環(huán)保機械設(shè)計制造及其自動化的發(fā)展研究

茅洪菊，韓飛飛

（中國天楹股份有限公司，南通 226600）

1 前言

2021年5月的Yellow Tables數(shù)據(jù)顯示，在全球排名前50機械設(shè)計制造商企業(yè)中，我國機械制造企業(yè)排名穩(wěn)步上升，排名前3—5名的皆為我國機械設(shè)計制造企業(yè)，這也從側(cè)面上反映出我國機械設(shè)計制造行業(yè)穩(wěn)健的發(fā)展形勢。作為推動我國經(jīng)濟發(fā)展的支柱性行業(yè)，機械制造行業(yè)在加快社會建設(shè)進程方面發(fā)揮的作用不容忽視，一方面，機械制造行業(yè)為各行業(yè)生產(chǎn)生活提供了相應(yīng)的儀器設(shè)備；另一方面，機械制造行業(yè)的進步也有助于我國工業(yè)體系的完善。整體而言，現(xiàn)階段我國機械行業(yè)所應(yīng)用的自動化技術(shù)已經(jīng)體現(xiàn)出一定的成熟性，且其隨著機械行業(yè)的發(fā)展也在持續(xù)完善、更新。在新的時代背景下，相關(guān)主體要結(jié)合時代發(fā)展形勢，探索機械制造行業(yè)新的發(fā)展方向。

2 機械設(shè)計制造與其自動化發(fā)展概述

所謂機械設(shè)計制造自動化，指的是在產(chǎn)品設(shè)計、加工等環(huán)節(jié)，應(yīng)用功能先進的設(shè)備和技術(shù)，對產(chǎn)品生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)予以把控，以保障產(chǎn)品生產(chǎn)加工質(zhì)量良好。隨著時代的進步，產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)也會從機械化向數(shù)字自動化方向過渡，提升產(chǎn)品生產(chǎn)速度和加工質(zhì)量。作為一門綜合性學科，機械設(shè)計制造與多門學科相關(guān)聯(lián)，內(nèi)容相對廣泛。相比于傳統(tǒng)層面的機械制造發(fā)展而言，機械設(shè)計制造與其自動化發(fā)展具有明顯的人性化、智能化和科學化等特點，可滿足更多行業(yè)發(fā)展需求，提升產(chǎn)品性能，完善產(chǎn)品功能。

3 環(huán)保機械設(shè)計制造與其自動化發(fā)展原則

3.1 關(guān)注原材料性能

在機械設(shè)計與制造階段，原材料直接關(guān)系到機械設(shè)備環(huán)保性，因此，有關(guān)主體要在設(shè)計制造階段，關(guān)注原材料性能，強化材料篩選力度，確保其契合節(jié)能環(huán)保設(shè)計要求。第一，應(yīng)關(guān)注材料耐久性，通過選擇耐久性更優(yōu)的材料，提高材料綜合利用率，發(fā)揮材料性能優(yōu)勢，延長設(shè)備使用周期。第二，盡可能選擇輕量化的材料，降低設(shè)備自重。

3.2 落實設(shè)備減震降噪工作

一般而言，機械設(shè)備造型奇特、體積較大，故其在具體運行期間，普遍會產(chǎn)生較強噪音，形成噪聲污染。而在環(huán)保節(jié)能設(shè)計觀念影響下，則需落實機械設(shè)備減震降噪工作，結(jié)合機械設(shè)備具體特征、噪聲來源以及噪聲傳播方式，選擇合理的原材料，合理優(yōu)化相關(guān)結(jié)構(gòu)件，強化動力裝置應(yīng)用有效性。部分情況下，也可選擇應(yīng)用消聲設(shè)備和隔聲隔震裝置等，實現(xiàn)減震降噪目標。

