提高機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化水平的有效途徑

劉 鵬

（方盛車橋（柳州）有限公司，柳州 545006）

現(xiàn)階段，機(jī)械設(shè)備已經(jīng)成為了生產(chǎn)領(lǐng)域關(guān)鍵性的生產(chǎn)要素。機(jī)械產(chǎn)品的性能和質(zhì)量關(guān)乎著生產(chǎn)的安全性、高效性。隨著機(jī)械產(chǎn)品的使用范圍日漸擴(kuò)大，機(jī)械設(shè)計(jì)和制造企業(yè)都要在積極推進(jìn)設(shè)計(jì)制造技術(shù)的更新，用嶄新的機(jī)械設(shè)計(jì)制造要求和自動(dòng)化技術(shù)來提升機(jī)械產(chǎn)品的功能，使機(jī)械設(shè)備具有更高的自動(dòng)化水平。目前，自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)在機(jī)械設(shè)計(jì)和制造中得到了大范圍的應(yīng)用，而機(jī)械設(shè)計(jì)制造自動(dòng)化仍然有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1 機(jī)械設(shè)計(jì)制造自動(dòng)化的優(yōu)勢(shì)

1.1 優(yōu)化傳統(tǒng)生產(chǎn)模式

在傳統(tǒng)的技術(shù)條件下，由于技術(shù)工藝相對(duì)落后，在機(jī)械設(shè)計(jì)制造的過程中常常會(huì)存在方法、模式的滯后性，導(dǎo)致所設(shè)計(jì)制造的機(jī)械產(chǎn)品性能低下、功能不足。信息時(shí)代到來以后，計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代化技術(shù)發(fā)展迅猛，使機(jī)械設(shè)計(jì)制造有了更多的技術(shù)選擇性，且改變了原有的生產(chǎn)模式。例如，自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械設(shè)計(jì)制造中生產(chǎn)模式的全面革新和優(yōu)化[1]。自動(dòng)化技術(shù)與機(jī)械設(shè)計(jì)制造的高度結(jié)合，可在機(jī)械制造的過程中形成自動(dòng)化生產(chǎn)模式，從而降低工作人員的工作強(qiáng)度，提高機(jī)械制造精度。

1.2 提高安全性

機(jī)械設(shè)計(jì)制造的專業(yè)性突出，在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造過程中，大部分工作都是由專業(yè)人員來完成的。這樣的生產(chǎn)模式人員的工作量大且需要考慮的因素較多，不論是設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)還是制造環(huán)節(jié)，往往都需要消耗較長(zhǎng)的時(shí)間，而且機(jī)械設(shè)計(jì)制造的過程中會(huì)存在很多的安全風(fēng)險(xiǎn)，易誘發(fā)安全事故。自動(dòng)化技術(shù)在設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用可大大提高安全性，減少設(shè)計(jì)制造環(huán)節(jié)的各類安全風(fēng)險(xiǎn)，降低安全事故的發(fā)生概率。即使在設(shè)計(jì)制造中出現(xiàn)了安全事故，自動(dòng)化控制系統(tǒng)也能夠快速進(jìn)行相應(yīng)的問題處理。

1.3 提升工業(yè)智能化程度

2 機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用

2.1 充分運(yùn)用配套發(fā)展模式

隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，機(jī)械設(shè)計(jì)制造企業(yè)逐步意識(shí)到了自動(dòng)化技術(shù)具有的優(yōu)勢(shì)，并積極開展了自動(dòng)化方面的技術(shù)探索和創(chuàng)新，在大量的機(jī)械設(shè)計(jì)制造中認(rèn)識(shí)到了人和物流要素的作用。隨著自動(dòng)化技術(shù)的不斷進(jìn)步，設(shè)計(jì)制造人員已經(jīng)逐漸樹立了自動(dòng)化觀念，如針對(duì)機(jī)械產(chǎn)品開展了理性分析并引入配套發(fā)展模式。另外，這些企業(yè)在內(nèi)部推行了集群發(fā)展模式，結(jié)合機(jī)械產(chǎn)品的功能和性能要求，加強(qiáng)了設(shè)計(jì)和制造中不同環(huán)節(jié)之間的學(xué)科知識(shí)整合，將局部監(jiān)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)都應(yīng)用到了機(jī)械設(shè)計(jì)制造中，從而促進(jìn)了機(jī)械制造行業(yè)的快速發(fā)展。

