付云開
(商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院,商丘 476000)
機械自動化技術(shù)指的是使用數(shù)字技術(shù)操控設(shè)備并完成生產(chǎn)任務(wù)的技術(shù)手段,具有節(jié)約人力成本、提高制造質(zhì)量等價值。新時代在環(huán)保、低耗等綠色發(fā)展理念廣泛推行的基礎(chǔ)上,機械制造工藝、流程、標(biāo)準(zhǔn)需不斷優(yōu)化,傳統(tǒng)的制造手段顯然無法滿足生產(chǎn)者與消費者的需求,這就需要增強機械制造的自動性,在創(chuàng)新爭優(yōu)、節(jié)約成本、控制能耗的層面上彰顯技術(shù)優(yōu)勢?;诖?,為了助推我國機械制造產(chǎn)業(yè)穩(wěn)健發(fā)展,研究機械自動化技術(shù)在機械制造中的應(yīng)用策略顯得尤為重要。
20世紀(jì)70年代機電一體化在《機械設(shè)計》(日本)雜志中出現(xiàn),1984年美國機械工程師協(xié)會對現(xiàn)代機械進行定義,該協(xié)會認(rèn)為現(xiàn)代機械主要是指由網(wǎng)絡(luò)控制與協(xié)調(diào)的生產(chǎn)制造方式,需計算機系統(tǒng)與各類動力學(xué)任務(wù)機制共同發(fā)揮作用,20世紀(jì)90年代在歸納總結(jié)機電一體化發(fā)展經(jīng)驗的前提下,將機電一體化視為電子控制系統(tǒng)、精密機械、產(chǎn)品設(shè)計、制造工藝等方面協(xié)同作用下的產(chǎn)物。機電一體化的探索與實踐為機械自動化技術(shù)應(yīng)用推廣奠定了基礎(chǔ)。
機械自動化在多學(xué)科、多種技術(shù)手段交融滲透的基礎(chǔ)上不斷發(fā)展,它改變了生產(chǎn)方式、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、技術(shù)流程,使機械制造得以邁進“自動化”時代,在傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)、微電子等技術(shù)共同發(fā)揮作用的過程中,增強機械制造的綜合性、可靠性、創(chuàng)新性。機械自動化并非高新技術(shù)、機械制造技術(shù)的簡單拼湊,主要源于機械自動化技術(shù)在機械制造中的應(yīng)用目的性,如有效控制誤差、實現(xiàn)綠色制造目標(biāo)等,繼而助推機械制造產(chǎn)業(yè)穩(wěn)健發(fā)展[1]。
在機械制造中應(yīng)用機械自動化技術(shù)具有提高制造質(zhì)量的價值,主要源于應(yīng)用編程技術(shù),可事先在系統(tǒng)內(nèi)錄入制造程序,該程序有著較強的目的性,可避免出現(xiàn)機械制造與預(yù)期不符的情況,在此基礎(chǔ)上提高機械制造質(zhì)量。因為機械設(shè)備、制造系統(tǒng)按照既定的程序運轉(zhuǎn),所以在生產(chǎn)制造活動中能免受人力干擾。相較于人力,機械設(shè)備受系統(tǒng)控制自動運轉(zhuǎn)的精度更高,更利于打造精密儀器。在機械制造中使用傳感器技術(shù),及時了解制造的實際情況,在此前提下提高生產(chǎn)制造監(jiān)督質(zhì)量,收集整理監(jiān)督反饋所得信息,并利用信息調(diào)整技術(shù)參數(shù),進而不斷地提升機械制造水平。
機械自動化由數(shù)字技術(shù)、先進設(shè)備、信息系統(tǒng)等部分構(gòu)成,經(jīng)驗表明,機械設(shè)備始終保持穩(wěn)定的狀態(tài)能更好地完成制造任務(wù)。在機械自動化技術(shù)的助力下,機械設(shè)備運維難度將有所降低,在傳感器技術(shù)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)集成的條件下,機械設(shè)備具有自我保護、自動診斷、監(jiān)視、預(yù)警等功能,一旦發(fā)生過流、過壓等故障,機械設(shè)備就能立即分析故障成因,判讀故障所在位置,生成故障分析報告并傳至專職人員的移動終端,根據(jù)故障的危險系數(shù)及影響范圍選擇性地關(guān)閉生產(chǎn)制造系統(tǒng),便于專職人員盡快鎖定故障區(qū)域,縮短因設(shè)備故障而停產(chǎn)的時間,保障機械制造系統(tǒng)能快速恢復(fù)正常。
