關于機械設計制造及其自動化行業的應用及發展方向探討

何勝聰 黃俊鑫 羅雪瑞 鄧婷丹

摘 要 在第三次工業革命的大背景下，傳統的純機械工作系統已經逐步向機械自動化方向發展，并且已經取得了巨大的成就。機械設計制造行業是衡量一個國家工業水平的重要指標，我國的經濟發展迅速，成為了世界上的制造大國，正走在成為制造強國的路上，而自動化技術在我國機械設計制造成熟化階段將會起著重要作用。自動化的出現，節約了產品的生產時間和資金成本，加快了經濟發展。本文研究分析了我國現階段機械設計制造與自動化行業的現狀，探討了機械行業未來走向高水平自動化的發展方向。

關鍵詞 機械設計 制造系統 智能化 自動化

中圖分類號：TH12 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2020）02-0038-03

1 機械自動化行業現狀分析

機械設計制造及其自動化是指設計人員根據相關的行業標準和具體操作工程的規范和實際需求進行具體設計，將毛坯（或材料）和其他輔助材料作為原料，輸入機械制造系統，經過存儲、運輸、加工、檢驗等環節，最后實現符合要求的零件或產品從系統輸出。自動化技術是一門綜合性技術，它和控制論、信息論、系統工程、計算機技術、電子學、液壓氣壓技術、自動控制等都有著十分密切的關系，而其中又以控制理論和計算機技術對自動化技術的影響最大。

1.1 我國機械設計制造及其自動化行業現狀

新中國建立后，我國的機械制造業和制造技術得到了迅速的發展。至今，已形成了具有相當規模、較高的技術水平和較完整的機械工業體系，成為我國工業體系中最大的產業之一[1]。

與發達工業國家相比，我們在人均生產率、材料利用率、機電產品的出口規模、以及出口商品結構等諸多方面仍存在著較大差距。

經濟咨詢機構美國環球通視有限公司的研究報告顯示：按產出計算，中國已打破了美國連續一百余年占據世界頭號的歷史。2010年，全世界制造業的產出為10.078萬億美元，中國占19.8%，美國占19.4%。2017年，中國占近27%。但2010年美國制造業的工人為1150萬人，中國相同部門則為1億人。1850年左右，中國占據世界頭號商品生產國的位置達近50年。1830年，中國占世界制造業產出的30%，1900年下降到6%，1990年只有3%。

1.2 機械設計制造及其自動化技術不成熟

自第一次工業革命以來，全世界的機械設計制造技術呈井噴式發展，但由于歷史關系，中國參與第一次工業革命和第二次工業革命，也沒有獲得過成果，自第三次工業革命開始至今，我國的工業水平得到了顯著的提高，并且成為了世界制造大國，生產力得到大力提升。然而由于西方發達國家對于核心技術的封鎖，我國只能在原有的技術基礎上改進，并不能接觸到已有的核心技術，現有的自主研發的智能化機器很少，大部分只能依靠進口，例如超高精度機床、工業機器人。

就工業中常見的金屬加工機床來說，據中國海關統計數據顯示，2019年1-2季度中國金屬加工機床進口量逐漸增長，2019年8月中國金屬加工機床進口量為3885臺，累計方面，2019年1-8月中國金屬加工機床進口量達到38091臺。在進口金額方面，2019年8月中國金屬加工機床進口金額為615.3百萬美元，2019年8月中國金屬加工機床進口均價為15.84萬美元/臺，相比7月上漲了1.03萬美元/臺。累計方面，2019年1-8月中國金屬加工機床進口金額達到510324.3萬美元（5103.24百萬美元），進口均價為13.40萬美元/臺。

2019年部分月份的金屬加工機床進口情況表（如表1）

由此可見我國機械行業設計制造行業還未突破傳統機械技術，在機械自動化制造領域與發達國家還有很大差距。

1.3 自主創新能力不強

高水平設備的核心技術和關鍵元器件的研究和發達國家相比還有很大差距，例如生產芯片的核心設備光刻機是芯片生產的最核心環節，但是國內在該領域最先進的上海微電子有限公司生產的光刻機精度也只能達到90nm精度，只能滿足一些中低端芯片的生產，而全球技術最頂尖的光刻機基本上被荷蘭的ASML公司壟斷，其中7納米水平的EUV光刻機只有荷蘭ASML公司能夠提供。