2.2 注重與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展

隨著現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展，生活中出現(xiàn)了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，如土壤和空氣污染等，給人們的和諧健康生活環(huán)境帶來了巨大挑戰(zhàn)。因此，環(huán)境保護(hù)已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展中關(guān)注的熱點(diǎn)議題。對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)的發(fā)展而言，在各種設(shè)計(jì)和制造任務(wù)的實(shí)施過程中，同樣要注重環(huán)境保護(hù)，積極將環(huán)保理念應(yīng)用在設(shè)計(jì)制造中，從而在促進(jìn)行業(yè)整體進(jìn)步的同時(shí)提高機(jī)械產(chǎn)品的環(huán)保性能。雖然自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中凸顯了其優(yōu)勢(shì)，但是若在自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用過程中缺乏考慮環(huán)保因素，將對(duì)行業(yè)的發(fā)展起到一定的阻礙作用。因此，在時(shí)代變革的背景下，機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用應(yīng)注重與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，加強(qiáng)節(jié)能技術(shù)和環(huán)保材料的應(yīng)用，將環(huán)保技術(shù)與其他的機(jī)械設(shè)計(jì)制造技術(shù)有效結(jié)合，從而提升機(jī)械產(chǎn)品的綠色環(huán)保性能[2]。

機(jī)械產(chǎn)品的體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在制造過程中涉及到切割等作業(yè)，會(huì)造成一定的環(huán)境污染。隨著自動(dòng)化技術(shù)不斷進(jìn)步，同樣要在設(shè)計(jì)制造的全過程中開展自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，利用自動(dòng)化裝置來監(jiān)控制造過程，以監(jiān)測(cè)關(guān)鍵指標(biāo)是否處于正常范圍內(nèi)。若發(fā)現(xiàn)污染物超標(biāo)的情況，自動(dòng)化裝置應(yīng)立即啟動(dòng)預(yù)警，將污染信息反饋給有關(guān)模塊，使機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造時(shí)的各項(xiàng)污染物排放均可滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，從而減輕環(huán)境工作的壓力。

2.3 加強(qiáng)自動(dòng)化與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用

隨著機(jī)械設(shè)計(jì)制造水平明顯提高，自動(dòng)化技術(shù)需與其他技術(shù)高度結(jié)合，以形成嶄新的設(shè)計(jì)制造流程和模式。由于在機(jī)械設(shè)計(jì)制造的全過程中涉及的流程及資源較多，為保障設(shè)計(jì)制造的總體水平，需利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)來實(shí)現(xiàn)信息和資源的智能化交換，以形成自動(dòng)化生產(chǎn)模式。針對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)，現(xiàn)階段已經(jīng)出現(xiàn)了各種計(jì)算機(jī)繪圖軟件，如使用較多的CAD軟件等。這些軟件的出現(xiàn)，可使人們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)不需要再采用人工畫圖的方式，而且軟件中的工具調(diào)用可提升設(shè)計(jì)的自動(dòng)化水平。一些設(shè)計(jì)工作完全可自動(dòng)完成，設(shè)計(jì)效率得到了很大提高。若在后續(xù)的設(shè)計(jì)中需變更設(shè)計(jì)方案，只需在軟件內(nèi)進(jìn)行即可，變更方式比手工繪圖更加方便[3]。另外，部分軟件中虛擬技術(shù)的應(yīng)用，使所得到的設(shè)計(jì)方案可以由三維效果呈現(xiàn)出來，使機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造具有更強(qiáng)的直觀性。

2.4 加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用

互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代到來后，我國(guó)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅速發(fā)展，目前已被應(yīng)用到了各個(gè)領(lǐng)域。在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也是不可或缺的技術(shù)。隨著機(jī)械設(shè)計(jì)制造自動(dòng)化水平明顯提高，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的作用越來越突出。目前，部分機(jī)械設(shè)計(jì)制造企業(yè)已經(jīng)應(yīng)用了大數(shù)據(jù)信息技術(shù)來整合機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的全部數(shù)據(jù)和信息，并在這些信息分析的基礎(chǔ)上開展了三維模擬，通過將模擬結(jié)果以3D模型的方式呈現(xiàn)，將模擬結(jié)果與實(shí)際設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而判定設(shè)計(jì)制造方面所存在的不足，并及時(shí)采取相應(yīng)的優(yōu)化和改進(jìn)措施[4]。自動(dòng)化在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用，對(duì)數(shù)據(jù)的依賴性更高。為使不同流程之間可以互相融合，在開展設(shè)計(jì)工作制造時(shí)應(yīng)加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，從而在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持下順利完成數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和利用，并構(gòu)建專門的數(shù)據(jù)庫來整合各種機(jī)械數(shù)據(jù)，最終達(dá)到數(shù)據(jù)共享的目標(biāo)，同時(shí)能夠?qū)⑦@些數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)和制造的依據(jù)。

