自動化技術(shù)在機(jī)械工程中的應(yīng)用研究①

王遲梅, 王 冬

(佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,黑龍江 佳木斯 154007)

0 引 言

自動化技術(shù)是指利用各種先進(jìn)的工程技術(shù)手段,通過使用自動化設(shè)備和系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的自動化控制和管理。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,自動控制系統(tǒng)在機(jī)械工程中的應(yīng)用越來越廣泛,系統(tǒng)可以通過傳感器和執(zhí)行器來感知和控制生產(chǎn)參數(shù),從而實(shí)現(xiàn)對整個生產(chǎn)過程的自動控制[1]。而計算機(jī)等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步推動了自動化技術(shù)在機(jī)械工程中的應(yīng)用。目前,自動化技術(shù)在汽車制造業(yè)、醫(yī)療設(shè)備制造業(yè)、水利工程等領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛,可以實(shí)現(xiàn)全線自動裝配和檢測,提高了機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量[2]?，F(xiàn)如今,機(jī)械制造自動化的發(fā)展對于計算機(jī)、信息技術(shù)、通信技術(shù)的依賴性增強(qiáng),推動了傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。

1 自動化技術(shù)在機(jī)械工程中的應(yīng)用價值

機(jī)械工程領(lǐng)域正面臨著日益多樣化的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的人工操作方式已經(jīng)無法滿足當(dāng)前市場對機(jī)械工程生產(chǎn)效率和設(shè)備質(zhì)量的要求,自動化技術(shù)的引入則為解決這些問題提供了切實(shí)可行的解決方案。將機(jī)械設(shè)備與先進(jìn)的控制系統(tǒng)、傳感技術(shù)相結(jié)合,能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)過程的高度自動化和智能化,從而提高生產(chǎn)效率、降低成本、提升產(chǎn)品質(zhì)量,減少對人力資源的依賴,保障機(jī)械生產(chǎn)活動的安全性。

(一)提升機(jī)械設(shè)計制造綜合效率

自動化技術(shù)在機(jī)械工程中的應(yīng)用能夠顯著優(yōu)化機(jī)械制造工藝和流程,提升機(jī)械設(shè)計制造效率,特別是對于流程較為復(fù)雜的制造工藝,自動化技術(shù)的應(yīng)用能夠明顯縮短工期,提升工藝精確度[3]。

(二)有效降低機(jī)械工程資源成本

就機(jī)械制造企業(yè)而言,自動化技術(shù)的應(yīng)用能夠有效降低生產(chǎn)成本,為企業(yè)帶來更高的經(jīng)濟(jì)效益,提升企業(yè)的綜合競爭力。首先,自動化技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械工程后,許多重復(fù)、繁瑣的操作可以由機(jī)器完成,企業(yè)人力資源需求減少,節(jié)約了企業(yè)招聘和培訓(xùn)成本,并且企業(yè)能夠更好地利用現(xiàn)有人員開展高附加值工作,提高了資源綜合利用效率。其次,將自動化技術(shù)引入機(jī)械設(shè)計和制造流程,機(jī)器能夠按照預(yù)定的規(guī)范和精度進(jìn)行加工,幫助企業(yè)更加精確地控制原材料用量,減少資源浪費(fèi)和操作誤差風(fēng)險[4]。最后,自動化設(shè)備可以對能源需求進(jìn)行精確的監(jiān)測和調(diào)整,根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)制定能源使用最優(yōu)方案,避免不必要的能源浪費(fèi)和消耗,減少能源成本。

(三)提升機(jī)械生產(chǎn)活動的安全性

自動化技術(shù)的應(yīng)用可以減少人工參與,規(guī)避安全風(fēng)險。首先,自動化技術(shù)則可以減少或消除人為因素對生產(chǎn)活動的干擾,規(guī)避由人為錯誤引發(fā)的安全問題。其次,自動化設(shè)備可以替代工人完成一些處于復(fù)雜和危險環(huán)境中的工作,避免工人直接接觸有害物質(zhì)或高溫、高壓等危險環(huán)境。如在化工行業(yè)中,使用自動化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對危險化學(xué)品的自動輸送和加工,避免工人直接接觸有害物質(zhì),降低生產(chǎn)安全風(fēng)險[5]。最后,自動化技術(shù)可以為機(jī)械工程提供實(shí)時監(jiān)控和預(yù)警服務(wù),及時發(fā)現(xiàn)和處理潛在的安全問題。

