人工智能技術(shù)在機械設(shè)計制造中的應(yīng)用

劉宇祺

（南京工程學院 工業(yè)中心，江蘇 南京211100）

人工智能是21世紀的新產(chǎn)物，科技的進步是人類肉眼可見的。人工智能的到來也意味著社會邁入一個全新階段，在此背景下，各行各業(yè)的生產(chǎn)模式有所轉(zhuǎn)變。對于機械設(shè)計制造領(lǐng)域來說，由于人工智能技術(shù)的出現(xiàn)，使其生產(chǎn)模式、方法有所優(yōu)化，規(guī)模漸漸擴大，在最終的設(shè)計制造效率與質(zhì)量上也得到前所未有的提高。因此，人工智能技術(shù)的應(yīng)用，對于機械設(shè)計制造領(lǐng)域而言有著較強的推動性意義。研究人工智能技術(shù)在機械設(shè)計制造中的應(yīng)用，可給相關(guān)行業(yè)提供實踐價值。

1 人工智能技術(shù)概念

人工智能技術(shù)屬于全新的科學技術(shù)，其主要是指專業(yè)技術(shù)人員采取對應(yīng)的理論、方法對產(chǎn)品進行研發(fā)。研發(fā)的主要內(nèi)容則包含了人工智能模擬、延伸、拓展等，可以把人工智能列入計算機領(lǐng)域[1]。人工智能技術(shù)的設(shè)計理念在于了解智能問題，通過圖像語言識別、專家系統(tǒng)等手段測試人工智能反應(yīng)，來模擬人的大腦與行為軌跡，以此來幫助人類解決問題。在人工智能技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新的過程中，其涉及范圍也在不斷擴大。

2 人工智能技術(shù)在機械設(shè)計制造中的應(yīng)用意義

2.1 推動機械設(shè)計制造行業(yè)轉(zhuǎn)型

早在上世紀30年代，一些發(fā)達國家就開始在機械制造領(lǐng)域融入智能化技術(shù)。和國外相比，我國機械設(shè)計制造領(lǐng)域的人工智能技術(shù)發(fā)展要晚一些。在極少部分地區(qū)還依舊使用傳統(tǒng)設(shè)計制造方法，主要在一些中小型企業(yè)中有所體現(xiàn)。這些企業(yè)在設(shè)計制造機械產(chǎn)品時，更多的是依靠人工的力量，對行業(yè)發(fā)展形成嚴重制約。在進入新時期后，我國經(jīng)濟與科技得到雙重發(fā)展，在此前提下，機械設(shè)計制造領(lǐng)域也開始大量引入人工智能技術(shù)。自從引入人工智能技術(shù)后，國內(nèi)的機械制造水平得到前所未有的提升。我國作為制造業(yè)大國，要想實現(xiàn)行業(yè)整體轉(zhuǎn)型升級，就必須積極引入人工智能技術(shù)，挖掘人工智能資源，推動行業(yè)進步，讓中國制造業(yè)長期穩(wěn)居世界第一。

2.2 削弱人工成本提升生產(chǎn)效率

傳統(tǒng)機械設(shè)計制造方法更多地是依靠人工勞動力，相比之下，無論是在機械產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量還是效率上都比較低。在結(jié)合人工智能技術(shù)輔助生產(chǎn)后，不僅明顯削減了人工成本，還大大提高了生產(chǎn)效率[2]。人工智能技術(shù)的目的和用途就在于此。在機械設(shè)計制造領(lǐng)域中的人工勞動力成本比例較大，有時甚至超過了材料成本，這在無形中增加了企業(yè)經(jīng)濟壓力。人工智能技術(shù)的出現(xiàn)，使企業(yè)可以把大部分人工勞動力成本投入到智能產(chǎn)品購置中來，在緩解經(jīng)濟壓力的同時，也可以為企業(yè)帶來更多利潤。在當代機械設(shè)計制造過程中已經(jīng)不需要太多人工勞動力，技術(shù)人員只需提前編寫程序，將其輸入到人工智能系統(tǒng)中，再放入需加工的材料或零件，智能化設(shè)備就可自動化運行，也不需要人工二十四小時進行監(jiān)督。當中途發(fā)生故障時，系統(tǒng)會及時報警通知管理人員，甚至系統(tǒng)還可以定位故障點，通過分析故障及時給出解決方案，避免故障擴大。在人工智能技術(shù)下設(shè)計制造出來的機械產(chǎn)品，精度比人工制造更高。

