楊嘉琦

（長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西渭南 710021）

我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平的提升，推動(dòng)各行業(yè)朝著自動(dòng)化、智能化轉(zhuǎn)型，基于此，人工智能受到極大關(guān)注，逐漸被廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)中，特別是各行業(yè)生產(chǎn)技術(shù)更新、升級(jí)的當(dāng)下，人工智能憑借技術(shù)優(yōu)勢(shì)助力了產(chǎn)業(yè)升級(jí)。機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化應(yīng)用人工智能，對(duì)固有生產(chǎn)模式與技術(shù)手段進(jìn)行了更新，并且，隨著人工智能應(yīng)用范圍與領(lǐng)域的拓寬，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化水平也得到了顯著提升。文章以人工智能在機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化中的應(yīng)用為對(duì)象展開(kāi)分析，闡述了人工智能技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用策略。

1 人工智能與機(jī)械設(shè)計(jì)制造

1.1 人工智能技術(shù)

人工智能技術(shù)是以機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)為代表的多元化智能算法及技術(shù)形式，切實(shí)增強(qiáng)了機(jī)器人、自動(dòng)化設(shè)備性能及感知與學(xué)習(xí)能力，不僅可以執(zhí)行復(fù)雜程度更高的任務(wù)，還可以提升機(jī)械設(shè)計(jì)、生產(chǎn)環(huán)節(jié)的自動(dòng)化水平[1]。人工智能在機(jī)械設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域的應(yīng)用，為其提供了全新的思路及技術(shù)手段，例如，通過(guò)深度學(xué)習(xí)技術(shù)，可加強(qiáng)機(jī)器人與自動(dòng)化設(shè)備的訓(xùn)練、組織模擬及實(shí)踐練習(xí)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化抓取、焊接及組裝等基本操作，同時(shí)，以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)為核心的技術(shù)手段，可提升機(jī)械設(shè)備性能。

另外，人工智能在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用，也改變了機(jī)械工程師、技術(shù)專家等從業(yè)者的工作習(xí)慣，尤其是機(jī)械設(shè)計(jì)、分析、制造環(huán)節(jié)，對(duì)人工智能的依賴性更高。例如機(jī)械工程師應(yīng)用人工智能，可將更多精力集中到高精尖機(jī)械設(shè)計(jì)制造環(huán)節(jié)。同時(shí)，隨著自動(dòng)化程度的不斷提升，固有技工崗位數(shù)量在隨之減少[2]。

雖然人工智能的發(fā)展前景廣闊，但其在安全性、穩(wěn)定性等方面的挑戰(zhàn)不容忽略，例如，“黑箱”問(wèn)題。所以，今后機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化的實(shí)踐進(jìn)程中，還應(yīng)通過(guò)人和人工智能技術(shù)的協(xié)同合作，保證機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

1.2 機(jī)械設(shè)計(jì)制造功能與技術(shù)需求

1.2.1 功能需求

（1）機(jī)械設(shè)備涉及諸多類型，各類型機(jī)械功能需求均不相同，所以機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化實(shí)踐中，須科學(xué)劃分機(jī)械設(shè)備類別，保證機(jī)械設(shè)備功能與生產(chǎn)需求相符；立足物質(zhì)維度、能量維度、信息維度，對(duì)機(jī)械功能需求展開(kāi)全面分析；須分別了解制造條件及需要應(yīng)用的技術(shù)，使機(jī)械制造實(shí)力和技術(shù)間更加契合。

（2）構(gòu)建機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化系統(tǒng)，須通過(guò)合理的方法處理信息，使系統(tǒng)產(chǎn)出的產(chǎn)品更加有針對(duì)性[3]。同時(shí)，為保證機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)在運(yùn)行中的可靠性，則需要采用多學(xué)科知識(shí)及技術(shù)。考慮到各機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行環(huán)節(jié)，會(huì)有不同的功能表現(xiàn)，所有機(jī)械設(shè)計(jì)、制造生產(chǎn)環(huán)節(jié)，須考慮實(shí)際可能出現(xiàn)的問(wèn)題，制訂更加全面的解決方案，保證機(jī)械設(shè)備可實(shí)現(xiàn)既定功能目標(biāo)，并為后續(xù)機(jī)械設(shè)計(jì)制造生產(chǎn)夯實(shí)基礎(chǔ)。

（3）生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備的功能務(wù)必要與生產(chǎn)任務(wù)規(guī)定相符，確保機(jī)械設(shè)計(jì)制造環(huán)節(jié)的質(zhì)量和效果。

1.2.2 技術(shù)需求

機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)，須大力應(yīng)用多元化技術(shù)手段。例如，在機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析性能環(huán)節(jié)，可應(yīng)用AutoCAD（Autodesk Computer Aided Design，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）、CAE（Computer Aided Engineering，計(jì)算機(jī)輔助工程）、CAM（Computer Aided Manufacturing，計(jì)算機(jī)輔助制造），其間還需要應(yīng)用參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件，保證在機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，滿足所有功能方面的需求。

