机械设计制造及其自动化的设计原则及发展趋势

顾懂懂

机械设计制造及其自动化的设计原则及发展趋势

顾懂懂

（航天智造（上海）科技有限责任公司，上海 200233）

工业是一国经济发展的基石，中国工业发展蒸蒸日上。同时，机械制造业在工业中发挥着中流砥柱的作用。在中国国民经济的发展过程中，机械制造业逐渐向与自动化融合的方向发展，成为科技研究的重要内容。与自动化的深度融合，对于自动化控制的理论掌握有利于推动中国工业的综合发展水平，从机械设计制造及其自动化的设计原则、自动化控制理论的内容以及应用，自动化的设计原则的发展趋势等方面展开分析和阐述。

机械制造设计；自动化控制理论；设计原则；生产率

1 机械设计制造及其自动化的设计原则

1.1 广泛化原则

相比于人工，机械有着更高的效率，操作度也更高。当下的各行各业之中，机械制造都被广泛运用，因此，在机械设备的设计和生产之中技术人员应掌握全面的机械制造技术，对各项参数进行详细分析和运用，在宏观上拓宽对机械设备功能的掌握，使其能够应用于更多的生产工作之中。

1.2 效率化原则

在机械产生之前的人工生产之中，精确性不足是很大的缺陷，因此自动化设备要求提高产品生产的精准度。并且在企业的生产环节中，生产率与效益紧紧挂钩，因此，在机械设计制造及其自动化的设计之中应该遵循效率化的原则，从而提升机械生产的精度和自动化程度，达到更高的生产效率，为企业生产提供更大的收益。

1.3 实用化原则

机械设备制造及其自动化的目的是满足多种多样的机械生产需求，因此，在设备设计中需要保证设计与生产需求的高度契合，设计出的产品不可达不到需求，呈现的设计与需求设计也要对应，使设计出的产品能够在真正的工业生产中发挥作用，提升工业生产水平和人们生活质量水平。

1.4 绿色化原则

机械设计制造行业是一个能耗非常大的行业，中国的能源消耗和环境污染问题在工业化的进程中不断加剧。为了保证中国经济的可持续发展，彰显企业的社会责任，要坚持绿色化原则，生产绿色产品，保证生产过程绿色化，要设计出符合社会发展需求的绿色化产品。

1.5 便捷化原则

机械发展具有悠久的历史，但是机械使用的根本目的是使人类劳动力得到一定程度的解放。因此，在机械设计制造及自动化的设计原则上要体现便捷性原则。

2 自动化控制理论的内容

自动控制是指没有人的直接参与或者外加的控制装置或者装置器，机器设备仍能够按照预先设定的工作状态或者参数自动运行。二战后，在传递函数为基础的经典控制理论的基础上，较为完整的自动化控制理论形成。

自动控制主要依靠自动控制系统和反馈控制系统工作。

2.1 自动控制系统

为了完成具有一定复杂性的控制任务，要求控制对象与控制装置之间有满足条件的连接方式，才能够组成有机运行的自动控制系统。同时，在该系统中，被控制的对象的输出量属于严格加以控制的物理量，一般情况下被要求保持为某一恒定值，控制装置则可以通过各样的原理和方式对被控制的对象实施控制。这又是一种基于反馈控制原理的反馈控制系统。

2.2 反馈控制系统

在该系统之中，控制装置对被控制的装置发挥控制作用。取用被控制对象的反馈信息，用既定模型修正被控量与控制量两者之间的偏差实现对被控量控制的任务。

3 自动化控制理论在机械设计制造中的应用

3.1 在程序单元的应用

这个单元是机械自动化任务运行的关键，也是在机械设计中需要关注的一个环节。在系统当中需要执行的任务和执行任务所采取的方式都是由程序单元决定的。将自动化控制理论应用在程序单元，有利于提高产品质量和产品生产率，使生产周期缩短，工程设计费用减少。

3.2 在作用单元的应用

这个单元是整个自动化控制系统之中完成前期任务的重要组成部分，主要功能是为系统运行提供能量，同时完成机械生产过程中的定位工作，将自动化控制理论应用在作用单元，有利于提高设备利用率，减少人力费用。

3.3 在传感单元的应用

这个单元是系统运行的基础性单元，主要实现对其运行的状态和指标的实时监控和检测。对于维持机械的平稳持续运行有着重大意义。在这一单元实现自动化理论的应用对减少维护检测的人力、物力有重大作用。