2.5 加強(qiáng)自動(dòng)化和智能化的融合

現(xiàn)階段的自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)逐漸呈現(xiàn)出深層次發(fā)展的趨勢(shì)，為有效發(fā)揮自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的作用，同樣要使自動(dòng)化與智能化技術(shù)高度融合[5]。從行業(yè)整體的發(fā)展水平來看，機(jī)械設(shè)計(jì)制造的自動(dòng)化發(fā)展已經(jīng)取得了明顯的成效，但智能化水平還相對(duì)較低。因此，在當(dāng)前發(fā)展的趨勢(shì)下，智能化技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)的融合已經(jīng)成為重點(diǎn)的方向。目前，數(shù)字控制的發(fā)展已經(jīng)越發(fā)成熟，但由于我國(guó)技術(shù)存在一定的局限性，智能控制系統(tǒng)的自主研發(fā)遇到了很多的困難，如智能化的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一或存在缺失、成本投資較高，因此未來還有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3 機(jī)械設(shè)計(jì)制造自動(dòng)化未來的發(fā)展方向

3.1 性能發(fā)展方向

3.1.1 高速、高精度、高效化發(fā)展

在任何機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造過程中，速度、精度和效率都是關(guān)鍵性的考核指標(biāo)。隨著自動(dòng)化技術(shù)的不斷進(jìn)步，市場(chǎng)上逐漸出現(xiàn)了高速芯片、智能芯片、多控制系統(tǒng)、帶高分辨率絕對(duì)式檢測(cè)元件的交流數(shù)字伺服系統(tǒng)等。在開展設(shè)備設(shè)計(jì)和制造的過程中，可將帶有自動(dòng)化特性和功能的元件、系統(tǒng)應(yīng)用在機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)，以提高機(jī)械的運(yùn)行效率和精度。

3.1.2 柔性化

5.1.3 競(jìng)賽教學(xué)法更利于創(chuàng)造活躍、積極的課堂氛圍。在實(shí)驗(yàn)過程中，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)班和對(duì)照班的學(xué)生課堂表現(xiàn)作為對(duì)照，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)班的學(xué)生在課堂上的表現(xiàn)比對(duì)照班的學(xué)生更為活躍，學(xué)生更能積極主動(dòng)地去完成教師規(guī)定的各項(xiàng)任務(wù)，并嚴(yán)格按照教師規(guī)定完成課堂競(jìng)賽活動(dòng)，并力爭(zhēng)所在小組取得競(jìng)賽的勝利。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)的上課過程中，實(shí)驗(yàn)班學(xué)生的課堂積極性明顯高于對(duì)照班，學(xué)生的課堂參與度也高于對(duì)照班。

為優(yōu)化機(jī)械設(shè)備的性能，在設(shè)計(jì)制造環(huán)節(jié)同樣要加大對(duì)數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用，以保持?jǐn)?shù)控系統(tǒng)的柔性。數(shù)控系統(tǒng)總體上實(shí)施模塊化設(shè)計(jì)的概念，能夠確保功能的可拓展性，從而滿足用戶的個(gè)性化需求。除此之外，數(shù)控系統(tǒng)的柔性化也體現(xiàn)在群控系統(tǒng)的柔性上。為達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)，需要在同一群控系統(tǒng)內(nèi)滿足多種生產(chǎn)流程的切實(shí)需求，以確保機(jī)械設(shè)備能夠最大程度發(fā)揮全控系統(tǒng)的效能。

3.1.3 工藝復(fù)合性與多軸化

市場(chǎng)上出現(xiàn)的各種機(jī)械設(shè)備主要是為了滿足生產(chǎn)加工的需求。隨著自動(dòng)化技術(shù)不斷發(fā)展，人們對(duì)復(fù)合加工提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)。由于復(fù)合加工的工序更少、時(shí)間更短，通過多種自動(dòng)化技術(shù)的結(jié)合，可保持功能的多軸化、多系列發(fā)展。以數(shù)控技術(shù)的工藝復(fù)合化為例，工件在一臺(tái)機(jī)床上一次裝夾以后，經(jīng)過自動(dòng)換刀、旋轉(zhuǎn)主軸頭等方式，可達(dá)到多工序、多表面復(fù)合加工的目標(biāo)。

