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

摘要：文章首先闡述了人工智能技術(shù)的內(nèi)涵，其次時(shí)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化技術(shù)的相關(guān)理論進(jìn)行了概述．并對(duì)將人工智能技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化領(lǐng)域中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了探究，分析了當(dāng)前我國(guó)人工智能技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，最后詳細(xì)論述了將人工智能技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化中的具體方法以及未來(lái)的發(fā)展方向，以期為相關(guān)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：人工智能；機(jī)械設(shè)計(jì)；自動(dòng)化

中圖法分類號(hào)：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

１ 人工智能技術(shù)的內(nèi)涵

１．１ 概念定義

人工智能（Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ，ＡＩ）是一門新興的計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)，研究的主要內(nèi)容為：如何以機(jī)器為應(yīng)用載體，實(shí)現(xiàn)對(duì)人智能理論與技術(shù)的開發(fā)、模仿、延伸、擴(kuò)展。傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備即便是引入了自動(dòng)化和信息技術(shù)，也需要通過人為操作與編程來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)其控制，機(jī)械設(shè)備本身不具備思考與決策的能力，而人工智能技術(shù)的引入，會(huì)讓機(jī)械設(shè)備擁有一定的思考能力，可以完成部分過去只有人才能做的工作，用于解決生產(chǎn)勞動(dòng)中的實(shí)際問題［１］ 。

１．２ 研究?jī)r(jià)值

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的科學(xué)工程領(lǐng)域需要通過計(jì)算才能完成相關(guān)作業(yè)，而這些計(jì)算工作大多任務(wù)繁重，利用人工進(jìn)行作業(yè)不僅誤差大，還降低了工作效率，因此為能夠有效解決這一問題，則可以利用計(jì)算機(jī)大容量和高精準(zhǔn)度的特點(diǎn)，來(lái)替代一些復(fù)雜的人工作業(yè)或者高危崗位。此時(shí)，人工智能技術(shù)便在其中發(fā)揮重要的作用，不僅能夠提高數(shù)據(jù)信息的精準(zhǔn)度，還可以省掉一些冗余重復(fù)的工作流程，進(jìn)一步保障了人類的生命安全。

２ 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化相關(guān)理論概述

２．１ 機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化制造原則分析

其需要在基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)與制造理論之上，融入計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)，以便實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化控制，推動(dòng)社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展［２］ 。同時(shí)，也要站在實(shí)用性機(jī)械功能的設(shè)計(jì)角度，提高設(shè)計(jì)思路的創(chuàng)新性，保證各類能量與信息能有效轉(zhuǎn)化。

２．２ 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化的重要性

其能夠依靠先進(jìn)的工業(yè)化技術(shù)，來(lái)提升國(guó)民的經(jīng)濟(jì)水平，通過機(jī)械設(shè)備制造及自動(dòng)化設(shè)備的投入，能夠改變既有生產(chǎn)作業(yè)過程中所存在的設(shè)備制造性能與款式局限性較強(qiáng)的問題，可以最大限度地減少生產(chǎn)誤差。

３ 人工智能技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

３．１ 運(yùn)行效率方面

人工智能技術(shù)能夠減少既往人工作業(yè)中的重復(fù)

性作業(yè)步驟，可以依照前期所制定的相關(guān)程序，自動(dòng)進(jìn)行作業(yè)內(nèi)容的處理，在縮減了運(yùn)行時(shí)間的同時(shí)，也能夠減少對(duì)資源的浪費(fèi)［３］ 。

３．２ 安全性能方面

在機(jī)械生產(chǎn)的過程中很容易受到各類客觀因素的影響，而出現(xiàn)安全事故，同時(shí)部分人工操控的危險(xiǎn)性也較大，通過人工智能技術(shù)，其能夠避免數(shù)據(jù)碰撞問題，并可以代替部分高危作業(yè)，減少人為對(duì)機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)的影響。

４ 我國(guó)人工智能技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化中的應(yīng)用現(xiàn)狀

４．１ 發(fā)展階段

我國(guó)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化中應(yīng)用人工智能技術(shù)的起步較晚，但在短時(shí)間之內(nèi)有了較大的突破。近幾年隨著我國(guó)“十四五”規(guī)劃數(shù)字經(jīng)濟(jì)政策的頒布，使得部分企業(yè)開始重視了傳統(tǒng)作業(yè)的轉(zhuǎn)型，并擴(kuò)大了人工智能技術(shù)的應(yīng)用范圍。