2.3 優(yōu)化設(shè)計制造流程

在機械設(shè)計制造的過程中涉及非常多的加工環(huán)節(jié)，而這些加工環(huán)節(jié)需要投入較多的人工勞動力。但是，因為人工操作誤差發(fā)生率較高，無法做到十全十美，因此就需借助人工智能技術(shù)的幫助。在加工環(huán)節(jié)采用人工智能設(shè)備后，給機械設(shè)計制造業(yè)指明了一條發(fā)展道路。因為人工智能設(shè)備有著數(shù)字化、自動化以及智能化等特點，可以在復(fù)刻人類思想與行為的基礎(chǔ)上超越人類原本思維，并利用人工智能設(shè)備制造出完美的機械產(chǎn)品。而且，在引入人工智能技術(shù)以后，機械設(shè)計制造流程得到簡化，更加一目了然，在操作上也更順暢。再加上人工智能設(shè)備的各種優(yōu)勢，機械制造企業(yè)對其引入率和使用率越來越高，在我國大型機械制造企業(yè)中應(yīng)用廣泛。

3 基于人工智能技術(shù)的機械設(shè)計制造方法與要求

3.1 做好準備工作

在借助人工智能技術(shù)設(shè)計和制造機械產(chǎn)品時，企業(yè)必須重視準備工作的完成性。在機械設(shè)計制造之前，企業(yè)需分析機械產(chǎn)品實際用途，對設(shè)計制造所需的零件尺寸、相對關(guān)系、規(guī)格等有所確定。而在實際的設(shè)計制造過程當中，企業(yè)則要根據(jù)生產(chǎn)流程妥善進行管控，技術(shù)人員切勿擅自操作。在我國一些企業(yè)設(shè)計制造機械產(chǎn)品時，個別技術(shù)人員認為自己經(jīng)驗豐富，不需要按照步驟流程進行操作，因此造成了不可挽回的失誤。人工智能技術(shù)在機械設(shè)計制造領(lǐng)域的應(yīng)用時間較短，還處于摸索探究階段，在此情況下，企業(yè)要想發(fā)揮人工智能技術(shù)的輔助作用，就必須嚴格按照生產(chǎn)流程落實。并且，企業(yè)還需根據(jù)生產(chǎn)實際情況對零部件大小、規(guī)格等加以調(diào)整，規(guī)避風險、失誤，對機械產(chǎn)品生產(chǎn)過程進行合理管控，以此來制造出優(yōu)質(zhì)的機械產(chǎn)品[3]。

3.2 完善機械設(shè)計制造方案

在企業(yè)設(shè)計機械制造方案時，需確保方案的實用性、完善性與合理性，企業(yè)應(yīng)當把各種影響因素考慮進去。比如，針對機械設(shè)計制造所使用到的所有零件都需進行架構(gòu)，把零件放到數(shù)控機床或夾具之中，在固定后，結(jié)合后期的實際生產(chǎn)情況予以調(diào)整，杜絕因零件位置發(fā)生偏移而引發(fā)的質(zhì)量問題。這樣做的主要目的是為了提高零件位置的精確性。在機械設(shè)計制造時，會涉及加工刀具，企業(yè)在選擇刀具時可盡量選擇幅度角比較小的刀具，這樣可以有效削弱加工粗糙度，提高零件加工精度。在零件加工的過程中會伴隨風險意外發(fā)生，所以為了規(guī)避風險，企業(yè)需根據(jù)零件的切削條件、材料等因素合理選擇加工技術(shù)。與此同時，企業(yè)需關(guān)注人工智能技術(shù)在零件加工與生產(chǎn)中的重要性，企業(yè)可將與零件有關(guān)的信息數(shù)據(jù)輸入到智能系統(tǒng)中，人工智能系統(tǒng)會對接收到的數(shù)據(jù)信息進行分析、處理，并生成模型，滿足機械設(shè)計制造需求。

3.3 擁有高質(zhì)量硬件與軟件

只有得到硬件與軟件的支持，才能提高人工智能技術(shù)在機械設(shè)計制造領(lǐng)域的作用，所以企業(yè)必須開發(fā)高質(zhì)量的硬件與軟件，這也在一定程度上決定了機械制造智能化的發(fā)展趨勢。例如，在機械設(shè)計制造過程中，需結(jié)合計算機、電子信息等技術(shù)，將軟硬件系統(tǒng)相結(jié)合，使其相互作用、相互協(xié)作，以此來提高機械設(shè)計制造水平[4]。而要想達到這一目的，應(yīng)把各種軟件技術(shù)進行結(jié)合，發(fā)揮出共同作用，對現(xiàn)有的機械設(shè)計制造技術(shù)予以完善。與電子信息技術(shù)相比較，計算機技術(shù)不管是在數(shù)據(jù)處理，還是運行管理上都更加復(fù)雜，企業(yè)要想實現(xiàn)自動化運轉(zhuǎn)，就必須加強計算機數(shù)據(jù)管理工作。對生產(chǎn)過程所獲取到的數(shù)據(jù)信息及時分析、反饋，這也對企業(yè)提出了較高要求，企業(yè)必須擁有較強的自動化控制技術(shù)才能滿足該標準。

