关于机械设计制造及其自动化行业的应用及发展方向探讨

何胜聪 黄俊鑫 罗雪瑞 邓婷丹

摘 要 在第三次工业革命的大背景下，传统的纯机械工作系统已经逐步向机械自动化方向发展，并且已经取得了巨大的成就。机械设计制造行业是衡量一个国家工业水平的重要指标，我国的经济发展迅速，成为了世界上的制造大国，正走在成为制造强国的路上，而自动化技术在我国机械设计制造成熟化阶段将会起着重要作用。自动化的出现，节约了产品的生产时间和资金成本，加快了经济发展。本文研究分析了我国现阶段机械设计制造与自动化行业的现状，探讨了机械行业未来走向高水平自动化的发展方向。

关键词 机械设计 制造系统 智能化 自动化

中图分类号：TH12 文献标识码：A 文章编号：1007-0745（2020）02-0038-03

1 机械自动化行业现状分析

机械设计制造及其自动化是指设计人员根据相关的行业标准和具体操作工程的规范和实际需求进行具体设计，将毛坯（或材料）和其他辅助材料作为原料，输入机械制造系统，经过存储、运输、加工、检验等环节，最后实现符合要求的零件或产品从系统输出。自动化技术是一门综合性技术，它和控制论、信息论、系统工程、计算机技术、电子学、液压气压技术、自动控制等都有着十分密切的关系，而其中又以控制理论和计算机技术对自动化技术的影响最大。

1.1 我国机械设计制造及其自动化行业现状

新中国建立后，我国的机械制造业和制造技术得到了迅速的发展。至今，已形成了具有相当规模、较高的技术水平和较完整的机械工业体系，成为我国工业体系中最大的产业之一[1]。

与发达工业国家相比，我们在人均生产率、材料利用率、机电产品的出口规模、以及出口商品结构等诸多方面仍存在着较大差距。

经济咨询机构美国环球通视有限公司的研究报告显示：按产出计算，中国已打破了美国连续一百余年占据世界头号的历史。2010年，全世界制造业的产出为10.078万亿美元，中国占19.8%，美国占19.4%。2017年，中国占近27%。但2010年美国制造业的工人为1150万人，中国相同部门则为1亿人。1850年左右，中国占据世界头号商品生产国的位置达近50年。1830年，中国占世界制造业产出的30%，1900年下降到6%，1990年只有3%。

1.2 机械设计制造及其自动化技术不成熟

自第一次工业革命以来，全世界的机械设计制造技术呈井喷式发展，但由于历史关系，中国参与第一次工业革命和第二次工业革命，也没有获得过成果，自第三次工业革命开始至今，我国的工业水平得到了显著的提高，并且成为了世界制造大国，生产力得到大力提升。然而由于西方发达国家对于核心技术的封锁，我国只能在原有的技术基础上改进，并不能接触到已有的核心技术，现有的自主研发的智能化机器很少，大部分只能依靠进口，例如超高精度机床、工业机器人。

就工业中常见的金属加工机床来说，据中国海关统计数据显示，2019年1-2季度中国金属加工机床进口量逐渐增长，2019年8月中国金属加工机床进口量为3885台，累计方面，2019年1-8月中国金属加工机床进口量达到38091台。在进口金额方面，2019年8月中国金属加工机床进口金额为615.3百万美元，2019年8月中国金属加工机床进口均价为15.84万美元/台，相比7月上涨了1.03万美元/台。累计方面，2019年1-8月中国金属加工机床进口金额达到510324.3万美元（5103.24百万美元），进口均价为13.40万美元/台。

2019年部分月份的金属加工机床进口情况表（如表1）

由此可见我国机械行业设计制造行业还未突破传统机械技术，在机械自动化制造领域与发达国家还有很大差距。

1.3 自主创新能力不强

高水平设备的核心技术和关键元器件的研究和发达国家相比还有很大差距，例如生产芯片的核心设备光刻机是芯片生产的最核心环节，但是国内在该领域最先进的上海微电子有限公司生产的光刻机精度也只能达到90nm精度，只能满足一些中低端芯片的生产，而全球技术最顶尖的光刻机基本上被荷兰的ASML公司垄断，其中7纳米水平的EUV光刻机只有荷兰ASML公司能够提供。

