自动化机械设备研发设计及制造的要点分析

梁宇飞

（长飞光纤光缆股份有限公司，湖北 武汉 430073）

随着现代科技的高速发展和进步，自动化机械也被大量应用于各行各业中，更是影响着机械制造行业的发展前景。自动化机械设备的普及是未来现代化工业发展的必经之路，因此，对其设计和制造提出了更高要求。而无论是在生产效率还是企业成本等方面，自动化技术的应用都能极大地促进机械设备研发的优化升级，克服机械设计和制造的缺陷。而自动化机械设备研发设计及制造有许多需要注意的地方，因此，本文基于自动化技术在当前机械设备中的应用，抛砖引玉地提出完善设备研发设计及制造的新视角。

1 自动化技术在机械设备研发中的应用优势

自动化技术助力机械设备制造生产，利用计算机技术进行仿真，改善了传统人工操作的烦琐工作流程，减少了研发成本投入，缩短了设备生产周期，提高了机械设计制造水平，且能够自行监测运行，发现问题能迅速采取相应措施。其在机械设备研发中的应用优势如下。

1.1 促进设备的研发和生产

自动化技术成为机械制造领域核心技术是因为它以数字化计算机技术为依托，通过构建控制模型进行机械设计的创新，使得很多传统人工制造难以实现的工序得以实现，而且保证了零件精密度和生产质量，还响应了节能环保的国家号召，为机械设备的研发设计和生产制造创造了有利条件。

1.2 提高设计与制造效率

应用自动化机械技术优化了机械设备设计制造的流程，很好协调了设备的设计和制造，能保障各设备平稳运行，有利于机械设备的集成化，而在集成化过程中的整体统筹会对其内部的相关设计进行优化整合，使得生产经营活动更加系统化、科学化。传统设计和制造过程中，若出现了问题，整个设计需要推倒重来，而制造过程会中断。应用自动化技术一旦出现问题，能及时启动设备的应急预案，同时迅速查找、分析、解决设备问题，因此可促进机械设备高效、高质量的生产，提高其生产效率。

1.3 降低企业运营成本

数字化计算机技术的应用可以确保整个机械研发流程的科学、高效，有效地避免人为因素影响机械设计质量、原材料技术跟不上时代、若某个环节出现设计或制造问题便需全面重改等问题，继而起到节约机械设计和制造成本的要求，缩短制造业产品的生产周期，同时也节约人力物力财力等，降低了企业运营成本，为公司和产业带来诸多收益。

1.4 改善生产安全问题

自动化机械技术是依托数字化计算机技术实行安全状况、产品质量等信息监测的，如可以监控工人在岗情况、设备运行情况和实际生产情况等，能全方位地掌控生产管理状态，最大程度地减少人为操作因素引起的安全事故，预防可能出现的安全生产风险。而且在传统的机械设计制造业生产运行的过程中，相关的设备检验人员需要定期对机械生产设备进行检测，而设备运行过程中易出现安全事故，易对现场检验的工作人员造成生命威胁。自动化技术保障设备运行的安全，保证机械制造能更好地完成生产任务，便可降低生产事故出现的概率。

2 自动化机械设备研发设计要点

自动化是机械设备的灵魂，研发设计是实现的根本。自动化机械设备发展非常迅猛，这也对其性能提出了更高的要求，因此设计者需要在不断变化的环境中应对越来越复杂的工程技术问题，从而完成高效且富有竞争力的自动化机械设备设计方案。那么，有哪些需要注意的设计要点呢？具体如下。

2.1 基于精准测算的自动化设备配置方案

自动化机械设备研发方案指由控制系统、人机界面以及运动系统所构成的方案。机电一体化硬件配置最核心的问题是运动系统与机械本体的融合与协调度。运动系统参数如何选定是自动化难点所在。如果运动系统选得过小，轻则机械装备达不到设定的性能指标，重则须更换系统，造成浪费；如果运动系统选得过大，也就是设计裕量过大，会导致机械造价过高，能耗过大。即使运动系统的大小合适，其中也有一个驱动控制、减速器以及电动机的相互配合问题。如果它们配合不当，就会影响机械的精度或动态性能指标。在满足机械设备动态和静态性能指标的前提下，尽量压缩设计裕量，降低材料用量和成本，同时在精准计算仿真手段的支持下，使运动系统最佳地适配机械本体，从而获得一个优化的配置方案。

2.2 机械设备模块化与标准化的规范

以典型的PID（比例、积分、微分）调节器设计为例，如果PID调节器的算法在每一次应用中都要重新由项目工程师编写源代码，将造成工时的浪费和工作效率低下。如果将PID调节器的各种应用状态考虑周全，使其无论是对快速和大滞后的被控对象，还是对机械控制和过程自动化的回路调节都能适用，然后将各种算法及参数作为一个可以重复使用的模块进行封装，这样就可以显著地提高工程效率，避免无谓的人力资源的浪费。针对团队和个人，设计并执行自动化方案的标准化规范是非常重要的。从软件的架构到模块的接口定义，甚至到变量名称的定义都应该有一套详细的执行标准，一个团队的优秀工程师们都遵循这些规范进行工作，那么，这个团队所产出的自动化方案将不仅具有长久的生命力，而且团队的工程效率将给企业带来强大的竞争力。