４．２ 存在的問題

我國(guó)人工智能技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用成本較高，部分企業(yè)受到經(jīng)濟(jì)條件等客觀因素的限制，無(wú)法提高應(yīng)用普及性，同時(shí)部分技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域適應(yīng)性較差［４］ 。

５ 人工智能技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化中應(yīng)用的路徑

５．１ 核心應(yīng)用技術(shù)分析

（１）ＢＰ 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)是人工智能技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型之一，所構(gòu)建的模型能夠與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，可以對(duì)特征復(fù)雜的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理。將其應(yīng)用到機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化領(lǐng)域，一是能夠以數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的運(yùn)行節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)，構(gòu)建相應(yīng)的模型，在神經(jīng)元與數(shù)據(jù)協(xié)同處理下，可以提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。二是可以對(duì)信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)化監(jiān)測(cè)，保證操作的精準(zhǔn)性［５］ 。

（２）模糊控制技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)是人工智能技術(shù)實(shí)際應(yīng)用過程中的載體，通過模糊控制處理方式，可以最大限度地模仿人類的思維，從而保證了控制過程中的決策的精準(zhǔn)度。將其應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化領(lǐng)域，能夠?qū)⑾到y(tǒng)中專業(yè)性較強(qiáng)以及較為復(fù)雜的運(yùn)作模式轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以識(shí)別的語(yǔ)言算法，這樣就能夠保證系統(tǒng)內(nèi)各類數(shù)據(jù)信息運(yùn)行的安全穩(wěn)定性，同時(shí)能夠?qū)ο到y(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行多方位的分析，可以為各項(xiàng)應(yīng)對(duì)措施提供相應(yīng)的輔助決策。

５．２ 在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

當(dāng)前，在機(jī)械設(shè)計(jì)中所應(yīng)用的主要計(jì)算機(jī)軟件是ＣＡＤ（Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ，ＭＳ?ＣＡＤ 管理軟件計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)），該軟件具備函數(shù)庫(kù)、ＹＡＦ、最佳管理模型庫(kù)、設(shè)計(jì)工具等多項(xiàng)功能。將人工智能技術(shù)與其結(jié)合，則能夠顛覆傳統(tǒng)的機(jī)械ＣＡＤ設(shè)計(jì)模式，其不再依靠點(diǎn)線之間的關(guān)聯(lián)性，來(lái)確定產(chǎn)品的基礎(chǔ)功能，而是通過專家系統(tǒng)以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，基于機(jī)械設(shè)備的實(shí)際使用需求，對(duì)相關(guān)工作領(lǐng)域的資料進(jìn)行收集，針對(duì)既有部分設(shè)備在生產(chǎn)過程中所出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，將其轉(zhuǎn)換成能夠被計(jì)算機(jī)識(shí)別的語(yǔ)言，應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。當(dāng)出現(xiàn)問題以后，人工智能技術(shù)便會(huì)自動(dòng)協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)，優(yōu)化設(shè)計(jì)過程，為設(shè)計(jì)人員提供良好的解決對(duì)策。通過人工神經(jīng)元技術(shù)的應(yīng)用，可以將產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程與制造生產(chǎn)過程之中的非線性斷點(diǎn)數(shù)據(jù)相銜接，使機(jī)械性能大幅度提升，也提高了組合方案的科學(xué)性。

５．３ 在機(jī)械制造中的應(yīng)用

我國(guó)許多的大型綜合化生產(chǎn)線都將人工智能技術(shù)引入機(jī)械制造規(guī)劃環(huán)節(jié)，其主要面向的是生產(chǎn)流程的重構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的自動(dòng)化控制以及處理，可以減少人力資源投入成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，并且產(chǎn)品的精準(zhǔn)度也會(huì)更高。除此之外，以人工智能技術(shù)為基點(diǎn)所研發(fā)的機(jī)械臂也被投入到工業(yè)裝配、安全防爆等作業(yè)中，其具備多輸入和多輸出的系統(tǒng)特點(diǎn)，主要的構(gòu)成部分有視覺傳感器、機(jī)械臂系統(tǒng)、主控計(jì)算機(jī)，在制造的過程中，可以實(shí)現(xiàn)剛性化和自適應(yīng)處理，具有較強(qiáng)的柔性和能耗低以及響應(yīng)速度較快的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的人工機(jī)械制造生產(chǎn)作業(yè)相比，精準(zhǔn)度和速率會(huì)更高，并且能夠完成流水線較長(zhǎng)的作業(yè)任務(wù)，不會(huì)存在疲勞感與效率下降的問題。另一部分企業(yè)在制造生產(chǎn)時(shí)打造了智能化車間，結(jié)合機(jī)械臂的使用，可以提高生產(chǎn)與制造的標(biāo)準(zhǔn)化。

