機械加工制造中自動化技術的應用

孟憲滿

[摘? ? 要]近年來，在科學技術不斷創新的發展背景之下，先進自動化技術不斷產生，并且被廣泛應用于我國多個領域中。其中，機械加工制造業有效運用自動化技術，在很大的程度上改進了以往傳統的機械加工制造模式，進而滿足現代社會對于機械加工產品的發展需要。文章分析機械制造中自動化技術的意義與優勢，列舉自動化技術在現代機械制造中的集成化應用、柔性自動化應用與智能化應用。

[關鍵詞]機械加工制造;自動化技術;應用與發展;智能化

[中圖分類號]TH16 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）09–00–03

[Abstract]In recent years， under the new development background of continuous science and technology innovation， automation technology has emerged， and has been widely applied in many fields in China. Mechanical processing and manufacturing has also gradually become modernized， mechanical processing and manufacturing industry effectively use automation technology， can improve the traditional mechanical processing and manufacturing mode to a large extent， and then meet the needs of modern society for the development of mechanical processing products. This paper analyzes the significance and advantages of automation technology in mechanical manufacturing， and lists the integrated application， flexible automation application and intelligent application of automation technology in modern mechanical manufacturing.

[Keywords]mechanical processing and manufacturing; automation technology; application and development; intelligence

1 機械加工制造中自動化技術應用的意義

目前，對于現代機械加工制造行業來講，合理有效地應用自動化技術，可以在很大程度上節省時間、人力以及物力成本。且相對于人力操作來說，自動化技術的穩定性較強，生產操作的方式也相對更加簡單安全，這樣不僅減輕了生產制造人員的工作壓力，還為機械加工制造的生產系統提供了穩定、高效的保障。

更新并升級換代機械加工制造的生產方式，有效提高企業的自動化生產技術水平，這不僅讓機械設備裝置和現代化技術進行了有效的融合，并且將其運用到了人們實際的生產活動之中，使得生產線上的各個步驟之間的聯系更加緊密，使得企業能夠大幅度提升自身的生產效率和資源的利用率，這樣在最大程度上避免了資源的浪費，將經濟效益最大化。

2 機械加工制造中自動化技術的特點與優勢

自動化技術包羅萬象，在多門學科的綜合應用下，自動化技術被賦予了更加完善的功能，減少了人工參與制造生產，在設定計算機命令程序后便可進行加工制造。在科技日新月異的發展背景之下，自動化技術在機械加工制造領域中實現了越來越專業和成熟的應用，應用的特點主要包括安全性，廣泛性，高效性。

2.1 安全性

在計算機技術的支持下，機械加工制造生產線可以建立安全演示平臺以及危險預警平臺，能夠最大程度上保證參與機械加工制造人員的安全。在過去很長的一段時間內，機械加工制造都是需要繪制相應的圖紙，并需要操作人員進行現場的勘測和加工處理，由于受到多方面人員因素的影響，使得機械加工制造行業的安全一直無法得到有效保障。隨著自動化技術的誕生完善，計算機虛擬仿真技術開始建立安全演示和預警平臺，這些技術應用都能及時地發現生產線上潛在的安全隱患問題，并將這些問題盡早解決，最終達到規避機械加工制造中安全隱患問題的目的。

2.2 廣泛性

隨著計算機技術的快速發展，自動化技術迎來了前所未有的發展機遇，自動化技術被廣泛應用于各個領域行業。在機械制造加工過程中，自動化技術在制造、研發、設計和運輸等各個環節都起到了至關重要的作用。

2.3 高效性

過去的很長一段時間內，機械制造加工都是主要依靠人力解決，但是隨著社會對于加工進度和要求的不斷提升，傳統的制造加工方式已經逐漸無法滿足社會需求。自動化技術可以有效地提高加工的速度和質量，達到高效精準的加工制造效果，使得整個加工制造流程變得更加高效率、高質量。

