智能制造背景下機械設計及自動化技術發展方向研究

李 峰

(牡丹江大為機電有限公司，黑龍江 牡丹江 157041)

0 引言

機械設計與制造是支撐我國經濟穩定發展的關鍵技術，綜合發達國家的發展歷史，無不是以工業發展保障國家國際地位，我國機械設計及自動化技術的發展已經進入平穩發展的時期，同時整個社會已經進入運用人工智能等技術促進技術發展的時代，如何借助新一代數字化、智能化技術，推動我國機械設計及自動化技術升級換代，以強有力機械能力助力我國工業發展，成為當下相關學者研究的熱門問題。

1 智能制造的概念及特點

1.1 智能制造的概念

智能制造概念的提出已有近30年歷史，最初是由日本在1990年倡導的“智能制造系統IMS”國際項目中提出的，可以被認定為一種由智能機器和人類專家系統共同組成的人機一體化智能系統，其通過運用神經網絡、機器學習等智能算法對制造過程中的人的各項工作活動進行取代，完成對事件的分析、推理、判斷構思和決策。智能制造的提出和應用，極大地延伸了人類專家在制造過程中的腦力勞動，推動著自動化的概念向柔性化、智能化和集成化方向發展。

1.2 智能制造的內涵

1.2.1 數字化

數字化是智能制造的基礎，智能制造旨在減少人對于制造過程的干預，使設備具有自主決策和工作的能力，相對于人對各項生產要素的主觀決策分析能力，機械設備對于外部環境的感知能力較弱，因此，且由于設備的決策過程是通過計算機智能算法實現的，因此，實現傳統制造向智能制造的轉型升級，就必須先要實現設備運行過程的數字化。

1.2.2 可視化

可視化是智能制造實現過程的必要環節，由于人類對于數字的處理也均通過計算機網絡實現，當有大量生產數據出現時，僅靠人類的腦力難以進行控制和察覺，因此需要借助可視化工具，將各項生產數據表現的更為直觀，有助于人類對于生產過程的檢測和調整。

1.2.3 自動化

自動化是實現智能制造的基礎，也是將人類從制造活動中解放的有力工具，且伴隨著近年來數控技術的不斷發展，自動化水平也在逐年提升，通過添置自動化設備，實現生產過程的無人化，同時，自動化技術的應用也能極大保證生產過程各項活動的精準性，對于提高制造水平具有重要意義。

1.2.4 協同化

任何一款產品的設計與制造過程都是分步進行的，往往需要借助多種設備依次對部件進行加工，才能實現產品的設計功能，因此，就需要不同設備之間的協調與配合。生產過程協同化主要涉及到復雜產品的生產過程，通過協同，減少生產過程中不必要的等待與迂回，進而提高整個生產過程的流暢性，是實現智能制造的重要保證。

2 我國現階段機械設計及自動化技術發展現狀

盡管近年來我國的機械設計與自動化技術已經得到快速發展，但由于各項科學技術的不斷應用，加快了我國智能制造計劃的實現進程，不可避免對現有的機械設計及自動化技術產生沖擊，具體可從以下三個方面進行概述。

2.1 自主創新能力弱，科技成果轉換低

自主創新能力弱，科技成果轉換率低是我國現階段機械設計及自動化技術發展面臨的問題。據統計，從21世紀初，我國國家知識產權局授權的發明專利已經連續數年位居世界第一，但由于我國各項生產工藝和母機產品對國外依賴性強，導致科技成果轉換不完全，對于設備的關鍵零部件、系統軟件及高端設備產品，我國還未具備自主的生產和加工能力，這也是限制我國機械設計及自動化技術發展的關鍵因素。

