智能制造背景下機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展方向

蔡佳麗　蔡麗娟

摘 要：智能制造作為信息化技術(shù)衍生的產(chǎn)物，是我國(guó)工業(yè)制造的發(fā)展方向，受到了全社會(huì)的廣泛關(guān)注與各行業(yè)的重視。為了滿(mǎn)足現(xiàn)代社會(huì)日漸增長(zhǎng)的生產(chǎn)需求，也為了推動(dòng)我國(guó)工業(yè)制造的可持續(xù)發(fā)展，有必要將傳統(tǒng)的工業(yè)制造與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)密切結(jié)合，實(shí)現(xiàn)我國(guó)制造業(yè)的成功轉(zhuǎn)型升級(jí)，提升工業(yè)制造水平?；诖?，本文將立足智能制造時(shí)代背景，對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行分析，并對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展方向展開(kāi)討論。

關(guān)鍵詞：智能制造 機(jī)械設(shè)計(jì) 自動(dòng)化技術(shù)

Development Direction of Mechanical Design and Automation Technology under the Background of Intelligent Manufacturing

Cai Jiali，Cai Lijuan

Abstract：As a product derived from information technology， intelligent manufacturing is the development direction of China's industrial manufacturing， and has received extensive attention from the whole society and various industries. In order to meet the increasing production demands of modern society and to promote the sustainable development of the industrial manufacturing， it is necessary to closely combine traditional industrial manufacturing with modern science and technology to achieve the successful transformation and upgrading of the manufacturing industry and improve the level of industrial manufacturing. Based on this， this paper will analyze the application of mechanical design and automation technology under the background of the era of intelligent manufacturing， and discuss the development direction of mechanical design and automation technology.

Key words：intelligent manufacturing， mechanical design， automation technology

1 引言

機(jī)械設(shè)計(jì)作為我國(guó)工業(yè)制造行業(yè)的重要經(jīng)濟(jì)來(lái)源，除了能夠?yàn)槲覈?guó)的工業(yè)制造帶來(lái)強(qiáng)大的技術(shù)支持基礎(chǔ)外，同時(shí)也能全面提升國(guó)民生產(chǎn)效率。而隨著時(shí)代的發(fā)展，越來(lái)越多更先進(jìn)的智能化技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)中，有效改善了以往勞動(dòng)力投入過(guò)大、勞動(dòng)強(qiáng)度過(guò)高等不足，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械設(shè)計(jì)的自動(dòng)化與智能化制造[1]。在如今的智能制造時(shí)代背景下，我國(guó)近年來(lái)的機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)對(duì)自動(dòng)化技術(shù)的研究取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，不過(guò)相對(duì)于技術(shù)起步更早且更加成熟的發(fā)達(dá)國(guó)家而言還存在一定差距，所以有必要探明我國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向，持續(xù)推動(dòng)我國(guó)工業(yè)制造行業(yè)的健康發(fā)展。

2 自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用

智能制造背景下的機(jī)械設(shè)計(jì)會(huì)應(yīng)用到智能集成化技術(shù)、智能柔性自動(dòng)化技術(shù)、虛擬自動(dòng)化技術(shù)等，涉及的技術(shù)內(nèi)容極為豐富。下文便以應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)的多功能調(diào)試臺(tái)控制系統(tǒng)為例，對(duì)其在機(jī)械設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用展開(kāi)分析[2]。

2.1 多功能調(diào)試臺(tái)

利用多功能調(diào)試臺(tái)構(gòu)建的穩(wěn)定支撐試驗(yàn)平臺(tái)，具備多旋轉(zhuǎn)功能，基本用在繼電保護(hù)設(shè)備的組裝與調(diào)試生產(chǎn)中。將智能自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用其中，能夠顯著縮小電機(jī)體積與重量，進(jìn)而提升設(shè)備運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。此外，在對(duì)多功能調(diào)試臺(tái)的自動(dòng)化技術(shù)設(shè)計(jì)中加入自動(dòng)化控制程序（PLC），便可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)性能的實(shí)時(shí)化試驗(yàn)與調(diào)試，保障系統(tǒng)運(yùn)行的整體可靠性。

2.2 基于多功能調(diào)試臺(tái)的機(jī)械設(shè)計(jì)