3 國內機械加工制造中自動化技術的應用

3.1 集成化應用

隨著高性能材料技術與微電子技術的不斷發展，機械自動化加工設備愈加愈趨于小型化和集成化，機械自動化加工系統依托于嵌入式技術也愈發變得系統化，應用范圍也愈來愈廣泛。

集成化的機械加工制造中自動化技術將自動化系統分成程序模塊、傳感模塊、作用模塊、制定模塊與控制模塊五部分。程序模塊即軟件層面的機械加工制造控制，隨著技術的發展與工程效率的需求，機械自動化軟件更多地采用圖形化的編程方式與強大的人機交互界面，一方面使自動化設備更加明確產品的技術要求，另一方面使得技術人員越發明確設備的運行情況，使得機械自動化設備的可控性與操作性大幅增強;傳感模塊即機械自動化技術中硬件層面的應用，傳感模塊有眾多不同種類的高性能傳感器構成，MQTT無線通信技術的發展與工業化應用使得眾多傳感器的龐大數據量能夠并行、高效、無失真的傳輸，實現了對機械加工制造過程的實時控制、作用模塊即機械自動化設備的能量供應系統，通過計算加工過程的工程量控制能源供應，提高能源利用率并減少污染物排放;制定模塊是機械自動化系統的核心模塊，通過制定模塊采集、整合、分析傳感器數據并反饋給微控制器，并將程序輸入設備進行對切割刀具的控制;控制模塊與制定模塊在物理結構上聯通，位于機械自動化系統的終端，通過控制系統最終完成對機械臂、切割刀具的動作控制，并保障加工過程中的標準型與安全性。在機械自動化系統設備層外，還通過計算機技術建立工程數據庫，不斷累積加工數據，用于調配物資、規劃流程、人員管理等方面，對于高質量的機械加工實現具有重要意義。

3.2 柔性自動化應用

柔性自動化是相對于傳統的剛性自動化而產生的概念，為了改善傳統自動化領域存在的生產產品單一性的問題，并彌補剛性自動化生產線更換或維護組件周期長的問題，提高生產效率，現代自動化領域提出了柔性自動化技術（圖1）。柔性自動化具有生產工藝多樣性與生產產品可變性的特點，并保留了剛性自動化生產率高的優點。在結構上，柔性自動化生產線通過計算機管理系統進行統一控制，完成物料儲運、工藝設計、加工制造的一體化實現。柔性自動化生產線在加工精度上也具有很大優勢，柔性自動化設備有自主排查與糾錯能力，當生產線的某一部分發生故障時，微控制器通過分析故障原因可做出流程調整或故障設備繞行的解決方案。理想化的柔性自動化生產系統可以達到全程無人化生產，極大地削減人工成本的同時最大化地實現安全生產。

3.3 智能化應用

智能化是在柔性自動化基礎上的進一步技術升級。隨著人工智能、深度學習技術與大數據技術的發展與融合，基于人工智能的機械加工制造自動化呈現出智能化的特點，具體表現在高速度、高精度、高效率的實現，以及復合工藝與多軸化技術的逐步成熟。在“三高”的實現上，設備采用高速控制系統與高分辨率檢測元件組成的交流數字伺服系統，有效提高了設備的動態與靜態特性;復合工藝的實踐減少了工序數量與各工序時長，通過多軸設計聯動性完成設備的自動換刀、旋轉主軸頭與交換工作臺等操作。在管理層面，智能化體現在實時管理系統的應用與升級上，傳統實時管理系統僅能實現任務調度與工期保障，而智能化的實時管理系統通過計算仿真，濾除管理中的冗余部分，實現生產過程的動態化控制。

此外，智能化的最突出特點在于自動化設備的自主學習能力，設備通過機器視覺技術對大量工程經驗進行累計，并通過神經網絡技術進行數據分析與數學建模，最終通過可視化的人機交互界面反饋給技術人員。高度智能化的自動生產線可以實現無機械接觸的遠程控制，即設備的運行、更換與故障處理都由設備自主完成，工程僅需完成設備的監測與機器溝通的任務。

4 機械加工制造中自動化技術的發展趨勢

4.1 虛擬化

虛擬化是機械加工制造及其自動化發展的一大趨勢，虛擬化主要是指運用計算機技術實現工藝設計虛擬化、操作系統圖像化以及制作工藝仿真化。

對于工藝設計虛擬化，采用CAD/CAM技術進行計算機輔助設計與計算機輔助制造一體化應用一個完整的CAD/CAM系統包括數字計算與圖形處理、3D建模與幾何規劃、數控加工與數據儲存、快速檢索與快速調取、人機交互界面以及多維度輸入輸出等功能，在硬件層面涉及計算機及外部設備與終端數控機床，人工操作始終是現階段機械加工與制造的核心。技術人員通過CAD軟件進行產品設計、工程分析與圖紙繪制，再通過CAM軟件進行工藝設計、工裝設計，并通過NC自動編程實現加工軌跡、工藝參數與輔助動作的編寫，并作用于控制介質上，實現數控機床的加工制造。由于我國機械自動化領域起步較晚，且技術人員長期學習并采用OpenGL等國外軟件進行設計開發，目前我國對于CAD/CAM技術的研究程度與應用程度均與工業發達國家存在不小的差距，對于CAD/CAM技術的自主創新能力也存在較大的上升空間。對于操作系統圖像化，利用高級編程語言對人機交互界面進行人性化、模塊化、圖像化的設計，并對操作界面進行多功能的技術分區，滿足用戶對于圖像模擬、圖像追蹤等功能的需求。對于制作工藝仿真化，虛擬化技術通過仿真技術模擬整個生產流程，更好地把握設計精度，在機械自動化的應用極大地縮減了企業的設計成本與設計周期，并顯著提高了工程的材料利用率。