2.2 資源利用率低，環境污染嚴重

改革開放以來，我國因為各項生產資源豐富，吸引了大量的外國企業來到我國進行發展，快速提高了我國的設計與制造水平，同時也對于我國生態環境造成了不可磨滅的影響。由于我國的機械設計與自動化技術是在外資企業的影響下快速發展起來的，因此，現階段各項產品的設計與使用過程中，未考慮對于生態環境的影響。根據我國近年來的環境監測公報，在全國地級及以上城市，控制質量超標的比例達到3/4。當前，我國的主要矛盾發生改變，我國的經濟也從高速發展轉變為高質量發展，這必然對我國機械設計制造及自動化行業產生影響。

2.3 高端產品少，信息技術應用不全面

高端產品少，信息化技術應用不全面是我國現階段機械設計制造與自動化技術面臨的一大難題。改革開放40年，對我國國民經濟發展產生了重大影響，如果減少生產過程對于生產資源的過度消耗，提高我國機械設計與制造過程的信息化智能化水平成為當前我國經濟產業轉型的一大瓶頸。在經濟全球化背景下，推動信息化技術在制造業中的應用是未來工業發展的主要內容，加快我國在產品研發、設計、制造、管理和服務過程中的信息化技術應用是解決我國當前產品不夠高端的主要途徑。

3 未來發展方向及支撐技術

3.1 發展方向

綜合現階段機械設計及自動化技術發展現狀，以及我國在設計研發方面的資金投入和成果轉換力度，多學科耦合集成、模塊化與網絡化將成為未來我國機械設計及自動化技術的發展方向。

3.1.1 多學科耦合集成化設計

隨著人們對于產品功能的需求越來越充滿個性，產品的結構也越來越復雜，僅靠單一學科的產品設計已經不能滿足人們的需求，機械、電氣、通信、控制等多學科耦合必然成為未來機械設計與自動化技術的發展趨勢。通過多學科進行耦合，進一步減少生產過程中對于人工的依賴，利用計算機進行產品功能仿真，并具有針對性的迭代優化設計，最終實現產品功能的完備性和可靠性。

3.1.2 模塊化與網絡化相結合

模塊化與網絡化的機械設計模式能統籌各項資源，將任務進行分配與整合，從而提高機械設計與自動化水平，按照設計團隊的專業技能或者對產品的功能進行拆解，對任務分配，實現模塊化產品設計，即并行工程作業，能極大提升設計的進程，保證產品設計的質量。同時，通過網絡化，將各模塊化的功能結構設計進行連接，實現各工作小組之間的資源共享和及時溝通，從而保證產品整體的工作性能，最終提升了機械設計與自動化水平。

3.2 關鍵支撐技術

智能制造背景下機械設計與自動化技術朝著多學科耦合與網絡化等方向發展，需要大量的科學技術進行支撐。

3.2.1 分布式網絡布局設計技術

現階段，幾乎所有的機械與自動化設計過程均在計算機上完成，分布式網絡布局設計則為實現并行工程作業所必須的技術，將各工作小組團隊的計算機進行連接，實現設備的交互，能有效減少因流程和資源傳輸導致的設計過程資源浪費。

3.2.2 計算機三維可視化仿真技術

計算機三維可視化仿真技術包括兩部分內容，第一是三維可視化，即通過計算機輔助設計軟件，將客戶的需求進行可視化呈現，與傳統二維視圖相比，三維可視化能直觀明了的將產品細節進行展示，避免因設計問題而導致的產品報廢；第二是計算機仿真技術，由于現階段大多數產品均為多系統復雜產品，通過計算機仿真技術，將產品的工作過程進行數據化分析，找出關鍵點進行功能加強。

3.2.3 數據云存儲與共享技術

數字化是實現智能制造的基礎，機械設計與自動化實現的過程會產生大量過程數據，數據云存儲與共享技術能有效實現部門之間的數據交流，并通過減少紙質化存儲，保證了數據的安全性和可轉移性，便于后續深度開發和經驗分享。

4 結語

隨著我國智能制造2025計劃的不斷實施，各項科學技術對于我國機械設計與自動化的發展產生了很大沖擊，借助最新科技成果，完成我國機械設計與自動化技術的轉型升級對于我國工業發展具有重要意義。