機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化的優(yōu)勢(shì)與發(fā)展趨勢(shì)探討

杜一恒

（青島理工大學(xué)，山東 青島 266525）

0 引言

機(jī)械制造是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，也是一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)繁榮的主要標(biāo)志。機(jī)械的普遍使用，不但給我們的日常生活和工作帶來(lái)了很大的方便，提高了生活品質(zhì)，而且對(duì)社會(huì)快速發(fā)展也有很大的幫助。所以，機(jī)械制造關(guān)系到國(guó)家、社會(huì)和人類(lèi)的發(fā)展，在當(dāng)今高效率高質(zhì)量的發(fā)展條件下，怎樣才能在目前的工業(yè)領(lǐng)域中，實(shí)現(xiàn)和合理應(yīng)用自動(dòng)化的機(jī)械設(shè)計(jì)和制造，是一個(gè)需要進(jìn)行深入探討和解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

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

傳統(tǒng)的機(jī)械制造業(yè)的生產(chǎn)效率比較低，很難適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)高效的發(fā)展要求，因此迫切需要智能化、系統(tǒng)化、集成化的裝備與技術(shù)，因此在這種情況下，機(jī)械設(shè)計(jì)制造自動(dòng)化應(yīng)運(yùn)而生。機(jī)械設(shè)計(jì)制造包含了產(chǎn)品規(guī)格和尺寸的精確設(shè)計(jì)、高效的機(jī)械制造，進(jìn)而生產(chǎn)出與標(biāo)準(zhǔn)相符的機(jī)械產(chǎn)品，是現(xiàn)代工業(yè)和技術(shù)相互融合的產(chǎn)物。而自動(dòng)化則是由人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程監(jiān)控、信息傳感等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)組合而成，它不僅可對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作進(jìn)行協(xié)助，還可以發(fā)揮出簡(jiǎn)化流程、減輕負(fù)擔(dān)、提升設(shè)計(jì)水平等多重功能，同時(shí)還能在沒(méi)有人為介入的情況下，根據(jù)操作準(zhǔn)則來(lái)控制生產(chǎn)裝備，讓其按照預(yù)先確定的方案來(lái)進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品的制造活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量、企業(yè)經(jīng)營(yíng)效益以及安全生產(chǎn)的三重提升[1]。

2 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 重視程度不足

好的技術(shù)既要有國(guó)家的扶持，也要有當(dāng)?shù)卣姆龀郑绕涫悄切╆P(guān)系到產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和發(fā)展的技術(shù)，更要得到政府的大力扶持。在傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)制造業(yè)中，以往的生產(chǎn)方式已經(jīng)在我們的生活中根深蒂固，而在國(guó)家和地區(qū)的層次上，缺乏對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造的引導(dǎo)和推動(dòng)，尤其是部分地區(qū)，其工作重心并沒(méi)有放在機(jī)械設(shè)計(jì)制造自動(dòng)化上。盡管近年來(lái)，國(guó)家已逐步對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的普及給予了關(guān)注，但總體而言，其普及仍需一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，唯有如此，方可取得工業(yè)上的突破性進(jìn)展，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型與升級(jí)，使國(guó)內(nèi)的機(jī)械設(shè)計(jì)制造取得更高質(zhì)量的突破。在政策支持和基礎(chǔ)推廣方面，我們與外國(guó)先進(jìn)國(guó)家仍有較大的差距，許多技術(shù)都是從海外采購(gòu)來(lái)的，所以很容易被他人牽制，且由于缺乏資本和市場(chǎng)，有些小型公司對(duì)技術(shù)的了解并不深入，所以技術(shù)上的投資并不多，這就造成了機(jī)械設(shè)計(jì)制造在總體上沒(méi)有得到很好的重視。

2.2 缺少?gòu)?fù)合型人才

產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心是人才，尤其是高技術(shù)領(lǐng)域，更應(yīng)以人為本，以技術(shù)創(chuàng)新為導(dǎo)向。而對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)制造自動(dòng)化而言，要實(shí)現(xiàn)技術(shù)與行業(yè)的提升，就必須要有一批高素質(zhì)的專(zhuān)業(yè)人員。這種人才不僅要懂得機(jī)械設(shè)計(jì)制造的原理，而且要是自動(dòng)化設(shè)計(jì)方面的專(zhuān)家，所以，在機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化領(lǐng)域，最需要的就是復(fù)合型的人才。從當(dāng)前我國(guó)培養(yǎng)人才的模式和內(nèi)容上可以觀(guān)察到，對(duì)這種復(fù)合型人才的培養(yǎng)數(shù)量非常稀少，許多院校也沒(méi)有開(kāi)設(shè)相關(guān)專(zhuān)業(yè)，這就造成了在機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化領(lǐng)域中，出現(xiàn)了人才短缺現(xiàn)象，這對(duì)產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展不利。