1.4 课程设置和实践环节不成熟

机械设计制造自动化的课程设置中机械设计制造方面已经足够全面，但与自动化技术的相关课程相对应的机械方面的课程较薄弱。传统机械已经有很长的发展史，自动化技术是近一个世纪才出现的，原来对机械设计制造的研究一直停留在纯机械结构的领域中，运用数学、力学、动力学、材料学知识，已经满足不了很多高精度电子类机械设备的设计需求。另一方面，机械设计制造及其自动化是一个实践性很强的专业，近年来高水平的机械设备更新速度迅速，机械类的机械设备价格较贵，各高校经费有限，导致国内目前还未实现高质量教学设备的完全覆盖，特别是一些地处经济水平偏低地区的高校，各个高校的学生接触的机械设备大多比当前科技水平落后5～10年。

2 机械实现自动化的未来发展

强大的机械需要拥有一个合理高效的设计理念、一个性价比高的制造系统、一个发达的控制系统，高水平的机械自动化系统体现于高精度、高效率、高智能。如今我国有很多机械已经实现了简单的自动化，但是大多数自主研发的自动化机械的工作效率仍不高，相對于发达国家还有很大的提升空间。机械设计制造的自动化技术在未来将主要向以下几个方面发展：计算机辅助机械设计软件的应用高普及、机械制造系统的高效化和高精度化、单片机控制机械系统的高水平化、自动化与机械设计制造的人才培养方案成熟化[2]。

2.1 机械设计的发展趋势

机械设计已经从原来的图像处理技术、工程分析技术、数据管理与数据交换技术、文档处理技术、界面开发技术、到基于Web的网络应用和开发技术。就目前来说，机械设计制造的计算机辅助设备的应用已经很广泛了，运用计算机软件和计算机硬件进行二维与三维绘图已经开始常态化，相对于以前传统的设计方法，它使设计的过程变得更加的形象和简洁。计算机图形学（CG）是通过计算机将数据转换为图形，并进行显示的原理、方法和技术。CG的内容有硬件、软件、图形处理的理论与方法、图形处理应用等。软件绘图包括二维设计和三维设计，二维是指平面设计，三维是指立体设计，二维三维之间可以相互转换，二维设计制图软件有：AutoCAD，功能强大，广泛应用于各大设计行业。三维设计制图软件有很多，例如UG/NX、SOLIDWORKS，以及常见于各大汽车相关周边产品设计的CATIA，还有Pro/E：此软件以参数化设计著称，是最早应用参数化设计的软件，且采用模块化，用户可针对性的使用不同模块。

2.2 制造的发展趋势

2.2.1 机械制造基本流程

机械制造基本流程主要包括矿石加工和非金属原材料加工，其中矿石加工是矿石通过铸造、压力加工、切削加工，经过铸锭、型材、毛坯等阶段加工成零件，非金属材料加工是通过模具加工成非金属零件，然后零件和非金属零件通过部件装配、总装配成部件、机器。

2.2.2 制造技术发展趋势

生产手段方面，数字化、智能化将贯穿产品的整个生命周期;发展模式方面，绿色化、服务化日渐成为制造业转型发展新趋势;组织方式方面，内部组织将扁平化和资源配置全球化已成为制造业培育竞争优势的新途径;发展格局方面，比较优势动态变化将重塑全球制造业版，其中切削加工仍然是机械制造的主导加工方法，提高生产率和质量是今后的发展方向。超精密及细微加工技术，特种加工技术，自动化制造技术在以后的先进生产管理模式占主导地位的技术包括精益生产（LP）、准时生产（JIT）、并行生产（CE）、敏捷制造（AM）、虚拟制造（VM）。另外，在未来实现对接口普遍的标准化设计可以减少对其模块化管理的难度以及对机械设备的损耗。

2.3 单片机在机械行业的应用与前景

2.3.1 单片机的现状

单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括一些电路和转换器）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的300M的高速单片机。单片机在工业自动化设备中很常见，普通设备的自动化机械设备运行一般是，先按照需要满足的工作要求和机械设计要求进行程序编写并输入，开启设备后它通过向各个模块输出信息法号指令，信息到达模块后按照模块功能进行数据分析然后向机械设备发出指令，工作后机械设备又会将信息通过模块反馈给单片机进行数据分析处理[3]。

