（西華大學(xué),四川 成都 610039）

1 機械自動化行業(yè)現(xiàn)狀分析

機械設(shè)計制造及其自動化是指設(shè)計人員根據(jù)相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和具體操作工程的規(guī)范和實際需求進行具體設(shè)計，將毛坯(或材料)和其他輔助材料作為原料，輸入機械制造系統(tǒng)，經(jīng)過存儲、運輸、加工、檢驗等環(huán)節(jié),最后實現(xiàn)符合要求的零件或產(chǎn)品從系統(tǒng)輸出。自動化技術(shù)是一門綜合性技術(shù)，它和控制論、信息論、系統(tǒng)工程、計算機技術(shù)、電子學(xué)、液壓氣壓技術(shù)、自動控制等都有著十分密切的關(guān)系，而其中又以控制理論和計算機技術(shù)對自動化技術(shù)的影響最大。

1.1 我國機械設(shè)計制造及其自動化行業(yè)現(xiàn)狀

新中國建立后，我國的機械制造業(yè)和制造技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。至今，已形成了具有相當(dāng)規(guī)模、較高的技術(shù)水平和較完整的機械工業(yè)體系，成為我國工業(yè)體系中最大的產(chǎn)業(yè)之一[1]。

與發(fā)達工業(yè)國家相比,我們在人均生產(chǎn)率、材料利用率、機電產(chǎn)品的出口規(guī)模、以及出口商品結(jié)構(gòu)等諸多方面仍存在著較大差距。

經(jīng)濟咨詢機構(gòu)美國環(huán)球通視有限公司的研究報告顯示:按產(chǎn)出計算,中國已打破了美國連續(xù)一百余年占據(jù)世界頭號的歷史。2010 年，全世界制造業(yè)的產(chǎn)出為10.078 萬億美元,中國占19.8%，美國占19.4%。2017 年,中國占近27%。但2010 年美國制造業(yè)的工人為1150 萬人,中國相同部門則為1 億人。1850 年左右,中國占據(jù)世界頭號商品生產(chǎn)國的位置達近50 年。1830 年,中國占世界制造業(yè)產(chǎn)出的30%，1900年下降到6%,1990 年只有3%。

1.2 機械設(shè)計制造及其自動化技術(shù)不成熟

自第一次工業(yè)革命以來，全世界的機械設(shè)計制造技術(shù)呈井噴式發(fā)展，但由于歷史關(guān)系，中國參與第一次工業(yè)革命和第二次工業(yè)革命，也沒有獲得過成果，自第三次工業(yè)革命開始至今，我國的工業(yè)水平得到了顯著的提高，并且成為了世界制造大國，生產(chǎn)力得到大力提升。然而由于西方發(fā)達國家對于核心技術(shù)的封鎖，我國只能在原有的技術(shù)基礎(chǔ)上改進，并不能接觸到已有的核心技術(shù)，現(xiàn)有的自主研發(fā)的智能化機器很少，大部分只能依靠進口，例如超高精度機床、工業(yè)機器人。

就工業(yè)中常見的金屬加工機床來說，據(jù)中國海關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2019 年1-2 季度中國金屬加工機床進口量逐漸增長，2019 年8 月中國金屬加工機床進口量為3885 臺，累計方面，2019年1-8月中國金屬加工機床進口量達到38091 臺。在進口金額方面，2019 年8 月中國金屬加工機床進口金額為615.3 百萬美元，2019 年8 月中國金屬加工機床進口均價為15.84 萬美元/臺，相比7 月上漲了1.03 萬美元/臺。累計方面，2019 年1-8 月中國金屬加工機床進口金額達到510324.3 萬美元(5103.24 百萬美元)，進口均價為13.40 萬美元/臺。

2019 年部分月份的金屬加工機床進口情況表（如表1）

由此可見我國機械行業(yè)設(shè)計制造行業(yè)還未突破傳統(tǒng)機械技術(shù)，在機械自動化制造領(lǐng)域與發(fā)達國家還有很大差距。