另外，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化的實(shí)踐中，還需要應(yīng)用新材料及新制造技術(shù)，例如，高強(qiáng)度合金、復(fù)合材料等，優(yōu)化產(chǎn)品性能的同時(shí)，也可以減輕重量。新技術(shù)多以3D 打印技術(shù)、激光加工技術(shù)為代表，此類技術(shù)在機(jī)械生產(chǎn)中的應(yīng)用，不僅可以為設(shè)計(jì)創(chuàng)建更加自由的空間，還有利于提高制造精度，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜程度更高的機(jī)械功能。

綜上所述，在機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化中，隨著機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)等人工智能技術(shù)的廣泛應(yīng)用，大力實(shí)現(xiàn)了機(jī)械設(shè)計(jì)制造生產(chǎn)的創(chuàng)新。與此同時(shí)，憑借人工智能的諸多優(yōu)勢(shì)，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化系統(tǒng)也更多元化，例如，智能感知功能、學(xué)習(xí)與決策功能等，真正實(shí)現(xiàn)了人工智能驅(qū)動(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)制造的目標(biāo)，有利于加強(qiáng)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化系統(tǒng)適應(yīng)性。

2 人工智能在機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化中的應(yīng)用

2.1 機(jī)械設(shè)計(jì)

機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域，固有的設(shè)計(jì)思想和現(xiàn)代設(shè)計(jì)思想差別明顯，且表現(xiàn)在各層面，現(xiàn)代化機(jī)械設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)、制造、銷售這3個(gè)層面尤為顯著，固有的設(shè)計(jì)模式必然會(huì)與現(xiàn)代社會(huì)市場(chǎng)發(fā)展脫節(jié)[4]，而現(xiàn)代化機(jī)械結(jié)構(gòu)的更新和優(yōu)化與人工智能技術(shù)相結(jié)合，能保證生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行始終穩(wěn)定，維持在最佳的工作狀態(tài)，并且，借助人工智能技術(shù)，還可以對(duì)人工成本支出進(jìn)行有效控制。所以，機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用人工智能技術(shù)后，優(yōu)化以往機(jī)械設(shè)計(jì)的不足，務(wù)必會(huì)開(kāi)拓出更多的發(fā)展機(jī)遇，從而在人工智能助力下，推動(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)的良性發(fā)展[5]。

2.2 精準(zhǔn)計(jì)算與故障診斷

機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化數(shù)據(jù)計(jì)算與傳輸階段的論證、建模過(guò)程存在一定難度，需要技術(shù)人員做運(yùn)算推導(dǎo)，中途不能出現(xiàn)失誤，特別是人工計(jì)算過(guò)程中，如果其中一項(xiàng)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，會(huì)造成嚴(yán)重后果[6]。而通過(guò)人工智能可自動(dòng)整理數(shù)據(jù)資料，并對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)分類，保證最后獲得的計(jì)算結(jié)果的精準(zhǔn)性，以免在后續(xù)的機(jī)械設(shè)計(jì)制造中出現(xiàn)故障。而且應(yīng)用人工智能技術(shù)，憑借其信息自動(dòng)化分類、處理的功能，還可以提高計(jì)算推導(dǎo)環(huán)節(jié)的精準(zhǔn)性，彌補(bǔ)人工計(jì)算存在的不足。例如，機(jī)械監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用人機(jī)接口轉(zhuǎn)入到系統(tǒng)中，再使用推理機(jī)達(dá)到前向?qū)б男Ч?，其間利用思維機(jī)制進(jìn)行運(yùn)算，便可獲得最后的診斷結(jié)論，通過(guò)技術(shù)人員輔以實(shí)例分析，可獲得與之相似結(jié)果，針對(duì)產(chǎn)生的機(jī)械誤差問(wèn)題，也可以獲得準(zhǔn)確度高的診斷結(jié)論。

在此基礎(chǔ)上，人工智能還可以自動(dòng)診斷機(jī)械故障，通過(guò)人機(jī)交互，向系統(tǒng)輸入機(jī)械檢測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)推理機(jī)制的作用，便可獲得有針對(duì)性的結(jié)果，并給出故障的處理建議。根據(jù)提出建議，將其與案例庫(kù)儲(chǔ)存信息進(jìn)行對(duì)比，按照案例相似程度，可以從中總結(jié)機(jī)械故障的根本原因，從而在人工智能的幫助下，高效完成機(jī)械故障的自動(dòng)處理。

機(jī)械故障很容易造成經(jīng)濟(jì)損失，為減少因其造成的損失，越來(lái)越多的生產(chǎn)企業(yè)開(kāi)始引入人工智能，實(shí)現(xiàn)故障成因、機(jī)械設(shè)備使用年限等的智能化分析，明確貼合實(shí)際的機(jī)械設(shè)備維護(hù)方法。我國(guó)已實(shí)現(xiàn)了人工智能、機(jī)械設(shè)計(jì)制造故障診斷的融合，甚至研發(fā)出了性能完善的故障檢測(cè)智能系統(tǒng)，很大程度上減少了因機(jī)械故障造成的損失。

