机械设计制造及其自动化的优势与发展趋势探讨

2024-02-18杜一恒

大科技 2024年3期

杜一恒

（青岛理工大学，山东青岛 266525）

0 引言

机械制造是国民经济和社会经济发展的支柱产业，也是一个国家经济发展和社会繁荣的主要标志。机械的普遍使用，不但给我们的日常生活和工作带来了很大的方便，提高了生活品质，而且对社会快速发展也有很大的帮助。所以，机械制造关系到国家、社会和人类的发展，在当今高效率高质量的发展条件下，怎样才能在目前的工业领域中，实现和合理应用自动化的机械设计和制造，是一个需要进行深入探讨和解决的关键问题。

1 机械设计制造及其自动化相关概述

传统的机械制造业的生产效率比较低，很难适应现代社会高效的发展要求，因此迫切需要智能化、系统化、集成化的装备与技术，因此在这种情况下，机械设计制造自动化应运而生。机械设计制造包含了产品规格和尺寸的精确设计、高效的机械制造，进而生产出与标准相符的机械产品，是现代工业和技术相互融合的产物。而自动化则是由人工神经网络、远程监控、信息传感等多项关键技术组合而成，它不仅可对机械产品的设计工作进行协助，还可以发挥出简化流程、减轻负担、提升设计水平等多重功能，同时还能在没有人为介入的情况下，根据操作准则来控制生产装备，让其按照预先确定的方案来进行机械产品的制造活动，实现产品生产质量、企业经营效益以及安全生产的三重提升[1]。

2 机械设计制造及其自动化应用现状

2.1 重视程度不足

好的技术既要有国家的扶持，也要有当地政府的扶持，尤其是那些关系到产业转型和发展的技术，更要得到政府的大力扶持。在传统的机械设计制造业中，以往的生产方式已经在我们的生活中根深蒂固，而在国家和地区的层次上，缺乏对机械设计制造的引导和推动，尤其是部分地区，其工作重心并没有放在机械设计制造自动化上。尽管近年来，国家已逐步对此项技术的普及给予了关注，但总体而言，其普及仍需一个漫长的过程，唯有如此，方可取得工业上的突破性进展，进而实现产业的转型与升级，使国内的机械设计制造取得更高质量的突破。在政策支持和基础推广方面，我们与外国先进国家仍有较大的差距，许多技术都是从海外采购来的，所以很容易被他人牵制，且由于缺乏资本和市场，有些小型公司对技术的了解并不深入，所以技术上的投资并不多，这就造成了机械设计制造在总体上没有得到很好的重视。

2.2 缺少复合型人才

产业发展的核心是人才，尤其是高技术领域，更应以人为本，以技术创新为导向。而对于机械设计制造自动化而言，要实现技术与行业的提升，就必须要有一批高素质的专业人员。这种人才不仅要懂得机械设计制造的原理，而且要是自动化设计方面的专家，所以，在机械设计制造及其自动化领域，最需要的就是复合型的人才。从当前我国培养人才的模式和内容上可以观察到，对这种复合型人才的培养数量非常稀少，许多院校也没有开设相关专业，这就造成了在机械设计制造及自动化领域中，出现了人才短缺现象，这对产业的整体发展不利。

2.3 自主研发有待加强

机械设计制造及其自动化是一项崭新的技术，它需要将机械设计与自动化互相融合，实现有机统一，从而达到自动化生产的目的。然而，从当前国内在机械设计与生产中的应用来看，仍存在着许多可以提高与改善的地方。从总体上来看，我国在机械设计制造自动化上已经取得了根本性的突破和进展，但在一些高精度技术上，还不够专业和成熟，要想在这一点上有所改善，还得继续加大研究资金的投入，引进研究人才，现阶段我国自主研发的动力和创新成果还比较少，许多技术都是在国外被淘汰掉的，与发达国家相比较而言还有一定的差距。所以，在机械设计制造及其自动化方面，还需要提高科学技术水平。

3 机械设计制造及其自动化的应用优势

机械设计制造及其自动化是在传统的制造产业基础上，加入了自动控制、自动检测等新兴技术，是对传统技术的突破与变革。它是通过改进原有的工艺过程、更换原有的设备、重塑原有的设计理念，建立而成的一个新生产系统，其应用优势主要有以下4 个方面。

（1）集成化的工作过程。机械设计制造及其自动化的最终目的就是要达到高效率、易操作、多功能、多方位的生产过程。在实际生产中，这一技术是通过贯穿整个生产过程来实现的，从原料到成品、从产品加工到最终成品都与集成化的设备、生产模型等相关联[2]。同时，集成化的工作流程可以把各种工作类型、内容、形式等结合起来，尤其是在多样化、多工艺复合的生产过程中，它具备巨大的生产优势。

（2）系统性的工作基础。监控和检测是系统性工作的根本体现。监控系统可以对工作方式和操作过程进行掌控和追踪，让工作人员可以对总体的工作进度有一个全面的掌握，对生产节奏有一个清晰的了解，同时还可以对产品精度与公差进行掌控，并对实时检测出的产品问题进行追踪。检测系统可以对产品的缺陷进行高效检测，并将检测结果及时地输出到生产设备中，对出现的问题进行及时的预警，从而提升生产品质，为高质量的生产奠定基础和保证。

（3）自动化的生产过程。自动化是机械设计制造和自动化技术的一个重要特点，其目的是为了解决传统工艺中存在的生产效率低、产品质量差的问题。自动化的实现在很大程度上表现为产品的设计和制造都是用一个系统来对其进行控制，并且可以使其自动地完成全部的工作，在这个过程中，几乎没有任何工作人员的直接介入，实现全自动的机械化操作，从而极大地提高了生产效率和生产品质。

