冀寧

[摘? ? 要]我國作為一個制造業(yè)大國，第一產(chǎn)業(yè)的發(fā)展時刻影響著國民經(jīng)濟的發(fā)展，機械自動化技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展不斷推進著機械制造領(lǐng)域的發(fā)展，也為我國的產(chǎn)業(yè)布局與市場競爭提供了新的機遇。闡述我國工業(yè)產(chǎn)業(yè)背景下機械制造及其自動化的發(fā)展現(xiàn)狀，并通過對比傳統(tǒng)機械制造行業(yè)與機械自動化，分析機械制造及其自動化在生產(chǎn)成本、產(chǎn)品質(zhì)量、市場競爭力等方面的價值與優(yōu)勢，例舉自動化技術(shù)在機械制造領(lǐng)域的應(yīng)用，合理分析并預(yù)測了機械制造及其自動化領(lǐng)域的發(fā)展方向，希望有利于推動機械自動化領(lǐng)域的發(fā)展。

[關(guān)鍵詞]機械制造;自動化;發(fā)展方向;智能化

[中圖分類號]TH16 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）09–00–03

[Abstract]As a major manufacturing country， the development of the primary industry always affects the development of the national economy， the emergence and development of machinery automation technology constantly promote the development of machinery manufacturing field， but also provides new opportunities for our industrial layout and market competition. This paper expounds the development status of machinery manufacturing and automation under the background of Chinese industrial industry， and analyzes the value and advantages in production cost， product quality， market competitiveness， illustrates the application of automation technology， and reasonably analyzes and predicts the development direction of machinery manufacturing and automation， hoping to promote the development of mechanical automation.

[Keywords]mechanical manufacturing; automation; development direction; intelligence

1 機械制造及其自動化的意義與價值

機械制造的自動化技術(shù)是時代飛速發(fā)展到第三次科技革命的產(chǎn)物，自動化技術(shù)在機械制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用改變了該領(lǐng)域的市場格局，并顯著加大了市場競爭的激烈程度，同時時代的發(fā)展對機械制造領(lǐng)域在換能節(jié)能、環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展方面也提出了新的要求。隨著技術(shù)的理論突破與各行業(yè)的普遍應(yīng)用，工業(yè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的機械制造品的需求在不斷擴大，生產(chǎn)力水平飛速上升，同時伴隨著傳統(tǒng)行業(yè)轉(zhuǎn)型的大量困難。在這種背景下，有必要對工業(yè)產(chǎn)業(yè)背景下機械制造及其自動化的發(fā)展方向進行探究。

傳統(tǒng)的機械制造屬于技術(shù)密集型與勞動密集型產(chǎn)業(yè)，即大量人工勞動力操作大量機械加工設(shè)備。這樣的生產(chǎn)模式存在兩個方面的弊端：①人工勞動的效率與質(zhì)量嚴重制約著產(chǎn)品的產(chǎn)出效率與質(zhì)量，②大量人工意味著管理成本的大量投入與安全事故風險的不斷累積。機械自動化技術(shù)的出現(xiàn)從根本上改善甚至解決了這兩方面的問題。一方面機械制造的自動化技術(shù)改變了生產(chǎn)方式，將大量人工勞動力解放并形成自動化的流水線操作與控制系統(tǒng)，最大程度地排除了人為失誤;另一方面機械制造的自動化技術(shù)的智能化應(yīng)用利用信息技術(shù)不斷采集、分析、整合工程數(shù)據(jù)，且設(shè)備上采用了各種高精度的導(dǎo)向、定位、進給、調(diào)整、檢測、視覺系統(tǒng)或部件，可以保證產(chǎn)品裝配生產(chǎn)的高精度，使得機械制造行業(yè)不斷標準化，減少冗余的加工環(huán)節(jié)并提高材料利用率，顯著提高了機械制造品的質(zhì)量。

