人工智能技术在机械设计制造中的应用

刘宇祺

（南京工程学院 工业中心，江苏 南京211100）

人工智能是21世纪的新产物，科技的进步是人类肉眼可见的。人工智能的到来也意味着社会迈入一个全新阶段，在此背景下，各行各业的生产模式有所转变。对于机械设计制造领域来说，由于人工智能技术的出现，使其生产模式、方法有所优化，规模渐渐扩大，在最终的设计制造效率与质量上也得到前所未有的提高。因此，人工智能技术的应用，对于机械设计制造领域而言有着较强的推动性意义。研究人工智能技术在机械设计制造中的应用，可给相关行业提供实践价值。

1 人工智能技术概念

人工智能技术属于全新的科学技术，其主要是指专业技术人员采取对应的理论、方法对产品进行研发。研发的主要内容则包含了人工智能模拟、延伸、拓展等，可以把人工智能列入计算机领域[1]。人工智能技术的设计理念在于了解智能问题，通过图像语言识别、专家系统等手段测试人工智能反应，来模拟人的大脑与行为轨迹，以此来帮助人类解决问题。在人工智能技术发展与创新的过程中，其涉及范围也在不断扩大。

2 人工智能技术在机械设计制造中的应用意义

2.1 推动机械设计制造行业转型

早在上世纪30年代，一些发达国家就开始在机械制造领域融入智能化技术。和国外相比，我国机械设计制造领域的人工智能技术发展要晚一些。在极少部分地区还依旧使用传统设计制造方法，主要在一些中小型企业中有所体现。这些企业在设计制造机械产品时，更多的是依靠人工的力量，对行业发展形成严重制约。在进入新时期后，我国经济与科技得到双重发展，在此前提下，机械设计制造领域也开始大量引入人工智能技术。自从引入人工智能技术后，国内的机械制造水平得到前所未有的提升。我国作为制造业大国，要想实现行业整体转型升级，就必须积极引入人工智能技术，挖掘人工智能资源，推动行业进步，让中国制造业长期稳居世界第一。

2.2 削弱人工成本提升生产效率

传统机械设计制造方法更多地是依靠人工劳动力，相比之下，无论是在机械产品生产质量还是效率上都比较低。在结合人工智能技术辅助生产后，不仅明显削减了人工成本，还大大提高了生产效率[2]。人工智能技术的目的和用途就在于此。在机械设计制造领域中的人工劳动力成本比例较大，有时甚至超过了材料成本，这在无形中增加了企业经济压力。人工智能技术的出现，使企业可以把大部分人工劳动力成本投入到智能产品购置中来，在缓解经济压力的同时，也可以为企业带来更多利润。在当代机械设计制造过程中已经不需要太多人工劳动力，技术人员只需提前编写程序，将其输入到人工智能系统中，再放入需加工的材料或零件，智能化设备就可自动化运行，也不需要人工二十四小时进行监督。当中途发生故障时，系统会及时报警通知管理人员，甚至系统还可以定位故障点，通过分析故障及时给出解决方案，避免故障扩大。在人工智能技术下设计制造出来的机械产品，精度比人工制造更高。

2.3 优化设计制造流程

在机械设计制造的过程中涉及非常多的加工环节，而这些加工环节需要投入较多的人工劳动力。但是，因为人工操作误差发生率较高，无法做到十全十美，因此就需借助人工智能技术的帮助。在加工环节采用人工智能设备后，给机械设计制造业指明了一条发展道路。因为人工智能设备有着数字化、自动化以及智能化等特点，可以在复刻人类思想与行为的基础上超越人类原本思维，并利用人工智能设备制造出完美的机械产品。而且，在引入人工智能技术以后，机械设计制造流程得到简化，更加一目了然，在操作上也更顺畅。再加上人工智能设备的各种优势，机械制造企业对其引入率和使用率越来越高，在我国大型机械制造企业中应用广泛。