2.3 自主研發(fā)有待加強(qiáng)

機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化是一項(xiàng)嶄新的技術(shù)，它需要將機(jī)械設(shè)計(jì)與自動(dòng)化互相融合，實(shí)現(xiàn)有機(jī)統(tǒng)一，從而達(dá)到自動(dòng)化生產(chǎn)的目的。然而，從當(dāng)前國(guó)內(nèi)在機(jī)械設(shè)計(jì)與生產(chǎn)中的應(yīng)用來(lái)看，仍存在著許多可以提高與改善的地方。從總體上來(lái)看，我國(guó)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造自動(dòng)化上已經(jīng)取得了根本性的突破和進(jìn)展，但在一些高精度技術(shù)上，還不夠?qū)I(yè)和成熟，要想在這一點(diǎn)上有所改善，還得繼續(xù)加大研究資金的投入，引進(jìn)研究人才，現(xiàn)階段我國(guó)自主研發(fā)的動(dòng)力和創(chuàng)新成果還比較少，許多技術(shù)都是在國(guó)外被淘汰掉的，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比較而言還有一定的差距。所以，在機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化方面，還需要提高科學(xué)技術(shù)水平。

3 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化是在傳統(tǒng)的制造產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)上，加入了自動(dòng)控制、自動(dòng)檢測(cè)等新興技術(shù)，是對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)的突破與變革。它是通過(guò)改進(jìn)原有的工藝過(guò)程、更換原有的設(shè)備、重塑原有的設(shè)計(jì)理念，建立而成的一個(gè)新生產(chǎn)系統(tǒng)，其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要有以下4 個(gè)方面。

（1）集成化的工作過(guò)程。機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化的最終目的就是要達(dá)到高效率、易操作、多功能、多方位的生產(chǎn)過(guò)程。在實(shí)際生產(chǎn)中，這一技術(shù)是通過(guò)貫穿整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)的，從原料到成品、從產(chǎn)品加工到最終成品都與集成化的設(shè)備、生產(chǎn)模型等相關(guān)聯(lián)[2]。同時(shí)，集成化的工作流程可以把各種工作類(lèi)型、內(nèi)容、形式等結(jié)合起來(lái)，尤其是在多樣化、多工藝復(fù)合的生產(chǎn)過(guò)程中，它具備巨大的生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)。

（2）系統(tǒng)性的工作基礎(chǔ)。監(jiān)控和檢測(cè)是系統(tǒng)性工作的根本體現(xiàn)。監(jiān)控系統(tǒng)可以對(duì)工作方式和操作過(guò)程進(jìn)行掌控和追蹤，讓工作人員可以對(duì)總體的工作進(jìn)度有一個(gè)全面的掌握，對(duì)生產(chǎn)節(jié)奏有一個(gè)清晰的了解，同時(shí)還可以對(duì)產(chǎn)品精度與公差進(jìn)行掌控，并對(duì)實(shí)時(shí)檢測(cè)出的產(chǎn)品問(wèn)題進(jìn)行追蹤。檢測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)產(chǎn)品的缺陷進(jìn)行高效檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果及時(shí)地輸出到生產(chǎn)設(shè)備中，對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行及時(shí)的預(yù)警，從而提升生產(chǎn)品質(zhì)，為高質(zhì)量的生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)和保證。

（3）自動(dòng)化的生產(chǎn)過(guò)程。自動(dòng)化是機(jī)械設(shè)計(jì)制造和自動(dòng)化技術(shù)的一個(gè)重要特點(diǎn)，其目的是為了解決傳統(tǒng)工藝中存在的生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品質(zhì)量差的問(wèn)題。自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)在很大程度上表現(xiàn)為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造都是用一個(gè)系統(tǒng)來(lái)對(duì)其進(jìn)行控制，并且可以使其自動(dòng)地完成全部的工作，在這個(gè)過(guò)程中，幾乎沒(méi)有任何工作人員的直接介入，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的機(jī)械化操作，從而極大地提高了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)品質(zhì)。

（4）均一化的檢測(cè)方式。在機(jī)械生產(chǎn)中質(zhì)量控制是一個(gè)非常重要的步驟。在傳統(tǒng)的制造行業(yè)中，質(zhì)量控制普遍采用手工抽樣的方法來(lái)進(jìn)行，這會(huì)受到人為的主觀(guān)判斷影響，在一定程度上會(huì)產(chǎn)生不合格的產(chǎn)品。而現(xiàn)代化自動(dòng)控制技術(shù)，以客觀(guān)檢驗(yàn)取代了人為主觀(guān)判斷，利用測(cè)試裝置，可以對(duì)不合格的產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而有效地將不合格的產(chǎn)品剔除出去，從而確保批量生產(chǎn)的質(zhì)量；與此同時(shí)，自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大量產(chǎn)品進(jìn)行抽檢，并對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一的判斷標(biāo)準(zhǔn)，從而可以有效地解決由于人為主觀(guān)判斷而導(dǎo)致的產(chǎn)品問(wèn)題。除此之外，自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量、準(zhǔn)確判斷、及時(shí)反饋等檢測(cè)流程[3]。

