淺析提高機(jī)械設(shè)計制造及其自動化的有效途徑

薄守方

（山東省冶金設(shè)計院股份有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

機(jī)械設(shè)計制造及其自動化融合了機(jī)械制造、電工電子、計算機(jī)等多種技術(shù)類型，因此，對設(shè)計人員的專業(yè)技術(shù)水平提出了更高的要求。尤其在自動化設(shè)備投入使用后，不僅需要機(jī)械設(shè)備具有較高的安全性、可靠性與穩(wěn)定性，而且在節(jié)能降耗以及提高生產(chǎn)效率等方面也做出了明確規(guī)定。這就需要設(shè)計人員在熟練掌握機(jī)械設(shè)計制造原理的同時，必須在設(shè)計生產(chǎn)實踐當(dāng)中不斷對設(shè)計制造技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新升級，以確保自動化設(shè)備的各項性能達(dá)到最優(yōu)化，進(jìn)而為工業(yè)生產(chǎn)型企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。

1 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化特點

1.1 數(shù)字化特點

數(shù)字技術(shù)是依托于計算機(jī)技術(shù)而衍生出的一種智能化識別與處理技術(shù)，運用數(shù)字技術(shù)能夠?qū)C(jī)械設(shè)備產(chǎn)品的相關(guān)信息進(jìn)行分析、優(yōu)化、重組，并且在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的支撐下，對產(chǎn)品的設(shè)計過程進(jìn)行仿真模擬，這樣，不但能夠提高產(chǎn)品的設(shè)計精度，而且產(chǎn)品的性能參數(shù)也能夠得到進(jìn)一步優(yōu)化。

1.2 智能化特點

目前，在機(jī)械設(shè)計制造領(lǐng)域，智能機(jī)器與人類專家組成的人機(jī)一體化智能系統(tǒng)得到全面推廣和應(yīng)用，運用智能化系統(tǒng)，不但能夠避免人為設(shè)計失誤的發(fā)生，而且智能化的分析、推理、判斷、決策功能為整個設(shè)計過程提供了高效便捷服務(wù)。過去，在機(jī)械化時代，設(shè)計人員只能按照采取固定的思維模式或者參照于設(shè)計圖紙，開展設(shè)計工作，這種單一的工作模式無法實現(xiàn)機(jī)械設(shè)備的優(yōu)化配置，進(jìn)而影響了機(jī)械自動化水平的提升。而智能專家系統(tǒng)的介入，融合了當(dāng)前機(jī)械設(shè)計制造領(lǐng)域的高尖端技術(shù)，對改良產(chǎn)品性能，提高機(jī)械設(shè)備的自動化水平具有劃時代意義。

1.3 集成化特點

機(jī)械自動化技術(shù)主要涉及程序單元、傳感單元、作用單元、制定單元與控制單元，其中，程序單元主要擔(dān)負(fù)著程序指令的寫入與讀取，以支配機(jī)械設(shè)備完成各種動作。傳感單元作為智能系統(tǒng)中的基礎(chǔ)組成部分，能夠完成對整個機(jī)械制造控制系統(tǒng)工作實時狀態(tài)與性能參數(shù)的檢測工作。作用單元主要實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的能量施加以及目標(biāo)定位工作。制定單元是機(jī)械自動化系統(tǒng)中的核心組成部分，能夠根據(jù)系統(tǒng)的執(zhí)行口令制定與發(fā)出相應(yīng)的動作信號。控制單元主要對機(jī)械設(shè)備的一些動作進(jìn)行調(diào)節(jié)，使機(jī)械設(shè)備能夠正常運轉(zhuǎn)。由此可以看出，機(jī)械自動化系統(tǒng)中的每一個單元分別扮演著不同的角色，并且將多種分散性功能整合、集成到一個單元，這就為系統(tǒng)的智能化控制提供了先決保障[1]。