3.3 彰顯自動智能特征

將自動化、智能化技術(shù)應(yīng)用于機械設(shè)計制造環(huán)節(jié)，可突破傳統(tǒng)設(shè)計模式的局限性，強化設(shè)計效果，同時還可推動綠色節(jié)能環(huán)保目標的實現(xiàn)。機械系統(tǒng)內(nèi)所含有的程序、傳感、控制和作業(yè)等模塊，可密切配合，協(xié)同運作，提升機械運行效率和操作便捷性，彰顯出設(shè)備多樣化的功能[1]。另外，智能化技術(shù)的應(yīng)用，也賦予了機械系統(tǒng)對產(chǎn)品生產(chǎn)全過程進行智能化監(jiān)測與控制的功能。

3.4 契合節(jié)能減排理念

目前，社會公眾愈發(fā)關(guān)注機械設(shè)計制造與其自動化發(fā)展的節(jié)能性和環(huán)保性。且相關(guān)調(diào)查顯示，在我國社會總耗能中，機械能耗占據(jù)了較高的比例，故需關(guān)注機械設(shè)備節(jié)能設(shè)計工作。相關(guān)主體在選擇機械設(shè)備期間，要選擇負載合理的、性能優(yōu)良的設(shè)備，降低設(shè)備耗能，同時，在進行機械設(shè)備設(shè)計制造工作時，也要對其運行工序加以優(yōu)化和調(diào)整，提升設(shè)備滿載率。在機械設(shè)備運行管理階段，要安排專業(yè)技術(shù)人員，計算設(shè)備運行耗能，在發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在異常情況時，及時處理設(shè)備問題。

3.5 考慮機械設(shè)備功能要求

機械設(shè)計制造與其自動化發(fā)展對社會各行業(yè)生產(chǎn)效率和質(zhì)量的提升大有裨益，對于機械設(shè)備生產(chǎn)、管理而言，更是有著深遠的影響。為最大程度發(fā)揮自動化技術(shù)應(yīng)用于機械設(shè)計制造領(lǐng)域的價值，設(shè)計人員在設(shè)計機械設(shè)備時，要綜合考慮機械設(shè)備功能要求和安全管理核心，完善優(yōu)化設(shè)備功能，保障機械設(shè)備應(yīng)用的靈活性。

3.6 積極應(yīng)用先進技術(shù)

各項先進技術(shù)的應(yīng)用，可為機械設(shè)計制造與其自動化發(fā)展提供不竭的動力，相關(guān)主體可結(jié)合實際需要，針對性生產(chǎn)機械產(chǎn)品，提升機械設(shè)計制造智能化水準。

4 機械設(shè)計制造與其自動化發(fā)展的價值

4.1 可提升產(chǎn)品生產(chǎn)能力和加工質(zhì)量

在機械設(shè)計制造自動化背景下，相關(guān)生產(chǎn)主體可結(jié)合實際情況，對產(chǎn)品生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)靈活加以控制。同時，依托自動化技術(shù)，機械設(shè)備自動化控制與自動化檢測的精確度皆會顯著提升，機械設(shè)計制造系統(tǒng)能夠遵循相關(guān)規(guī)范標準，科學高效地完成一系列操作。另外，依托自動化技術(shù)，機械產(chǎn)品生產(chǎn)效率和加工穩(wěn)定性也會大幅度提升，機械設(shè)備靈活的工作方式也可有效縮短產(chǎn)品加工周期。

4.2 可保障產(chǎn)品加工安全性與可靠性

自動化技術(shù)的應(yīng)用，使機械設(shè)備產(chǎn)品制造加工階段的監(jiān)督控制、診斷和保護機制得以完善，如在產(chǎn)品生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)出現(xiàn)電路故障等問題，系統(tǒng)會對應(yīng)啟動保護措施，將事故危害控制在一定范圍內(nèi)[2]。同時，機械設(shè)備所應(yīng)用的各種類型的電子元器件，也會最大程度地降低機械設(shè)備在生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)存在的磨損問題，保障產(chǎn)品加工安全性、可靠性。

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4.3 可改善機械設(shè)備運行性能

在機械設(shè)備自動化、智能化背景下，相關(guān)主體可結(jié)合機械產(chǎn)品具體加工制造要求，優(yōu)化產(chǎn)品加工工藝，生產(chǎn)出不同類型的機械產(chǎn)品，以滿足不同對象的需求。同時，依托各項先進技術(shù)，相關(guān)主體也可將產(chǎn)品信息納入到機械設(shè)備自動化控制系統(tǒng)，完善產(chǎn)品加工流程，改善機械設(shè)備運行性能。