1.4 課程設置和實踐環節不成熟

機械設計制造自動化的課程設置中機械設計制造方面已經足夠全面，但與自動化技術的相關課程相對應的機械方面的課程較薄弱。傳統機械已經有很長的發展史，自動化技術是近一個世紀才出現的，原來對機械設計制造的研究一直停留在純機械結構的領域中，運用數學、力學、動力學、材料學知識，已經滿足不了很多高精度電子類機械設備的設計需求。另一方面，機械設計制造及其自動化是一個實踐性很強的專業，近年來高水平的機械設備更新速度迅速，機械類的機械設備價格較貴，各高校經費有限，導致國內目前還未實現高質量教學設備的完全覆蓋，特別是一些地處經濟水平偏低地區的高校，各個高校的學生接觸的機械設備大多比當前科技水平落后5～10年。

2 機械實現自動化的未來發展

強大的機械需要擁有一個合理高效的設計理念、一個性價比高的制造系統、一個發達的控制系統，高水平的機械自動化系統體現于高精度、高效率、高智能。如今我國有很多機械已經實現了簡單的自動化，但是大多數自主研發的自動化機械的工作效率仍不高，相對于發達國家還有很大的提升空間。機械設計制造的自動化技術在未來將主要向以下幾個方面發展：計算機輔助機械設計軟件的應用高普及、機械制造系統的高效化和高精度化、單片機控制機械系統的高水平化、自動化與機械設計制造的人才培養方案成熟化[2]。

2.1 機械設計的發展趨勢

機械設計已經從原來的圖像處理技術、工程分析技術、數據管理與數據交換技術、文檔處理技術、界面開發技術、到基于Web的網絡應用和開發技術。就目前來說，機械設計制造的計算機輔助設備的應用已經很廣泛了，運用計算機軟件和計算機硬件進行二維與三維繪圖已經開始常態化，相對于以前傳統的設計方法，它使設計的過程變得更加的形象和簡潔。計算機圖形學（CG）是通過計算機將數據轉換為圖形，并進行顯示的原理、方法和技術。CG的內容有硬件、軟件、圖形處理的理論與方法、圖形處理應用等。軟件繪圖包括二維設計和三維設計，二維是指平面設計，三維是指立體設計，二維三維之間可以相互轉換，二維設計制圖軟件有：AutoCAD，功能強大，廣泛應用于各大設計行業。三維設計制圖軟件有很多，例如UG/NX、SOLIDWORKS，以及常見于各大汽車相關周邊產品設計的CATIA，還有Pro/E：此軟件以參數化設計著稱，是最早應用參數化設計的軟件，且采用模塊化，用戶可針對性的使用不同模塊。

2.2 制造的發展趨勢

2.2.1 機械制造基本流程

機械制造基本流程主要包括礦石加工和非金屬原材料加工，其中礦石加工是礦石通過鑄造、壓力加工、切削加工，經過鑄錠、型材、毛坯等階段加工成零件，非金屬材料加工是通過模具加工成非金屬零件，然后零件和非金屬零件通過部件裝配、總裝配成部件、機器。

2.2.2 制造技術發展趨勢

生產手段方面，數字化、智能化將貫穿產品的整個生命周期;發展模式方面，綠色化、服務化日漸成為制造業轉型發展新趨勢;組織方式方面，內部組織將扁平化和資源配置全球化已成為制造業培育競爭優勢的新途徑;發展格局方面，比較優勢動態變化將重塑全球制造業版，其中切削加工仍然是機械制造的主導加工方法，提高生產率和質量是今后的發展方向。超精密及細微加工技術，特種加工技術，自動化制造技術在以后的先進生產管理模式占主導地位的技術包括精益生產（LP）、準時生產（JIT）、并行生產（CE）、敏捷制造（AM）、虛擬制造（VM）。另外，在未來實現對接口普遍的標準化設計可以減少對其模塊化管理的難度以及對機械設備的損耗。

2.3 單片機在機械行業的應用與前景

2.3.1 單片機的現狀

單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統、定時器/計數器等功能（可能還包括一些電路和轉換器）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的微型計算機系統，在工業控制領域廣泛應用。從上世紀80年代，由當時的4位、8位單片機，發展到現在的300M的高速單片機。單片機在工業自動化設備中很常見，普通設備的自動化機械設備運行一般是，先按照需要滿足的工作要求和機械設計要求進行程序編寫并輸入，開啟設備后它通過向各個模塊輸出信息法號指令，信息到達模塊后按照模塊功能進行數據分析然后向機械設備發出指令，工作后機械設備又會將信息通過模塊反饋給單片機進行數據分析處理[3]。

