)作為一種現(xiàn)代化的新興技術(shù)，具有顯著的綜合性特征，它不僅與電子信息、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等多種技術(shù)息息相關(guān)，還涉及心理學(xué)、哲學(xué)等專業(yè)學(xué)科。當(dāng)前，很多產(chǎn)業(yè)都直接或間接地受到人工智能技術(shù)的影響，為人工智能技術(shù)的全面推廣奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。例如，在人工智能技術(shù)的支持下，機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的發(fā)展逐漸具備了信息化的特征，并有效規(guī)避了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)制造模式下模型不清晰等問(wèn)題，能夠在穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下為用戶提供更好的體驗(yàn)。具體而言，人工智能技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造與自動(dòng)化中的應(yīng)用主要呈現(xiàn)以下兩方面的特征。（1）功能與需求相符，有助于在整合產(chǎn)品設(shè)計(jì)、研發(fā)及生產(chǎn)環(huán)節(jié)的同時(shí)進(jìn)一步豐富產(chǎn)品功能。（2）有利于推動(dòng)科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用和推廣。例如，機(jī)械制造企業(yè)可通過(guò)在產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中持續(xù)加大信息化技術(shù)的應(yīng)用，以優(yōu)化傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，提高制造質(zhì)量，提升生產(chǎn)線的自動(dòng)化水平。

二、在機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化中應(yīng)用人工智能技術(shù)的必要性

一方面，將人工智能技術(shù)引入機(jī)械設(shè)計(jì)制造和自動(dòng)化領(lǐng)域可有效提高機(jī)械制造企業(yè)的生產(chǎn)效率。以前，由于機(jī)械制造企業(yè)對(duì)人工操作的依賴性較高，加上操作的復(fù)雜性，人為失誤的情況時(shí)有發(fā)生，這在一定程度上影響了生產(chǎn)效率的提升。[1]而在引入人工智能技術(shù)后，企業(yè)管理人員通過(guò)程序設(shè)置就能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的自動(dòng)化制造和加工，從而提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，同時(shí)避免人為失誤帶來(lái)的不利影響。另一方面，人工智能技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造和自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用，能夠保證機(jī)械制造企業(yè)的安全生產(chǎn)。安全生產(chǎn)一直是機(jī)械制造企業(yè)遵循的最重要的原則之一。而在傳統(tǒng)生產(chǎn)模式下，工人經(jīng)常要輪班作業(yè)。由于精力有限，部分工人較易忽視細(xì)節(jié)問(wèn)題進(jìn)而給生產(chǎn)車間埋下安全隱患。如今，有了人工智能技術(shù)的支持，機(jī)械制造企業(yè)就可以直接打造自動(dòng)化的生產(chǎn)車間，并借助攝像設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)機(jī)器的全天候、全方位監(jiān)控。另外，當(dāng)生產(chǎn)車間的機(jī)器突發(fā)故障時(shí)，管理人員也可以運(yùn)用智能化系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)急處理，以避免故障的進(jìn)一步擴(kuò)大。

三、人工智能技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化中的有效應(yīng)用

（一）智能CAD 的應(yīng)用

與傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)與制造技術(shù)相比，智能CAD 不僅可以將產(chǎn)品數(shù)據(jù)的點(diǎn)、線、面聯(lián)系在一起，還可以在集合專家、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)和算法的基礎(chǔ)上，為機(jī)械設(shè)計(jì)與制造人員提供科學(xué)指導(dǎo)。例如，在開(kāi)始制造前，機(jī)械制造企業(yè)可以利用專家系統(tǒng)收集產(chǎn)品生產(chǎn)的常見(jiàn)問(wèn)題，之后在算法系統(tǒng)的支持下將其編譯成相應(yīng)的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言。在接下來(lái)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，一旦出現(xiàn)與專家系統(tǒng)收集信息相一致的問(wèn)題，管理人員就能立即采取相應(yīng)的解決辦法，從而保證生產(chǎn)安全和產(chǎn)品質(zhì)量。[2]除此之外，作為人工智能技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也在機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)神經(jīng)元進(jìn)行仿真，進(jìn)而為機(jī)器的設(shè)計(jì)與制造提供技術(shù)支持。例如，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于由非線性關(guān)聯(lián)造成的數(shù)據(jù)斷點(diǎn)，管理人員可借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬，或者利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的記憶功能進(jìn)行數(shù)據(jù)“焊接”。因此，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不僅能保證產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量，還有利于促進(jìn)機(jī)械制造企業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。

（二）在機(jī)械制造環(huán)節(jié)的應(yīng)用

在機(jī)械制造環(huán)節(jié)，人工智能技術(shù)的作用主要體現(xiàn)在對(duì)產(chǎn)品的生產(chǎn)和加工過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)化處理與控制，在保證產(chǎn)品精度的前提下，盡可能降低外部環(huán)境對(duì)生產(chǎn)效率與質(zhì)量的不利影響。例如，在人工智能技術(shù)的支持下，生產(chǎn)車間的管理人員能夠有效把握市場(chǎng)需求變化，智能調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃，充分滿足客戶的多樣化需求。同時(shí)，在機(jī)械制造環(huán)節(jié)，機(jī)器人和機(jī)械手的應(yīng)用越來(lái)越普遍。而在引入人工智能技術(shù)后，機(jī)器人和機(jī)械手的工作效率顯著提升，不僅能取代大量的人工作業(yè)，還可以同時(shí)開(kāi)展多項(xiàng)任務(wù)，為機(jī)械制造企業(yè)創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益。