2 自動化技術(shù)在機(jī)械工程中的具體應(yīng)用

自動化技術(shù)在機(jī)械工程中的應(yīng)用水平直接關(guān)系到機(jī)械制造生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本產(chǎn)品質(zhì)量?，F(xiàn)如今,隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展,集成自動化、柔性自動化、智能自動化、數(shù)控自動化等技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛,企業(yè)可以選擇更高效、便捷的方式進(jìn)行原料加工,改善原料流通速度,優(yōu)化機(jī)械制造生產(chǎn)模式,為機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供重要技術(shù)支撐。

(一)集成自動化技術(shù)應(yīng)用

集成自動化是指將不同的自動化設(shè)備、系統(tǒng)或過程串聯(lián)在一起,以實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)、高效和自動化的生產(chǎn)過程,如圖1。集成自動化技術(shù)在機(jī)械工程中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在生產(chǎn)流程的自動化控制方面,即通過收集、整理工程技術(shù)相關(guān)信息,為機(jī)械制造提供參考,優(yōu)化機(jī)械制造工藝流程和方案,提升機(jī)械制造效率與產(chǎn)品質(zhì)量。同時,集成自動化系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的監(jiān)控和控制,通過傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測生產(chǎn)狀態(tài),及時調(diào)整生產(chǎn)參數(shù),提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。孫鵬等[6]為提升精密裝配中點(diǎn)膠針尖的精確性,解決更換點(diǎn)膠料筒帶來的問題,以集成技術(shù)為支撐,設(shè)計了具有高精密度的點(diǎn)膠系統(tǒng),如圖2,實(shí)現(xiàn)了針尖位置自動標(biāo)定和點(diǎn)交作業(yè)自動定位,有效解決了微小裝配流程中精密自動化點(diǎn)膠存在的問題。此外,集成自動化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對機(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)線的實(shí)時監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制,通過安裝傳感器、執(zhí)行器、控制器等設(shè)備,實(shí)時獲取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、溫度、壓力等參數(shù),通過可視化界面實(shí)時分析數(shù)據(jù),及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常,提前進(jìn)行預(yù)警和調(diào)整,減少生產(chǎn)事故和生產(chǎn)線停機(jī)造成的損失。

圖1 工業(yè)自動化系統(tǒng)集成

圖2 精密點(diǎn)膠系統(tǒng)

(二)柔性自動化技術(shù)的應(yīng)用

柔性自動化技術(shù)以計算機(jī)技術(shù)為核心,為企業(yè)調(diào)整生產(chǎn)加工技術(shù)提供依據(jù),進(jìn)而推動機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)多元化、個性化發(fā)展。首先,柔性自動化技術(shù)可以通過對市場需求的監(jiān)測和反饋,調(diào)整機(jī)械制造方案和流程。其次,柔性自動化技術(shù)可以優(yōu)化機(jī)械制造方案和流程,降低生產(chǎn)成本,提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。最后,柔性自動化技術(shù)可以對接質(zhì)量管理系統(tǒng),改進(jìn)機(jī)械制造方案和流程。如當(dāng)檢測到產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)異常時,柔性自動化系統(tǒng)可以自動調(diào)整機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行參數(shù),以減少質(zhì)量缺陷的發(fā)生。陳璇等[7]為提升斷路器裝配車間作業(yè)方法與生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)(如圖3),以數(shù)字孿生技術(shù)為支撐,設(shè)計了一種垛機(jī)器人柔性自動化車間裝配方案(如圖4),并構(gòu)建了垛機(jī)器人運(yùn)動型控制模型,通過裝配數(shù)據(jù)交互將虛擬和物理單元進(jìn)行實(shí)時鏈接,能夠?qū)崟r顯示機(jī)器人轉(zhuǎn)配狀態(tài)、運(yùn)動軌跡等數(shù)據(jù),提升了斷路器裝配效果。

