機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用研究

付云開(kāi)

（商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院，商丘 476000）

1 前言

機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)指的是使用數(shù)字技術(shù)操控設(shè)備并完成生產(chǎn)任務(wù)的技術(shù)手段，具有節(jié)約人力成本、提高制造質(zhì)量等價(jià)值。新時(shí)代在環(huán)保、低耗等綠色發(fā)展理念廣泛推行的基礎(chǔ)上，機(jī)械制造工藝、流程、標(biāo)準(zhǔn)需不斷優(yōu)化，傳統(tǒng)的制造手段顯然無(wú)法滿足生產(chǎn)者與消費(fèi)者的需求，這就需要增強(qiáng)機(jī)械制造的自動(dòng)性，在創(chuàng)新?tīng)?zhēng)優(yōu)、節(jié)約成本、控制能耗的層面上彰顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)。基于此，為了助推我國(guó)機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)穩(wěn)健發(fā)展，研究機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用策略顯得尤為重要。

2 概述機(jī)械自動(dòng)化

20世紀(jì)70年代機(jī)電一體化在《機(jī)械設(shè)計(jì)》（日本）雜志中出現(xiàn)，1984年美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)對(duì)現(xiàn)代機(jī)械進(jìn)行定義，該協(xié)會(huì)認(rèn)為現(xiàn)代機(jī)械主要是指由網(wǎng)絡(luò)控制與協(xié)調(diào)的生產(chǎn)制造方式，需計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與各類動(dòng)力學(xué)任務(wù)機(jī)制共同發(fā)揮作用，20世紀(jì)90年代在歸納總結(jié)機(jī)電一體化發(fā)展經(jīng)驗(yàn)的前提下，將機(jī)電一體化視為電子控制系統(tǒng)、精密機(jī)械、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造工藝等方面協(xié)同作用下的產(chǎn)物。機(jī)電一體化的探索與實(shí)踐為機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用推廣奠定了基礎(chǔ)。

機(jī)械自動(dòng)化在多學(xué)科、多種技術(shù)手段交融滲透的基礎(chǔ)上不斷發(fā)展，它改變了生產(chǎn)方式、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、技術(shù)流程，使機(jī)械制造得以邁進(jìn)“自動(dòng)化”時(shí)代，在傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子等技術(shù)共同發(fā)揮作用的過(guò)程中，增強(qiáng)機(jī)械制造的綜合性、可靠性、創(chuàng)新性。機(jī)械自動(dòng)化并非高新技術(shù)、機(jī)械制造技術(shù)的簡(jiǎn)單拼湊，主要源于機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用目的性，如有效控制誤差、實(shí)現(xiàn)綠色制造目標(biāo)等，繼而助推機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)穩(wěn)健發(fā)展[1]。

3 機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械制造中應(yīng)用的價(jià)值

3.1 提高制造質(zhì)量

在機(jī)械制造中應(yīng)用機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)具有提高制造質(zhì)量的價(jià)值，主要源于應(yīng)用編程技術(shù)，可事先在系統(tǒng)內(nèi)錄入制造程序，該程序有著較強(qiáng)的目的性，可避免出現(xiàn)機(jī)械制造與預(yù)期不符的情況，在此基礎(chǔ)上提高機(jī)械制造質(zhì)量。因?yàn)闄C(jī)械設(shè)備、制造系統(tǒng)按照既定的程序運(yùn)轉(zhuǎn)，所以在生產(chǎn)制造活動(dòng)中能免受人力干擾。相較于人力，機(jī)械設(shè)備受系統(tǒng)控制自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的精度更高，更利于打造精密儀器。在機(jī)械制造中使用傳感器技術(shù)，及時(shí)了解制造的實(shí)際情況，在此前提下提高生產(chǎn)制造監(jiān)督質(zhì)量，收集整理監(jiān)督反饋所得信息，并利用信息調(diào)整技術(shù)參數(shù)，進(jìn)而不斷地提升機(jī)械制造水平。