５．４ 在故障診斷中的應(yīng)用

在機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化領(lǐng)域中有許多的工程步驟需要涉及大量數(shù)據(jù)信息內(nèi)容的計(jì)算，而在計(jì)算的過程中工作人員不僅需要利用大型運(yùn)算公式對(duì)最終的結(jié)果進(jìn)行推導(dǎo)，還要利用結(jié)合理論論證構(gòu)建出相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型，為相關(guān)作業(yè)內(nèi)容的落實(shí)提供良好的支持。但在實(shí)際操作的過程中，人工計(jì)算會(huì)存在計(jì)算失誤或者推導(dǎo)結(jié)果不夠精準(zhǔn)的情況，當(dāng)出現(xiàn)此類問題時(shí)工作人員需要將數(shù)據(jù)信息帶回到上一步進(jìn)行重新評(píng)測(cè)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，影響生產(chǎn)進(jìn)度。而如果將人工智能技術(shù)應(yīng)用其中，則可以有效避免這一問題，其所具備的強(qiáng)大計(jì)算與處理功能，能夠?qū)⑺占降男畔?shù)據(jù)進(jìn)行有效歸類與處理，在短時(shí)間之內(nèi)便可以進(jìn)行計(jì)算以及推導(dǎo)作業(yè)，精準(zhǔn)判定出故障問題，提高了結(jié)果的精準(zhǔn)度。具體應(yīng)用步驟為：人工智能界面輸入關(guān)鍵信息→推理機(jī)利用正向推論對(duì)結(jié)果進(jìn)行診斷→給出相應(yīng)的決策建議→遇到故障問題分析原因并進(jìn)行計(jì)算與判定。

５．５ 在信息處理中的應(yīng)用

將人工智能技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化領(lǐng)域的信息處理環(huán)節(jié)中，可以最大限度地保證信息的安全性和穩(wěn)定性。當(dāng)機(jī)械在運(yùn)行時(shí)，會(huì)生成大量的信息，這些信息存在擁擠、冗余的問題，對(duì)于傳統(tǒng)的信息處理系統(tǒng)而言，在傳輸環(huán)節(jié)受到此類問題的影響，會(huì)使整個(gè)過程變得極其不穩(wěn)定，最終會(huì)導(dǎo)致傳輸以及傳入之間產(chǎn)生較大的誤差，影響了生產(chǎn)制造結(jié)果。而將人工智能技術(shù)融入其中，一是信息處理的效率以及質(zhì)量有所提升，所具備的強(qiáng)大信息分析功能，能夠?qū)⑺占降暮Ａ啃畔⑦M(jìn)行快速處理，并依照信息的特點(diǎn)，將其傳輸至指定的區(qū)域之內(nèi)，方便對(duì)生產(chǎn)作業(yè)設(shè)備的操作。二是在對(duì)其生產(chǎn)步驟進(jìn)行規(guī)劃與設(shè)計(jì)的過程中，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)保存相關(guān)流程，當(dāng)執(zhí)行過程中發(fā)現(xiàn)不合理的現(xiàn)象時(shí)，則可以及時(shí)地提醒工作人員，從而提升信息的利用率。

５．６ 在數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用

除上述應(yīng)用方式以外，人工智能技術(shù)在數(shù)據(jù)的計(jì)算以及存儲(chǔ)方面也存在極高的應(yīng)用價(jià)值，其所應(yīng)用到的主要技術(shù)為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該技術(shù)能夠依照人類的神經(jīng)活動(dòng)仿真出一個(gè)電子化的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，該系統(tǒng)憑借大容量存儲(chǔ)的特點(diǎn)，能夠提高對(duì)數(shù)據(jù)的處理精度。傳統(tǒng)系統(tǒng)之中的數(shù)據(jù)處理模式，難以滿足機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化生產(chǎn)過程中所出現(xiàn)的高強(qiáng)度以及高頻次處理需求，而ＡＩ 芯片則可以對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析，與系統(tǒng)之中所生成的舊數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，并將所分析的結(jié)果進(jìn)行有效存儲(chǔ)。