2 機械制造及其自動化的發(fā)展現(xiàn)狀

我國作為一個制造業(yè)大國，曾經(jīng)長期依賴對國外技術(shù)與生產(chǎn)線的引進。20世紀80年代以來，不斷加大對于機械制造的自動化方向的投入。但由于我國工業(yè)發(fā)展與自動化技術(shù)的發(fā)展起步較晚，因此在機械制造及其自動化領(lǐng)域與發(fā)達國家仍存在一定的差距。在技術(shù)層級上，我國仍屬于機械自動化的初期階段，即操作自動化階段。這一階段的顯著特點在于實現(xiàn)了機械設(shè)備生產(chǎn)取代人工勞動力生產(chǎn)、計算機技術(shù)簡化機械制造的操作難度等，但在機械制造的自動化控制、制造精度、復(fù)合設(shè)備制造、柔性制造技術(shù)與聯(lián)動制造技術(shù)等方面仍存在技術(shù)難題。在管理層面，我國與發(fā)達國家也存在較大的差距。我國的管理模式與管理團隊水平尚未跟進技術(shù)發(fā)展水平，其中，比較顯著的是我國大多中小企業(yè)仍采用傳統(tǒng)的人工管理模式，尚未普及信息化、標準化的計算機管理模式，由此造成了制造效率、制造質(zhì)量、制造規(guī)模與經(jīng)濟效益的弱勢競爭地位。在工藝層面，納米加工、激光加工、電磁加工等尖端技術(shù)在國際競爭中發(fā)達國家依然處于絕對優(yōu)勢，并在一定程度上處于壟斷地位，限制我國的技術(shù)發(fā)展。應(yīng)充分明確的是，現(xiàn)階段我國的制造業(yè)的整體水平依然處于體量大但技術(shù)難度不高的階段，并急需機械制造與自動化方面的專業(yè)人才與創(chuàng)新能力。此外，國家在標準制定、人才培養(yǎng)及相關(guān)法律法規(guī)與政策的制定上均有一定程度的滯后性，制約著我國機械制造及其自動化領(lǐng)域的發(fā)展。

3 機械制造及其自動化的應(yīng)用

3.1 自動化信息系統(tǒng)

自動化信息系統(tǒng)是指通過構(gòu)建機械制造過程中多維度數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫并進行計算機輔助設(shè)計與管理，計算機技術(shù)的引入是自動化實現(xiàn)的基礎(chǔ)與關(guān)鍵。機械制造的數(shù)據(jù)涉及產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)、制造工藝數(shù)據(jù)、設(shè)備運行數(shù)據(jù)與產(chǎn)品銷售數(shù)據(jù)等，因此自動化的實現(xiàn)方式與實現(xiàn)軟件也是多維度的。隨著技術(shù)的逐步發(fā)展，自動化信息技術(shù)逐步從輔助地位提高到機械制造項目的主要制定依據(jù)，信息化有效地幫助機械制造提高其生產(chǎn)效率與生產(chǎn)規(guī)范性。

3.2 自動化運輸與生產(chǎn)系統(tǒng)

自動化運輸系統(tǒng)是指通過計算機技術(shù)自動控制原材料的供應(yīng)與各流程間的產(chǎn)品銜接，自動化運輸不僅涉及產(chǎn)品運輸，還涉及能源的持續(xù)供應(yīng);自動化生產(chǎn)系統(tǒng)是指通過計算機技術(shù)實現(xiàn)工藝流程的設(shè)計、制造環(huán)境的構(gòu)建與機械產(chǎn)品的流水線自動生產(chǎn)。自動化的運輸與生產(chǎn)是機械制造流程中不可分割的兩個環(huán)節(jié)，自動化的運輸與生產(chǎn)最顯著的特點即去人工化與流程標準化，這種生產(chǎn)模式最大程度地排除了人為誤差并提高了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，同時體現(xiàn)在安全性的顯著提高與時間成本、生產(chǎn)成本的大幅節(jié)省上。

3.3 自動化檢測系統(tǒng)