（三）在數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

人工智能技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在，利用自動(dòng)控制技術(shù)來(lái)開(kāi)展數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通常，在運(yùn)行期間，數(shù)控機(jī)床主要通過(guò)分析和計(jì)算已有的測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)判斷加工參數(shù)的適配性，并在鏜孔環(huán)節(jié)將切削振動(dòng)控制在合理范圍內(nèi)。在傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造模式下，技術(shù)人員的主要工作是操作數(shù)控機(jī)床完成生產(chǎn)任務(wù)。而在運(yùn)用人工智能技術(shù)搭建自動(dòng)控制系統(tǒng)后，機(jī)械制造企業(yè)可打造工業(yè)機(jī)器人協(xié)同裝配中心，以便技術(shù)人員更加精準(zhǔn)地操控?cái)?shù)控機(jī)床。需要注意的是，自動(dòng)控制技術(shù)離不開(kāi)計(jì)算機(jī)技術(shù)的輔助。也就是說(shuō)，在引進(jìn)自動(dòng)控制技術(shù)之前，機(jī)械制造企業(yè)必須安裝計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)，以充分發(fā)揮自動(dòng)控制技術(shù)在節(jié)約時(shí)間成本、降低能耗、提高綜合效益等方面的優(yōu)勢(shì)。

（四）在信息處理中的應(yīng)用

現(xiàn)階段，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化等領(lǐng)域大多采用電子信息系統(tǒng)，但此類系統(tǒng)容易在數(shù)據(jù)信息傳輸過(guò)程中發(fā)生故障，造成數(shù)據(jù)信息傳送失敗等后果。其原因在于電子信息系統(tǒng)的穩(wěn)定性不足。因此，機(jī)械制造企業(yè)有必要將人工智能技術(shù)應(yīng)用于信息處理工作。人工智能技術(shù)不僅能解決高難度的計(jì)算問(wèn)題，還能在數(shù)據(jù)信息傳輸過(guò)程中對(duì)整個(gè)電子信息系統(tǒng)的安全性及穩(wěn)定性進(jìn)行精準(zhǔn)定位與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，以確保數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性、全面性、時(shí)效性，方便相關(guān)工作人員高效處理數(shù)據(jù)信息，為機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供有力支持。

（五）在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算中的應(yīng)用

基于人工智能技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)同時(shí)也是模擬人的神經(jīng)系統(tǒng)搭建而成的電子信息系統(tǒng)，該系統(tǒng)在信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算與分析等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，如內(nèi)存容量大、檢索效率高等優(yōu)勢(shì)。[3]具體來(lái)說(shuō)，在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)制造的過(guò)程中，在人工智能技術(shù)支持下的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不僅可以模擬相關(guān)設(shè)備、生產(chǎn)模式等，還可以全面深入分析相關(guān)數(shù)據(jù)信息，切實(shí)提高加工參數(shù)的準(zhǔn)確性，保證產(chǎn)品生產(chǎn)的有序性與高效性。另外，從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層面來(lái)分析，產(chǎn)品生產(chǎn)流程中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以看作是一個(gè)神經(jīng)元。正因?yàn)槿绱?，電子信息系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加緊湊、穩(wěn)定，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能化水平不斷提升。

（六）在故障診斷系統(tǒng)中的應(yīng)用

在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中采用故障診斷技術(shù)，有助于縮短設(shè)備的維護(hù)周期和降低維護(hù)費(fèi)用。就當(dāng)前來(lái)看，常見(jiàn)的故障診斷系統(tǒng)主要由機(jī)械故障案例庫(kù)、故障推理機(jī)以及故障診斷過(guò)程三部分組成。而在故障診斷過(guò)程中，技術(shù)人員常用的方法也有三種：一是應(yīng)用故障樹(shù)模型進(jìn)行診斷；二是基于案例推理進(jìn)行診斷；三是通過(guò)規(guī)則推理進(jìn)行診斷?；诖?，在實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化的過(guò)程中，機(jī)械制造企業(yè)的具體操作主要涉及以下三個(gè)環(huán)節(jié)：（1）用戶登錄人機(jī)交互界面并點(diǎn)擊進(jìn)入機(jī)電設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在相應(yīng)模塊輸入數(shù)據(jù)信息；（2）借助故障診斷系統(tǒng)的分析和判斷功能對(duì)用戶輸入的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行診斷，并記錄診斷結(jié)果；（3）根據(jù)診斷結(jié)果和相似案例的處理方式，為機(jī)電設(shè)備的維修提供可行建議，指導(dǎo)完成故障診斷和設(shè)備維修等工作。

四、結(jié)語(yǔ)

隨著時(shí)代的發(fā)展與進(jìn)步，傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化體系已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)前階段的市場(chǎng)需求，必須進(jìn)行升級(jí)和優(yōu)化。因此，機(jī)械制造企業(yè)必須加大人工智能技術(shù)的應(yīng)用，不斷提高生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量。目前，人工智能技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在智能CAD、機(jī)械制造、數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域。目前，人工智能技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化中的應(yīng)用范圍仍有較大空間，各機(jī)械制造企業(yè)要結(jié)合產(chǎn)業(yè)需求和智能化、自動(dòng)化轉(zhuǎn)型方向，不斷優(yōu)化生產(chǎn)模式，促進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)制造和智能產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。