孟鑫　盧清波　姬耀鋒

【摘? ? 要】工業(yè)蒸汽時(shí)代傳承下的簡(jiǎn)易機(jī)械、傳統(tǒng)工業(yè)制造方式已被市場(chǎng)淘汰，應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)成為各行業(yè)保持生命力的必然趨勢(shì)。隨著科技的快速發(fā)展，自動(dòng)化技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于我國(guó)工業(yè)制造業(yè)，在機(jī)械設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域?qū)χ圃旆绞竭M(jìn)行了翻天覆地的革新。自動(dòng)化技術(shù)的引入增加了經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)效率，確保了計(jì)算的精度，降低了誤差率，提高了機(jī)械設(shè)計(jì)和制造行業(yè)的技術(shù)性和先進(jìn)性。

【關(guān)鍵詞】自動(dòng)化技術(shù)? 機(jī)械設(shè)計(jì)制造? 應(yīng)用與發(fā)展

中圖分類號(hào)：G4? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2021.12.149

一、機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化概述

近年來(lái)，科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展使我國(guó)智能制造業(yè)迎來(lái)了難得的發(fā)展機(jī)遇，機(jī)械制造自動(dòng)化技術(shù)是當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)制造業(yè)十分關(guān)鍵的一項(xiàng)技術(shù)，在社會(huì)、工作、生活的許多領(lǐng)域均得到了廣泛應(yīng)用，如機(jī)械工程、制造業(yè)、醫(yī)藥、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、軍工、交通運(yùn)輸、電等民用領(lǐng)域，對(duì)我國(guó)未來(lái)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有一定的推動(dòng)與促進(jìn)作用。國(guó)家在經(jīng)濟(jì)發(fā)展社會(huì)進(jìn)步的同時(shí)也給機(jī)械制造提供了人才、資金和技術(shù)的支持，推動(dòng)其向更先進(jìn)的方向改進(jìn)，全面提升了核心競(jìng)爭(zhēng)力。

機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展經(jīng)歷了人工操作、動(dòng)力操作、信息傳輸?shù)倪^(guò)程。隨著科技的發(fā)展，已將傳統(tǒng)的人工解析指令或參數(shù)發(fā)展成設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)，其根據(jù)遙感技術(shù)、反饋原理、數(shù)據(jù)原理等技術(shù)，將預(yù)存數(shù)據(jù)生成可執(zhí)行的指令程序，以替代人工輸入程序。機(jī)械自動(dòng)化就是讓機(jī)械設(shè)備代替人設(shè)定程序以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，在整個(gè)過(guò)程中能自行進(jìn)行檢測(cè)、處理、分析。機(jī)械制造及其自動(dòng)化的持續(xù)發(fā)展，更能滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)發(fā)展的需求，有利于提高機(jī)械設(shè)計(jì)制造的整體水平，朝更加高效、節(jié)能、智能的方向邁進(jìn)，促進(jìn)企業(yè)生產(chǎn)效率與質(zhì)量不斷提升，使企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出。

二、自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展

“自動(dòng)化”最早是由美國(guó)的一個(gè)機(jī)械工程師提出來(lái)的，經(jīng)過(guò)不斷的研究和升級(jí)，自動(dòng)化已發(fā)展到現(xiàn)在十分高的水平。自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展初期多以傳統(tǒng)的人工控制為主，其時(shí)效性差、效率低、精準(zhǔn)度低，時(shí)常出現(xiàn)質(zhì)量和人身安全問(wèn)題。自動(dòng)化技術(shù)是指在機(jī)器設(shè)備、儀表儀盤等設(shè)備中嵌入芯片，芯片會(huì)接收外界的程序或指令，設(shè)備會(huì)根據(jù)指令自行調(diào)節(jié)和加工，同時(shí)也會(huì)根據(jù)輸入的參數(shù)調(diào)節(jié)設(shè)備參數(shù)的技術(shù)。機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化以傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)制造為基礎(chǔ)，綜合運(yùn)用微電子調(diào)控、計(jì)算機(jī)編程、智能化自動(dòng)控制、傳感檢測(cè)、信息交換等手段，根據(jù)所要求達(dá)到的功能與特性，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行的自動(dòng)化與智能化，以期達(dá)到企業(yè)高產(chǎn)、低耗的目標(biāo)，使整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。隨著自動(dòng)化控制的發(fā)展，機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域和制造領(lǐng)域已徹底走向智能型發(fā)展，不僅能增加設(shè)備的時(shí)效性、提高生產(chǎn)效率、降低人工成本、降低人工操作的復(fù)雜性和危險(xiǎn)性，將技術(shù)人員從復(fù)雜的工序中解脫出來(lái)，且自動(dòng)化技術(shù)的作業(yè)精度遠(yuǎn)高于人工。機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化所涉獵的范圍極廣，既可以被應(yīng)用到航天、航空等重要科研項(xiàng)目中，也可以被應(yīng)用到導(dǎo)彈、戰(zhàn)機(jī)等軍事國(guó)防領(lǐng)域，在家電等民用領(lǐng)域?yàn)槿嗣裉峁┍憬?。自?dòng)化技術(shù)能極大地改善機(jī)械性能，通過(guò)數(shù)據(jù)化控制、自動(dòng)診斷、自動(dòng)報(bào)警等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使機(jī)械的使用壽命增長(zhǎng)無(wú)效做功減少，真正做到綠色高效生產(chǎn)。