自動化檢測系統(tǒng)是高性能機械自動化制造時必備的系統(tǒng)，大部分的自動化檢測系統(tǒng)都是負反饋系統(tǒng)，對材料與設(shè)備檢測最主要的目的是主動地預(yù)防廢品產(chǎn)生或被動地進行廢品剔除，并提高設(shè)備的使用壽命。由于人工檢測能力的限制與部分產(chǎn)品的精度與質(zhì)量要求極為嚴苛，因此需利用計算機技術(shù)對新材料與機械自動化設(shè)備的各功能進行自動化的檢測。檢測內(nèi)容包括但不限于加工工件的質(zhì)量控制、加工工藝工程的檢測、加工過程的優(yōu)化與設(shè)備運行的效率，通常利用電磁感應(yīng)、氣壓、光束或放射性同位素射線等的物理特性對測試對象的需求參數(shù)進行定量化的檢測，人工智能領(lǐng)域的發(fā)展將實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在智能檢測方面的深度應(yīng)用。

4 機械制造及其自動化的發(fā)展方向

4.1 高性能化發(fā)展

隨著時代的發(fā)展，對工業(yè)產(chǎn)品需求的門類與特性不斷豐富，縱觀整個工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢，機械制造不斷向特性化、微型化、機電一體化的方向發(fā)展，同時自動化技術(shù)的融入進一步加快了這一步伐。傳統(tǒng)機械制造設(shè)備多為大型設(shè)備，不僅設(shè)備的占地面積大，對車間的要求較高，而且大型設(shè)備的故障率較高，維護成本占整體成本中不小的比重，一些陳年設(shè)備的維護在一定程度上制約著企業(yè)的發(fā)展。針對這一問題，機械自動化設(shè)備逐漸向小型化發(fā)展，即設(shè)備體積縮小、精密性提高、能源消耗降低。小型化的機械自動化設(shè)備在工業(yè)上的運用降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本，有助于企業(yè)的良性發(fā)展。此外，自動化技術(shù)的發(fā)展使機械制造設(shè)備完成了機電一體化的迭代更新，在結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料使用上都發(fā)生了巨大的改變，這使得機械制造設(shè)備的工作能力與產(chǎn)出率都有了質(zhì)的飛躍，并更加適應(yīng)更多復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境。

4.2 網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展

網(wǎng)絡(luò)化是信息時代對工業(yè)產(chǎn)業(yè)背景下的機械制造領(lǐng)域提出的新要求，伴隨著網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，機械制造及其自動化也呈現(xiàn)了虛擬化的特點。機械制造及其自動化的虛擬化又稱虛擬現(xiàn)實技術(shù)，是指專業(yè)人員通過計算機技術(shù)進行系統(tǒng)性的制造計劃設(shè)計并進行仿真。虛擬工藝設(shè)計包括對設(shè)備的3D建模、對制造流程的全真模擬以及對投入產(chǎn)出的精細化預(yù)測和安全性規(guī)劃，通過虛擬工藝設(shè)計可以高精度地進行成本預(yù)算與項目效益分析;通過仿真可最大程度地檢驗工藝的可行性與經(jīng)濟性。對于虛擬仿真中出現(xiàn)的問題，專業(yè)人員可以在制造過程的任何階段第一時間進行技術(shù)性修正，在項目實施前排除部分問題，縮短項目周期。隨著項目規(guī)模的擴大與項目難度的提升，仿真所帶來的收益與開發(fā)效率愈加顯著。機械制造及其自動化的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展是指利用無線通信技術(shù)與嵌入式技術(shù)直接控制機械制造自動化設(shè)備內(nèi)部，對內(nèi)部的微處理器與微控制器進行邏輯操控，并將制造過程中的各項數(shù)據(jù)無線傳輸給上位機，以實現(xiàn)操作人員對項目的監(jiān)測、比對、故障分析等流程，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境的PLC系統(tǒng)就是網(wǎng)絡(luò)化的最大體現(xiàn)。