５．７ 在自動(dòng)識(shí)別中的應(yīng)用

將人工智能技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化領(lǐng)域的自主識(shí)別方向中，其需要結(jié)合搭載系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)才能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)體化的表達(dá)，而在其中也應(yīng)用到了多樣化的搭載傳感器設(shè)備，在驅(qū)動(dòng)的過程中可以對(duì)運(yùn)行時(shí)所出現(xiàn)的信息及時(shí)采集、分析以及反饋，從而與系統(tǒng)所搭建的數(shù)據(jù)庫(kù)基準(zhǔn)信息做對(duì)比，能夠及時(shí)地發(fā)現(xiàn)異常情況。同時(shí)，現(xiàn)代化的人工智能識(shí)別系統(tǒng)還具備超聲波以及無(wú)損檢測(cè)等功能，可以對(duì)硬件設(shè)備所運(yùn)行的具體工況進(jìn)行多維度的識(shí)別與管理，為相關(guān)人員的運(yùn)維工作奠定了良好的基礎(chǔ)。當(dāng)前主要的識(shí)別模式可以分為３ 種類型：統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別；句法模式識(shí)別；模糊模式識(shí)別。具體的識(shí)別步驟與人類對(duì)圖像識(shí)別的原理類似，首先需要對(duì)關(guān)鍵信息進(jìn)行獲取，然后進(jìn)行預(yù)處理和特征的抽取與選擇，之后再進(jìn)行分類器設(shè)計(jì)以及分類決策。

５．８ 在機(jī)器人設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

人工智能技術(shù)與智能化機(jī)器人設(shè)計(jì)和生產(chǎn)之間存在較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，其設(shè)計(jì)的依據(jù)很大程度上取決于機(jī)器人未來(lái)所要投入生產(chǎn)時(shí)的主要應(yīng)用方向，以及市場(chǎng)對(duì)于機(jī)器人性能的客觀需求，在設(shè)計(jì)的過程中為能夠進(jìn)一步提升機(jī)器人的性能，多采用集成化的方式開展，如引入ＧＰＳ 定位技術(shù)、緊密傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)信息技術(shù)等，可以替代部分高危的人工崗位，能夠解決實(shí)際問題。不僅如此，將所設(shè)計(jì)的機(jī)器人應(yīng)用到實(shí)際的生產(chǎn)作業(yè)中，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程綜合化管理，滿足多種作業(yè)需求，如通過系統(tǒng)內(nèi)所設(shè)定的質(zhì)量管理參數(shù)，對(duì)所生產(chǎn)的機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格管控，同時(shí)符合國(guó)家的既定標(biāo)準(zhǔn)。在機(jī)械制造工序中，可以利用機(jī)器人的智能化制造管理系統(tǒng)進(jìn)行全過程的監(jiān)控，不僅提高了生產(chǎn)制造的自動(dòng)化水平，還可以減輕工作人員的工作壓力。

６ 人工智能技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化中未來(lái)的應(yīng)用方向

６．１ 網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展

當(dāng)前，我國(guó)人工智能技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化領(lǐng)域已經(jīng)邁過了理論積累以及工具平臺(tái)構(gòu)建的時(shí)期，為能夠以人工智能技術(shù)推動(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化的發(fā)展，應(yīng)依照市場(chǎng)為導(dǎo)向，將人工智能技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化作業(yè)與網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，從而提高作業(yè)的驅(qū)動(dòng)能力，實(shí)現(xiàn)一體化管理。

６．２ 虛擬化方向發(fā)展

在網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)之上也建議將人工智能技術(shù)的應(yīng)用逐漸往虛擬化的方向推進(jìn)，這樣能夠達(dá)到作業(yè)集中管控的目標(biāo)，方便對(duì)單獨(dú)的系統(tǒng)模塊進(jìn)行檢測(cè)與維修，同時(shí)能夠提高計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序的資源簡(jiǎn)化程度，便于企業(yè)傳統(tǒng)作業(yè)的轉(zhuǎn)型，也能夠?qū)崿F(xiàn)業(yè)務(wù)的有機(jī)拓展與組配。

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作者簡(jiǎn)介：李宇萱（１９８５—），本科，助教，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。