三、自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用

（一）數(shù)控技術(shù)

自動(dòng)化技術(shù)的引進(jìn)能有效抑制和解決生產(chǎn)方式過(guò)于滯后、效率不高、消耗諸多的資金和人力等問(wèn)題，保障產(chǎn)品的整體質(zhì)量提高。數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不僅可對(duì)機(jī)械化程度進(jìn)行提升，還能對(duì)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量進(jìn)行更好的保障。數(shù)控技術(shù)主要對(duì)電腦程序進(jìn)行編制，然后實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械運(yùn)行的控制，而數(shù)字化技術(shù)是借助軟件管理操作機(jī)械設(shè)備，采取預(yù)先設(shè)計(jì)的軟件程序來(lái)監(jiān)控機(jī)械生產(chǎn)環(huán)節(jié)，增強(qiáng)技術(shù)人員的專業(yè)能力，達(dá)到機(jī)械操作自動(dòng)化運(yùn)行的目標(biāo)。當(dāng)前，數(shù)控技術(shù)正在朝著智能化和開(kāi)放化的方向發(fā)展，生產(chǎn)和管理人員對(duì)整個(gè)生產(chǎn)的流程和質(zhì)量進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)這樣的方式降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，改善工人的工作環(huán)境，對(duì)工作效率進(jìn)行有效提升。

（二）集成化技術(shù)

在機(jī)械制造自動(dòng)化中集成化是非常重要的部分，所謂集成是指機(jī)械制造借助信息技術(shù)的作用開(kāi)展，制造在集成環(huán)節(jié)能夠促進(jìn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中規(guī)范性加工制造，能運(yùn)用計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的科學(xué)管控。集成相應(yīng)的分散自動(dòng)化系統(tǒng)，構(gòu)建更加高效的生產(chǎn)控制系統(tǒng)，保證機(jī)械設(shè)計(jì)、制造以及運(yùn)營(yíng)等不同環(huán)節(jié)之間的緊密關(guān)聯(lián)。同時(shí)，及時(shí)收集市場(chǎng)信息、制定生產(chǎn)計(jì)劃方案、產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)、加工和營(yíng)銷等環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)信息，完成信息流、物料流等方面的統(tǒng)一化管控任務(wù)。

（三）虛擬化技術(shù)

為滿足客戶提出的要求選擇與之相符的設(shè)備，工作者設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)可借助虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)針對(duì)相關(guān)機(jī)械設(shè)備的建模，設(shè)定準(zhǔn)確的模擬參數(shù)，為客戶制造出滿意的產(chǎn)品。機(jī)械制造虛擬化是實(shí)施機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)流程仿真工作，利用機(jī)械產(chǎn)品制造不同環(huán)節(jié)的仿真以及模擬，全面探究產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造期間存在的不足之處，減少機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)期間各項(xiàng)物料消耗過(guò)多現(xiàn)象的出現(xiàn)，從而達(dá)到模擬控制機(jī)械產(chǎn)品自動(dòng)化生產(chǎn)的目的。虛擬技術(shù)的應(yīng)用縮短了設(shè)計(jì)制造周期，使成本大幅度降低，同時(shí)虛擬化技術(shù)使小批量個(gè)性化定制成為可能。

（四）智能技術(shù)

