顧懂懂

機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化的設(shè)計(jì)原則及發(fā)展趨勢(shì)

顧懂懂

（航天智造（上海）科技有限責(zé)任公司，上海 200233）

工業(yè)是一國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基石，中國(guó)工業(yè)發(fā)展蒸蒸日上。同時(shí)，機(jī)械制造業(yè)在工業(yè)中發(fā)揮著中流砥柱的作用。在中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展過(guò)程中，機(jī)械制造業(yè)逐漸向與自動(dòng)化融合的方向發(fā)展，成為科技研究的重要內(nèi)容。與自動(dòng)化的深度融合，對(duì)于自動(dòng)化控制的理論掌握有利于推動(dòng)中國(guó)工業(yè)的綜合發(fā)展水平，從機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化的設(shè)計(jì)原則、自動(dòng)化控制理論的內(nèi)容以及應(yīng)用，自動(dòng)化的設(shè)計(jì)原則的發(fā)展趨勢(shì)等方面展開(kāi)分析和闡述。

機(jī)械制造設(shè)計(jì)；自動(dòng)化控制理論；設(shè)計(jì)原則；生產(chǎn)率

1 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化的設(shè)計(jì)原則

1.1 廣泛化原則

相比于人工，機(jī)械有著更高的效率，操作度也更高。當(dāng)下的各行各業(yè)之中，機(jī)械制造都被廣泛運(yùn)用，因此，在機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)之中技術(shù)人員應(yīng)掌握全面的機(jī)械制造技術(shù)，對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析和運(yùn)用，在宏觀上拓寬對(duì)機(jī)械設(shè)備功能的掌握，使其能夠應(yīng)用于更多的生產(chǎn)工作之中。

1.2 效率化原則

在機(jī)械產(chǎn)生之前的人工生產(chǎn)之中，精確性不足是很大的缺陷，因此自動(dòng)化設(shè)備要求提高產(chǎn)品生產(chǎn)的精準(zhǔn)度。并且在企業(yè)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，生產(chǎn)率與效益緊緊掛鉤，因此，在機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化的設(shè)計(jì)之中應(yīng)該遵循效率化的原則，從而提升機(jī)械生產(chǎn)的精度和自動(dòng)化程度，達(dá)到更高的生產(chǎn)效率，為企業(yè)生產(chǎn)提供更大的收益。

1.3 實(shí)用化原則

機(jī)械設(shè)備制造及其自動(dòng)化的目的是滿足多種多樣的機(jī)械生產(chǎn)需求，因此，在設(shè)備設(shè)計(jì)中需要保證設(shè)計(jì)與生產(chǎn)需求的高度契合，設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品不可達(dá)不到需求，呈現(xiàn)的設(shè)計(jì)與需求設(shè)計(jì)也要對(duì)應(yīng)，使設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品能夠在真正的工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮作用，提升工業(yè)生產(chǎn)水平和人們生活質(zhì)量水平。

1.4 綠色化原則

機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)是一個(gè)能耗非常大的行業(yè)，中國(guó)的能源消耗和環(huán)境污染問(wèn)題在工業(yè)化的進(jìn)程中不斷加劇。為了保證中國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，彰顯企業(yè)的社會(huì)責(zé)任，要堅(jiān)持綠色化原則，生產(chǎn)綠色產(chǎn)品，保證生產(chǎn)過(guò)程綠色化，要設(shè)計(jì)出符合社會(huì)發(fā)展需求的綠色化產(chǎn)品。

1.5 便捷化原則

機(jī)械發(fā)展具有悠久的歷史，但是機(jī)械使用的根本目的是使人類勞動(dòng)力得到一定程度的解放。因此，在機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化的設(shè)計(jì)原則上要體現(xiàn)便捷性原則。

2 自動(dòng)化控制理論的內(nèi)容

自動(dòng)控制是指沒(méi)有人的直接參與或者外加的控制裝置或者裝置器，機(jī)器設(shè)備仍能夠按照預(yù)先設(shè)定的工作狀態(tài)或者參數(shù)自動(dòng)運(yùn)行。二戰(zhàn)后，在傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)上，較為完整的自動(dòng)化控制理論形成。

自動(dòng)控制主要依靠自動(dòng)控制系統(tǒng)和反饋控制系統(tǒng)工作。

2.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)