使用大數(shù)據(jù)技術(shù)分析處理機械設(shè)備運行數(shù)據(jù),可以對相關(guān)設(shè)備的穩(wěn)定性做出基本的判斷,并依據(jù)判斷結(jié)果制定設(shè)備運維方案,其目的是降低設(shè)備故障發(fā)生的幾率,還能保障機械制造系統(tǒng)長期處于穩(wěn)定狀態(tài)。值得一提的是,在廣泛占有設(shè)備運行數(shù)據(jù)的條件下,立足不同的機械制造系統(tǒng)能規(guī)設(shè)機械設(shè)備故障預(yù)警模型,使用云計算技術(shù)分析處理設(shè)備運行數(shù)據(jù),專職人員可依據(jù)分析報告展開運維工作,有效提高機械設(shè)備故障檢修的前瞻性,延長設(shè)備壽命,優(yōu)化設(shè)備功能,增強機械制造系統(tǒng)的可靠性與靈敏性。
機械自動化技術(shù)賦予機械制造設(shè)備諸多功能,如自我保護功能、自我調(diào)節(jié)功能、自我校驗功能、自動補償功能等,應(yīng)用上述功能可有效節(jié)約機械制造能耗。以自我調(diào)節(jié)功能為例,當(dāng)機械制造系統(tǒng)分析判斷得出能耗超標(biāo)的結(jié)論后,就能運用數(shù)字技術(shù)操控系統(tǒng)內(nèi)的機械設(shè)備,選擇性地關(guān)停部分設(shè)備,達(dá)到節(jié)約能耗的目的。因為機械自動化技術(shù)提高了機械制造的精度,所以可減少劣質(zhì)元件的數(shù)量,還能提高制造效率,有效地節(jié)省了人力成本,同時減少因返工而投入的費用。機械自動化技術(shù)助推機械系統(tǒng)向著輕小型的方向優(yōu)化升級,這可進一步減少能源的投入率。當(dāng)前低耗、綠色、節(jié)能、環(huán)保是機械制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主旋律,使用機械自動化技術(shù)不僅能改進機械制造系統(tǒng),還能科學(xué)合理地控制能耗、減少成本及污染物的排放量,繼而助推機械制造產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[2]。
數(shù)控技術(shù)主要指的是利用數(shù)字信息控制機械設(shè)備的技術(shù)手段,集網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、傳感檢測技術(shù)、現(xiàn)代控制等技術(shù)于一體,可以根據(jù)機械制造需求靈活設(shè)計軟硬件模塊。因為在機械制造過程中可全程使用計算機程序控制生產(chǎn)系統(tǒng),所以能減少人力成本。數(shù)控技術(shù)是機械自動化的動力之一,主要源于該技術(shù)增強了機械制造系統(tǒng)的開放性,控制源為計算機,根據(jù)機械制造實際情況驅(qū)動控制單元,還可重組執(zhí)行控制模塊,得到新的自動控制機構(gòu),該機構(gòu)具有針對性、實效性等特點。數(shù)控車床是數(shù)控技術(shù)發(fā)揮作用的載體,車床上的刀具按照特定的程序自動運轉(zhuǎn),完成精準(zhǔn)加工元件的生產(chǎn)任務(wù),在此基礎(chǔ)上能保證加工精度達(dá)標(biāo)、加工路線最短、刀具運用時間最少、有效簡化工序,實現(xiàn)高效加工的目標(biāo)。應(yīng)用數(shù)控技術(shù)展開機械制造活動,需專職人員率先剖析元件生產(chǎn)要求及圖樣,在明確元件尺寸、圖形、特性的條件下設(shè)定制造方案,利用計算機技術(shù)得出數(shù)據(jù),通常情況下數(shù)控系統(tǒng)有圓弧插補及直線插補的功能作用,只需計算得出元件輪廓上相近幾何元素的坐標(biāo)值就能編程,加之程序檢驗,落實基于數(shù)控技術(shù)的機械制造目標(biāo)。未來數(shù)控技術(shù)將向著精密化、高速化、復(fù)合化、開放化的方向發(fā)展,有效提高機械制造綜合質(zhì)量[3]。