3.4 在制定单元的应用

在这一单元中，自动化控制能够将传感单元传输的信息进行准确的处理和详细的分析比较，接着根据实际情况发出动作信号。将自动化控制理论应用在制定单元，对于提升机械的自动化生产水平有重大意义。

3.5 在控制单元的应用

这个单元在整个生产环节中起到了保障性的作用，对于各个单元的制定、动作调节、维护有着关键意义。由此可见，自动化控制理论在机械设计之初就能够为后续的生产提供极大的便捷性。自动化控制理论在各个单元的应用，也能够节约多方面的人力、物力，使工业生产的效益明显提高。

3.6 应用实例

自动化控制理论在机械设计制造中的典型应用案例是数控机床的发展。作为机械加工制造业的主要加工设备，在机械设计制造及其自动化领域具有重要的研究意义。W3150型立式铣削数控加工中心是一项典型的机械设计制造以及自动化发展的专业大案例。W3150型立式铣削数控加工中心可以具体分为刀具、生产工艺、总体结构、传动机构、电气控制、数控系统、数控加工等部分进行具体的自动化分析。例如加工中心的主轴和箱体零件通常与CAD/CAM、有限元分析等技术结合。机床电器以及数控设备中广泛应用主运动控制、进给运动控制、自动换刀装置控制等单元的自动化技术。各个运行单元通过数控技术紧密结合互相支撑，是自动化控制理论在机械设计制造中的应用典型。

4 机械设计制造及其自动化的发展趋势

4.1 光机电一体化

主要指的是通过光学技术、计算机技术和微电子技术的深度融合提升自动化机械生产产品的附加值。同时，激光技术、传感器技术、光能驱动技术等在机械制造业的应用有利于机械设计制造及其自动化性能和品质的提升，也有利于各学科在融合中取长补短各取所需，增强行业的可持续发展能力。光机电一体化设备的系统设计制作如图1所示。

图1 光机电一体化设备的系统设计制作示意图

4.2 模块化

机械设计制造的过程具有一定的复杂性，包含的内容和学科知识及其广泛。因此，对设计人员对设计目的的明确程度、多样性的信息分析研究能力提出了要求。在设计时，根据各方面的功能特点进行模块划分，从模块的角度入手设计，全面提升设计水平，提高设计效率。同时，在模块化之后能够根据不同的设计模块开展检测工作，提高设计工作的检测效率，缩短维修时间。

4.3 智能化

智能化是保证机械具有良好操作水平的重要条件。尤其在人工智能和大数据技术快速发展的时代，智能化必定是机械制造和设计发展的趋势之一。同时，在智能化的高度发展之下可以实现对劳动力的解放，提高机械的综合使用水平。智能化的发展对于维护机械的稳定运行和持续性运行发挥着重要的作用，使机械有了可以全面、快速、自我运行的条件。

4.4 绿色化

在倡导可持续性发展的当今社会，资源不断枯竭和环境不断恶化。各行各业已做好向绿色化生产转变的准备。机械制造行业也面临着向绿色化转型。主要的绿色化要求是从设计、材料、管理、工艺、包装等多个流程实现生产流程的绿色化，同时要加强对可再生能源的使用和废旧材料的回收和再使用，通过提高产品整体的使用率和回收率，优化资源使用，实现可持续性发展。

4.5 人性化

除了考虑机械本身的运行功能以外，在机械设计的过程中赋予一定的人类情感。将生产设计的产品融入人性化的设计理念，更有利于在未来占有市场并赢得口碑。在机械拟人化的同时，也能够达到提高人们日常生活便利性的本质目的，为使用者提供更好的使用体验。同样，在人性化的发展中能够促进中国机械制造自动化设计与人契合的发展。

5 结束语

综上所述，机械设计制造及其自动化发展对于整个制造行业的转型升级有着重大的意义，是提高生产效率的关键，也是提升生产质量，满足多样市场需求的必经之路。因此，结合当下的热门学科，比如计算机科学、信息技术、网路技术、人工智能技术和自动控制技术等，向着智能化、绿色化的方向实现机械设计制造的自动化，是实现中国工业化强国梦想要求的体现。

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2095－6835（2021）06－0165－02

TH122

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.06.068

顾懂懂（1988—），男，河南人，本科，助理工程师，研究方向为机械制造及其自动化。

〔编辑：张思楠〕