采用了自動(dòng)化技術(shù)的多功能調(diào)試臺(tái)控制系統(tǒng)，將其應(yīng)用在機(jī)械設(shè)計(jì)當(dāng)中，主要借助于調(diào)試臺(tái)的持續(xù)性升降功能，保證位于不一樣高度的繼電保護(hù)裝置能夠配備到位，并且能實(shí)現(xiàn)對(duì)功能的測(cè)試效果。在此過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)全面分析系統(tǒng)故障檢測(cè)及隔離保護(hù)功能。在多功能調(diào)試臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)采取多元化控制方式以及應(yīng)用智能自動(dòng)化技術(shù)，借助PLC編程邏輯控制，構(gòu)建單片機(jī)控制體系，確保工業(yè)控制機(jī)能夠控制到位[3]。在全方位考量控制要求之后，應(yīng)構(gòu)建多功能調(diào)試臺(tái)控制系統(tǒng)，確保PLC控制模式能實(shí)現(xiàn)。

多功能調(diào)試臺(tái)控制系統(tǒng)的構(gòu)建過(guò)程中，需要重視多模塊的組建，其中包含控制、通信、檢測(cè)及輸出等模塊，同時(shí)畫(huà)出詳細(xì)的系統(tǒng)構(gòu)架圖。該控制系統(tǒng)主要應(yīng)用自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)展開(kāi)測(cè)量，分為直接測(cè)量與間接測(cè)量。其中，直接測(cè)量能夠測(cè)得所設(shè)計(jì)機(jī)械設(shè)備的規(guī)格尺寸，結(jié)合參數(shù)變化達(dá)到控制機(jī)床技術(shù)模塊的效果;而間接測(cè)量則是利用控制模塊中的刀具去建立刀具部件運(yùn)行機(jī)制，比如根據(jù)待測(cè)表面的差異，對(duì)待測(cè)裝置的斷續(xù)表層、平面等多項(xiàng)參數(shù)予以檢測(cè)，具體如圖1所示。

我們以圖1中的輸出與檢測(cè)兩大主要模塊舉例，起初需要借助輸出模塊對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行分析，構(gòu)建自動(dòng)化編碼與框架系統(tǒng)，并且預(yù)先設(shè)計(jì)故障預(yù)警電路，主要應(yīng)用PLC輸出接口對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)電路予以控制，同步傳輸電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖控制量，保證伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度、轉(zhuǎn)動(dòng)方向更加精準(zhǔn)。同時(shí)，還應(yīng)構(gòu)建起基于信息反饋的閉環(huán)控制機(jī)制以及智能自動(dòng)化框架系統(tǒng)，保證框架的高度、水平度都能精準(zhǔn)調(diào)位，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的故障內(nèi)容予以分析。自動(dòng)化技術(shù)在其中的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)框架高度、水平度的合理控制，保證一旦系統(tǒng)發(fā)生故障，PLC仍然能夠保證警報(bào)信號(hào)輸出的正常[4]。此外便是檢測(cè)模塊，在該模塊中包含位移與傾角兩類(lèi)傳感器，PLC模擬量輸入模塊接口能夠保證傾角傳感器的信號(hào)正常傳送，對(duì)位置閉環(huán)控制的參考量予以?xún)?yōu)化。

立足設(shè)計(jì)全局視角來(lái)看，多功能調(diào)試臺(tái)控制系統(tǒng)構(gòu)建的是一種驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)體系，既能計(jì)算重要參數(shù)，確保旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的合理性以及工作到位，同時(shí)也能避免過(guò)載情況發(fā)生。此外，還要重點(diǎn)考量驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)的所需因素，參考電機(jī)的體積、重量、功率等特性，構(gòu)建負(fù)載旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，構(gòu)建具備框架大負(fù)載旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)調(diào)整可回轉(zhuǎn)裝置組件及過(guò)渡件的效果，優(yōu)選驅(qū)動(dòng)電機(jī)且做好量化計(jì)算，比如對(duì)電機(jī)經(jīng)由減速器且傳送到絲桿力矩位置的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行計(jì)算，保證驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一直具備較高的冗余度。

