机械设计制造及其自动化的设计原则及发展趋势

李剑康

摘 要：机械设计制造及其自动化的应用能够很大程度地提高生产效率，降低生产成本，使企业在市场竞争中更具有优势，对加快机械设计制造及其自动化的学科建设具有重要意义。基于此，本文概述了机械设计制造及其自动化，阐述了机械设计制造及其自动化的设计原则，对机械设计制造中的自动化技术应用及其发展趋势进行了探讨分析。

关键词：机械设计制造及其自动化；设计原则；应用；发展趋势

一、机械设计制造及其自动化的概述

机械设计制造及其自动化是将微电子技术、计算机技术、机械技术、信息技术、电力技术和软件编程等众多技术融为一体，以系统功能目标为指导，以优化组织结构为生产目标，在高质多能、低能耗、高可靠性的原则之上，最大限度的实现既定的功能价值，达到整个系统最优化的最终效果。传统机械设计制造和现代机械设计制造及其自动化，两者本质上的区别在于自动化和智能化。现代机械制造业的智能化特点，并不是由于它是多种技术的单纯叠加，而是它将多种技术融为一体，实现了整体上的协调统一。

二、机械设计制造及其自动化的设计原则

1.满足功能的内在需求

产品研发目的都是为了满足人们需要，因此不同产品有其不同的功能所在。工业的三要素包括：物质、信息和能量。机械设计自动化就是在输入这三者时对其进行处理，使之输出具有各自特性的物质、信息和能量。

2.不断的创新功能

纺织机械、食品加工机械、印刷机械、交通运输机械、各种机床等，都可以统称为“加工机”，它是一种物质系统或产品，经过对物质、信息和能量的加工处理，以物料的搬运和加工为主，改变输出的位置和形态。“动力机”是指输入信息及能量，通过能量的转换，最后输出能量的系统。比如生活里常常用到的电动机、内燃机等。如果输出的是机械能，那就称之为“原动机”。当输入的是信息和能量，通过信息处理的加工转换之后，输出的是数据、文字、声音、图像等，这种产品称之为“信息机”。此外机械设计制造自动化还有动力、控制、检测、构造等多种其它的内部功能。

三、机械设计制造中的自动化技术应用分析

1.机械设计制造中的智能自动化技术应用分析

智能机械制造技术是一个由机械制造技术、自动化技术、系统工程和人工智能等相互渗透，相互交织所形成的一门综合性的技术。它是由智能机械和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，该系统在机械制造过程中能进行一些智能活动，如分析、推理、判断、决策等。也就是说，智能机械制造技术就是把人工智能和机械制造技术进行有机的结合，将人工智能融入到机械制造系统的各个环节中，通过模拟专家的智力活动，取代或延伸机械制造环境中应由专家完成的那部分活动。在智能机械制造系统中，系统具有专家的智能，能自动监视自身的运行状况，随时发现错误或预测错误的发生，并且自身含有改进和预防的功能。除此之外，智能机械制造系统还具有应付外界突发事件的能力，能够自动调整自身参数来适应外部环境的需求，使自己始终运行在最佳状态。

2.机械设计制造中的集成自动化技术应用分析

机械制造中的自动化技术集成化应用主要是借助系统工程理论的有效指导和信息技术对企业的制造流程进行整体上的优化，通过精简机构和过程重组等手段促进适度自动化，并在计算机数据库和信息网络的支持下，将机械制造企业的各种要素以及经营管理活动集成为一个有机整体，从而实现机械制造以人为中心的柔性化生产。自动化及相关技术的集成化应用有很多优点，例如，自动化及相关技术的集成化应用在提高产品生产质量，降低新产品的研发成本，保护生态环境这三个方面都具有十分重要的现实意义。随着现代计算机技术、微电子技术以及自动化技术在机械制造领域应用的不断增多，为了实现不同级别集成制造系统的构造，比较简便有效的方法就是对各种技术进行系统集成。

3.机械设计制造中的柔性自动化技术应用分析

柔性自动化系统是在确保柔性生产的前提下，通过人机界面的优化和自动化的合理追求建立相对完善的信息管理系统，进而充分发挥计算机管理所能产生的效益。在柔性自动化系统中，自动化设备可能与普通设备是共同存在的，而且在机械制造的个别环节允许人为干预的出现，因而有效提高了机械制造对外界因素变化的适应能力，使得制造出的产品可以更好地适应市场的需求。除此之外，柔性自动化加工系统还有一个非常重要的功能，就是它可以实现与柔性制造系统的有效衔接，从而提高机械生产、机械设置与机械制造之间的联系，因此，机械制造的自动化程度就会大大的提高。随着现代机械制造业的发展，机械使用者对机械制造企业的应变能力、客户需求的快速反应与适应能力都提出了更高的要求，这也就需要企业能够结合市场需求和技术更新等外部条件的变化，实现对机械产品生产结构以及制造种类的合理调整，这时柔性自动化技术的应用就显得尤为重要。

四、机械设计制造及其自动化的發展趋势

1.高可靠性

信息技术的快速发展，使得数控机床网络化将得到广泛应用。对于无人工厂而言，如果要求在l6小时内连续正常工作，无故障率在P（t）>99%以上，则数控机床的平均无故障运行时间MTBF就必须大于3000小时。对一台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率之比为l0：1（数控的可靠比主机高一个数量级）。此时数控系统的MTBF就要大于33333小时，而其中数控装置、主轴及驱动等的MTBF就必须大于l0万小时。当前国外数控装置的MTBF值已达6000小时以上，驱动装置达30000小时以上。

2.高速度及高精度方向发展

速度和精度直接关系到加工效率和产品质量，是数控机床的两个重要指标。高速度、超精度加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此国际生产工程学会（CIRP）将其确定为21世纪的中心研究方向之一。目前在超高速加工中，车削和铣削的切削速度已达到5000～8000m/min以上；主轴转数在30000转/分（有的高达10万转/分）以上；工作台的移动速度（进给速度）：在分辨率为l微米时，在100m/min（有的到200m/min）以上，在分辨率为0.1um时，在24m/min以上；自动换刀速度在1秒以内；小线段插补进给速度达到12m/min。在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10um提高到5um，精密级加工中心则从3～5um，提高到1～1.5um，并且超精密加工精度已开始进入纳米级（0.01um）。

3.柔性化、智能化

柔性化发展趋势主要表现为：从点（数控单机、加工中心和数控复合加工机床）、线（FMC、FMS、FTL、FML）向面（工段车间独立制造岛、FA）、体（CIMS、分布式网络集成制造系统）的方向发展。数控机床及其构成柔性制造系统能方便与CAD、CAM、CAPP、MTS联结，向信息集成方向发展。智能化加工主要是基于神经网络控制、模糊控制、数字化网络技术和理论的加工，其是在加工过程中模拟人类专家的智能活动，具体表现为：为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作的智能化，如智能化的自动编程，智能化的人机界面等；智能诊断、智能监控，方便系统的诊断及维修等。

五、结束语

综上所述，随着机械运用范围的不断扩张，社会对机械化、自动化水平的要求也越来越严格。随着机械技术的不断发展和完善，现代的机械自动化较之传统的机械设计制造，更具有高效率、节能节约材料、多功能化等特点，更能满足人们和生产生活的需求，从而带来良好的社会和经济效益。endprint