4.2 數字化

數字化是機械加工制造及其自動化發展的另一大趨勢，機械自動化的數字化發展是指對于生產流程的數字化解析與數字化控制。我國提出要由制造大國向制造強國轉變，就必須實現機械加工制造的全領域數字化生產。此外，由于機械設計制造的特性化發展，企業需要更好地處理網絡信息，并進行高質量、短周期的設計以滿足多樣化的市場需求。數字化技術的深入應用也為這一目標的實現打下堅實的基礎。

對于數字化在機械自動化的應用，工業發達國家在20世紀80年代起就已經開始了對這一領域的研究。德國西門子公司開發的SINUMERIK ONE數字化原生數控系統實現了數控機床與開發軟件的雙胞胎式融合，并幫助用戶在一個數字化的空間內對工作流程進行完整的仿真與測試，采用SINUMERIK ONE的PLC控制系統可達到傳統PLC控制系統處理速度的10倍，并采用TIA Portal集成系統實現操作流程任意兩點間與自動化設備任意端對端間的控制，極大地節約了企業的時間與資金。對于自動化設備設計廠商的需求，同屬西門子公司開發NX Virtual Machine虛擬機中的Sinumerik-VNCK功能實現了機床的設計、工程建構、調試與維護的數字化，用戶無需通過拆解設備即可了解設備內部結構并對設備進行直接控制。

4.3 綠色化

綠色化是新時代社會對于工業企業提出的全新要求，由于全球范圍內的氣候變化與傳統資源的高速消耗，綠色化與低碳化的新生產模式成為現代企業的必然發展方向。從企業經濟效益的角度來看，綠色化與低碳化的生產模式可以削減能源成本，并且國家對于環境友好型工業生產方式的發展樹立了專項補貼與有利政策，都在一定程度上為企業帶來經濟收益。此外，綠色化的生產方式對于工作環境的改善，使得員工具有更好的工作積極性，進而實現工作質量的提升與企業收益的增加。實現綠色化的生產方式，①需要從源頭入手，提高企業的環境保護意識。②在設備生產時盡量延長設備的使用壽命，對于老舊設備，及時回收老舊設備中的可循環利用的部分。

此外，加大對于綠色制造工藝的研究與應用。綠色加工過程涉及綠色設計、綠色材料、綠色設備、綠色包裝、綠色管理五方面，全方位的綠色化轉型才能真正實現機械加工制造企業的綠色化。在國內，上海交通大學、清華大學等高等院校研發的三價鉻電鍍工藝、無鉛焊接工藝、干凍消磨加工工藝等一系列工藝為機械自動化生產的各個環節提供綠色化的解決方案，中國機械科學研究總院提出的“數字化無膜鑄造精密成型技術研究”為金屬材料、玻璃材料與樹脂材料的鑄造提供了完整的電機產品綠色技術標準。國際上，歐盟針對機械制造過程中產生的廢料與機械自動化設備的回收問題，提出了“下一代生產系統”的解決方案。該系統在原理上通過使用可再生材料延長設備的生命周期，并使得設備離散化，實現更精密的設備循環利用，通過“下一代生產系統”處理后，機床設備的回收率接近80%、能源消耗減少了30%，并在減少噪聲污染、重金屬排放等方面有顯著成效。

5 結束語

自動化技術在機械加工制造行業的廣泛應用，有效地為機械加工制造操作提供了有力的支持和保障，極大地推動了機械加工制造行業的現代化發展。隨著當前社會科技的快速進步與發展，機械加工制造中傳統技術的弊端也日益凸顯，傳統技術開始成為了機械加工制造發展路上的絆腳石，自動化技術的應用具備了顯著優勢，極大地提升機械加工制造的效率以及生產產品的質量。目前機械加工制造的自動化技術應用還處于初步發展階段，需要進一步加快自動化技術的發展與完善，創新與應用，充分發揮計算機技術在該領域行業內的應用，促進機械加工制造的自動化發展，有效促進機械加工制造的快速發展。

參考文獻

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