虛擬技術(shù)主要是指能夠構(gòu)建虛擬世界的信息技術(shù),依托仿真系統(tǒng)模擬真實環(huán)境,運用諸多信息搭建三維場景,逼真的視覺、聽覺、觸覺與嗅覺能給人一種身臨其境的真實感,“真”正是虛擬技術(shù)的優(yōu)勢。虛擬技術(shù)具有沉浸、交互、想象三大特征,在機械制造中“交互”與“想象”這兩個特征較為突出。專職人員可使用虛擬技術(shù)把腦海中的設(shè)想呈現(xiàn)出來,提高虛擬設(shè)計質(zhì)量,利用多維信息設(shè)計機械產(chǎn)品,在感性認(rèn)知、理性探究互相影響的基礎(chǔ)上深化產(chǎn)品概念,優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu),提升設(shè)計制造水平。以汽車設(shè)計制造為例,在傳統(tǒng)的設(shè)計制造流程中,圖紙設(shè)計、鑄模、評測、修改等環(huán)節(jié)需投入較多的時間成本,還會耗費大量的資金,汽車新品研發(fā)壓力隨之加劇。使用虛擬技術(shù)則無需構(gòu)建實體模型,有效簡化了機械制造工序,利用CAM、CAD等程序中的數(shù)據(jù)加強仿真模擬,壓縮機械制造周期,同時使用虛擬技術(shù)能及時發(fā)現(xiàn)機械制造環(huán)節(jié)可能存在的問題,如管道鋪設(shè)不合理、元件精度不達(dá)標(biāo)等,設(shè)計人員將利用多維模型再次改進設(shè)計方案,有效解決不合理的設(shè)計問題。
機械裝配是機械制造重要一環(huán),專職人員把諸多的零部件組裝到一起,最終得到機械產(chǎn)品,因裝配不達(dá)標(biāo)而降低產(chǎn)品質(zhì)量的情況客觀存在,基于此專職人員可使用虛擬技術(shù)提升裝配水平,在線模擬裝配流程,檢查裝配設(shè)計方案,并以解決裝配問題為導(dǎo)向自動修整裝配方案。因為虛擬技術(shù)具有交互性,所以專職人員如同在真實情境中拆裝零部件,系統(tǒng)提供序列處理、裝配約束處理、碰撞檢測等功能,使專職人員能夠客觀地分析、規(guī)劃、驗證裝配序列。仿真裝配完畢后,系統(tǒng)不僅能記錄虛擬裝配相關(guān)數(shù)據(jù),還能得到視頻、評審報告等內(nèi)容,以便專職人員后續(xù)分析與優(yōu)化機械裝配程序。
檢測技術(shù)主要指的是使用數(shù)字技術(shù)、儀器設(shè)備檢驗、測試機械設(shè)備性能的手段,該技術(shù)具有多樣性、科學(xué)性等特點,在機械制造中應(yīng)用得較為廣泛。
為了避免劣質(zhì)機械設(shè)備流向市場需有效應(yīng)用檢測技術(shù),傳統(tǒng)檢測技術(shù)可能會存在破壞機械設(shè)備整體結(jié)構(gòu)的問題,基于此需在機械制造中應(yīng)用自動化無損檢測技術(shù)。以超聲探傷技術(shù)為例,該技術(shù)能自動檢測出機械設(shè)備的內(nèi)部是否存在質(zhì)量問題,如焊接不到位、裝配不嚴(yán)密等,能在不拆除機械設(shè)備的條件下敏感捕捉表面缺陷,該探傷系統(tǒng)主要由探頭、超聲波探傷儀兩部分組成,通常要使用耦合劑,接觸探頭的表面需進行打磨處理,只有表面光潔才能更好地探傷。脈沖反射法是較為常見的超聲探傷技術(shù)手段,超聲波傳入金屬結(jié)構(gòu)后會反射回來,通過分析回波就能判斷金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)部是否有缺陷,根據(jù)結(jié)構(gòu)特征可使用斜角探傷法、垂直探傷法,板材、鍛件、鑄件、復(fù)合材料及焊縫等均可檢測。使用超聲探傷技術(shù)能獲取金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)部不連續(xù)的缺陷信息,在此基礎(chǔ)上得到立體模型及缺陷評估數(shù)據(jù),為專職人員改進機械設(shè)備提供依據(jù)[4]。
