探究機械設計與制造及其自動化技術

劉雋宏

（桂林理工大學 機械與控制工程學院，桂林 541006）

關健詞：設計科技化；信息化；綜合化

1 設計科技化、信息化、綜合化

1.1 設計科技化、信息化

21世紀以來，科學技術得到了比以往更快的發展，特別是以互聯網、大數據、云計算等為代表的現代信息技術，更是得到了空前的發展[1]。在機械設計制造及其自動化技術方面，隨著網絡與信息技術的快速發展，研究人員將人腦智慧融匯于物理設備與電腦網絡中，使機械設計制造及其自動化技術更加成熟。

在機械圖紙設計時，充分利用現代計算機技術，從互聯網獲取所需的信息，并運用云計算、3D技術、仿真技術等現代化技術充分分析將要生產的產品，經過各方面充分詳細計算，在設定產品的各種參數、數據后，使用圖紙設計軟件（如CAM、CAD等構圖軟件），結合3D技術、仿真技術更加直觀地了解機器設備的各項參數，能夠方便設計人員及時發現應用過程中存在的問題，通過對信息展開分析，及時修正和規避各種風險，從而設計出滿足各方面要求的圖紙。這充分體現了現代機械設計制造及其自動化技術的科技化和信息化。

以沈陽機床廠2012年研制成功的“I5”系列智能數控機床為例，I5是沈陽機床廠對其開發的數控系統的命名，其字義來自5個英文單詞：Industry（工業）、Information（信息）、Internet（互聯網）、Intelligence（智匯）和Integration（集成）。該系列機床是世界上第一個智能、互聯數控系統，獨特性能是“智能、互聯”，使機床在加工產品的同時能夠生成可通過互聯網實時傳送的數據。通過可分析和存儲大數據的云平臺，就能進行生產任務調配、成本核算、遠程操控、遠程工藝支持及產品定制等一系列服務[2]。

1.2 綜合化

機械設計制造及其自動化技術，在其發展過程中已建立了強大的工程體系。作為多種技術拼接的綜合性技術，其技術拼接過程需要使用特殊的內在邏輯。這些技術綜合應用時都需要經過相關的設計環節，通過科學合理的設計達成規范合理的相關技術要求[3]。在這種技術體系中，通過創新與改進各種技術（如得到應用的信息技術、遙感技術等）將各種信息技術與相應的機械技術結合，并同步作用到設備中，能夠滿足精確性產品生產的需要。它解決了人工設計時存在的諸多困難，既規避了生產時存在的風險，又節約了生產成本，而且提高了生產效率。

2 制造智能化、數控化、精細化

2.1 智能化

隨著網絡信息技術的快速發展，人腦智慧逐漸融匯于物化設備與電腦網絡，從而促進整合了先進技術的人工智能技術應用到機械設計制造及其自動化行業中[4]。智能制造技術與多種現代科學技術進行智能化組合后，在機械設計制造及其自動化技術中發揮了重要的技術革新作用。使用這種技術加工產品的同時，可通過互聯網實時傳送數據。通過可以存儲和分析大數據的云平臺，就能夠在智能化終端遠程操控設備或進行生產和產品質量監控，而且能提供生產任務調配、產品定制、遠程工藝支持及成本核算等一系列服務，從而提升了整個機械設計制造及其自動化過程的效率。

2006年9月，在IMTS展會上展出的日本MAZAK公司研發制造的智能機床，已經能夠實現對自身的監控，而且可自行分析眾多與機床、加工狀態、環境有關的信息及其他因素，從而自行采取應對措施來保證最優化的加工。由此可知，MAZAK公司研發的機床已經能夠發出信息和進行思考，還能夠自行適應柔性和高效生產系統的要求。

2.2 數控化

當今時代是一個數字化信息時代，數字技術作為現代化科學技術發展的主要標志，在機械設計制造及其自動化技術中主要體現在產品圖紙的設計和存儲模式、設備參數的改變以及生產加工過程中各種數據、參數的控制等[5]。數字化的優勢在信息傳播上表現得尤為明顯，能夠將信息精準、快速整合并傳播，通過把該技術與機械設計制造及其自動化技術結合，促使了數控技術的出現。數控技術是數字化技術在機械制造業應用的高新技術，是借助數字化信息控制機械運動及加工過程的方法。數控系統是指為實現數字控制功能而設計的一套解決方案，由控制、伺服和位置測量三大系統組成。在機械設備生產加工過程中，機器人、數控機床應用越來越廣泛。在用這些設備生產加工時，要求根據設計圖紙、參數等信息先提前設置程序，然后再加工產品。工作人員通過輸入設備把所需要的命令輸入機器人或數控機床等加工設備，使機械生產和加工過程嚴格按照產品的要求和參數進行生產。這種方式大大提升了機械設備的生產效率和產品精度，使機械設計制造及其自動化技術得到了進步。