4.4 可優(yōu)化產(chǎn)品生產(chǎn)勞動條件

機械設(shè)計制造自動化形勢下，產(chǎn)品生產(chǎn)速度顯著加快，同時，基于自動化技術(shù)的特征，相關(guān)主體可將機械設(shè)備應(yīng)用于技術(shù)、知識密集型產(chǎn)品的生產(chǎn)加工實踐中，最大程度地解放人力資源，實現(xiàn)產(chǎn)品現(xiàn)代化生產(chǎn)目標。

4.5 可節(jié)省生產(chǎn)加工資源和能耗

在資源節(jié)約型社會建設(shè)目標背景下，相關(guān)主體在生產(chǎn)機械設(shè)計制造產(chǎn)品時，要在關(guān)注產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，嚴格把控生產(chǎn)加工資源和能源的消耗，依托自動化技術(shù)，調(diào)節(jié)產(chǎn)品生產(chǎn)資源和能源供應(yīng)，進而實現(xiàn)理想的節(jié)能生產(chǎn)目標。

5 機械設(shè)計制造自動化的具體應(yīng)用案例

本環(huán)節(jié)選擇具體的化工生產(chǎn)案例，以W3150型立式銑削數(shù)控加工中心為對象進行研究。

5.1 方案總體設(shè)計

本方案又可細分為包含刀具、零部件和數(shù)控加工等小案例，各子系統(tǒng)和總系統(tǒng)之間聯(lián)系密切。同時，將大型裝備數(shù)控機床作為總體案例，將立式銑削數(shù)控加工中心內(nèi)關(guān)鍵參數(shù)和主要構(gòu)成科學進行拆分，構(gòu)成子案例，包括工程圖紙、軸承、齒輪傳動和氣缸等[3]。一般而言，機械設(shè)計制造項目主要將產(chǎn)品生產(chǎn)、開發(fā)、設(shè)計等環(huán)節(jié)存在的技術(shù)問題作為研究內(nèi)容，而單純的應(yīng)用文字和數(shù)據(jù)往往難以準確表達工程問題，此時則需要引進自動化技術(shù)。相關(guān)人員在應(yīng)用先進技術(shù)劃分大案例時，要重點思考如何從立式銑削數(shù)控加工中心抽出典型的子系統(tǒng)，同時還需重點考慮電氣元件供應(yīng)等問題。

5.2 鍋爐汽包水位控制

立足工業(yè)生產(chǎn)加工實踐可知，作為一項生產(chǎn)蒸汽的關(guān)鍵設(shè)備，鍋爐汽包在W3150型立式銑削數(shù)控加工中扮演著重要的角色，相關(guān)人員在合理應(yīng)用該項設(shè)備的基礎(chǔ)上，可促進產(chǎn)品加工產(chǎn)量大幅度提升?；诖耍嚓P(guān)人員需引進自動化技術(shù)，嚴格控制鍋爐汽包液位高度，確保其液位在合理范圍內(nèi)。

圖1 汽包水單沖量控制系統(tǒng)

二是從雙沖量控制系統(tǒng)來看，在蒸汽負荷發(fā)生變化后，會增加汽包水控制工作難度，此時相關(guān)人員需結(jié)合蒸汽流具體變化情況，有效調(diào)整汽包水位，減少水位波動。

三是從三沖量控制系統(tǒng)來看，為最大程度降低給水系統(tǒng)的影響，規(guī)避雙沖量控制系統(tǒng)的安全隱患，可應(yīng)用三沖量控制系統(tǒng)，發(fā)揮多通道控制器功能，完成相應(yīng)的控制工作。