3.2 降低運(yùn)維難度

機(jī)械自動(dòng)化由數(shù)字技術(shù)、先進(jìn)設(shè)備、信息系統(tǒng)等部分構(gòu)成，經(jīng)驗(yàn)表明，機(jī)械設(shè)備始終保持穩(wěn)定的狀態(tài)能更好地完成制造任務(wù)。在機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)的助力下，機(jī)械設(shè)備運(yùn)維難度將有所降低，在傳感器技術(shù)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)集成的條件下，機(jī)械設(shè)備具有自我保護(hù)、自動(dòng)診斷、監(jiān)視、預(yù)警等功能，一旦發(fā)生過(guò)流、過(guò)壓等故障，機(jī)械設(shè)備就能立即分析故障成因，判讀故障所在位置，生成故障分析報(bào)告并傳至專職人員的移動(dòng)終端，根據(jù)故障的危險(xiǎn)系數(shù)及影響范圍選擇性地關(guān)閉生產(chǎn)制造系統(tǒng)，便于專職人員盡快鎖定故障區(qū)域，縮短因設(shè)備故障而停產(chǎn)的時(shí)間，保障機(jī)械制造系統(tǒng)能快速恢復(fù)正常。

使用大數(shù)據(jù)技術(shù)分析處理機(jī)械設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，可以對(duì)相關(guān)設(shè)備的穩(wěn)定性做出基本的判斷，并依據(jù)判斷結(jié)果制定設(shè)備運(yùn)維方案，其目的是降低設(shè)備故障發(fā)生的幾率，還能保障機(jī)械制造系統(tǒng)長(zhǎng)期處于穩(wěn)定狀態(tài)。值得一提的是，在廣泛占有設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的條件下，立足不同的機(jī)械制造系統(tǒng)能規(guī)設(shè)機(jī)械設(shè)備故障預(yù)警模型，使用云計(jì)算技術(shù)分析處理設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，專職人員可依據(jù)分析報(bào)告展開(kāi)運(yùn)維工作，有效提高機(jī)械設(shè)備故障檢修的前瞻性，延長(zhǎng)設(shè)備壽命，優(yōu)化設(shè)備功能，增強(qiáng)機(jī)械制造系統(tǒng)的可靠性與靈敏性。

3.3 有效節(jié)約能耗

機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)賦予機(jī)械制造設(shè)備諸多功能，如自我保護(hù)功能、自我調(diào)節(jié)功能、自我校驗(yàn)功能、自動(dòng)補(bǔ)償功能等，應(yīng)用上述功能可有效節(jié)約機(jī)械制造能耗。以自我調(diào)節(jié)功能為例，當(dāng)機(jī)械制造系統(tǒng)分析判斷得出能耗超標(biāo)的結(jié)論后，就能運(yùn)用數(shù)字技術(shù)操控系統(tǒng)內(nèi)的機(jī)械設(shè)備，選擇性地關(guān)停部分設(shè)備，達(dá)到節(jié)約能耗的目的。因?yàn)闄C(jī)械自動(dòng)化技術(shù)提高了機(jī)械制造的精度，所以可減少劣質(zhì)元件的數(shù)量，還能提高制造效率，有效地節(jié)省了人力成本，同時(shí)減少因返工而投入的費(fèi)用。機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)助推機(jī)械系統(tǒng)向著輕小型的方向優(yōu)化升級(jí)，這可進(jìn)一步減少能源的投入率。當(dāng)前低耗、綠色、節(jié)能、環(huán)保是機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主旋律，使用機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)不僅能改進(jìn)機(jī)械制造系統(tǒng)，還能科學(xué)合理地控制能耗、減少成本及污染物的排放量，繼而助推機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[2]。

