机械设计制造及其自动化的特征分析

刘科

摘要：工业化生产中机械设计制造的重要性极高，快速发展的自动化技术对机械设计制造带来的影响较为深远。基于此，本文简单分析机械设计制造自动化特征，并深入探讨自动化技术在机械设计制造中的具体应用，以供业内人士参考。

关键词：机械设计制造;自动化;传感器

引言

自动化技术在机械设计制造中的应用可实现生产质量及效率的优化，在优化配置生产材料等方面也能够发挥积极作用。但结合实际调研可以发现，现阶段自动化技术应用不够深入的情况仍较为常见，为更好推进机械设计制造领域的发展，正是本文围绕该课题开展具体研究的原因所在。

1.特征分析

1.1智能化

智能化属于自动化技术的典型特征，这种特征同样存在于机械设计制造中。智能化机械设计制造属于新的发展方向，在技术变革、各环节监管等方面有着突出优势，相较于传统的生产和监督系统，自动化技术的智能化特征在提升生产力、改善监督和管理效果、保证生产安全、消除安全隐患等方面也有着出色表现。自动化技术在机械设计制造中的应用需要开展持续的创新探索，智能化特征会随之日趋明显，如通过信息设备分析收集的各类数据，在相应的软硬件支持下，远程运维能够随之开展，通过对信息的智能分析，结合云平台，即可进一步提升机械设计制造水平[1]。

1.2虚拟化

自动化技术在机械设计制造中的应用还存在虚拟化特征，这与虚拟化技术的快速发展和成熟存在直接关联。建模和仿真系统属于虚拟化技术的基础，其能够对机械设计制造各环节可能出现的问题进行准确预测，通过针对性模拟试验，即可有效提升机械设计制造的效率及质量。虚拟化技术能够在应用中提出虚拟问题，开展模拟试验设计并编制针对性方案，机械设计制造涉及的各类风险能够由此降低，企业经济效益及竞争力提升也能够同时实现[2]。

1.3集成化

随着机械设计制造行业规模的不断扩大，其对技术的要求与日俱增，单一技术已无法满足行业发展需要，自动化技术在其中的应用存在集成化特征。在具体的生产中，企业存在不同制造系统级别，自动化技术需要在生产流程中持续协调并优化，辅以信息技术和工程理论，即可实现机械设计制造的统筹化和系统化，进而完善和优化生产环节，自动化技术也能够通过集成化发展模式进行改进。具体实践可通过专业管理平台进行数据分析，在决策层、运营层、执行层、设备层的支持下，产品质量提升、集成化水平改善、生产成本降低、生产流程优化均可顺利实现，进而更好促进行业整体发展[3]。

2.具体应用

2.1传感器技术

作为自动化技术的重要组成部分，传感器技术能够较好用于机械设计制造，如用于机床状态监测，通过对机床生产状态的精准监控，即可有效防控相关故障，规避意外停机问题。可选择加速度传感器用于主轴前端与机床刀架的监测，功率传感器可用于主轴电机监测，主要以切削振动、刀具破损及磨损程度为监控指标，典型的机械制造机床监控系统由以太网交换器、上位机、信号采集模块、力传感器、加速度传感器、功率传感器、以太网卡、信号通信单元、温度传感器、总线组成。依托嵌入式技術连接不同硬件接口，即可对温度、电机电流、加速度等数据进行采集和传输，进而实现对机床状态的监测，通过对运行信息的随时查看，机床的异常现象能够及时发现，机械制造受到的影响自然能够降到最低。

2.2自动化检测技术

自动化监测技术同样属于典型的自动化技术，机器视觉技术便属于其中代表，该技术可用于机械设计制造领域的产品质量检测，降低生产对人工的依赖。在机器视觉技术的应用中，相机属于关键零件，需综合考虑信噪比、灵敏度、分辨率、成本等因素选择相机，如选择黑白CD相机。可定义相机视野、生产过程中零件传送速度分别为A×B、v，零件高度、零件长度、相机采集图像速度上限分别为G、D、r，用t表示各零件检测耗时，可得到：