為了完成具有一定復(fù)雜性的控制任務(wù)，要求控制對(duì)象與控制裝置之間有滿足條件的連接方式，才能夠組成有機(jī)運(yùn)行的自動(dòng)控制系統(tǒng)。同時(shí)，在該系統(tǒng)中，被控制的對(duì)象的輸出量屬于嚴(yán)格加以控制的物理量，一般情況下被要求保持為某一恒定值，控制裝置則可以通過(guò)各樣的原理和方式對(duì)被控制的對(duì)象實(shí)施控制。這又是一種基于反饋控制原理的反饋控制系統(tǒng)。

2.2 反饋控制系統(tǒng)

在該系統(tǒng)之中，控制裝置對(duì)被控制的裝置發(fā)揮控制作用。取用被控制對(duì)象的反饋信息，用既定模型修正被控量與控制量?jī)烧咧g的偏差實(shí)現(xiàn)對(duì)被控量控制的任務(wù)。

3 自動(dòng)化控制理論在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用

3.1 在程序單元的應(yīng)用

這個(gè)單元是機(jī)械自動(dòng)化任務(wù)運(yùn)行的關(guān)鍵，也是在機(jī)械設(shè)計(jì)中需要關(guān)注的一個(gè)環(huán)節(jié)。在系統(tǒng)當(dāng)中需要執(zhí)行的任務(wù)和執(zhí)行任務(wù)所采取的方式都是由程序單元決定的。將自動(dòng)化控制理論應(yīng)用在程序單元，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品生產(chǎn)率，使生產(chǎn)周期縮短，工程設(shè)計(jì)費(fèi)用減少。

3.2 在作用單元的應(yīng)用

這個(gè)單元是整個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)之中完成前期任務(wù)的重要組成部分，主要功能是為系統(tǒng)運(yùn)行提供能量，同時(shí)完成機(jī)械生產(chǎn)過(guò)程中的定位工作，將自動(dòng)化控制理論應(yīng)用在作用單元，有利于提高設(shè)備利用率，減少人力費(fèi)用。

3.3 在傳感單元的應(yīng)用

這個(gè)單元是系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)性單元，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)其運(yùn)行的狀態(tài)和指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和檢測(cè)。對(duì)于維持機(jī)械的平穩(wěn)持續(xù)運(yùn)行有著重大意義。在這一單元實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化理論的應(yīng)用對(duì)減少維護(hù)檢測(cè)的人力、物力有重大作用。

3.4 在制定單元的應(yīng)用

在這一單元中，自動(dòng)化控制能夠?qū)鞲袉卧獋鬏數(shù)男畔⑦M(jìn)行準(zhǔn)確的處理和詳細(xì)的分析比較，接著根據(jù)實(shí)際情況發(fā)出動(dòng)作信號(hào)。將自動(dòng)化控制理論應(yīng)用在制定單元，對(duì)于提升機(jī)械的自動(dòng)化生產(chǎn)水平有重大意義。

3.5 在控制單元的應(yīng)用

這個(gè)單元在整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中起到了保障性的作用，對(duì)于各個(gè)單元的制定、動(dòng)作調(diào)節(jié)、維護(hù)有著關(guān)鍵意義。由此可見(jiàn)，自動(dòng)化控制理論在機(jī)械設(shè)計(jì)之初就能夠?yàn)楹罄m(xù)的生產(chǎn)提供極大的便捷性。自動(dòng)化控制理論在各個(gè)單元的應(yīng)用，也能夠節(jié)約多方面的人力、物力，使工業(yè)生產(chǎn)的效益明顯提高。

3.6 應(yīng)用實(shí)例

自動(dòng)化控制理論在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的典型應(yīng)用案例是數(shù)控機(jī)床的發(fā)展。作為機(jī)械加工制造業(yè)的主要加工設(shè)備，在機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化領(lǐng)域具有重要的研究意義。W3150型立式銑削數(shù)控加工中心是一項(xiàng)典型的機(jī)械設(shè)計(jì)制造以及自動(dòng)化發(fā)展的專業(yè)大案例。W3150型立式銑削數(shù)控加工中心可以具體分為刀具、生產(chǎn)工藝、總體結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電氣控制、數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控加工等部分進(jìn)行具體的自動(dòng)化分析。例如加工中心的主軸和箱體零件通常與CAD/CAM、有限元分析等技術(shù)結(jié)合。機(jī)床電器以及數(shù)控設(shè)備中廣泛應(yīng)用主運(yùn)動(dòng)控制、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)控制、自動(dòng)換刀裝置控制等單元的自動(dòng)化技術(shù)。各個(gè)運(yùn)行單元通過(guò)數(shù)控技術(shù)緊密結(jié)合互相支撐，是自動(dòng)化控制理論在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用典型。