1.4 模塊化特點

機(jī)械產(chǎn)品或者自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能具有層次性，因此，每一個功能、動作所對應(yīng)的模塊也具有層次性特點，即高層模塊由低層模塊組成，基礎(chǔ)型模塊由每一個元器件組成。如果按照模塊的通用化程度可以將模塊劃分為專用模塊與特別模塊。

2 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化遵循的設(shè)計原則

2.1 滿足工業(yè)生產(chǎn)對機(jī)械功能的要求

不同類型的機(jī)械產(chǎn)品，所具備的功能性也有所不同，因此，設(shè)計研發(fā)人員在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計階段，應(yīng)當(dāng)結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)對機(jī)械功能的要求，制訂針對性的設(shè)計方案，使自動化機(jī)械產(chǎn)品能夠滿足作業(yè)生產(chǎn)需要。一般情況下，機(jī)械設(shè)計制造及其自動化應(yīng)當(dāng)具備三大要素，即輸入的物質(zhì)、能量與信息，這其中就包含了設(shè)計、制造與特定功能，而機(jī)械設(shè)備的功能性則由內(nèi)部有機(jī)聯(lián)系的結(jié)構(gòu)所決定。機(jī)械自動化系統(tǒng)功能示意圖如圖1所示。

圖1 機(jī)械自動化系統(tǒng)功能示意圖

2.2 創(chuàng)新性原則

市場上的機(jī)械設(shè)備產(chǎn)品更新?lián)Q代速度快，每一種新產(chǎn)品的問世，都標(biāo)志著機(jī)械產(chǎn)品的性能也更加優(yōu)越，因此，為了贏得市場發(fā)展先機(jī)，機(jī)械制造企業(yè)應(yīng)當(dāng)不斷對設(shè)計制造技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)、人工智能技術(shù)等高尖端技術(shù)融入到設(shè)計理念當(dāng)中，并進(jìn)一步加大高科技含量，使機(jī)械設(shè)備的功能性更加強(qiáng)大，為推動現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)程提供堅實的動力與技術(shù)保障。

2.3 滿足節(jié)能環(huán)保要求

近年來，為了積極響應(yīng)節(jié)能降耗的號召，機(jī)械設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)在設(shè)計環(huán)節(jié)引入節(jié)能環(huán)保理念，從原材料選取環(huán)節(jié)開始，盡量選用綠色、環(huán)保無污染的材料，并且在確保機(jī)械設(shè)備動力性的同時，整個生產(chǎn)作業(yè)過程能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能降耗的目的，進(jìn)而為企業(yè)創(chuàng)造更多的環(huán)保效益。

3 提高機(jī)械設(shè)計制造及其自動化的有效途徑

3.1 融合計算機(jī)技術(shù)

計算機(jī)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計制造過程中發(fā)揮了不可替代的重要作用，可以說，機(jī)械設(shè)計制造自動化水平的提高與計算機(jī)技術(shù)息息相關(guān)?；谶@一理念，設(shè)計人員應(yīng)將計算機(jī)技術(shù)與機(jī)械設(shè)計制造過程融合到一起，進(jìn)而為現(xiàn)代化工業(yè)的智能化生產(chǎn)、集成化生產(chǎn)提供強(qiáng)大的技術(shù)支撐。比如計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）和計算機(jī)輔助制造（CAM）技術(shù)在機(jī)械設(shè)計制造中的實際應(yīng)用，不僅繪圖精度高，而且出圖時間快，大大提升了工作效率。以數(shù)控技術(shù)為例，該技術(shù)作為計算機(jī)輔助制造技術(shù)的一個重要分支，已經(jīng)在機(jī)械設(shè)計制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，比如最為常見的數(shù)控機(jī)床，在加工制造零件時，首先利用計算機(jī)輔助制造技術(shù)確定零件坐標(biāo)系在機(jī)床坐標(biāo)系上的相對位置，也就是零件在機(jī)床上面的安裝位置，然后確定刀具的走向、運動參數(shù)以及零件加工的工藝路線。當(dāng)計算機(jī)系統(tǒng)獲取到這些數(shù)據(jù)信息后將其轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)能夠識別出來的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控代碼，設(shè)計人員可以根據(jù)這些代碼編制零件加工的數(shù)控程序。數(shù)控機(jī)床的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)控機(jī)床的基本結(jié)構(gòu)

