机械自动化制造系统的思考探析和构建

2021-04-03于云峰金葆青

现代制造技术与装备 2021年9期

于云峰金葆青

（江苏财经职业技术学院，淮安 223001）

随着互联网技术和计算机技术的快速发展，越来越多的传统产业开始与新兴的互联网技术结合，获取了新的活力。近年来，机械制造技术、制造系统以及计算机技术的结合，使传统的机械加工水平得到了提升。因此，机械自动化制造系统成为制造业关注的焦点。

1 机械自动化制造系统的内涵

机械自动化制造系统是利用计算机技术将机械设备和自动化相结合，从而产生更加先进、更加高效的制造技术。现在的机械自动化制造技术主要包括计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）、计算机辅助制造（computer Aided Manufacturing，CAM）、柔性制造系统（Flexible Manufacture System，FMS）、大规模计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing Systems，CIMS）、先进机械装备设计及加工技术以及数字化产品设计与制造技术[1]。机械自动化制造系统主要应用的领域是工厂的数控机床和加工中心。这些技术和系统的应用提高了我国制造业的工作效率，降低了制造业的生产成本，促进了我国制造业的进一步发展，提高了产品的国际竞争力，促进了我国社会经济的发展。

2 制造企业经营策略的变化历程

随着经济的不断发展，制造业的市场竞争越来越激烈，产品的质量、生产周期以及生产成本收益比成为制造业不得不考虑的现实问题。如何及时、快速满足客户需求，降低库存成本，提高工厂作业效率，成为制造业企业必须解决的困难。为了提高采购、库存和生产之间的配合度，解决产品生产周期过长、生产的零部件不配套以及资金周转效率低等问题，制造业企业开始探索新的制造管理方法，转变生产经营策略，以满足市场和客户的需求，提高企业的经营能力和市场地位。

20世纪70年代以前，制造企业的经营策略主要关注的是成本。究其原因，20世纪70年代之前我国制造业技术水平发展较为缓慢，难以在质量上有所突破。制造企业的关注点多在于成本控制，通过控制成本来实现盈利。

20世纪70年代至80年代初，制造企业的经营策略以质量为主。在这段时期，我国加大了与国外各国经济和技术的交流，逐渐改变了以单一的成本控制为中心的经营理念，关注重点转移到了提升产品质量，以求通过高质量的产品获取消费者和市场的青睐。

20世纪80年代至90年代初，制造业的经营策略主要关注的是产品交货期。此时，我国的经济得到了进一步发展，制造业成为国民经济中较为重要的一环。由于国家大力发展重工业和制造业，使得我国制造业得到了快速发展，获得了更多的市场需求。越来越多的客户订单要求制造企业不断优化生产流程，快速完成产品生产，及时为客户提供高质量的产品。

20世纪90年代至90年代末，制造企业经营战略的关注点在服务。20世纪90年代，欧美等发达国家逐步将部分制造业工厂转移到我国，以获取廉价劳动力，降低生产经营成本。国内本土制造企业也在对外开放过程中不断成长和吸收借鉴国外的先进管理经验，将经营重点转移到为客户提供更满意的服务。不仅包括按期提供符合质量的产品，也包括培养客户对产品的忠诚度，从而在市场竞争中形成自己的品牌优势。

制造企业只有自己掌握核心技术，才能在国际市场竞争中占据重要地位。目前，虽然我国制造业企业发展迅速，覆盖范围广，但是这种发展模式已经难以满足我国经济的高质量发展需求。我国制造业企业特别是生产简单组件和将组件加工组合的企业，仍处于国际产业链下游的低附加值阶段。这些企业获得的利润较小，难以有技术上的突破，因此国际竞争力不足。随着国内相关产业生产成本的增加，部分产业开始向成本更低的东南亚等国家转移。进入21世纪以来，制造企业经历了国外核心技术封锁和贸易壁垒的困境，逐渐意识到技术创新的重要性。企业要想获得长久发展，必须要转变过去技术依赖进口的局面，加大技术创新力度[2]。

3 机械自动化制造系统的发展

随着计算机技术的发展，信息化程度不断提高，制造业的生产方式随之发生了相应的转变。1960年，以前所使用的计算机为电子管计算机。因为电子管散发热量过大，计算机在运行时常常因为电子管被烧坏而死机，所以此时的计算机主要用于科学研究和工程计算，尚未对制造业的自动化产生较大影响。另外，由于当时市场需求较为单一，制造业的生产方式为刚性制造线和大批量生产。