5.3 冷卻器控制方案

針對冷卻器的控制，主要提出兩大點控制方案：一方面，需對冷卻劑流量加以控制，通常情況下是通過改變傳熱面積和速率實現(xiàn)。此種控制方式具有保守性特點，需要相關(guān)人員充分利用冷量，且要盡可能地避免其對壓縮機入口壓力產(chǎn)生影響。但此種操作方式并不方便，在操作期間氣體蒸發(fā)空間難以保障，如操作不當，還可能造成壓縮機損壞。因此，相關(guān)人員在對冷卻器加以控制時，要科學把控物料進出口溫度，合理控制液位上下限，確保系統(tǒng)內(nèi)部蒸發(fā)空間充足?？偠灾?，在機械設(shè)計制造自動化裝置和被控制工藝設(shè)備間設(shè)計無人化、全自動控制系統(tǒng)，操作人員利用計算機設(shè)備即可關(guān)注裝置整體變化，保障產(chǎn)品生產(chǎn)的可靠性和安全性，最大程度地降低人員工作強度。

6 機械設(shè)計制造及其自動化發(fā)展展望

未來，機械設(shè)計制造與其自動化發(fā)展將呈現(xiàn)出如下四點特征。

6.1 網(wǎng)絡(luò)化特征

日前，信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已與全球經(jīng)濟發(fā)展融于一體，對現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、政治軍事和教育等產(chǎn)生了顯著的影響。機械設(shè)計制造與其自動化發(fā)展也需要相關(guān)人員以網(wǎng)絡(luò)平臺為媒介，指導產(chǎn)品設(shè)計加工過程。同時，依托網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，各生產(chǎn)主體還可通過網(wǎng)絡(luò)平臺進行技術(shù)交流，實現(xiàn)機械設(shè)計產(chǎn)品加工網(wǎng)絡(luò)化和自動化目標。

6.2 模塊化特征

嚴格來說，產(chǎn)品生產(chǎn)加工設(shè)計模塊化發(fā)展屬于一項長期、復(fù)雜的工程，依托自動化技術(shù)，硬件模塊化發(fā)展可為數(shù)控系統(tǒng)集成化、標準化發(fā)展提供助力。相關(guān)主體在進行機械設(shè)計制造加工工作時，也可結(jié)合實際需求，靈活調(diào)整CPU、PLC和存儲器等位置，進而通過增刪替換構(gòu)建檔次不同的數(shù)控系統(tǒng)。現(xiàn)階段，機械設(shè)計制造產(chǎn)品生產(chǎn)廠家和生產(chǎn)類型體現(xiàn)出多元化特點，一定程度上也增加了電氣、機械等接口自動化設(shè)計、開發(fā)工作的難度，而在未來，依托自動化技術(shù)，則可構(gòu)建集智能、研發(fā)減速、電動機設(shè)備為一體的動力單元，在實現(xiàn)新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計目標的同時，也可擴大產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模。

6.3 綠色環(huán)保特征

工業(yè)的發(fā)展進步豐富了社會公眾的物質(zhì)生活，提升了社會公眾的生活品質(zhì)。而在當前，面對社會資源數(shù)量銳減的趨勢，如何應(yīng)用先進技術(shù)減少各行業(yè)發(fā)展階段的能源消耗開始成為一項社會熱點問題。將自動化技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，可推動工業(yè)綠色化、環(huán)?；l(fā)展目標高效達成。

6.4 智能化特征

新發(fā)展階段，智能化已經(jīng)成為機械設(shè)計制造自動化發(fā)展的重要方向，智能化技術(shù)充分融合了運籌學、模擬數(shù)學和人工智能等學科知識，相關(guān)主體可在模擬人工智能技術(shù)的過程中，對產(chǎn)品生產(chǎn)活動進行準確判斷和分析，實現(xiàn)降低產(chǎn)品作業(yè)消耗目標。

7 結(jié)論

總而言之，新的時代背景下，自動化技術(shù)與社會各領(lǐng)域深度融合，機械設(shè)計制造與其自動化的發(fā)展既可以提升產(chǎn)品生產(chǎn)效率和質(zhì)量，又可保障產(chǎn)品生產(chǎn)穩(wěn)定性和安全性。因此，文章對機械設(shè)計制造與其自動化的發(fā)展進行了深入的研究，旨在實現(xiàn)機械自動化一體化生產(chǎn)目標的基礎(chǔ)上，推動我國機械工業(yè)長遠、穩(wěn)定發(fā)展。