（4）均一化的检测方式。在机械生产中质量控制是一个非常重要的步骤。在传统的制造行业中，质量控制普遍采用手工抽样的方法来进行，这会受到人为的主观判断影响，在一定程度上会产生不合格的产品。而现代化自动控制技术，以客观检验取代了人为主观判断，利用测试装置，可以对不合格的产品进行实时监控，从而有效地将不合格的产品剔除出去，从而确保批量生产的质量；与此同时，自动化检测技术还可以实现对大量产品进行抽检，并对其进行统一的判断标准，从而可以有效地解决由于人为主观判断而导致的产品问题。除此之外，自动化检测技术还可以实现快速测量、准确判断、及时反馈等检测流程[3]。

4 机械设计制造及其自动化的发展趋势

4.1 模块化

最近几年，伴随着机械生产规模的不断扩大和机械设计质量的不断提升，自动化系统呈现出了功能多样化的发展态势，在系统中可以设置各种类型的硬件设备，并可以连接众多的软件程序，从而可以进一步地充实系统的使用功能，为机械设计制造的活动提供更加完备的辅助服务，但是，它也会遇到系统组件之间存在着相互不兼容的问题。由于硬件设备和软件的不相容性，在实际使用过程中，有时会出现延迟和卡顿现象，严重时还会妨碍机器的正常工作，从而降低机器的品质。所以，要使生产过程中的技术朝着模块化的方向发展，以适应生产过程中的需要，并满足自动化自己的使用需求。一方面，要对自动化系统中所使用的硬件设备型号要求进行明确规定，并统一软件程序格式与通信接口，必要时要以机械产品研发要求为依据，对辅助自动化系统进行开发，以保证系统的兼容性；另一方面，以使用功能为基础，将硬件设备、软件程序等部分组装成若干个功能模块，在系统结构中维持各个模块的单独运作，当后续改变产品研制对象或新增产品研制要求时，企业只需要在自动化系统结构中增减模块数量、调整模块种类，不需要再重新开发配套的自动化系统[4]。

4.2 柔性化

从目前国内制造业的现状可以看出，传统的大批量生产方式有很大的缺陷，如生产线调整困难、产品研发周期长、很难适应市场的不断变化、一些生产资源出现闲置浪费等现象。所以，企业必须调整生产模式，从大规模生产向多类别、小批次转型，在自动化技术基础上建立柔性生产线。柔性自动化生产系统由信息控制、自动储运等子系统构成，能够在不停机的情况下，快速进行生产模式地转换，将多种类的零件进行小批次加工，使得大部分的生产资源被有效使用，减少资源闲置浪费等情况，从而降低生产成本。例如，在生产过程中，当需要更换机械产品或零部件时，系统后台应该按照生产要求、加工对象重新定制方案，优化、整合加工对象与设备，再通过工业机器人将所需物料运输就位、操纵设备进行加工，如若再进行其他零件的替换时，应反复进行以上步骤。当前，柔性自动化技术已经在毛坯工件加工、加工废料存储等领域得到广泛应用，协助企业批量生产多类别的机械产品，使得生产成本、品质、效率等得到有效保障[5]。

4.3 智能化

目前，在机械设计制造的过程中，自动化技术主要是取代了人工来完成基本的工作，人工对机械产品的设计水平与制造质量起到了影响，从而减少研制周期、把控成本，确保方案能够顺利执行，但是其功能效用并没有被完全发挥出来。所以，为了能够早日实现智能制造的目的，制造企业应该将自动化技术朝着智能化的方向发展，在原有的自动化系统的基础上，对人工智能系统进行开发，包括计算机技术、网络技术、专家系统等，使用多项智能算法构建专家知识库，并利用智能系统将产品设计、产品制造等相结合。比如在设计阶段，研究人员可以利用该系统进行模拟试验，并对试验的成果进行检验，以确保其满足开发和应用的需要，同时还可以通过该智能化系统对机器设备的结构进行最优修正；在制造阶段，以类似的案例为基础，让智能系统掌握制造的规律和机制，并在制造周期与成本等刚性条件的限制下，进行方案的调整与优化，再由研究人员对方案的合理性、可行性等进行检验，确认无误后并可进行后续执行[6]。

4.4 虚拟化

就当前的机械设计制造水平来说，大部分都是依靠人工绘制出的图纸与方案，然后通过多次的修改、检验，达到标准，然后才能进行实际的生产和应用。从一开始的初稿到最后的定稿，都需要耗费大量的人力、物力与时间，导致企业的生产成本提高，竞争力却降低。而采用虚拟技术能够很好地解决以上问题，大幅降低制造环节的能量消耗，提高制造质量和精度。在进行生产工作前，研究人员会在电脑系统中绘制模型，再利用人工智能全方位分析、判断，针对存在的问题和不足，做出相应的调整和优化，而后形成一套完整的虚拟生产流程，接着再对虚拟生产出的3D 模型产品的外观、精度等展开全面的分析，以保证零件的精度，使产品的生产效率得到极大提高。以数字孪生（digi taltwin, DT）技术为例，此技术可以将物理系统到信息空间的数字化模型进行分析和建模，从而完整地将物理系统在各种现实场景下的生命周期过程反映到虚拟数字系统。数字孪生技术可以利用计算机对真实的工作环境和工作条件进行仿真，并以1:1 的比例再现了产品的真实生产过程。利用模拟的形态对产品的制造过程进行了初步的设计，然后根据该模型对产品的制造过程进行初步的设计。这个过程让前期的生产问题可以在数字平台上提前预警，并且可以及时进行规避，极大地减少了产品的开发时间和成本，为自动化的生产过程提供技术支持和数字保证[7]。