3 基于人工智能技术的机械设计制造方法与要求

3.1 做好准备工作

在借助人工智能技术设计和制造机械产品时，企业必须重视准备工作的完成性。在机械设计制造之前，企业需分析机械产品实际用途，对设计制造所需的零件尺寸、相对关系、规格等有所确定。而在实际的设计制造过程当中，企业则要根据生产流程妥善进行管控，技术人员切勿擅自操作。在我国一些企业设计制造机械产品时，个别技术人员认为自己经验丰富，不需要按照步骤流程进行操作，因此造成了不可挽回的失误。人工智能技术在机械设计制造领域的应用时间较短，还处于摸索探究阶段，在此情况下，企业要想发挥人工智能技术的辅助作用，就必须严格按照生产流程落实。并且，企业还需根据生产实际情况对零部件大小、规格等加以调整，规避风险、失误，对机械产品生产过程进行合理管控，以此来制造出优质的机械产品[3]。

3.2 完善机械设计制造方案

在企业设计机械制造方案时，需确保方案的实用性、完善性与合理性，企业应当把各种影响因素考虑进去。比如，针对机械设计制造所使用到的所有零件都需进行架构，把零件放到数控机床或夹具之中，在固定后，结合后期的实际生产情况予以调整，杜绝因零件位置发生偏移而引发的质量问题。这样做的主要目的是为了提高零件位置的精确性。在机械设计制造时，会涉及加工刀具，企业在选择刀具时可尽量选择幅度角比较小的刀具，这样可以有效削弱加工粗糙度，提高零件加工精度。在零件加工的过程中会伴随风险意外发生，所以为了规避风险，企业需根据零件的切削条件、材料等因素合理选择加工技术。与此同时，企业需关注人工智能技术在零件加工与生产中的重要性，企业可将与零件有关的信息数据输入到智能系统中，人工智能系统会对接收到的数据信息进行分析、处理，并生成模型，满足机械设计制造需求。

3.3 拥有高质量硬件与软件

只有得到硬件与软件的支持，才能提高人工智能技术在机械设计制造领域的作用，所以企业必须开发高质量的硬件与软件，这也在一定程度上决定了机械制造智能化的发展趋势。例如，在机械设计制造过程中，需结合计算机、电子信息等技术，将软硬件系统相结合，使其相互作用、相互协作，以此来提高机械设计制造水平[4]。而要想达到这一目的，应把各种软件技术进行结合，发挥出共同作用，对现有的机械设计制造技术予以完善。与电子信息技术相比较，计算机技术不管是在数据处理，还是运行管理上都更加复杂，企业要想实现自动化运转，就必须加强计算机数据管理工作。对生产过程所获取到的数据信息及时分析、反馈，这也对企业提出了较高要求，企业必须拥有较强的自动化控制技术才能满足该标准。

4 人工智能技术在机械设计制造中的具体应用

4.1 在机械产品设计中的应用

与传统模式相比，机械产品设计在融入人工智能技术后，效率得到了大大提高，在机械产品设计中使用人工智能技术，可以提高设计的完善性。在传统机械产品设计中，由于是以人工作为核心力量，所设计出来的生产方案可能存在不合理现象。而人工智能技术则可以利用专家系统构建模型，在模型中对设计方案进行模拟，从而选择一种最适合的生产方案。在对数控机床模块进行设计时，可通过人工智能技术搜索与模块有关的方案，在构建完数控机床总布局之后实施产品加工。由于人工智能技术拥有专家系统，和CAD程序相比，专家系统的灵活性和针对性更强，可以对每一个步骤进行解释，如果发现不合理现象，可快速修改程序。并且，在对机械产品结构进行设计的过程中，CAD系统只能够对固有程序进行设计，若中途想修改程序十分困难，而各专家系统之间都有交互性，修改简便。比如，在对飞机、轮船等结构进行设计时，只需要给出一个前提数据就可完成全部结构设计任务[5]。除此之外，在对齿轮等机械零件进行设计时，通过人工智能技术只需给出齿轮轮廓范畴或传动信息就可设计出一个完整的齿轮。人工智能技术在机械设计中的应用优势较为明显，在传统齿轮设计中，由于没有考虑到噪音问题，导致最终设计出来的齿轮在运行时会产生噪声污染。而借助人工智能生产出来的齿轮，对噪声有着明确要求，通过专家系统可对齿轮廓形进行纠正，系统还会自动生成齿轮零件详图，方便技术人员参考。