4 在機(jī)械制造中主要的機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用策略

4.1 數(shù)控技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用

數(shù)控技術(shù)主要指的是利用數(shù)字信息控制機(jī)械設(shè)備的技術(shù)手段，集網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、傳感檢測(cè)技術(shù)、現(xiàn)代控制等技術(shù)于一體，可以根據(jù)機(jī)械制造需求靈活設(shè)計(jì)軟硬件模塊。因?yàn)樵跈C(jī)械制造過(guò)程中可全程使用計(jì)算機(jī)程序控制生產(chǎn)系統(tǒng)，所以能減少人力成本。數(shù)控技術(shù)是機(jī)械自動(dòng)化的動(dòng)力之一，主要源于該技術(shù)增強(qiáng)了機(jī)械制造系統(tǒng)的開(kāi)放性，控制源為計(jì)算機(jī)，根據(jù)機(jī)械制造實(shí)際情況驅(qū)動(dòng)控制單元，還可重組執(zhí)行控制模塊，得到新的自動(dòng)控制機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)具有針對(duì)性、實(shí)效性等特點(diǎn)。數(shù)控車床是數(shù)控技術(shù)發(fā)揮作用的載體，車床上的刀具按照特定的程序自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，完成精準(zhǔn)加工元件的生產(chǎn)任務(wù)，在此基礎(chǔ)上能保證加工精度達(dá)標(biāo)、加工路線最短、刀具運(yùn)用時(shí)間最少、有效簡(jiǎn)化工序，實(shí)現(xiàn)高效加工的目標(biāo)。應(yīng)用數(shù)控技術(shù)展開(kāi)機(jī)械制造活動(dòng)，需專職人員率先剖析元件生產(chǎn)要求及圖樣，在明確元件尺寸、圖形、特性的條件下設(shè)定制造方案，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)得出數(shù)據(jù)，通常情況下數(shù)控系統(tǒng)有圓弧插補(bǔ)及直線插補(bǔ)的功能作用，只需計(jì)算得出元件輪廓上相近幾何元素的坐標(biāo)值就能編程，加之程序檢驗(yàn)，落實(shí)基于數(shù)控技術(shù)的機(jī)械制造目標(biāo)。未來(lái)數(shù)控技術(shù)將向著精密化、高速化、復(fù)合化、開(kāi)放化的方向發(fā)展，有效提高機(jī)械制造綜合質(zhì)量[3]。

4.2 虛擬技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用

虛擬技術(shù)主要是指能夠構(gòu)建虛擬世界的信息技術(shù)，依托仿真系統(tǒng)模擬真實(shí)環(huán)境，運(yùn)用諸多信息搭建三維場(chǎng)景，逼真的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)與嗅覺(jué)能給人一種身臨其境的真實(shí)感，“真”正是虛擬技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。虛擬技術(shù)具有沉浸、交互、想象三大特征，在機(jī)械制造中“交互”與“想象”這兩個(gè)特征較為突出。專職人員可使用虛擬技術(shù)把腦海中的設(shè)想呈現(xiàn)出來(lái)，提高虛擬設(shè)計(jì)質(zhì)量，利用多維信息設(shè)計(jì)機(jī)械產(chǎn)品，在感性認(rèn)知、理性探究互相影響的基礎(chǔ)上深化產(chǎn)品概念，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提升設(shè)計(jì)制造水平。以汽車設(shè)計(jì)制造為例，在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造流程中，圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、鑄模、評(píng)測(cè)、修改等環(huán)節(jié)需投入較多的時(shí)間成本，還會(huì)耗費(fèi)大量的資金，汽車新品研發(fā)壓力隨之加劇。使用虛擬技術(shù)則無(wú)需構(gòu)建實(shí)體模型，有效簡(jiǎn)化了機(jī)械制造工序，利用CAM、CAD等程序中的數(shù)據(jù)加強(qiáng)仿真模擬，壓縮機(jī)械制造周期，同時(shí)使用虛擬技術(shù)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)械制造環(huán)節(jié)可能存在的問(wèn)題，如管道鋪設(shè)不合理、元件精度不達(dá)標(biāo)等，設(shè)計(jì)人員將利用多維模型再次改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，有效解決不合理的設(shè)計(jì)問(wèn)題。