單片機在智能制造方面的應用有很多方面，例如機械手控制系統、自動平衡控制系統、人機交互控制系統方面。

機械手系統通常包括主控板、轉接板、顯示器、控制按鍵、配套電源、舵機（關節性傳動裝置）、擁有多個關節，每個關節擁有一個自由度。一般的機械手擁有3個關節就能滿足大部分運動及方位鎖定要求，三個關節分別是縱向Y軸，橫向X軸及補償部分，其對應的三個自由度就是縱向的往返運動、橫向的往返運動、補償方向的上下運動[4]。

直流電機改變其供電的直流電壓的有效值的大小和正負就能調整其轉速與方向。通過電力電子線路（各種晶體管、MOS管等）來控制電機的供電電壓頻繁導通，如果用PWM來控制，倘若PWM的頻率不變，只改變PWM的占空比，把PWM的占空比調節小后，輸出電壓的有效值就會減小，從而使電機的轉速變慢，反之就變快。對于交流電機調速，要控制電源的頻率，這事就要用交-直-交變頻，這種變頻方式也要用PWM，其難度相對于直流電機來說較為復雜[5]。

2.3.2 單片機存在的的問題及其發展趨勢

單片機的設計與制造工藝方面存在一些問題，其中系統電源的抗干擾能力差的問題較為突出，比如單片機系統開發時如果部件配合不足，會導致在臨界的情況下元件質量得不到保障。另外，控制不同要求的機械系統，需要具有很強的抗干擾能力的高性能單片機才能保證在整個系統工作時不出故障，如在高功率交變電源和高功率交變電流周圍會有磁場和空間輻射，解決高功率交變電源、高功率交變電流產生的磁場和空間輻射對單片機工作影響的問題是未來單片機研發和機械設計制造的共同研究方向。較為有效的較少磁場與輻射對單片機影響的方法是濾波算法抗干擾和通訊過程的軟件抗干擾，濾波算法抗干擾是對開關量的輸入采用多次采集反饋和延時消抖等措施來消除開關的抖動，當干擾影響到單片機系統的輸入信號時，將增大系統的數據采集誤差，采用加權遞推平均濾波、遞推平均濾波、中位值濾波、消抖濾波法都可以得到較為有效并可靠的數據。通訊過程的軟件抗干擾是系統之間通信通常是利用總線技術來實現的，現在常用的總線有RS232、RS485、RS422和CAN等。數據通信首要考慮的是通信速率的問題，一般的總線最高通信速率是10MB/s，在能滿足系統通信速率的條件下，盡量選擇較低的總線通信速率可在一定程度上提高系統的抗干擾性能，通信的距離可靠性，也是很重要的一個指標。另外，發送的每一幀數據，要加上起始位和停止位，要對有效數據進行異或校驗和校驗或者是CRC校驗，來提高通信過程中數據發送的可靠性。所以如何提高通訊速率和縮短通訊距離是往后的研究方向的側重點。除此之外還有軟件“看門狗”抗干擾技術等等技術，總的來說目前具有很強抗干擾能力的高性能單片機還有很多缺點應該改進[6]。

3 結語

未來的機械設計制造及其自動化將是以機械設計制造為核心，以自動化為方向，并且結合各種科學技術發展的行業，是社會生產力發展到一定高度的必然要求，其宏觀發展態勢是設計結構的簡單化、合理化，以及機械制造系統的自動化、智能化，實現最大限度的節省生產成本和生產周期。

參考文獻：

[1] 王正.機械設計制造及其自動化的發展前景分析[J]，科技風，2018（07）：162.

[2] 同[1].

[3] 何義群，張成，唐智勇.單片機在機械智能制造中的應用分析[J].China Academic Journal Publishing House，2018，12（01）：207.

[4] 周德儉.智能控制[M].重慶蓮慶大學出版社，2005.

[5] 同[4].

[6] 趙杰，蓋志剛，楊俊賢，惠力，朱洪海，孫玉婷.提高單片機抗干擾能力的幾點措施[J]，氣象水文海象儀器，2013，12（04）：100-102.

西華大學，四川 成都