3.1.4 實(shí)時(shí)智能化

在自動(dòng)化技術(shù)出現(xiàn)的早期階段，機(jī)械設(shè)備的實(shí)時(shí)系統(tǒng)多面向相對(duì)簡(jiǎn)單的環(huán)境，主要是為了滿足任務(wù)調(diào)度的需求，以確保各項(xiàng)任務(wù)能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)高質(zhì)量完成。隨著自動(dòng)化技術(shù)向更深層次發(fā)展，人工智能技術(shù)出現(xiàn)后，實(shí)時(shí)系統(tǒng)表現(xiàn)出了智能化的特征，可通過計(jì)算模型來模擬人類智能行為。在實(shí)時(shí)系統(tǒng)與人工智能高度融合后，人工智能在未來將表現(xiàn)出更強(qiáng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力，而且實(shí)時(shí)系統(tǒng)也將表現(xiàn)出更強(qiáng)的智能化水平。

3.2 功能發(fā)展方向

3.2.1 用戶界面圖形化

在機(jī)械設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域，數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用相對(duì)較多。數(shù)控系統(tǒng)與用戶之間的對(duì)話接口，即用戶界面，可以立足于用戶的需求進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，以確保機(jī)械設(shè)計(jì)制造站在用戶的角度進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)。另外，由于每個(gè)用戶對(duì)界面的需求有所不同，從自動(dòng)化技術(shù)中衍生出來的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、可視化技術(shù)、多媒體技術(shù)，使得機(jī)械設(shè)計(jì)制造過程中都需要重視用戶界面的科學(xué)設(shè)計(jì)。圖形用戶界面一經(jīng)出現(xiàn)，就受到了非專業(yè)用戶的歡迎，人們能夠直接通過窗口和菜單，完成對(duì)應(yīng)的操作控制。與傳統(tǒng)的用戶界面不同，圖形用戶界面兼具藍(lán)圖編輯、快速編程及三維彩色立體動(dòng)態(tài)圖形顯示等功能。

3.2.2 科學(xué)計(jì)算可視化

可視化也屬于自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的一大表現(xiàn)。在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的科學(xué)計(jì)算實(shí)現(xiàn)可視化，可在機(jī)械設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行中高效地進(jìn)行各類數(shù)據(jù)的處理和解釋，打破了傳統(tǒng)單一的信息交流方式，不再只局限于常規(guī)的文字和語言表達(dá)上，還可通過圖形、圖像、動(dòng)畫等可視化信息來完成相應(yīng)的信息交流。將可視化技術(shù)與虛擬環(huán)境技術(shù)有效融合后，可使機(jī)械設(shè)計(jì)制造實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新，從而達(dá)到無圖紙?jiān)O(shè)計(jì)。通過使用這些技術(shù)大大縮短了機(jī)械設(shè)計(jì)制造的周期，而且其成本也得到了有效的控制。數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，可視化技術(shù)在各種三維設(shè)計(jì)軟件中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)突出，通過自動(dòng)編程設(shè)計(jì)、參數(shù)自動(dòng)設(shè)定，解決了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)制造方面的技術(shù)難題。

3.2.3 插補(bǔ)和補(bǔ)償方式多樣化

自動(dòng)化背景下，直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、圓柱插補(bǔ)、空間橢圓曲面插補(bǔ)、螺紋插補(bǔ)、極坐標(biāo)插補(bǔ)以及NANO插補(bǔ)等都是可選擇的插補(bǔ)方式。補(bǔ)償功能也同樣在自動(dòng)化技術(shù)條件下表現(xiàn)出了多樣性，如可選擇間隙補(bǔ)償、垂直度補(bǔ)償、象限誤差補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償?shù)取?/p>

3.2.4 內(nèi)裝高性能PLC

機(jī)械設(shè)計(jì)制造中PLC技術(shù)的應(yīng)用，有效改變了控制方式，使控制系統(tǒng)具備了自動(dòng)控制的功能。另外，在數(shù)控系統(tǒng)中采用PLC控制模塊，可直接用梯形圈或者高級(jí)語言來完成編程，從而使系統(tǒng)具備在線調(diào)試、在線幫助等多種功能。在利用PLC模塊開展自動(dòng)化設(shè)計(jì)制造時(shí)，直接根據(jù)需求修改控制程序即可。

4 結(jié)語

自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中有著多方面的優(yōu)勢(shì)，不僅可以克服傳統(tǒng)設(shè)計(jì)制造技術(shù)的不足，從而帶動(dòng)行業(yè)進(jìn)步，也給各個(gè)設(shè)計(jì)和制造企業(yè)創(chuàng)造了巨大效益。然而，自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用還存在著巨大的發(fā)展空間，因此專業(yè)的設(shè)計(jì)和制造企業(yè)應(yīng)結(jié)合各種機(jī)械產(chǎn)品的配置要求，加強(qiáng)自動(dòng)化技術(shù)的創(chuàng)新。