2.3 精細化

機械設計制造及其自動化技術本身是多種現代化技術的高度集合技術，是多領域現代高新技術（如計算機技術、信息技術、遙感技術、位置測量技術等）相互交織的現代化高新技術。在利用智能化、微型化、仿真技術、3D技術等進行產品設計的過程中，應用先進的機械設計制造及其自動化技術可以提高產品的設計質量，使產品滿足精確性要求。通過精確計算自動化生產處理的各個環節，使智能化機械設備按照圖紙中的參數要求穩定地進行生產操作，既能加工很多尺寸很小、精度很高（如微米級、納米級）的產品，又能保證產品的質量穩定性，提高產品的生產速度和生產效率。

當前，我國的機械制造水平與西方發達國家還有一定差距，其關鍵在于制造精度較低。然而，許多精密和超精密加工設備要想依靠自動化技術達到預期指標，必須依賴于精密加工才能實現。兩者相互支持、相互依靠，對現代化制造技術具有決定性的作用，是先進制造技術的支柱。

3 過程節能化、環保化、高效化

隨著現代科學技術的發展，大量信息科學技術在機械設計制造及其自動化領域的應用促進了整個行業的發展。在機械設計與制造的過程中，通過對傳統生產環節和生產流程進行全面精簡，可以推動產品生產與技術的創新，從整體上縮短相關生產流程的單位運行時間，充分體現了節約原材料、節約時間、產品綠色環保、提高生產效率等現代化工業生產所追求的發展理念。

在設計圖紙時，傳統工藝中一個機械設計流程要經過繪畫圖紙、查詢標準等多種煩瑣的步驟才能完成，而且一個完整的工藝過程又包括多種獨立的工序，其中任何一個環節出現錯誤，都會導致實際結果出現偏差。現代化的機械設計制造及其自動化技術在生產活動中的應用，通過利用互聯網、大數據、云計算、3D技術以及仿真技術等現代的高新技術，解決了人工設計圖紙時存在的圖紙繪制困難等問題，有效規避了產品質量不合格的風險，而且節約了人力、物力，提高了生產效率。

在產品生產加工過程中，傳統機械設計與制造的生產方式勞動強度大、所需加工人員多、加工周轉次數多，而且產品的加工精度不高、生產用時長、生產效率較低。此外，由于每個加工人員的技術水平不同，導致了批量產品的加工質量不穩定。智能制造將人腦智慧與網絡技術、物理設備融為一體，將設計與制造緊密結合，通過機器人、數控機床等設備精準地按照設計要求和各個參數進行生產加工。其產品產量和質量都很穩定，規避了傳統生產中產量不穩、質量不一的風險，而且節省了人力和時間成本，減少了廢品率，提高了生產效率。

隨著當今社會環境污染問題日益突出，在滿足人們日益增長的物質生活需求的同時，如何保護生態環境，避免環境污染與生產資源浪費，成為了機械設計制造及其自動化技術面對的新問題，也是必需要解決的問題。就我國現階段的工業發展而言，在滿足人們日益增長的物質生活、促進經濟水平和技術水平發展的同時，大面積環境的破環嚴重影響了我國的生態平衡，如何應對越來越嚴峻的生態環境惡化和生產資源流失，已影響到了人們的生存和發展。但是，隨著我國的節能環保意識越來越強，全國都在奉行綠水青山就是金山銀山這一理念。盡力減少廢氣廢物的排放，加強資源的回收再利用，使資源的到充分利用，大力推進風能、水能、光能等可再生資源的應用，使綠色可持續發展成為可能。

傳統機械工業受科學技術發展水平的限制，其生產工藝和生產方式較為落后，對生產資源浪費嚴重，且對環境的污染較大，如排放的廢氣對空氣環境的污染、排放的廢水對水環境的污染、產生的噪聲污染以及固體廢物污染等。現代化機械設計制造及其自動化技術，通過在設計和生產加工過程中應用大量新技術、新方法、新工藝、新材料，達到了少排甚至不排工業廢氣、廢水，降低了生產過程中產生的噪聲，減少了原有材料對環境的污染和固體廢物的產生。這也是現代機械設計制造及自動化持續發展的新方向。

隨著機械技術、微電子技術、自動化設計與控制技術、計算機技術以及現代信息技術等現代科學技術的發展，現代機械設計制造及其自動化技術得到了快速發展。同時，生產效率的提高在產品設計、產品生產加工等各個環節都得到了充分體現。與傳統生產工藝相比，應用現代科學技術后的生產效率是以往的百倍甚至千倍，從根本上改變了人們的生產和生活方式，促進了人類社會的進步。

4 結語

隨著近十幾年科學技術的發展，特別是互聯網等現代信息技術的發展，有效促進了機械設計制造及其自動化技術在國民經濟生產各個領域中的重要作用，并且越來越呈現出設計科技化、信息化、綜合化，制造智能化、數控化、精細化，生產過程節能化、環保化、高效化等特點，滿足了國民經濟發展與人們對物質增長的需求。