機械制造自動化技術的特點分析

唐安琦 湖南省永州市第四中學

1 引言

機械制造自動化技術是一項應用計算機協助工程技術人員完成產品設計和制造的新興技術。其技術領域的發展，是為了實現機械制造生產的自動化、智能化，節約產品生產成本，同時提高機械加工效率。制造業作為我國經濟發展的支柱產業，推動了生產技術的進步和人民生活水平的提高，但若要得到進一步的技術突破并實現《中國制造2025》制造強國戰略的目標，仍需不斷向他國學習，提升自主創新能力，努力向前發展。近年來，在機械制造自動化技術中出現兩個顯著的特點，一是3D打印；二是計算機輔助設計(CAD)。3D打印是指以材料累積的方式制造零件，與傳統的去除材料的加工方法不同。計算機輔助設計主要是指利用計算機分析和處理機械制造自動化過程中的設計和制造環節，例如以SolidWorks、CATIA、CAXA等代替手工制圖以實現無圖紙工廠，進一步實現生產自動化。

2 機械制造自動化技術的優點

2.1 提高產品質量

機械制造自動化技術由于其智能化、可以由計算機控制操作這一特點決定了其生產的精確性。在生產產品時，由人工操作可能造成約0.1cm的偶然誤差，若改用計算機系統進行智能化操作，則誤差可縮小至約0.0001cm，僅為人工誤差的0.1%。計算機操縱生產大大減小產品的偶然誤差，大幅度提高產品質量。通過計算機輔助設計，可以預先對制造的零件進行受力分析，確定出材料在加工過程中的工藝最優路線，以達到零件缺陷的最低化，如減小材料內部的殘余應力，以及減小材料中的孔隙率等。

2.2 縮短生產周期

在中國乃至世界，大部分知名企業已實現產品的半自動化生產，正逐步向全自動化發展。自動化生產由于其全過程由機械設備操作、計算機電腦控制，加快了生產流程，加速了生產線的運作，不再需要人工進行流水作業，生產效率的提高使得生產周期得以縮短。在傳統的機械制造過程中，一個復雜的零件需要經過車銑刨磨及熱處理工序，費時費力；而采用3D打印技術后，可以一次性對復雜零件進行成型加工，大大縮短了生產周期。

2.3 提高勞動者素質

自動化技術需要利用的人力資源類型已不同以往。在過去，電子裝配大多由人工完成，為產品進行裝配的勞動者只需掌握基本的裝配技能即可上崗工作；而今，部分企業已經采用了自動化的電子裝配設備，此時不再需要的體力勞動人員，轉而對產品流程控制的技術型勞動者有了大量需求。這一流程的轉變使得勞動者開始意識到：唯有不斷提升自身科學技能和文化素質，才能適應社會現代化的發展。

3 機械制造自動化技術的特點

3.1 激光增材制造（3D打印）

3D打印技術目前已經突破了傳統的塑料等高分子材料的制造[3,4]，開始逐步面向金屬材料發展。在金屬增材制造領域，研究人員利用電弧噴涂的方法制備了鈦合金板，殘余應力試驗表明用增材制造的方法制造出來的鈦合金板內部的殘余應力比傳統工藝制造的小很多，并且殘余應力分布更均勻即應力集中部位更小，更小更均勻的殘余應力能夠有效地阻止裂紋在材料內部的生長。

3.2 計算機輔助設計（CAD）

計算機輔助設計旨在將產品的信息（如幾何尺寸、材料類型等）轉變為計算機代碼，最終反映在實際的零件加工中，是目前機械制造自動化技術的一大特點。設計人員可以直接在計算機上設計圖紙，并將零件的信息傳送給機床，機床計算機根據零件的形貌特點等參數在經驗數據庫里搜索相似的加工工藝路線，最終根據優化原則選擇最優的加工路徑。

4 結論

即便3D打印的出現給機械自動化技術的發展注入了嶄新的活力，但仍存在很多問題需要研究人員深入研究：如目前3D打印受到零件尺寸的限制，和傳統的鍛壓工藝相比，3D打印技術只能生產小型零部件，因此提高零件的打印尺寸是未來需要解決的一個問題；其次，市面上的3D打印技術多以高分子材料為主，對于金屬或者合金的3D打印還存留在實驗室階段，如何在打印過程中有效的控制材料內部的缺陷生長（如裂紋、位錯等）也亟待科研人員去解決。其次，機械制造自動化技術是一項復雜的系統工程，它集合了多學科研究領域：如機械科學需要解決零件的設計問題，包括造型、尺寸以及生產工藝；材料科學需要根據零件的實際工況特點進行材料的選擇（例如對于汽車輕量化的發展發動機零部件多采用鎂鋁合金，飛機機翼等多采用高分子復合材料等）以及在材料成型過程中材料的組織形態的轉變（例如控制鋼中的含碳量和奧氏體、馬氏體、鐵素體等的形態來生產不同硬度的鋼材，可以應用于結構件、刀具等不同場合）；計算機科學主要解決計算機輔助設計過程中的人因工程學，考慮如何將人們的生活習慣轉變為零件特性，進而生產出更適合人類使用的工具；自動化科學主要解決制造過程中零件工藝的自動化問題，通過計算機的手段實現自動投料、自動換刀等等。因此機械制造自動化技術的發展需要多學科領域的研究人員通力合作，才能有望實現全面的制造自動化過程，加快我國實現制造強國的目標。