智能技術(shù)是由多學(xué)科組成的，其中包含計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)和定位技術(shù)等內(nèi)容，它的核心就在于對(duì)相應(yīng)程序的設(shè)定，使用這種方式對(duì)傳統(tǒng)人工操作進(jìn)行替代，能夠更好地解決傳統(tǒng)人工所無(wú)法完成的操作，提升機(jī)械制造設(shè)計(jì)和自動(dòng)化的智能化程度。比如現(xiàn)在工廠中的智能制造加工單元，融合了機(jī)器人技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、MES管理系統(tǒng)等，使零件從毛坯到成型入庫(kù)全自動(dòng)化智能化，并實(shí)現(xiàn)了物料追蹤。在對(duì)一些生產(chǎn)難度比較高和精密度比較高的產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)時(shí)，要對(duì)智能化的技術(shù)進(jìn)行積極的利用，對(duì)其中存在的問(wèn)題進(jìn)行更好的解決。

（五）計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與故障診斷

在機(jī)械設(shè)計(jì)制造和自動(dòng)化領(lǐng)域中經(jīng)常涉及機(jī)械圖繪制的內(nèi)容，通過(guò)對(duì)CAD、CAM等計(jì)算機(jī)繪圖軟件進(jìn)行利用，可實(shí)現(xiàn)降低人工繪圖的復(fù)雜性，同時(shí)利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以讓頭腦中的圖像得到立體化的展示，能利用軟件對(duì)其進(jìn)行一定的測(cè)試，讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)可以更加接近完美的狀態(tài)。自動(dòng)化技術(shù)會(huì)按照指定的程序通過(guò)傳感器定時(shí)采集設(shè)備元件的信號(hào)和狀態(tài)，再經(jīng)由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)保存的特征庫(kù)分析出元件的狀態(tài)，特征庫(kù)中保存了各元件的狀態(tài)集合，根據(jù)模式匹配原理分析出元件當(dāng)前是否正常工作。自動(dòng)化技術(shù)類似于人類的專家系統(tǒng)，專家會(huì)憑借經(jīng)驗(yàn)、視覺(jué)或設(shè)備檢測(cè)等方式判斷故障原因，自動(dòng)化技術(shù)會(huì)通過(guò)神經(jīng)元的學(xué)習(xí)和記憶調(diào)整當(dāng)前的處理狀態(tài)，采用合理維護(hù)的方法加以維修。

四、自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的發(fā)展趨勢(shì)

（一）網(wǎng)絡(luò)化和智能化

通過(guò)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)可隨時(shí)進(jìn)行信息共享和監(jiān)測(cè)，以防止各種突發(fā)情況發(fā)生，構(gòu)建人工智能讓其能夠自己完成計(jì)算和決策等工作，實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)制造的智能化。在實(shí)際生產(chǎn)中機(jī)械產(chǎn)品從設(shè)計(jì)初期到生產(chǎn)，最后到完工的過(guò)程都能實(shí)現(xiàn)智能化處理。智能化能有效避免設(shè)計(jì)生產(chǎn)中發(fā)生的質(zhì)量問(wèn)題，保證企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益與生產(chǎn)質(zhì)量。隨著5G技術(shù)的成熟，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)與智能控制會(huì)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)得到進(jìn)一步應(yīng)用，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程生產(chǎn)加工，通過(guò)無(wú)線通訊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)試維護(hù)。

（二）數(shù)字化與微型化

機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化的重點(diǎn)在于數(shù)字化，企業(yè)通過(guò)數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息資料的收集后，利用虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)據(jù)庫(kù)和多媒體等技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析重組。同時(shí)該技術(shù)還能有效預(yù)警生產(chǎn)故障，形成穩(wěn)定、安全的生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)。微型化發(fā)展是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化生產(chǎn)的趨勢(shì)，很多機(jī)械零件尺寸都變得很微小，大部分都朝著微米、納米發(fā)展。

（三）機(jī)電一體化與模塊化

機(jī)電一體化是指將機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電控技術(shù)等綜合起來(lái)形成的交叉型復(fù)雜綜合性技術(shù)。該技術(shù)能將智能化、綠色化、模塊化融合成一個(gè)有機(jī)整體，可以降低生產(chǎn)中能源消耗、減少各類污染物的排放，實(shí)現(xiàn)真正的綠色生產(chǎn)。模塊化是一種管理方式，針對(duì)不同機(jī)床的特性以及用處進(jìn)行分模塊放置。對(duì)于程序，可將初始程序進(jìn)行整合并設(shè)置高自由度的修改模式，形成機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化的“虛擬引擎”。將設(shè)備進(jìn)行模塊化處理，每個(gè)部分進(jìn)行一項(xiàng)運(yùn)算操作，這樣不但能夠很好地保證產(chǎn)品的質(zhì)量，也使生產(chǎn)效率大大提高。

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