4 人工智能技術(shù)在機械設(shè)計制造中的具體應(yīng)用

4.1 在機械產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用

與傳統(tǒng)模式相比，機械產(chǎn)品設(shè)計在融入人工智能技術(shù)后，效率得到了大大提高，在機械產(chǎn)品設(shè)計中使用人工智能技術(shù)，可以提高設(shè)計的完善性。在傳統(tǒng)機械產(chǎn)品設(shè)計中，由于是以人工作為核心力量，所設(shè)計出來的生產(chǎn)方案可能存在不合理現(xiàn)象。而人工智能技術(shù)則可以利用專家系統(tǒng)構(gòu)建模型，在模型中對設(shè)計方案進行模擬，從而選擇一種最適合的生產(chǎn)方案。在對數(shù)控機床模塊進行設(shè)計時，可通過人工智能技術(shù)搜索與模塊有關(guān)的方案，在構(gòu)建完數(shù)控機床總布局之后實施產(chǎn)品加工。由于人工智能技術(shù)擁有專家系統(tǒng)，和CAD程序相比，專家系統(tǒng)的靈活性和針對性更強，可以對每一個步驟進行解釋，如果發(fā)現(xiàn)不合理現(xiàn)象，可快速修改程序。并且，在對機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行設(shè)計的過程中，CAD系統(tǒng)只能夠?qū)逃谐绦蜻M行設(shè)計，若中途想修改程序十分困難，而各專家系統(tǒng)之間都有交互性，修改簡便。比如，在對飛機、輪船等結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，只需要給出一個前提數(shù)據(jù)就可完成全部結(jié)構(gòu)設(shè)計任務(wù)[5]。除此之外，在對齒輪等機械零件進行設(shè)計時，通過人工智能技術(shù)只需給出齒輪輪廓范疇或傳動信息就可設(shè)計出一個完整的齒輪。人工智能技術(shù)在機械設(shè)計中的應(yīng)用優(yōu)勢較為明顯，在傳統(tǒng)齒輪設(shè)計中，由于沒有考慮到噪音問題，導(dǎo)致最終設(shè)計出來的齒輪在運行時會產(chǎn)生噪聲污染。而借助人工智能生產(chǎn)出來的齒輪，對噪聲有著明確要求，通過專家系統(tǒng)可對齒輪廓形進行糾正，系統(tǒng)還會自動生成齒輪零件詳圖，方便技術(shù)人員參考。

4.2 在零件工藝設(shè)計中的應(yīng)用

當前較為成熟的工藝設(shè)計主要是成阻技術(shù)和工藝編制分析，在后續(xù)的發(fā)展中已經(jīng)逐漸發(fā)展為智能工藝設(shè)計。通常情況下，可將機械零件分成回轉(zhuǎn)軸類零件和箱體零件，因為各零件的孔、角、面不同，所以加工工藝設(shè)計選擇也存在一定差異，所選擇的切削量、時間、成本、刀具、數(shù)控機床類型等各不相同。針對機械零件的工藝設(shè)計，既可以是單臺數(shù)控機床，也可以是加工中心。通過人工智能技術(shù)可把加工零件輸入計算機生產(chǎn)系統(tǒng)中，還可以完成刀具傳輸、數(shù)控機床調(diào)整等設(shè)計工作。國內(nèi)在零件工藝設(shè)計時可借鑒國外現(xiàn)有的工藝設(shè)計理念。比如，法國所開發(fā)的CARI系統(tǒng)可以對幾十種不同形狀的零件進行加工，并且其是由LISP語言構(gòu)成的。日本所研發(fā)的TOM系統(tǒng)比較適用于孔加工過程中。英國所研發(fā)的EXCAP系統(tǒng)比較適用于回轉(zhuǎn)零件加工中。當前我國針對該方面的研究還停留在工藝編制分析上，與此同時，也有一些大型機械企業(yè)設(shè)計出了較為復(fù)雜的程序。