4.2 在零件工艺设计中的应用

当前较为成熟的工艺设计主要是成阻技术和工艺编制分析，在后续的发展中已经逐渐发展为智能工艺设计。通常情况下，可将机械零件分成回转轴类零件和箱体零件，因为各零件的孔、角、面不同，所以加工工艺设计选择也存在一定差异，所选择的切削量、时间、成本、刀具、数控机床类型等各不相同。针对机械零件的工艺设计，既可以是单台数控机床，也可以是加工中心。通过人工智能技术可把加工零件输入计算机生产系统中，还可以完成刀具传输、数控机床调整等设计工作。国内在零件工艺设计时可借鉴国外现有的工艺设计理念。比如，法国所开发的CARI系统可以对几十种不同形状的零件进行加工，并且其是由LISP语言构成的。日本所研发的TOM系统比较适用于孔加工过程中。英国所研发的EXCAP系统比较适用于回转零件加工中。当前我国针对该方面的研究还停留在工艺编制分析上，与此同时，也有一些大型机械企业设计出了较为复杂的程序。

4.3 在数控机床设计控制中的应用

人工智能技术在机械设计制造领域中的应用还可以体现在自动化控制技术上。在对数控机床进行操作的过程中，可以对现有的测量信息进行分析和计算，观察使用参数是否符合约束要求。比如，在镗孔当中，其切削条件是不能产生太大振动，即便产生振动，也要观察其振动幅度是否在可允许范围以内，需要经过多次实验来测得。在机械设计制造中，主要是由数控机床运行来实现的，然而，在自动化控制系统中存在工业机器人配合中心，该中心的存在给机械设计制造提供了良好契机。也正是因为该中心支持，可对数控机床进行严格控制。但自动化控制技术的应用需得到计算机系统帮助，这也意味着企业需安装计算机系统才能引入自动化控制技术。与传统控制系统相比，自动化控制系统优势更为显著。当企业在对小批量机械产品进行设计制造时，自动化控制系统可高效完成工作，在节约时间成本的同时，还可降低能耗，有着较高性价比。目前，自动化控制技术在机械设计制造领域的应用越来越广泛，在多个加工环节上都有涉及，机械制造企业也开始大面积接受自动化控制技术，在发挥技术优势的基础之上，与生产实际结合，推动我国机械制造行业发展。

4.4 在机械产品制造加工中的应用

在机械产品制造与加工过程中，其是运用人工智能技术最频繁的环节。人工智能技术有着速度快、精准度高等优势，而且可以使用精密仪器实施切割，在机械产品制造加工中的作用不可埋没。在实际的产品制造加工中，可将切割技术和快速成型技术相融合，以此来实现对产品自动化切削、成型工作。比如，可以利用人工智能技术对产品表面进行热加工处理，使得产品表面逐渐硬化。在机械设计制造领域中，大部分机械产品都是为了延长使用寿命才进行设计制造的。而在使用热处理技术时，由于耐高温性较强，可对大部分机械产品实施热加工，提高其使用寿命[6]。

4.5 在企业投资决策中的应用

对于机械制造企业来说，在机械产品工艺设计完成之后，企业必须结合数控机床的实际情况落实改善工作。如果数控机床不满足人工智能技术应用要求，那么企业就需及时更换数控机床。我国一些中小型企业并未关注该问题，导致人工智能技术作用无法得到充分发挥。但数控机床的数量需结合各种因素、数据、条件来决定。比如，被加工机械产品的加工精度要求、数量要求、制造工艺、车间布局等。

5 结束语

作为新时代产物，人工智能技术在我国机械设计制造领域已经广泛应用，该技术的引入对于机械设计制造领域而言有着积极作用。人工智能技术不但可以推动机械设计制造行业转型，还有着削减人工成本、提升生产效率、优化设计制造流程等优势。目前，人工智能技术应用在机械产品设计、零件工艺设计、数控机床设计控制、机械产品制造加工以及企业投资决策等方面。要想充分发挥人工智能技术作用，企业必须做好准备工作，完善机械设计制造方案，拥有高质量硬件与软件。