4.3 智能化發(fā)展

智能化是伴隨人工智能技術(shù)與深度學習技術(shù)不斷發(fā)展所提出的新觀點，代表著機械制造及其自動化最前沿的發(fā)展方向。與網(wǎng)絡(luò)化不同的是，智能化側(cè)重的方向是機械自動化設(shè)備的自主判斷與自動控制能力。機械制造實現(xiàn)智能化的主要目的在于通過智能算法與高性能芯片進一步提高對于各數(shù)據(jù)的運算能力，并形成智能化的數(shù)據(jù)調(diào)度與處理架構(gòu)，進而提升機械制造的效率與精度。智能化的機械自動化設(shè)備所實現(xiàn)的目標為通過大量數(shù)據(jù)的訓練使計算機規(guī)劃出最優(yōu)方案，并在一定程度上集成人腦的學習與創(chuàng)新能力，實現(xiàn)制造流程的全程全方位控制。智能化發(fā)展的具體方向可分為健壯性設(shè)計、優(yōu)化性設(shè)計，并從產(chǎn)品的需求出發(fā)運用逆向工程技術(shù)設(shè)計整個機械制造及其自動化系統(tǒng)。

4.4 精細化發(fā)展

精細化發(fā)展是指對產(chǎn)品或工藝的精度超量級要求，主要有加工精度與加工速度兩個方面。目前頂尖技術(shù)對于產(chǎn)品的處理已經(jīng)擁有納米級的處理能力。在超高速切割方面，由于真空技術(shù)的發(fā)展，目前可以達到的最高轉(zhuǎn)速已經(jīng)達到千米每分鐘的級別。精細化程度的不斷提高所積累的量變給機械制造領(lǐng)域帶來了質(zhì)的影響，高精度背后的高難度技術(shù)代表著制造工藝、數(shù)控刀具、生產(chǎn)材料等一系列技術(shù)的發(fā)展。此外，高精度制造在材料利用率上的優(yōu)越表現(xiàn)在優(yōu)化了經(jīng)濟收益的同時契合了時代對于工業(yè)產(chǎn)業(yè)綠色生產(chǎn)的要求，幫助機械制造及其自動化實現(xiàn)良性發(fā)展。

4.5 多技術(shù)融合發(fā)展

跨學科、跨專業(yè)的技術(shù)融合在復(fù)雜領(lǐng)域的機械自動化中逐步顯現(xiàn)，由于市場競爭的不斷加劇與技術(shù)革命的周期不斷縮短，市場要求企業(yè)對于機械制造的生產(chǎn)、加工、檢測、運輸、裝配間形成高度的一體化，企業(yè)對于這一需求將各工藝逐漸融合，將各技術(shù)統(tǒng)一到一條生產(chǎn)線或一個車間內(nèi)。此外，對于計算機技術(shù)而言，自動化技術(shù)與CAPP技術(shù)、CAM/CAD技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合成為一個發(fā)展方向。CAPP技術(shù)是指利用計算機進行邏輯運算來定制加工機械零件，完成加工與裝配兩個方面的工藝設(shè)計。CAPP技術(shù)的多接口特性使其與CAD與CAM擁有良好的兼容性，并使得該系統(tǒng)呈現(xiàn)高度的集成化特點;由于企業(yè)內(nèi)局域網(wǎng)的環(huán)境為CAPP技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)的融合提供較為安全的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與較為穩(wěn)定的連接環(huán)境。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)從信息汲取、工藝決策到數(shù)據(jù)庫建立的人機交互平臺的建立，充分實現(xiàn)機械制造的自動化。

5 結(jié)束語

目前我國的機械制造及其自動化的發(fā)展由于規(guī)模效應(yīng)在技術(shù)上的突破難度逐漸降低，但在應(yīng)用與市場競爭力上仍存在一定程度的短板。機械自動化的發(fā)展應(yīng)從實際出發(fā)，以市場需求作為導(dǎo)向，以國家的經(jīng)濟發(fā)展水平作為基礎(chǔ)。面對愈發(fā)激烈的市場競爭，綜合分析國內(nèi)外市場的主流需求，吸取頭部企業(yè)的成功或失敗經(jīng)驗，加大對低成本自動化技術(shù)的資金投入與規(guī)模投入，從穩(wěn)固現(xiàn)有市場與擴展新市場兩方面入手，優(yōu)先占據(jù)國內(nèi)下沉市場，加快建立設(shè)計、生產(chǎn)、銷售、維修與回收的全方位服務(wù)模式，并打通質(zhì)量、環(huán)境、運輸?shù)亩嗑S度渠道，最大程度地提高我國機械制造企業(yè)的競爭優(yōu)勢。

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