3.2 融合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

目前，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)融入到社會各個領(lǐng)域，因此，設(shè)計人員可以依托于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來提高機(jī)械設(shè)計制造及其自動化水平。比如以機(jī)械設(shè)計制造為主題，建立一個企業(yè)互聯(lián)網(wǎng)宣傳平臺，與社會各界專業(yè)人士建立一種溝通往來關(guān)系，針對機(jī)械設(shè)計制造的新思路、新理念、新工藝進(jìn)行溝通交流，互換意見，并圍繞如何提高機(jī)械自動化水平展開討論，以準(zhǔn)確定位產(chǎn)品研發(fā)方向與市場應(yīng)用前景。同時，也可以將設(shè)計的新產(chǎn)品通過網(wǎng)絡(luò)平臺向社會各界予以展示，借助于社會公眾力量，來改善和優(yōu)化產(chǎn)品性能，及時調(diào)整設(shè)計方案內(nèi)容，確保設(shè)計出的產(chǎn)品能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)需要。

3.3 優(yōu)化資源配置，發(fā)揮配套技術(shù)優(yōu)勢

機(jī)械設(shè)計制造過程涉及到人力、財力、物力等多種資源，為了提高機(jī)械設(shè)計制造及其自動化水平，機(jī)械設(shè)計制造企業(yè)應(yīng)當(dāng)合理調(diào)配人力資源，做到人盡其責(zé)，充分發(fā)揮人力資源的主觀能動性與創(chuàng)造性，同時，企業(yè)應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步加大機(jī)械設(shè)計研發(fā)階段的資金投入力度，以構(gòu)建一個完整的機(jī)械設(shè)計制造資金鏈條。另外，由于機(jī)械設(shè)計制造與電工電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)、機(jī)械加工技術(shù)等多種技術(shù)類型相關(guān)聯(lián)，因此，對于設(shè)計人員來說，應(yīng)當(dāng)及時轉(zhuǎn)變思想觀念，拓寬視野，不斷學(xué)習(xí)新技術(shù)，以提高自身的技能水平。

以人工智能技術(shù)為例，該技術(shù)側(cè)重于智能理論、方法與應(yīng)用，并融入了心理學(xué)、語言學(xué)以及人體科學(xué)等多學(xué)科知識，人工智能技術(shù)在機(jī)械設(shè)計制造中的應(yīng)用，能夠完成操作人員無法完成的工作任務(wù)。比如機(jī)械設(shè)計制造是一個復(fù)雜繁瑣的過程，一個產(chǎn)品的誕生需要經(jīng)過多道工序，而AI技術(shù)的自主學(xué)習(xí)、推理、判斷能力極強(qiáng)，在機(jī)械制造工藝中，具有自動控制與自動處理功能，并且能夠減少外界環(huán)境對制造過程造成的干擾，這就使作業(yè)生產(chǎn)效率得到大幅提升，制造出的產(chǎn)品也能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)需求。