为在技术规定时间以下开展各零件检测，需保证单个检测耗时控制在1/n以下，同时需保证零件长度及其前进距离之和小于相机长度方向视野。结合0.1mm的检测精度，需选择640×480分辨率的相机，以此兼顾检测精度和投入成本，检测的环境光应选择具备高性价比和低能耗特征的LED光源。

机器视觉技术还可以用于机械零件缺陷识别和边缘检测，零件图像轮廓边缘提取可使用Sobel算法，缺陷情况可在提取到的左右边缘点坐标支持下针对性明确，如检测得到明显撕裂带边缘信息，即可通过零件轮廓边缘判定零件存在缺陷，如未检测到相关信息则可判断零件合格。对于判定存在缺陷的零件，需通过图像后处理明确缺陷尺寸和位置，应用阈值分割灰度图像得到二值化图像，具体的缺陷位置、形状、大小信息可通过分割背景与缺陷目标实现，这一过程需设法减少人为干预，保证自动化检测技术更好服务于机械设计制造。

2.3高精度外观三维设计技术

自动化技术还可以用于机械零件的高精度外观设计，具体的技术应用需要做好相关资料的收集处理，明确设计涉及的性能因素，动力性能分析的正确与否直接影响设计质量。考虑到精密仪器设备中高精度机械零件的应用较为广泛，零件需存在优秀的动刚度。应重点分析零件外观结构动力学特性，这一过程需开展动力学模型构建，以外观结构特点为基础，以此进行动力学分析，零件外观结构需要在这一过程中视作多自由度系统，固有振动会在研究该系统的过程中出现，其本质上属于静态振动集合。结合无阻尼自由度振动方程和非系数行列式，可明确外观结构特征值，进而开展针对性动力学特性分析，该分析需选择有限元分析技术。应结合外观结构有限元分析模型开展对应动力学模型构建，这一过程需要匹配机械零件外观结构各组成面与对应单元类型，结合单元类型具体匹配情况，完成单元的外观结构、动力变量矩阵构建，以此组合单元矩阵得到零件外观结构及动力变量的矩阵，完成动力学模型建设。

基于动力学模型，可进一步开展外观三维模型设计，这一过程需重点关注外观结构面轮廓点具体位置的确定，法向量位置需要首先完成确定，计算各轮廓点位置。轮廓点通过法向量确定的传统方法能够得到正确结果，但对于具备“凸字形”、“Z字形”等不规则外观结构的高精度机械零件来说，整块板的轮廓点无法通过法向量确定，因此可考虑改进法向量，在轮廓点的确定过程中使用浮动法向量，具体设计需考虑每一块板上存在的不同法向量，存在无数点的同一块板上也存在不同的各点法向量，因此不存在固定不变的板基准向量，结合这一认识，在确定外观结构轮廓点的过程中，板上基准向量应为第一个点的法向量，以此结合基准向量，针对性调整其他点法向量，这一过程存在随之变化的内外轮廓点，轮廓点位置能够顺利获取。在具体实践中，完成基准向量选取后能够发现存在与基准向量不一致的各点法向量，必须开展针对性调整，完成侧面轮廓生成。在对所有轮廓点进行计算后，即可最终得到外观结构三维模型，高精度设计由此完成，具体的设计流程可概括为：“零件板数组计算→不规则面确定→所有点数组确定→法向量位置确定→轮廓点获取→三维模型设计”。

结论

综上所述，机械设计制造中自动化技术的应用前景广阔。在此基础上，本文涉及的传感器技术、自动化检测技术、高精度外观三维设计技术等内容，则直观展示了自动化技术的应用方法。为更好满足机械设计制造领域的发展需要，自动化技术的应用还应围绕大数据、云计算、物联网等技术的融合应用开展针对性探索。

参考文献

[1]梁振辉.提高机械设计制造及其自动化的有效途径[J].现代制造技术与装备，2021，57（07）：187-188.

[2]韩键美.自动化机械设备设计与制造研究[J].中国设备工程，2021（07）： 129-131.

[3]胡峰.冲裁模在机械制造自动化中的结构设计应用[J].造纸装备及材料，2020，49（03）：14-15.