4.3 在數(shù)控機床設(shè)計控制中的應(yīng)用

人工智能技術(shù)在機械設(shè)計制造領(lǐng)域中的應(yīng)用還可以體現(xiàn)在自動化控制技術(shù)上。在對數(shù)控機床進行操作的過程中，可以對現(xiàn)有的測量信息進行分析和計算，觀察使用參數(shù)是否符合約束要求。比如，在鏜孔當中，其切削條件是不能產(chǎn)生太大振動，即便產(chǎn)生振動，也要觀察其振動幅度是否在可允許范圍以內(nèi)，需要經(jīng)過多次實驗來測得。在機械設(shè)計制造中，主要是由數(shù)控機床運行來實現(xiàn)的，然而，在自動化控制系統(tǒng)中存在工業(yè)機器人配合中心，該中心的存在給機械設(shè)計制造提供了良好契機。也正是因為該中心支持，可對數(shù)控機床進行嚴格控制。但自動化控制技術(shù)的應(yīng)用需得到計算機系統(tǒng)幫助，這也意味著企業(yè)需安裝計算機系統(tǒng)才能引入自動化控制技術(shù)。與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比，自動化控制系統(tǒng)優(yōu)勢更為顯著。當企業(yè)在對小批量機械產(chǎn)品進行設(shè)計制造時，自動化控制系統(tǒng)可高效完成工作，在節(jié)約時間成本的同時，還可降低能耗，有著較高性價比。目前，自動化控制技術(shù)在機械設(shè)計制造領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，在多個加工環(huán)節(jié)上都有涉及，機械制造企業(yè)也開始大面積接受自動化控制技術(shù)，在發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢的基礎(chǔ)之上，與生產(chǎn)實際結(jié)合，推動我國機械制造行業(yè)發(fā)展。

4.4 在機械產(chǎn)品制造加工中的應(yīng)用

在機械產(chǎn)品制造與加工過程中，其是運用人工智能技術(shù)最頻繁的環(huán)節(jié)。人工智能技術(shù)有著速度快、精準度高等優(yōu)勢，而且可以使用精密儀器實施切割，在機械產(chǎn)品制造加工中的作用不可埋沒。在實際的產(chǎn)品制造加工中，可將切割技術(shù)和快速成型技術(shù)相融合，以此來實現(xiàn)對產(chǎn)品自動化切削、成型工作。比如，可以利用人工智能技術(shù)對產(chǎn)品表面進行熱加工處理，使得產(chǎn)品表面逐漸硬化。在機械設(shè)計制造領(lǐng)域中，大部分機械產(chǎn)品都是為了延長使用壽命才進行設(shè)計制造的。而在使用熱處理技術(shù)時，由于耐高溫性較強，可對大部分機械產(chǎn)品實施熱加工，提高其使用壽命[6]。

4.5 在企業(yè)投資決策中的應(yīng)用

對于機械制造企業(yè)來說，在機械產(chǎn)品工藝設(shè)計完成之后，企業(yè)必須結(jié)合數(shù)控機床的實際情況落實改善工作。如果數(shù)控機床不滿足人工智能技術(shù)應(yīng)用要求，那么企業(yè)就需及時更換數(shù)控機床。我國一些中小型企業(yè)并未關(guān)注該問題，導(dǎo)致人工智能技術(shù)作用無法得到充分發(fā)揮。但數(shù)控機床的數(shù)量需結(jié)合各種因素、數(shù)據(jù)、條件來決定。比如，被加工機械產(chǎn)品的加工精度要求、數(shù)量要求、制造工藝、車間布局等。

5 結(jié)束語

作為新時代產(chǎn)物，人工智能技術(shù)在我國機械設(shè)計制造領(lǐng)域已經(jīng)廣泛應(yīng)用，該技術(shù)的引入對于機械設(shè)計制造領(lǐng)域而言有著積極作用。人工智能技術(shù)不但可以推動機械設(shè)計制造行業(yè)轉(zhuǎn)型，還有著削減人工成本、提升生產(chǎn)效率、優(yōu)化設(shè)計制造流程等優(yōu)勢。目前，人工智能技術(shù)應(yīng)用在機械產(chǎn)品設(shè)計、零件工藝設(shè)計、數(shù)控機床設(shè)計控制、機械產(chǎn)品制造加工以及企業(yè)投資決策等方面。要想充分發(fā)揮人工智能技術(shù)作用，企業(yè)必須做好準備工作，完善機械設(shè)計制造方案，擁有高質(zhì)量硬件與軟件。