1.3 自主創(chuàng)新能力不強

高水平設(shè)備的核心技術(shù)和關(guān)鍵元器件的研究和發(fā)達國家相比還有很大差距，例如生產(chǎn)芯片的核心設(shè)備光刻機是芯片生產(chǎn)的最核心環(huán)節(jié)，但是國內(nèi)在該領(lǐng)域最先進的上海微電子有限公司生產(chǎn)的光刻機精度也只能達到90nm 精度，只能滿足一些中低端芯片的生產(chǎn)，而全球技術(shù)最頂尖的光刻機基本上被荷蘭的ASML 公司壟斷，其中7 納米水平的EUV 光刻機只有荷蘭ASML 公司能夠提供。

1.4 課程設(shè)置和實踐環(huán)節(jié)不成熟

機械設(shè)計制造自動化的課程設(shè)置中機械設(shè)計制造方面已經(jīng)足夠全面，但與自動化技術(shù)的相關(guān)課程相對應(yīng)的機械方面的課程較薄弱。傳統(tǒng)機械已經(jīng)有很長的發(fā)展史，自動化技術(shù)是近一個世紀(jì)才出現(xiàn)的，原來對機械設(shè)計制造的研究一直停留在純機械結(jié)構(gòu)的領(lǐng)域中，運用數(shù)學(xué)、力學(xué)、動力學(xué)、材料學(xué)知識，已經(jīng)滿足不了很多高精度電子類機械設(shè)備的設(shè)計需求。另一方面，機械設(shè)計制造及其自動化是一個實踐性很強的專業(yè)，近年來高水平的機械設(shè)備更新速度迅速，機械類的機械設(shè)備價格較貴，各高校經(jīng)費有限，導(dǎo)致國內(nèi)目前還未實現(xiàn)高質(zhì)量教學(xué)設(shè)備的完全覆蓋，特別是一些地處經(jīng)濟水平偏低地區(qū)的高校，各個高校的學(xué)生接觸的機械設(shè)備大多比當(dāng)前科技水平落后5～10 年。

表1 2019 年部分月份的金屬加工機床進口情況表

2 機械實現(xiàn)自動化的未來發(fā)展

強大的機械需要擁有一個合理高效的設(shè)計理念、一個性價比高的制造系統(tǒng)、一個發(fā)達的控制系統(tǒng)，高水平的機械自動化系統(tǒng)體現(xiàn)于高精度、高效率、高智能。如今我國有很多機械已經(jīng)實現(xiàn)了簡單的自動化，但是大多數(shù)自主研發(fā)的自動化機械的工作效率仍不高，相對于發(fā)達國家還有很大的提升空間。機械設(shè)計制造的自動化技術(shù)在未來將主要向以下幾個方面發(fā)展：計算機輔助機械設(shè)計軟件的應(yīng)用高普及、機械制造系統(tǒng)的高效化和高精度化、單片機控制機械系統(tǒng)的高水平化、自動化與機械設(shè)計制造的人才培養(yǎng)方案成熟化[2]。