3 智能制造背景下機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展方向

3.1 重視產(chǎn)品數(shù)據(jù)的收集與共享

在智能制造時(shí)代背景下，機(jī)械設(shè)計(jì)主要利用智能化手段完成，產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造與自動(dòng)化技術(shù)之間的關(guān)系極為密切，因此在未來(lái)發(fā)展中需要提高對(duì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的收集與共享工作的重視度。一方面，利用智能系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法的合理性進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別。對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與模擬，形成資源共享平臺(tái)，通過(guò)智能化識(shí)別，機(jī)械制造控制系統(tǒng)能夠直接儲(chǔ)存與設(shè)計(jì)、生產(chǎn)相關(guān)的數(shù)據(jù)，同時(shí)也能根據(jù)生產(chǎn)批次的規(guī)格要求去分析操作狀態(tài)。如果生產(chǎn)過(guò)程中察覺(jué)出問(wèn)題，在信號(hào)傳感器的加持下會(huì)第一時(shí)間發(fā)出預(yù)警信號(hào)，那么機(jī)械設(shè)計(jì)工作人員則會(huì)能通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的排查找出問(wèn)題所在。另一方面，借助機(jī)電控制模塊對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行分析，還可通過(guò)分析所采集的數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)器運(yùn)行速度、生產(chǎn)狀態(tài)展開(kāi)全面檢查，并且能通過(guò)模擬機(jī)械設(shè)計(jì)制造加工的過(guò)程，精準(zhǔn)地判斷出操作狀態(tài)[5]。為了實(shí)現(xiàn)智能制造，需要高度重視產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造與技術(shù)的結(jié)合，將智能數(shù)據(jù)共享中心設(shè)置為獨(dú)立監(jiān)控設(shè)備，在各類(lèi)傳感器的配置下做出動(dòng)態(tài)化分析，然后借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)所采集的數(shù)據(jù)予以共享，方便機(jī)械設(shè)計(jì)參數(shù)的及時(shí)調(diào)整。

3.2 重視節(jié)能環(huán)保

隨著科學(xué)技術(shù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提升，我國(guó)也逐漸邁進(jìn)了經(jīng)濟(jì)與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵時(shí)期。能源節(jié)約與環(huán)境保護(hù)現(xiàn)已成為企業(yè)實(shí)力的重要標(biāo)準(zhǔn)，尤其是在“碳中和”的時(shí)代背景下，企業(yè)要想實(shí)現(xiàn)健康的可持續(xù)發(fā)展，必定要在未來(lái)發(fā)展中不斷改革升級(jí)，擯棄用犧牲環(huán)境換取經(jīng)濟(jì)效益的想法與做法。所以，在智能制造背景下，未來(lái)的機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展要重視如下幾點(diǎn)：其一，加強(qiáng)對(duì)新材料的研發(fā)，機(jī)械設(shè)計(jì)不僅要滿(mǎn)足智能制造功能要求，而且要保證使用更加節(jié)能環(huán)保的材料;其二，做好機(jī)械設(shè)計(jì)制造過(guò)程中的噪音污染控制工作，盡量減少或舍棄噪音污染較大的機(jī)械設(shè)備;其三，要重視廢棄設(shè)備的回收利用。機(jī)械設(shè)備在工作一段時(shí)間后會(huì)因?yàn)檫_(dá)不到生產(chǎn)要求而被淘汰，但其回收價(jià)值依舊較高，需要做好資源的二次利用。

3.3 重視人工智能的引入

人工智能一定是未來(lái)工業(yè)制造領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，能夠完成機(jī)械設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造過(guò)程中的復(fù)雜程度較高的工作。另外，隨著我國(guó)人口老齡化程度不斷加深，人口紅利逐漸消失，人工成本自然會(huì)不斷提升，通過(guò)人工智能技術(shù)的引入能夠冥想降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，同時(shí)為產(chǎn)品質(zhì)量提供更強(qiáng)大的保障。在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域，人工智能的引入需要注意如下幾點(diǎn)：其一，機(jī)械設(shè)計(jì)方案中的不同部件生命周期同樣需要展開(kāi)智能化分析，通過(guò)大量方案的比較進(jìn)行優(yōu)選;其二，機(jī)械設(shè)計(jì)需要綜合考量對(duì)產(chǎn)品性能提出的要求，盡量進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì);其三，機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中要關(guān)注產(chǎn)品使用壽命，關(guān)注可能需要拓展的模塊與性能，方便產(chǎn)品今后在功能與網(wǎng)絡(luò)方面的升級(jí)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，智能制造作為工業(yè)制造的未來(lái)發(fā)展方向，應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)的機(jī)械設(shè)計(jì)生產(chǎn)不僅能夠提升生產(chǎn)可控性，降低人為干預(yù)誤差，同時(shí)也能收集到更多且精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造的自動(dòng)化與智能化。在今后的機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展中，需要重點(diǎn)關(guān)注產(chǎn)品數(shù)據(jù)收集與共享、節(jié)能環(huán)保、人工智能的引入等方向。唯有將傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化技術(shù)與智能制造有機(jī)結(jié)合，才能促使我國(guó)機(jī)械制造行業(yè)煥發(fā)新的活力以及實(shí)現(xiàn)技術(shù)層面的突破，推動(dòng)我國(guó)工業(yè)制造行業(yè)的健康發(fā)展。

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