4 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)

4.1 模塊化

最近幾年，伴隨著機(jī)械生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和機(jī)械設(shè)計(jì)質(zhì)量的不斷提升，自動(dòng)化系統(tǒng)呈現(xiàn)出了功能多樣化的發(fā)展態(tài)勢(shì)，在系統(tǒng)中可以設(shè)置各種類(lèi)型的硬件設(shè)備，并可以連接眾多的軟件程序，從而可以進(jìn)一步地充實(shí)系統(tǒng)的使用功能，為機(jī)械設(shè)計(jì)制造的活動(dòng)提供更加完備的輔助服務(wù)，但是，它也會(huì)遇到系統(tǒng)組件之間存在著相互不兼容的問(wèn)題。由于硬件設(shè)備和軟件的不相容性，在實(shí)際使用過(guò)程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)延遲和卡頓現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)妨礙機(jī)器的正常工作，從而降低機(jī)器的品質(zhì)。所以，要使生產(chǎn)過(guò)程中的技術(shù)朝著模塊化的方向發(fā)展，以適應(yīng)生產(chǎn)過(guò)程中的需要，并滿(mǎn)足自動(dòng)化自己的使用需求。一方面，要對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)中所使用的硬件設(shè)備型號(hào)要求進(jìn)行明確規(guī)定，并統(tǒng)一軟件程序格式與通信接口，必要時(shí)要以機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)要求為依據(jù)，對(duì)輔助自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，以保證系統(tǒng)的兼容性；另一方面，以使用功能為基礎(chǔ)，將硬件設(shè)備、軟件程序等部分組裝成若干個(gè)功能模塊，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中維持各個(gè)模塊的單獨(dú)運(yùn)作，當(dāng)后續(xù)改變產(chǎn)品研制對(duì)象或新增產(chǎn)品研制要求時(shí)，企業(yè)只需要在自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中增減模塊數(shù)量、調(diào)整模塊種類(lèi)，不需要再重新開(kāi)發(fā)配套的自動(dòng)化系統(tǒng)[4]。

4.2 柔性化

從目前國(guó)內(nèi)制造業(yè)的現(xiàn)狀可以看出，傳統(tǒng)的大批量生產(chǎn)方式有很大的缺陷，如生產(chǎn)線(xiàn)調(diào)整困難、產(chǎn)品研發(fā)周期長(zhǎng)、很難適應(yīng)市場(chǎng)的不斷變化、一些生產(chǎn)資源出現(xiàn)閑置浪費(fèi)等現(xiàn)象。所以，企業(yè)必須調(diào)整生產(chǎn)模式，從大規(guī)模生產(chǎn)向多類(lèi)別、小批次轉(zhuǎn)型，在自動(dòng)化技術(shù)基礎(chǔ)上建立柔性生產(chǎn)線(xiàn)。柔性自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)由信息控制、自動(dòng)儲(chǔ)運(yùn)等子系統(tǒng)構(gòu)成，能夠在不停機(jī)的情況下，快速進(jìn)行生產(chǎn)模式地轉(zhuǎn)換，將多種類(lèi)的零件進(jìn)行小批次加工，使得大部分的生產(chǎn)資源被有效使用，減少資源閑置浪費(fèi)等情況，從而降低生產(chǎn)成本。例如，在生產(chǎn)過(guò)程中，當(dāng)需要更換機(jī)械產(chǎn)品或零部件時(shí)，系統(tǒng)后臺(tái)應(yīng)該按照生產(chǎn)要求、加工對(duì)象重新定制方案，優(yōu)化、整合加工對(duì)象與設(shè)備，再通過(guò)工業(yè)機(jī)器人將所需物料運(yùn)輸就位、操縱設(shè)備進(jìn)行加工，如若再進(jìn)行其他零件的替換時(shí)，應(yīng)反復(fù)進(jìn)行以上步驟。當(dāng)前，柔性自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)在毛坯工件加工、加工廢料存儲(chǔ)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，協(xié)助企業(yè)批量生產(chǎn)多類(lèi)別的機(jī)械產(chǎn)品，使得生產(chǎn)成本、品質(zhì)、效率等得到有效保障[5]。