2.3 基于数字化模型仿真的工程化设计手段

自动化机械设备研发方案将机电系统的部分作为数字化模型直接与自动化系统连接，可以直接测试和优化控制算法、验证设计改动是否合理，并无须为此生产样机，这种设计方法使得最终的样机一次性完成，并能够达到满意的设计效果。作为自动化工程师，应该学会充分利用成熟的资源和先进的技术手段，以最短的时间、最低的成本设计出性能价格比最佳的产品，这不仅是企业的需求，也是时代的要求。

2.4 集成化设备管理

集成化设备管理即能够利用有限的设备资源，在最短的时间内，高质量地完成，同时最大限度地规避风险，使企业获得最大的收益。越来越多的设备使用了集成化技术，许多生产车间都有了集成化设备。一旦启用集成化设备，每个单位均要新设立维修机构及人员，必然造成人力、物力和财力的极大浪费，现实的条件也是不允许的。那么应该怎样提高机械设备的工作效率呢？随着信息化的普及，机械制造和自动控制工程的发展，现代设备的科学管理出现了新的模式，即出现了设备使用、管理和维修各归相关部门负责并用计算机网络技术对设备实现综合管理的现代化管理模式。集成化设备管理应以先进的信息技术和信息设备作为管理过程重组和重构的物质基础，充分融合管理技术和信息技术，实现管理过程的全过程自动化、数字化和智能化。现代设备管理应当以丰富的全面管理信息为基础，通过发达的计算机通信设备，充分利用社会信息服务于设备管理。面对更复杂的和更高技术含量的机械设备，设备管理的本质是建立规模化、集约化生产的设备维修体系，减少设备使用、储存和维修的人员，聘请更具专业理论和实践知识的技术人员，改变传统大而全的维修模式，建立更完善的社会化、专业化、网络化的设备维修体系，提高设备的维修效率，从而提高设备使用效率。

3 自动化机械设备制造要点

在自动化机械设备制造的过程中，最首要的是完善研发设计，其次是保证生产制造质量，同时也要定期对设备进行监测。

3.1 优化设计方法

个性化方案、系列化生产设备面临的是研发的投入、成本的控制以及灵活的反应能力。在设计制造过程中，传统的项目研发过程是样机随着设计的改进一款又一款地不断研制。这不仅意味着设计时间的冗长，更关键的是研制的成本或能耗无法降低，甚至一个设计人员的小失误也会给生产厂带来巨大的损失。可以使用设备的轻装结构设计，其不仅能在运动控制上节省能源，也能在制造这些结构件的原材料能耗的上一个供应链环节实现节能。研发设计系统中的集成也为设计节能、缩短研发周期带来了新的途径。集成式研发设计的过程是将自动化技术融入设计，使产品由初始状态通过单步或多步变换实现或接近理想状态。而随着自动化程度越来越高，对复杂设备进行集成化设计，各部分的关联更紧密，必然伴随着对性能和设备的可靠性的高要求，否则任何一处微小的故障必然会造成连锁反应，造成整个装置和设备相关环境遭受灾难性的破坏，这不仅会造成巨大的经济损失，而且会危及相关人员人身安全，后果极其严重。所以在设计中应同时采用设备状态监测技术和故障诊断技术，通过状态监测和故障诊断技术，在设备正常运行的情况下，对设备进行全维修和保养，预测维修，降低事故率，保障设备制造如期完成。

3.2 保证制造质量

随着科学技术的发展，对机械产品的加工相应地提出了高精度、高柔性与高度自动化的要求，特别是对复杂型面零件的加工，提出了自动化并保证质量的要求。现代自动化机械设备的设计理念是从系统性能设计开始，并贯穿设备操作、生产规划的过程中。自动化机械设备制造需要制造部门和设计部门密切配合，要严格依照设计方案进行，坚决避免制造过程中产生零部件误差。自动化机械设备制造是一个系统工程，各部门要相互协调相互配合，各制造工序才能有条不紊地进行，因此，各部门应该保持沟通，共同促进设备制造的顺利进行。尤其在安全系数上，各部门除了满足客户要求之外，还必须考虑设备的应力集中和类型，对应力评估方式、材料应力是否均匀以及焊接接头是否存在缺陷等因素都必须进行质量把关，以期保质保量完成制造任务。

3.3 定期监测设备

企业进行设备制造必须合理使用相关制造设备，并做好设备的维护保养工作，使设备处于良好的技术状态。自动化机械设备制造的相关检验人员不仅要与设计提供的数据对比，对设备是否严格按照行业规范和设计标准进行检查，而且必须对零部件制造结构的合理性进行把关，检验零部件是否符合安全生产标准，充分考虑生产加工制造的难易度以及是否容易维修。制造完成后相关人员应认真进行设备调试、安装，确保设备质量再验收交付。待机械设备投入生产后，相关人员还应定期进行检修和维护，既要定期监测自动化机械设备的各种参数，也要进行早期预判，分析设备可能出现的故障并及时排查，降低设备故障停机情况，提高设备运行的效率。

4 总结

机械制造业作为其他产业的支柱工业，担负着为国民经济提供更多物美价廉的先进技术装备的重任。随着科学技术的飞速发展和社会的不断进步，先进的生产模式对自动化设备提出了较高的要求，提升机械设备设计水平和制造质量成为重中之重。充分利用自动化机械设备的优势，深入研究研发设计要点，注意制造要点，可提升机械设备的自动化水平，使中国自动化机械设备产业蓬勃发展。