機(jī)械裝配是機(jī)械制造重要一環(huán)，專職人員把諸多的零部件組裝到一起，最終得到機(jī)械產(chǎn)品，因裝配不達(dá)標(biāo)而降低產(chǎn)品質(zhì)量的情況客觀存在，基于此專職人員可使用虛擬技術(shù)提升裝配水平，在線模擬裝配流程，檢查裝配設(shè)計(jì)方案，并以解決裝配問(wèn)題為導(dǎo)向自動(dòng)修整裝配方案。因?yàn)樘摂M技術(shù)具有交互性，所以專職人員如同在真實(shí)情境中拆裝零部件，系統(tǒng)提供序列處理、裝配約束處理、碰撞檢測(cè)等功能，使專職人員能夠客觀地分析、規(guī)劃、驗(yàn)證裝配序列。仿真裝配完畢后，系統(tǒng)不僅能記錄虛擬裝配相關(guān)數(shù)據(jù)，還能得到視頻、評(píng)審報(bào)告等內(nèi)容，以便專職人員后續(xù)分析與優(yōu)化機(jī)械裝配程序。

4.3 檢測(cè)技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用

檢測(cè)技術(shù)主要指的是使用數(shù)字技術(shù)、儀器設(shè)備檢驗(yàn)、測(cè)試機(jī)械設(shè)備性能的手段，該技術(shù)具有多樣性、科學(xué)性等特點(diǎn)，在機(jī)械制造中應(yīng)用得較為廣泛。

為了避免劣質(zhì)機(jī)械設(shè)備流向市場(chǎng)需有效應(yīng)用檢測(cè)技術(shù)，傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)可能會(huì)存在破壞機(jī)械設(shè)備整體結(jié)構(gòu)的問(wèn)題，基于此需在機(jī)械制造中應(yīng)用自動(dòng)化無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。以超聲探傷技術(shù)為例，該技術(shù)能自動(dòng)檢測(cè)出機(jī)械設(shè)備的內(nèi)部是否存在質(zhì)量問(wèn)題，如焊接不到位、裝配不嚴(yán)密等，能在不拆除機(jī)械設(shè)備的條件下敏感捕捉表面缺陷，該探傷系統(tǒng)主要由探頭、超聲波探傷儀兩部分組成，通常要使用耦合劑，接觸探頭的表面需進(jìn)行打磨處理，只有表面光潔才能更好地探傷。脈沖反射法是較為常見(jiàn)的超聲探傷技術(shù)手段，超聲波傳入金屬結(jié)構(gòu)后會(huì)反射回來(lái)，通過(guò)分析回波就能判斷金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)部是否有缺陷，根據(jù)結(jié)構(gòu)特征可使用斜角探傷法、垂直探傷法，板材、鍛件、鑄件、復(fù)合材料及焊縫等均可檢測(cè)。使用超聲探傷技術(shù)能獲取金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)部不連續(xù)的缺陷信息，在此基礎(chǔ)上得到立體模型及缺陷評(píng)估數(shù)據(jù)，為專職人員改進(jìn)機(jī)械設(shè)備提供依據(jù)[4]。

4.4 柔性技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用

柔性技術(shù)指的是集信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)于一體的現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)，改變了設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)營(yíng)相對(duì)獨(dú)立的狀態(tài)，在數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的支撐下，能建成覆蓋整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)的柔性控制網(wǎng)絡(luò)，這使得機(jī)械制造適應(yīng)客觀環(huán)境變化的水平得以提升，可以根據(jù)機(jī)械制造新要求、新工藝、新流程、新理念靈活地調(diào)整制造計(jì)劃，同時(shí)可調(diào)配機(jī)械制造資源，立足內(nèi)部形成合力，在成本投入最小、風(fēng)險(xiǎn)最低的情況下展開(kāi)機(jī)械制造活動(dòng)。柔性技術(shù)與剛性技術(shù)的概念相對(duì)，后者雖能大批量生產(chǎn)某種元件，但存在生產(chǎn)模式單一及很難滿足小批量、多元性生產(chǎn)需求的問(wèn)題，基于此需有效使用柔性技術(shù)，在設(shè)備柔性、工藝柔性、運(yùn)行柔性的前提下靈活地完成機(jī)械制造任務(wù)，達(dá)到機(jī)械制造適應(yīng)市場(chǎng)需求、更新速度快、成本較低的目的。當(dāng)前使用柔性技術(shù)建成了許多的機(jī)械制造線，以FML（柔性制造線）為例，該生產(chǎn)線具有CNC機(jī)床、加工中心通用率較高的特點(diǎn)，相較于中小批量多品種柔性生產(chǎn)線，F(xiàn)ML對(duì)物料搬運(yùn)柔性機(jī)制的要求并不高，采用離散型生產(chǎn)模式及分散型控制體系，實(shí)現(xiàn)機(jī)械制造自動(dòng)化及線性柔化的生產(chǎn)目標(biāo)。