圖3 斷路器機(jī)器人柔性裝配車間

圖4 斷路器柔性裝配車間數(shù)字孿生框架

(三)數(shù)控自動化技術(shù)的應(yīng)用

數(shù)據(jù)自動化技術(shù)以集成自動為基礎(chǔ),通過數(shù)據(jù)采集、傳輸、高端計算機(jī)終端等構(gòu)成監(jiān)控管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對機(jī)械制造全流程的自動化監(jiān)控管理,具有高度自動化、精確性高、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn),在機(jī)械工程領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。羅永洪等[8]為解決傳統(tǒng)數(shù)控自動化技術(shù)集成度低、自動化水平低等問題,設(shè)計了以軟PLC為核心(如圖5),通過軟硬件分離技術(shù)的新型數(shù)控自動化生產(chǎn)系統(tǒng)(如圖6),實(shí)現(xiàn)了自動化系統(tǒng)的可移植性,可在云端對設(shè)備進(jìn)行集中控制,不僅能耗低,而且控制準(zhǔn)確性實(shí)現(xiàn)了大幅提升。

圖5 PLC 配置結(jié)構(gòu)

圖6 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

(四)智能自動化技術(shù)的應(yīng)用

隨著大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)的發(fā)展,自動化技術(shù)得到了進(jìn)一步發(fā)展,形成了集人工智能、集成、數(shù)控于一體的高階智能自動控制技術(shù)。如圖7在生產(chǎn)線上,智能控制機(jī)械臂可以實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作,根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)的需要自動調(diào)整機(jī)械設(shè)備的工作速度和產(chǎn)量,提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量,提升設(shè)備運(yùn)行的可靠性和安全性。其次,智能自動化系統(tǒng)融合了傳感器等先進(jìn)技術(shù)手段,可以實(shí)時采集、分析和處理機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù),包括溫度、壓力、振動等參數(shù),實(shí)現(xiàn)對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測和預(yù)警。最后,在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持下,智能自動化系統(tǒng)被賦予了深度學(xué)習(xí)功能,可以根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果和市場需求自動優(yōu)化機(jī)械制造參數(shù),為企業(yè)提供最佳安全生產(chǎn)方案。

3 自動化技術(shù)融入機(jī)械工程的問題與對策分析

與以人力為主的生產(chǎn)形式相比,自動化技術(shù)在機(jī)械工程中的應(yīng)用為機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)帶來了新的發(fā)展機(jī)遇[9]。得益于自動化技術(shù)的高效性、安全性和精確性,其已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多個生產(chǎn)領(lǐng)域[10]。近年來,隨著人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展,自動化技術(shù)得到了長足發(fā)展,但其應(yīng)用仍存在一些問題,限制了機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。

(一)自動化技術(shù)融入機(jī)械工程存在的問題

1)企業(yè)自動化技術(shù)管理體系滯后

一方面,部分企業(yè)對于自動化技術(shù)的理解較為狹隘,只將其視為提高生產(chǎn)效率和降低成本的手段,忽視其更深層次的價值,沒有形成完整的自動化生產(chǎn)體系[11]。另一方面,缺乏機(jī)械自動化相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,導(dǎo)致不同企業(yè)在自動化技術(shù)的選擇、實(shí)施和管理上存在較大差異,難以形成共同的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和流程,影響了自動化技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

2)機(jī)械自動化技術(shù)創(chuàng)新能力不足

盡管機(jī)械自動化技術(shù)在提高生產(chǎn)效率和降低成本方面具有巨大潛力,但一些企業(yè)在技術(shù)創(chuàng)新方面仍面臨一些困難。部分企業(yè)思維保守,機(jī)械自動化投入的資金不足,無法進(jìn)行有效的技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新,限制了機(jī)械自動化技術(shù)的發(fā)展。此外,部分企業(yè)缺乏將技術(shù)優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用的能力,無法落地和推廣創(chuàng)新技術(shù)。