2.1 機械設(shè)計的發(fā)展趨勢

機械設(shè)計已經(jīng)從原來的圖像處理技術(shù)、工程分析技術(shù)、數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)交換技術(shù)、文檔處理技術(shù)、界面開發(fā)技術(shù)、到基于Web 的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和開發(fā)技術(shù)。就目前來說，機械設(shè)計制造的計算機輔助設(shè)備的應(yīng)用已經(jīng)很廣泛了，運用計算機軟件和計算機硬件進行二維與三維繪圖已經(jīng)開始常態(tài)化，相對于以前傳統(tǒng)的設(shè)計方法，它使設(shè)計的過程變得更加的形象和簡潔。計算機圖形學(xué)（CG）是通過計算機將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形，并進行顯示的原理、方法和技術(shù)。CG 的內(nèi)容有硬件、軟件、圖形處理的理論與方法、圖形處理應(yīng)用等。軟件繪圖包括二維設(shè)計和三維設(shè)計，二維是指平面設(shè)計，三維是指立體設(shè)計，二維三維之間可以相互轉(zhuǎn)換，二維設(shè)計制圖軟件有：AutoCAD，功能強大，廣泛應(yīng)用于各大設(shè)計行業(yè)。三維設(shè)計制圖軟件有很多，例如UG/NX、SOLIDWORKS，以及常見于各大汽車相關(guān)周邊產(chǎn)品設(shè)計的CATIA，還有Pro/E：此軟件以參數(shù)化設(shè)計著稱，是最早應(yīng)用參數(shù)化設(shè)計的軟件，且采用模塊化，用戶可針對性的使用不同模塊。

2.2 制造的發(fā)展趨勢

2.2.1 機械制造基本流程

機械制造基本流程主要包括礦石加工和非金屬原材料加工，其中礦石加工是礦石通過鑄造、壓力加工、切削加工，經(jīng)過鑄錠、型材、毛坯等階段加工成零件，非金屬材料加工是通過模具加工成非金屬零件，然后零件和非金屬零件通過部件裝配、總裝配成部件、機器。

2.2.2 制造技術(shù)發(fā)展趨勢

生產(chǎn)手段方面，數(shù)字化、智能化將貫穿產(chǎn)品的整個生命周期；發(fā)展模式方面，綠色化、服務(wù)化日漸成為制造業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展新趨勢；組織方式方面，內(nèi)部組織將扁平化和資源配置全球化已成為制造業(yè)培育競爭優(yōu)勢的新途徑；發(fā)展格局方面，比較優(yōu)勢動態(tài)變化將重塑全球制造業(yè)版，其中切削加工仍然是機械制造的主導(dǎo)加工方法，提高生產(chǎn)率和質(zhì)量是今后的發(fā)展方向。超精密及細(xì)微加工技術(shù)，特種加工技術(shù)，自動化制造技術(shù)在以后的先進生產(chǎn)管理模式占主導(dǎo)地位的技術(shù)包括精益生產(chǎn)（LP)、準(zhǔn)時生產(chǎn)（JIT）、并行生產(chǎn)（CE）、敏捷制造（AM）、虛擬制造（VM）。另外，在未來實現(xiàn)對接口普遍的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計可以減少對其模塊化管理的難度以及對機械設(shè)備的損耗。

2.3 單片機在機械行業(yè)的應(yīng)用與前景

2.3.1 單片機的現(xiàn)狀

單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器等功能（可能還包括一些電路和轉(zhuǎn)換器）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。從上世紀(jì)80 年代，由當(dāng)時的4 位、8 位單片機，發(fā)展到現(xiàn)在的300M 的高速單片機。單片機在工業(yè)自動化設(shè)備中很常見，普通設(shè)備的自動化機械設(shè)備運行一般是，先按照需要滿足的工作要求和機械設(shè)計要求進行程序編寫并輸入，開啟設(shè)備后它通過向各個模塊輸出信息法號指令，信息到達模塊后按照模塊功能進行數(shù)據(jù)分析然后向機械設(shè)備發(fā)出指令，工作后機械設(shè)備又會將信息通過模塊反饋給單片機進行數(shù)據(jù)分析處理[3]。

單片機在智能制造方面的應(yīng)用有很多方面，例如機械手控制系統(tǒng)、自動平衡控制系統(tǒng)、人機交互控制系統(tǒng)方面。

機械手系統(tǒng)通常包括主控板、轉(zhuǎn)接板、顯示器、控制按鍵、配套電源、舵機（關(guān)節(jié)性傳動裝置）、擁有多個關(guān)節(jié)，每個關(guān)節(jié)擁有一個自由度。一般的機械手擁有3 個關(guān)節(jié)就能滿足大部分運動及方位鎖定要求，三個關(guān)節(jié)分別是縱向Y 軸，橫向X 軸及補償部分，其對應(yīng)的三個自由度就是縱向的往返運動、橫向的往返運動、補償方向的上下運動[4]。