4.5 智能技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用

在數(shù)字技術(shù)不斷取代人力展開(kāi)機(jī)械制造活動(dòng)的過(guò)程中智能技術(shù)持續(xù)發(fā)力，在數(shù)據(jù)分析、質(zhì)量管理、規(guī)劃設(shè)計(jì)等方面發(fā)揮著積極作用。例如，專職人員可在廣泛占有機(jī)械制造生產(chǎn)數(shù)據(jù)的前提下，依據(jù)生產(chǎn)要求、制造標(biāo)準(zhǔn)使用智能合約技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械制造目標(biāo)為導(dǎo)向規(guī)設(shè)合約細(xì)則，機(jī)械制造系統(tǒng)若足以觸發(fā)智能合約，就會(huì)自動(dòng)展開(kāi)機(jī)械制造活動(dòng)，加之模式識(shí)別、智能控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)同時(shí)發(fā)揮積極作用，有效解決機(jī)械制造相關(guān)問(wèn)題，全程無(wú)需人力操控，繼而達(dá)到自動(dòng)化、智慧化機(jī)械制造的目的。

4.6 集成技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用

集成技術(shù)助力機(jī)械制造系統(tǒng)優(yōu)化升級(jí)，依托集成制造系統(tǒng)（CIMS）提升產(chǎn)品全生命周期管控水平，為了做到這一點(diǎn)細(xì)分輔助系統(tǒng)，如輔助測(cè)試系統(tǒng)（CAT）、輔助工藝規(guī)劃系統(tǒng)（CAPP）、輔助質(zhì)控系統(tǒng)（CAQ）等，繼而充分收集、加工、運(yùn)用在機(jī)械制造全程所生成的數(shù)據(jù)，并在生產(chǎn)制造、設(shè)計(jì)決策等環(huán)節(jié)發(fā)揮作用，同時(shí)支持“并行工程”，致力于機(jī)械制造全生命周期的各個(gè)環(huán)節(jié)在專家系統(tǒng)的服務(wù)下并行運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到統(tǒng)攬全局優(yōu)化機(jī)械制造體系、縮短新品推廣周期、集約利用生產(chǎn)要素的目的[5]。集成制造系統(tǒng)不僅將生產(chǎn)系統(tǒng)、技術(shù)等系統(tǒng)集成到了一起，還將信息、人的思想等內(nèi)容集成到了一起，有效滿足機(jī)械制造對(duì)諸多生產(chǎn)要素的切實(shí)需求。

5 結(jié)論

綜上所述，機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用具有減少成本、提高生產(chǎn)效率、優(yōu)化產(chǎn)品性能等價(jià)值，基于此專職人員要注重應(yīng)用機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)，如數(shù)控技術(shù)、集成技術(shù)等，將人力從繁重的機(jī)械制造活動(dòng)中抽離出來(lái)，使生產(chǎn)者有更多的精力革新機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)。未來(lái)機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)將向著安全、穩(wěn)定、簡(jiǎn)便、綠色、高效的方向持續(xù)優(yōu)化升級(jí)，進(jìn)而助推機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)穩(wěn)健發(fā)展。