4.3 智能化

目前，在機(jī)械設(shè)計(jì)制造的過(guò)程中，自動(dòng)化技術(shù)主要是取代了人工來(lái)完成基本的工作，人工對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平與制造質(zhì)量起到了影響，從而減少研制周期、把控成本，確保方案能夠順利執(zhí)行，但是其功能效用并沒(méi)有被完全發(fā)揮出來(lái)。所以，為了能夠早日實(shí)現(xiàn)智能制造的目的，制造企業(yè)應(yīng)該將自動(dòng)化技術(shù)朝著智能化的方向發(fā)展，在原有的自動(dòng)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)人工智能系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，包括計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、專(zhuān)家系統(tǒng)等，使用多項(xiàng)智能算法構(gòu)建專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)，并利用智能系統(tǒng)將產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造等相結(jié)合。比如在設(shè)計(jì)階段，研究人員可以利用該系統(tǒng)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)的成果進(jìn)行檢驗(yàn)，以確保其滿(mǎn)足開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的需要，同時(shí)還可以通過(guò)該智能化系統(tǒng)對(duì)機(jī)器設(shè)備的結(jié)構(gòu)進(jìn)行最優(yōu)修正；在制造階段，以類(lèi)似的案例為基礎(chǔ)，讓智能系統(tǒng)掌握制造的規(guī)律和機(jī)制，并在制造周期與成本等剛性條件的限制下，進(jìn)行方案的調(diào)整與優(yōu)化，再由研究人員對(duì)方案的合理性、可行性等進(jìn)行檢驗(yàn)，確認(rèn)無(wú)誤后并可進(jìn)行后續(xù)執(zhí)行[6]。

4.4 虛擬化

就當(dāng)前的機(jī)械設(shè)計(jì)制造水平來(lái)說(shuō)，大部分都是依靠人工繪制出的圖紙與方案，然后通過(guò)多次的修改、檢驗(yàn)，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，然后才能進(jìn)行實(shí)際的生產(chǎn)和應(yīng)用。從一開(kāi)始的初稿到最后的定稿，都需要耗費(fèi)大量的人力、物力與時(shí)間，導(dǎo)致企業(yè)的生產(chǎn)成本提高，競(jìng)爭(zhēng)力卻降低。而采用虛擬技術(shù)能夠很好地解決以上問(wèn)題，大幅降低制造環(huán)節(jié)的能量消耗，提高制造質(zhì)量和精度。在進(jìn)行生產(chǎn)工作前，研究人員會(huì)在電腦系統(tǒng)中繪制模型，再利用人工智能全方位分析、判斷，針對(duì)存在的問(wèn)題和不足，做出相應(yīng)的調(diào)整和優(yōu)化，而后形成一套完整的虛擬生產(chǎn)流程，接著再對(duì)虛擬生產(chǎn)出的3D 模型產(chǎn)品的外觀(guān)、精度等展開(kāi)全面的分析，以保證零件的精度，使產(chǎn)品的生產(chǎn)效率得到極大提高。以數(shù)字孿生（digi taltwin, DT）技術(shù)為例，此技術(shù)可以將物理系統(tǒng)到信息空間的數(shù)字化模型進(jìn)行分析和建模，從而完整地將物理系統(tǒng)在各種現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景下的生命周期過(guò)程反映到虛擬數(shù)字系統(tǒng)。數(shù)字孿生技術(shù)可以利用計(jì)算機(jī)對(duì)真實(shí)的工作環(huán)境和工作條件進(jìn)行仿真，并以1:1 的比例再現(xiàn)了產(chǎn)品的真實(shí)生產(chǎn)過(guò)程。利用模擬的形態(tài)對(duì)產(chǎn)品的制造過(guò)程進(jìn)行了初步的設(shè)計(jì)，然后根據(jù)該模型對(duì)產(chǎn)品的制造過(guò)程進(jìn)行初步的設(shè)計(jì)。這個(gè)過(guò)程讓前期的生產(chǎn)問(wèn)題可以在數(shù)字平臺(tái)上提前預(yù)警，并且可以及時(shí)進(jìn)行規(guī)避，極大地減少了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本，為自動(dòng)化的生產(chǎn)過(guò)程提供技術(shù)支持和數(shù)字保證[7]。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，機(jī)械設(shè)計(jì)制造的生產(chǎn)與社會(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展是密切相關(guān)的。所以，機(jī)械設(shè)計(jì)在其發(fā)展進(jìn)程中，應(yīng)順應(yīng)時(shí)代潮流，加強(qiáng)與信息化技術(shù)的結(jié)合，重視新興技術(shù)的革新，改善機(jī)器的各項(xiàng)性能，實(shí)現(xiàn)模塊化、柔性化、智能化、虛擬化發(fā)展，促進(jìn)各個(gè)行業(yè)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定、持續(xù)發(fā)展。