单片机在智能制造方面的应用有很多方面，例如机械手控制系统、自动平衡控制系统、人机交互控制系统方面。

机械手系统通常包括主控板、转接板、显示器、控制按键、配套电源、舵机（关节性传动装置）、拥有多个关节，每个关节拥有一个自由度。一般的机械手拥有3个关节就能满足大部分运动及方位锁定要求，三个关节分别是纵向Y轴，横向X轴及补偿部分，其对应的三个自由度就是纵向的往返运动、横向的往返运动、补偿方向的上下运动[4]。

直流电机改变其供电的直流电压的有效值的大小和正负就能调整其转速与方向。通过电力电子线路（各种晶体管、MOS管等）来控制电机的供电电压频繁导通，如果用PWM来控制，倘若PWM的频率不变，只改变PWM的占空比，把PWM的占空比调节小后，输出电压的有效值就会减小，从而使电机的转速变慢，反之就变快。对于交流电机调速，要控制电源的频率，这事就要用交-直-交变频，这种变频方式也要用PWM，其难度相对于直流电机来说较为复杂[5]。

2.3.2 单片机存在的的问题及其发展趋势

单片机的设计与制造工艺方面存在一些问题，其中系统电源的抗干扰能力差的问题较为突出，比如单片机系统开发时如果部件配合不足，会导致在临界的情况下元件质量得不到保障。另外，控制不同要求的机械系统，需要具有很强的抗干扰能力的高性能单片机才能保证在整个系统工作时不出故障，如在高功率交变电源和高功率交变电流周围会有磁场和空间辐射，解决高功率交变电源、高功率交变电流产生的磁场和空间辐射对单片机工作影响的问题是未来单片机研发和机械设计制造的共同研究方向。较为有效的较少磁场与辐射对单片机影响的方法是滤波算法抗干扰和通讯过程的软件抗干扰，滤波算法抗干扰是对开关量的输入采用多次采集反馈和延时消抖等措施来消除开关的抖动，当干扰影响到单片机系统的输入信号时，将增大系统的数据采集误差，采用加权递推平均滤波、递推平均滤波、中位值滤波、消抖滤波法都可以得到较为有效并可靠的数据。通讯过程的软件抗干扰是系统之间通信通常是利用总线技术来实现的，现在常用的总线有RS232、RS485、RS422和CAN等。数据通信首要考虑的是通信速率的问题，一般的总线最高通信速率是10MB/s，在能满足系统通信速率的条件下，尽量选择较低的总线通信速率可在一定程度上提高系统的抗干扰性能，通信的距离可靠性，也是很重要的一个指标。另外，发送的每一帧数据，要加上起始位和停止位，要对有效数据进行异或校验和校验或者是CRC校验，来提高通信过程中数据发送的可靠性。所以如何提高通讯速率和缩短通讯距离是往后的研究方向的侧重点。除此之外还有软件“看门狗”抗干扰技术等等技术，总的来说目前具有很强抗干扰能力的高性能單片机还有很多缺点应该改进[6]。

3 结语

未来的机械设计制造及其自动化将是以机械设计制造为核心，以自动化为方向，并且结合各种科学技术发展的行业，是社会生产力发展到一定高度的必然要求，其宏观发展态势是设计结构的简单化、合理化，以及机械制造系统的自动化、智能化，实现最大限度的节省生产成本和生产周期。

参考文献：

[1] 王正.机械设计制造及其自动化的发展前景分析[J]，科技风，2018（07）：162.

[2] 同[1].

[3] 何义群，张成，唐智勇.单片机在机械智能制造中的应用分析[J].China Academic Journal Publishing House，2018，12（01）：207.

[4] 周德俭.智能控制[M].重庆莲庆大学出版社，2005.

[5] 同[4].

[6] 赵杰，盖志刚，杨俊贤，惠力，朱洪海，孙玉婷.提高单片机抗干扰能力的几点措施[J]，气象水文海象仪器，2013，12（04）：100-102.

西华大学，四川 成都