直流電機改變其供電的直流電壓的有效值的大小和正負(fù)就能調(diào)整其轉(zhuǎn)速與方向。通過電力電子線路（各種晶體管、MOS 管等）來控制電機的供電電壓頻繁導(dǎo)通，如果用PWM來控制，倘若PWM 的頻率不變，只改變PWM 的占空比，把PWM 的占空比調(diào)節(jié)小后，輸出電壓的有效值就會減小，從而使電機的轉(zhuǎn)速變慢，反之就變快。對于交流電機調(diào)速，要控制電源的頻率，這事就要用交-直-交變頻，這種變頻方式也要用PWM，其難度相對于直流電機來說較為復(fù)雜[5]。

2.3.2 單片機存在的的問題及其發(fā)展趨勢

單片機的設(shè)計與制造工藝方面存在一些問題，其中系統(tǒng)電源的抗干擾能力差的問題較為突出，比如單片機系統(tǒng)開發(fā)時如果部件配合不足,會導(dǎo)致在臨界的情況下元件質(zhì)量得不到保障。另外，控制不同要求的機械系統(tǒng)，需要具有很強的抗干擾能力的高性能單片機才能保證在整個系統(tǒng)工作時不出故障，如在高功率交變電源和高功率交變電流周圍會有磁場和空間輻射，解決高功率交變電源、高功率交變電流產(chǎn)生的磁場和空間輻射對單片機工作影響的問題是未來單片機研發(fā)和機械設(shè)計制造的共同研究方向。較為有效的較少磁場與輻射對單片機影響的方法是濾波算法抗干擾和通訊過程的軟件抗干擾，濾波算法抗干擾是對開關(guān)量的輸入采用多次采集反饋和延時消抖等措施來消除開關(guān)的抖動，當(dāng)干擾影響到單片機系統(tǒng)的輸入信號時,將增大系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集誤差,采用加權(quán)遞推平均濾波、遞推平均濾波、中位值濾波、消抖濾波法都可以得到較為有效并可靠的數(shù)據(jù)。通訊過程的軟件抗干擾是系統(tǒng)之間通信通常是利用總線技術(shù)來實現(xiàn)的,現(xiàn)在常用的總線有RS232、RS485、RS422 和CAN 等。數(shù)據(jù)通信首要考慮的是通信速率的問題,一般的總線最高通信速率是10MB/s,在能滿足系統(tǒng)通信速率的條件下,盡量選擇較低的總線通信速率可在一定程度上提高系統(tǒng)的抗干擾性能,通信的距離可靠性,也是很重要的一個指標(biāo)。另外，發(fā)送的每一幀數(shù)據(jù),要加上起始位和停止位,要對有效數(shù)據(jù)進行異或校驗和校驗或者是CRC 校驗,來提高通信過程中數(shù)據(jù)發(fā)送的可靠性。所以如何提高通訊速率和縮短通訊距離是往后的研究方向的側(cè)重點。除此之外還有軟件“看門狗”抗干擾技術(shù)等等技術(shù)，總的來說目前具有很強抗干擾能力的高性能單片機還有很多缺點應(yīng)該改進[6]。

3 結(jié)語

未來的機械設(shè)計制造及其自動化將是以機械設(shè)計制造為核心，以自動化為方向，并且結(jié)合各種科學(xué)技術(shù)發(fā)展的行業(yè)，是社會生產(chǎn)力發(fā)展到一定高度的必然要求，其宏觀發(fā)展態(tài)勢是設(shè)計結(jié)構(gòu)的簡單化、合理化，以及機械制造系統(tǒng)的自動化、智能化，實現(xiàn)最大限度的節(jié)省生產(chǎn)成本和生產(chǎn)周期。