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 光機(jī)電一體化

主要指的是通過(guò)光學(xué)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的深度融合提升自動(dòng)化機(jī)械生產(chǎn)產(chǎn)品的附加值。同時(shí)，激光技術(shù)、傳感器技術(shù)、光能驅(qū)動(dòng)技術(shù)等在機(jī)械制造業(yè)的應(yīng)用有利于機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化性能和品質(zhì)的提升，也有利于各學(xué)科在融合中取長(zhǎng)補(bǔ)短各取所需，增強(qiáng)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展能力。光機(jī)電一體化設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計(jì)制作如圖1所示。

圖1 光機(jī)電一體化設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計(jì)制作示意圖

4.2 模塊化

機(jī)械設(shè)計(jì)制造的過(guò)程具有一定的復(fù)雜性，包含的內(nèi)容和學(xué)科知識(shí)及其廣泛。因此，對(duì)設(shè)計(jì)人員對(duì)設(shè)計(jì)目的的明確程度、多樣性的信息分析研究能力提出了要求。在設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)各方面的功能特點(diǎn)進(jìn)行模塊劃分，從模塊的角度入手設(shè)計(jì)，全面提升設(shè)計(jì)水平，提高設(shè)計(jì)效率。同時(shí)，在模塊化之后能夠根據(jù)不同的設(shè)計(jì)模塊開(kāi)展檢測(cè)工作，提高設(shè)計(jì)工作的檢測(cè)效率，縮短維修時(shí)間。

4.3 智能化

智能化是保證機(jī)械具有良好操作水平的重要條件。尤其在人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)代，智能化必定是機(jī)械制造和設(shè)計(jì)發(fā)展的趨勢(shì)之一。同時(shí)，在智能化的高度發(fā)展之下可以實(shí)現(xiàn)對(duì)勞動(dòng)力的解放，提高機(jī)械的綜合使用水平。智能化的發(fā)展對(duì)于維護(hù)機(jī)械的穩(wěn)定運(yùn)行和持續(xù)性運(yùn)行發(fā)揮著重要的作用，使機(jī)械有了可以全面、快速、自我運(yùn)行的條件。

4.4 綠色化

在倡導(dǎo)可持續(xù)性發(fā)展的當(dāng)今社會(huì)，資源不斷枯竭和環(huán)境不斷惡化。各行各業(yè)已做好向綠色化生產(chǎn)轉(zhuǎn)變的準(zhǔn)備。機(jī)械制造行業(yè)也面臨著向綠色化轉(zhuǎn)型。主要的綠色化要求是從設(shè)計(jì)、材料、管理、工藝、包裝等多個(gè)流程實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程的綠色化，同時(shí)要加強(qiáng)對(duì)可再生能源的使用和廢舊材料的回收和再使用，通過(guò)提高產(chǎn)品整體的使用率和回收率，優(yōu)化資源使用，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展。

4.5 人性化

除了考慮機(jī)械本身的運(yùn)行功能以外，在機(jī)械設(shè)計(jì)的過(guò)程中賦予一定的人類情感。將生產(chǎn)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品融入人性化的設(shè)計(jì)理念，更有利于在未來(lái)占有市場(chǎng)并贏得口碑。在機(jī)械擬人化的同時(shí)，也能夠達(dá)到提高人們?nèi)粘Ｉ畋憷缘谋举|(zhì)目的，為使用者提供更好的使用體驗(yàn)。同樣，在人性化的發(fā)展中能夠促進(jìn)中國(guó)機(jī)械制造自動(dòng)化設(shè)計(jì)與人契合的發(fā)展。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化發(fā)展對(duì)于整個(gè)制造行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)有著重大的意義，是提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵，也是提升生產(chǎn)質(zhì)量，滿足多樣市場(chǎng)需求的必經(jīng)之路。因此，結(jié)合當(dāng)下的熱門學(xué)科，比如計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息技術(shù)、網(wǎng)路技術(shù)、人工智能技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)等，向著智能化、綠色化的方向?qū)崿F(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)制造的自動(dòng)化，是實(shí)現(xiàn)中國(guó)工業(yè)化強(qiáng)國(guó)夢(mèng)想要求的體現(xiàn)。

［1］賀江，宋文杰，尤澤萌，等.機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化發(fā)展方向的研究［J］.科技創(chuàng)業(yè)家，2016（4）：22.

［2］張敬晗，鄒金宏，霰旭瑤.機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化的發(fā)展分析［J］.四川水泥，2016（11）：236.

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2095－6835（2021）06－0165－02

TH122

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.06.068

顧懂懂（1988—），男，河南人，本科，助理工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及其自動(dòng)化。

〔編輯：張思楠〕