柔性技術(shù)指的是集信息技術(shù)、自動化技術(shù)于一體的現(xiàn)代機械制造技術(shù),改變了設(shè)計、制造、運營相對獨立的狀態(tài),在數(shù)據(jù)庫技術(shù)、計算機技術(shù)的支撐下,能建成覆蓋整個機械制造系統(tǒng)的柔性控制網(wǎng)絡(luò),這使得機械制造適應(yīng)客觀環(huán)境變化的水平得以提升,可以根據(jù)機械制造新要求、新工藝、新流程、新理念靈活地調(diào)整制造計劃,同時可調(diào)配機械制造資源,立足內(nèi)部形成合力,在成本投入最小、風(fēng)險最低的情況下展開機械制造活動。柔性技術(shù)與剛性技術(shù)的概念相對,后者雖能大批量生產(chǎn)某種元件,但存在生產(chǎn)模式單一及很難滿足小批量、多元性生產(chǎn)需求的問題,基于此需有效使用柔性技術(shù),在設(shè)備柔性、工藝柔性、運行柔性的前提下靈活地完成機械制造任務(wù),達(dá)到機械制造適應(yīng)市場需求、更新速度快、成本較低的目的。當(dāng)前使用柔性技術(shù)建成了許多的機械制造線,以FML(柔性制造線)為例,該生產(chǎn)線具有CNC機床、加工中心通用率較高的特點,相較于中小批量多品種柔性生產(chǎn)線,F(xiàn)ML對物料搬運柔性機制的要求并不高,采用離散型生產(chǎn)模式及分散型控制體系,實現(xiàn)機械制造自動化及線性柔化的生產(chǎn)目標(biāo)。
在數(shù)字技術(shù)不斷取代人力展開機械制造活動的過程中智能技術(shù)持續(xù)發(fā)力,在數(shù)據(jù)分析、質(zhì)量管理、規(guī)劃設(shè)計等方面發(fā)揮著積極作用。例如,專職人員可在廣泛占有機械制造生產(chǎn)數(shù)據(jù)的前提下,依據(jù)生產(chǎn)要求、制造標(biāo)準(zhǔn)使用智能合約技術(shù),以實現(xiàn)機械制造目標(biāo)為導(dǎo)向規(guī)設(shè)合約細(xì)則,機械制造系統(tǒng)若足以觸發(fā)智能合約,就會自動展開機械制造活動,加之模式識別、智能控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機器學(xué)習(xí)等技術(shù)同時發(fā)揮積極作用,有效解決機械制造相關(guān)問題,全程無需人力操控,繼而達(dá)到自動化、智慧化機械制造的目的。
集成技術(shù)助力機械制造系統(tǒng)優(yōu)化升級,依托集成制造系統(tǒng)(CIMS)提升產(chǎn)品全生命周期管控水平,為了做到這一點細(xì)分輔助系統(tǒng),如輔助測試系統(tǒng)(CAT)、輔助工藝規(guī)劃系統(tǒng)(CAPP)、輔助質(zhì)控系統(tǒng)(CAQ)等,繼而充分收集、加工、運用在機械制造全程所生成的數(shù)據(jù),并在生產(chǎn)制造、設(shè)計決策等環(huán)節(jié)發(fā)揮作用,同時支持“并行工程”,致力于機械制造全生命周期的各個環(huán)節(jié)在專家系統(tǒng)的服務(wù)下并行運轉(zhuǎn),達(dá)到統(tǒng)攬全局優(yōu)化機械制造體系、縮短新品推廣周期、集約利用生產(chǎn)要素的目的[5]。集成制造系統(tǒng)不僅將生產(chǎn)系統(tǒng)、技術(shù)等系統(tǒng)集成到了一起,還將信息、人的思想等內(nèi)容集成到了一起,有效滿足機械制造對諸多生產(chǎn)要素的切實需求。
綜上所述,機械自動化技術(shù)在機械制造中的應(yīng)用具有減少成本、提高生產(chǎn)效率、優(yōu)化產(chǎn)品性能等價值,基于此專職人員要注重應(yīng)用機械自動化技術(shù),如數(shù)控技術(shù)、集成技術(shù)等,將人力從繁重的機械制造活動中抽離出來,使生產(chǎn)者有更多的精力革新機械自動化技術(shù)。未來機械自動化技術(shù)將向著安全、穩(wěn)定、簡便、綠色、高效的方向持續(xù)優(yōu)化升級,進而助推機械制造產(chǎn)業(yè)穩(wěn)健發(fā)展。