20世纪60年代到80年代，随着晶体管计算机的发展，第二代计算机的程序语言由机器语言转变为汇编语言，且该时期计算机的体积和成本都有了较大下降，计算机在商业上的应用逐渐变多。此时，制造业的信息化程度有所提高，且由于刚性系统难以满足多样化和个性化市场需求，制造系统逐渐转变为柔性制造系统，从而使制造业进入柔性制造与多品种小批量时代。柔性制造系统主要包含柔性制造系统、柔性制造单元、柔性制造线以及各种数控加工技术。该系统能够用可编性、多功能的数字控制设备，在自动化加工的基础上，实现物料流和信息流的自动化，并能根据制造人物和生产品种的变化迅速进行调整。我国第一条自行研发的完整意义上的柔性制造系统是由原国防科工委组织、南京理工大学、长春55研究所以及绵阳58研究所联合承研的BQ-FMS柔性制造系统，是一个车间级的FMS，主要包括运行控制、加工、物流与运输以及检测监控4个子系统[3]。

20世纪80年代到21世纪初期，计算机进入中小规模集成电路时代，此时的计算机在体积、价格和运行速度等各方面均有了较大提升。为了提高企业生产部门和非生产部门之间的协调能力，缩短生产周期，计算机逐渐应用于制造企业内部的各个环节，促使制造业进入敏捷制造与大批量定制时期。

随着计算机进入大规模集成电路时代和互联网的兴起，为了进一步集约化、规模化生产，降低生产成本，控制产品质量，制造业的机械自动化水平越来越高，制造业开始进入设计制造与网络化时代，出现了根据CIMS理念研发的集计算机化、智能化和集成优化于一身的现代集成制造系统。现代集成制造系统由管理信息、技术信息、制造自动化和质量信息4个应用分系统以及计算机网络和数据库分系统2个支撑分系统组成，能够实现技术资料文档、质量文档、原材料、成品以及办公等自动化，并及时根据市场信息进行生产调整，从而满足质量要求[4]。我国第一个863/CIMS主题的示范系统由相关专家主持，10多所高校、研究所联合研制，主要由管理信息系统、工程设计系统、柔性制造系统、制造自动化系统以及支撑系统等组成。

4 机械自动化相关计算机技术的应用

4.1 辅助技术的应用

计算机辅助技术在机械设计制造及其自动化中的应用主要体现在以下几个方面[5]。第一，目前的机械设备精密程度很高。在机械图纸设计时，人工绘制存在诸多困难，可以有效利用图纸设计软件（如CAM、CAD等）进行绘图。第二，利用计算机辅助技术可以更加直观地了解机械设备的各项参数，便于设计人员及时发现应用过程中存在的问题。第三，与传统的手工绘图相比，计算机辅助技术可以更快完成图纸的多次编辑，大大提升了工作效率。

4.2 3D技术的应用

3D技术的优势在于机械设计过程中能够立体化处理设计图纸中的数据信息，使完整的机械设施通过图像呈现在设计者面前。另外，该技术可以在机械设施生产阶段，通过建模方式分析设施的工作能力及相关信息，改变了传统通过样品试验才能得到机械设备运营状况的模式，从而节约生产成本，提高生产效率。

4.3 仿真技术的应用

随着可视化和虚拟技术的逐步成熟，计算机仿真技术应运而生。将成熟的计算机仿真系统应用到机械设计制造行业，可以突破烦琐的机械设计制造过程，使之变得简单、高效、合理。随着增强现实（Augmented Reality，AR）和虚拟现实（Virtual Reality，VR）等技术的快速发展，根据实际需要在计算机系统中建立涉及制造的机械设备数字模型并开展仿真试验，成为当代机械设计制造行业的重要环节[6]。

4.4 数控机床技术的应用

在机械设计制造行业中，利用数控机床技术能够提高自动化程度，从而更好地完成制造任务。数控机床技术主要包括数控编程和数控软件，其中数控软件是机械设计制造的智能化基础，数控编程是实现智能化的技术手段。数控机床技术在机械设计制造行业中的应用提升了机械设备的生产速度和生产精度。随着我国数控技术的高速发展，它在机械设计制造行业及自动化中的应用也得到了普及[7]。

5 促进机械自动化系统进一步发展的建议

5.1 优化人才培养

随着计算机信息技术与机械设备的结合，以及机械自动化系统不断优化，现代机械产品的结构、性能和应用水平发生了较大变化。为了适应当前发展，为制造业提供所需的优秀人才，相关高校和科研院所应该根据市场需求和制造业的发展情况，及时调整人才培养模式，提高学生的自主创新意识和专业技术能力。以我国长江大学机械设计制造及其自动化专业为例，该校立足湖北省的石油石化行业，积极按照教育部质量工程意见“要以社会需求为导向，合理设置学科专业，加强产业和行业的联系，加紧紧缺人才培养”，为地方石油石化的建设提供了大批量毕业生[8]。