3)自動化領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人才缺失

教育體系與行業(yè)需求脫節(jié)是導(dǎo)致自動化專業(yè)人才缺失的重要原因之一。傳統(tǒng)的教育體系缺乏與自動化技術(shù)發(fā)展同步的更新和改革,教學(xué)內(nèi)容滯后于實(shí)際需求,教學(xué)過程過于注重理論知識灌輸,沒有與行業(yè)有效接軌,導(dǎo)致學(xué)生實(shí)際應(yīng)用能力不足,不能滿足機(jī)械工程產(chǎn)業(yè)的需求。同時,自動化技術(shù)存在較高的專業(yè)性和復(fù)雜性,是一門綜合性較強(qiáng)的學(xué)科,需要掌握電子技術(shù)、計算機(jī)編程、機(jī)械設(shè)計等多學(xué)科知識,知識面廣、難度大,學(xué)生需要經(jīng)歷長時間的學(xué)習(xí)和實(shí)踐才能成為合格的自動化專業(yè)人才。

(二)自動化技術(shù)高效融入機(jī)械工程的對策

1)企業(yè)積極完善自動化相關(guān)配套設(shè)施

隨著科技的不斷進(jìn)步和人工智能的發(fā)展,自動化技術(shù)逐漸成為推動機(jī)械制造領(lǐng)域高質(zhì)量發(fā)展的重要支撐,企業(yè)應(yīng)當(dāng)積極完善自動化配套設(shè)施,以提高生產(chǎn)效率、降低成本、改善產(chǎn)品質(zhì)量。首先,企業(yè)應(yīng)當(dāng)對現(xiàn)有的機(jī)器設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化改造,可以將其連接網(wǎng)絡(luò),使其具備遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作能力,同時添加傳感器、監(jiān)控裝置和數(shù)據(jù)采集模塊,以實(shí)時獲取設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和相關(guān)參數(shù)。其次,隨著自動化技術(shù)的不斷進(jìn)步,許多先進(jìn)的自動化裝備和機(jī)器人已經(jīng)問世,這些設(shè)備具有高度的靈活性和生產(chǎn)效率,可以大幅減少人力投入,提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

2)加強(qiáng)機(jī)械自動化技術(shù)的研發(fā)和創(chuàng)新

投資研發(fā)資源是機(jī)械制造企業(yè)提升自動化技術(shù)創(chuàng)新能力的基礎(chǔ),機(jī)械制造企業(yè)應(yīng)該增加研發(fā)投入,如招聘高素質(zhì)的研發(fā)人才,購買先進(jìn)的研發(fā)設(shè)備、軟件工具,以及進(jìn)行項目研究和試驗(yàn)等;建立科學(xué)、規(guī)范的研發(fā)體系,包括研發(fā)流程、知識管理、項目評估等,提高研發(fā)效率,降低創(chuàng)新成本,加快新技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用;充分發(fā)揮市場部門的作用,加強(qiáng)對市場需求的了解,從而更好地將新型自動化技術(shù)引入生產(chǎn)線,提高自動化水平[12]。

3)建設(shè)機(jī)械自動化專業(yè)人才培養(yǎng)體系

高水平人才是實(shí)現(xiàn)機(jī)械制造企業(yè)自動化技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展的關(guān)鍵要素,為培養(yǎng)出具備專業(yè)知識和技能的人才,企業(yè)需要建立完善的人才培養(yǎng)體系。首先,企業(yè)要聯(lián)合高校機(jī)械自動化相關(guān)專業(yè)建立校企合作基地,共同培養(yǎng)機(jī)械自動化專業(yè)人才;與高校共同制定實(shí)習(xí)培訓(xùn)計劃,為學(xué)生提供全面了解自動化技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展趨勢的場所和機(jī)會,幫助他們提升專業(yè)知識儲備和實(shí)踐技能水平[13]。其次,企業(yè)應(yīng)為有潛力的人才提供發(fā)展機(jī)會和晉升途徑,通過制定職業(yè)發(fā)展規(guī)劃、提供技術(shù)交流和學(xué)習(xí)機(jī)會等方式,為人才的成長和發(fā)展提供支持和指導(dǎo)。