3.4 引入節(jié)能設(shè)計理念

為了積極響應(yīng)“節(jié)能降耗，綠色環(huán)?！钡奶栒伲瑱C(jī)械設(shè)計制造企業(yè)應(yīng)將節(jié)能設(shè)計理念與設(shè)計制造過程相結(jié)合，本著環(huán)保、無公害、清潔的原則，通過技術(shù)手段實現(xiàn)節(jié)能的目的。比如在選擇發(fā)動機(jī)時，首先應(yīng)當(dāng)考慮發(fā)動機(jī)的油耗、排放量等技術(shù)參數(shù)，然后選擇能耗低，對環(huán)境污染小的發(fā)動機(jī)型，以協(xié)調(diào)好機(jī)械設(shè)計制造與自然生態(tài)環(huán)境間的和諧關(guān)系。在選擇產(chǎn)品的制造材料時，應(yīng)當(dāng)以節(jié)能環(huán)保的新型材料為主，以減少對自然生態(tài)環(huán)境的污染。對于制造工藝流程，應(yīng)當(dāng)符合節(jié)能環(huán)保理念的基本要求，盡量選用低能耗、低排放、低熱量的制造工藝。比如在鍛壓工序當(dāng)中，為了減少熱量損失，可以采取溫鍛的方式，這種方式能夠與環(huán)境溫度之間保持平衡關(guān)系，進(jìn)而實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。另外，設(shè)計制造企業(yè)應(yīng)當(dāng)樹立對社會負(fù)責(zé)的主人翁責(zé)任意識，基于節(jié)能環(huán)保理念，不斷對產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新，比如近年來的新能源汽車就是一種新型的節(jié)能環(huán)保型產(chǎn)品，自產(chǎn)品投放市場以來，也倍受消費者的歡迎。因此，從機(jī)械設(shè)計源頭到產(chǎn)品投放使用的各個環(huán)節(jié)都可以融入節(jié)能環(huán)保理念，這樣才能促進(jìn)機(jī)械設(shè)計制造及其自動化水平的提升[2]。

3.5 注重人才培養(yǎng)，加大培訓(xùn)力度

人才在提高機(jī)械設(shè)計制造及其自動化方面起到?jīng)Q定性作用，尤其在信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，單一型人才已無法適應(yīng)先進(jìn)的機(jī)械設(shè)計制造理念，機(jī)械自動化水平的提升也必然受到限制。因此，為了推進(jìn)機(jī)械設(shè)計制造的自動化、智能化發(fā)展進(jìn)程，企業(yè)應(yīng)當(dāng)引入大量的全能型、創(chuàng)新型人才，提高人才準(zhǔn)入門檻。另外，為了提高專業(yè)型人才的技能水平，企業(yè)結(jié)合機(jī)械設(shè)計制造崗位的實際情況，應(yīng)當(dāng)建立一個科學(xué)完善的內(nèi)部培訓(xùn)教育體系，將與機(jī)械設(shè)計制造及其自動化相關(guān)聯(lián)的計算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)、電工電子技術(shù)等技術(shù)以及個人職業(yè)素養(yǎng)等內(nèi)容納入到培訓(xùn)計劃當(dāng)中，并通過線下集中培訓(xùn)、線上遠(yuǎn)程培訓(xùn)、專家講座等方式對現(xiàn)有的專業(yè)型人才進(jìn)行培訓(xùn)。為了驗證培訓(xùn)效果，應(yīng)當(dāng)對參訓(xùn)人員進(jìn)行考核，對考核成績不合格的人員遵循“能者上、平者讓、庸者下”的原則，給職業(yè)素養(yǎng)高、專業(yè)技術(shù)水平高的優(yōu)秀人才提供更加廣闊的發(fā)展平臺，為機(jī)械設(shè)計制造及其自動化水平的提高奠定堅實的人才保障。

機(jī)械設(shè)計制造及其自動化水平與企業(yè)的生產(chǎn)效率、經(jīng)濟(jì)效益直接掛鉤，因此，機(jī)械設(shè)計制造企業(yè)應(yīng)當(dāng)致力于新技術(shù)、新工藝、新材料的研制和開發(fā)，并在設(shè)計制造過程中，積極借鑒成功的技術(shù)經(jīng)驗，在推進(jìn)機(jī)械自動化發(fā)展進(jìn)程的同時，為工業(yè)生產(chǎn)型企業(yè)產(chǎn)能與效益的提升做出積極貢獻(xiàn)。