2.3 機(jī)械制造系統(tǒng)控制

基于機(jī)械設(shè)計(jì)制造的各硬件設(shè)備，人工智能節(jié)點(diǎn)執(zhí)行與辨識(shí)兩個(gè)程序間存在交互作用，在其影響下，可精準(zhǔn)控制反饋信息，加強(qiáng)機(jī)械操作環(huán)節(jié)的合理性及機(jī)械制造控制的精準(zhǔn)性，各系統(tǒng)軟件的搭配使用效果也更為理想。Job-Shop 調(diào)度控制主機(jī)行為模式如圖1所示。

圖1 Job-Shop調(diào)度控制主機(jī)行為模式

以θ1、θ2兩個(gè)指標(biāo)為對(duì)象，分析機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化中人工智能的應(yīng)用效果。依次設(shè)置θ1、θ2的最后理想取值結(jié)果、機(jī)械元件制造精度指標(biāo)μ理想化計(jì)算結(jié)果，具體見(jiàn)表1。根據(jù)表1數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，θ1指標(biāo)均值整體較低，θ2指標(biāo)均值水平則與之相反。如此，θ1、θ2物理數(shù)值必然顯現(xiàn)出波動(dòng)性變化，這也會(huì)為μ最后計(jì)算結(jié)果賦予波動(dòng)性，具體見(jiàn)表2。

表1 機(jī)械元件制造精度理想數(shù)據(jù)

表2 μ實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

針對(duì)上述問(wèn)題，建議應(yīng)用人工智能達(dá)到干預(yù)的效果。實(shí)施干預(yù)后，θ1、θ2指標(biāo)數(shù)值結(jié)果水平高，可提升機(jī)械元件制造精度，μ計(jì)算數(shù)值結(jié)果持續(xù)增加。由此可知，控制精度受到人工智能的干預(yù)后，控制更具精準(zhǔn)性。

2.4 信息處理

機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化涉及海量信息處理，此環(huán)節(jié)的固有方式是將電子信息系統(tǒng)作為信息傳輸?shù)穆窂?，然而此方法無(wú)法保證信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性，如果輸入、輸出信息較多，極有可能發(fā)生信息傳輸錯(cuò)誤，或傳輸過(guò)程中斷的現(xiàn)象，不利于后續(xù)信息的實(shí)際應(yīng)用。應(yīng)用人工智能技術(shù)進(jìn)行信息處理，憑借人工智能本身具有的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)性能，可全程監(jiān)督、跟蹤信息傳輸過(guò)程，保證信息輸入、輸出精確性，為機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化奠定精準(zhǔn)信息的基礎(chǔ)。

2.5 計(jì)算與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)

人工智能技術(shù)對(duì)計(jì)算與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)有明顯優(yōu)勢(shì)，下面以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為例，探討人工智能在計(jì)算與儲(chǔ)存數(shù)據(jù)中的應(yīng)用。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種仿真人體神經(jīng)活動(dòng)的技術(shù)，可組建電子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有良好的存儲(chǔ)能力與精準(zhǔn)性，基于人工智能前提下，在數(shù)據(jù)分析、計(jì)算與對(duì)比中應(yīng)用，能更加智能的對(duì)比不同階段產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并在保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，高效處理海量數(shù)據(jù)信息[7]。將其與機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化建立聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)后者的一些需求和該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有很高的相似度，所以，機(jī)械設(shè)計(jì)制造工作人員通常非常關(guān)注神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)研究。例如，電加工中應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可憑借其精準(zhǔn)性、計(jì)算能力等優(yōu)勢(shì)，提升電加工技術(shù)效率、電加工過(guò)程穩(wěn)定性及精度，為后續(xù)機(jī)器人設(shè)計(jì)生產(chǎn)中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的運(yùn)用夯實(shí)理論基礎(chǔ)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.6 機(jī)器人設(shè)計(jì)

人工智能和機(jī)器人設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)關(guān)系非常緊密，且人工智能技術(shù)與傳感技術(shù)、GPS（全球定位系統(tǒng)，Global Positioning System）定位技術(shù)等先進(jìn)科技息息相關(guān)，所以機(jī)器人設(shè)計(jì)生產(chǎn)中，可根據(jù)需求選擇不同的技術(shù)手段，構(gòu)建現(xiàn)代技術(shù)體系，該體系包括品質(zhì)管理、智能化生產(chǎn)、工程技術(shù)信息系統(tǒng)等諸多體系，可對(duì)機(jī)器人設(shè)計(jì)生產(chǎn)全過(guò)程綜合管理。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化的實(shí)踐過(guò)程中，為滿足現(xiàn)階段行業(yè)發(fā)展的新要求，須大力應(yīng)用人工智能技術(shù)。從機(jī)械設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)開(kāi)始，逐漸向機(jī)械制造、機(jī)械生產(chǎn)等多環(huán)節(jié)滲透人工智能，并且借助該技術(shù)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)制造全過(guò)程的自動(dòng)化、智能化，提高生產(chǎn)設(shè)計(jì)效率基礎(chǔ)上，切實(shí)提升機(jī)械設(shè)計(jì)制造的精度，推動(dòng)我國(guó)工業(yè)產(chǎn)業(yè)的智能化建設(shè)。