機械設計制造及其自動化的優勢與發展趨勢探討

杜一恒

（青島理工大學，山東 青島 266525）

0 引言

機械制造是國民經濟和社會經濟發展的支柱產業，也是一個國家經濟發展和社會繁榮的主要標志。機械的普遍使用，不但給我們的日常生活和工作帶來了很大的方便，提高了生活品質，而且對社會快速發展也有很大的幫助。所以，機械制造關系到國家、社會和人類的發展，在當今高效率高質量的發展條件下，怎樣才能在目前的工業領域中，實現和合理應用自動化的機械設計和制造，是一個需要進行深入探討和解決的關鍵問題。

1 機械設計制造及其自動化相關概述

傳統的機械制造業的生產效率比較低，很難適應現代社會高效的發展要求，因此迫切需要智能化、系統化、集成化的裝備與技術，因此在這種情況下，機械設計制造自動化應運而生。機械設計制造包含了產品規格和尺寸的精確設計、高效的機械制造，進而生產出與標準相符的機械產品，是現代工業和技術相互融合的產物。而自動化則是由人工神經網絡、遠程監控、信息傳感等多項關鍵技術組合而成，它不僅可對機械產品的設計工作進行協助，還可以發揮出簡化流程、減輕負擔、提升設計水平等多重功能，同時還能在沒有人為介入的情況下，根據操作準則來控制生產裝備，讓其按照預先確定的方案來進行機械產品的制造活動，實現產品生產質量、企業經營效益以及安全生產的三重提升[1]。

2 機械設計制造及其自動化應用現狀

2.1 重視程度不足

好的技術既要有國家的扶持，也要有當地政府的扶持，尤其是那些關系到產業轉型和發展的技術，更要得到政府的大力扶持。在傳統的機械設計制造業中，以往的生產方式已經在我們的生活中根深蒂固，而在國家和地區的層次上，缺乏對機械設計制造的引導和推動，尤其是部分地區，其工作重心并沒有放在機械設計制造自動化上。盡管近年來，國家已逐步對此項技術的普及給予了關注，但總體而言，其普及仍需一個漫長的過程，唯有如此，方可取得工業上的突破性進展，進而實現產業的轉型與升級，使國內的機械設計制造取得更高質量的突破。在政策支持和基礎推廣方面，我們與外國先進國家仍有較大的差距，許多技術都是從海外采購來的，所以很容易被他人牽制，且由于缺乏資本和市場，有些小型公司對技術的了解并不深入，所以技術上的投資并不多，這就造成了機械設計制造在總體上沒有得到很好的重視。

2.2 缺少復合型人才

產業發展的核心是人才，尤其是高技術領域，更應以人為本，以技術創新為導向。而對于機械設計制造自動化而言，要實現技術與行業的提升，就必須要有一批高素質的專業人員。這種人才不僅要懂得機械設計制造的原理，而且要是自動化設計方面的專家，所以，在機械設計制造及其自動化領域，最需要的就是復合型的人才。從當前我國培養人才的模式和內容上可以觀察到，對這種復合型人才的培養數量非常稀少，許多院校也沒有開設相關專業，這就造成了在機械設計制造及自動化領域中，出現了人才短缺現象，這對產業的整體發展不利。

2.3 自主研發有待加強

機械設計制造及其自動化是一項嶄新的技術，它需要將機械設計與自動化互相融合，實現有機統一，從而達到自動化生產的目的。然而，從當前國內在機械設計與生產中的應用來看，仍存在著許多可以提高與改善的地方。從總體上來看，我國在機械設計制造自動化上已經取得了根本性的突破和進展，但在一些高精度技術上，還不夠專業和成熟，要想在這一點上有所改善，還得繼續加大研究資金的投入，引進研究人才，現階段我國自主研發的動力和創新成果還比較少，許多技術都是在國外被淘汰掉的，與發達國家相比較而言還有一定的差距。所以，在機械設計制造及其自動化方面，還需要提高科學技術水平。

3 機械設計制造及其自動化的應用優勢

機械設計制造及其自動化是在傳統的制造產業基礎上，加入了自動控制、自動檢測等新興技術，是對傳統技術的突破與變革。它是通過改進原有的工藝過程、更換原有的設備、重塑原有的設計理念，建立而成的一個新生產系統，其應用優勢主要有以下4 個方面。

（1）集成化的工作過程。機械設計制造及其自動化的最終目的就是要達到高效率、易操作、多功能、多方位的生產過程。在實際生產中，這一技術是通過貫穿整個生產過程來實現的，從原料到成品、從產品加工到最終成品都與集成化的設備、生產模型等相關聯[2]。同時，集成化的工作流程可以把各種工作類型、內容、形式等結合起來，尤其是在多樣化、多工藝復合的生產過程中，它具備巨大的生產優勢。

（2）系統性的工作基礎。監控和檢測是系統性工作的根本體現。監控系統可以對工作方式和操作過程進行掌控和追蹤，讓工作人員可以對總體的工作進度有一個全面的掌握，對生產節奏有一個清晰的了解，同時還可以對產品精度與公差進行掌控，并對實時檢測出的產品問題進行追蹤。檢測系統可以對產品的缺陷進行高效檢測，并將檢測結果及時地輸出到生產設備中，對出現的問題進行及時的預警，從而提升生產品質，為高質量的生產奠定基礎和保證。

（3）自動化的生產過程。自動化是機械設計制造和自動化技術的一個重要特點，其目的是為了解決傳統工藝中存在的生產效率低、產品質量差的問題。自動化的實現在很大程度上表現為產品的設計和制造都是用一個系統來對其進行控制，并且可以使其自動地完成全部的工作，在這個過程中，幾乎沒有任何工作人員的直接介入，實現全自動的機械化操作，從而極大地提高了生產效率和生產品質。

（4）均一化的檢測方式。在機械生產中質量控制是一個非常重要的步驟。在傳統的制造行業中，質量控制普遍采用手工抽樣的方法來進行，這會受到人為的主觀判斷影響，在一定程度上會產生不合格的產品。而現代化自動控制技術，以客觀檢驗取代了人為主觀判斷，利用測試裝置，可以對不合格的產品進行實時監控，從而有效地將不合格的產品剔除出去，從而確保批量生產的質量；與此同時，自動化檢測技術還可以實現對大量產品進行抽檢，并對其進行統一的判斷標準，從而可以有效地解決由于人為主觀判斷而導致的產品問題。除此之外，自動化檢測技術還可以實現快速測量、準確判斷、及時反饋等檢測流程[3]。

4 機械設計制造及其自動化的發展趨勢

4.1 模塊化

最近幾年，伴隨著機械生產規模的不斷擴大和機械設計質量的不斷提升，自動化系統呈現出了功能多樣化的發展態勢，在系統中可以設置各種類型的硬件設備，并可以連接眾多的軟件程序，從而可以進一步地充實系統的使用功能，為機械設計制造的活動提供更加完備的輔助服務，但是，它也會遇到系統組件之間存在著相互不兼容的問題。由于硬件設備和軟件的不相容性，在實際使用過程中，有時會出現延遲和卡頓現象，嚴重時還會妨礙機器的正常工作，從而降低機器的品質。所以，要使生產過程中的技術朝著模塊化的方向發展，以適應生產過程中的需要，并滿足自動化自己的使用需求。一方面，要對自動化系統中所使用的硬件設備型號要求進行明確規定，并統一軟件程序格式與通信接口，必要時要以機械產品研發要求為依據，對輔助自動化系統進行開發，以保證系統的兼容性；另一方面，以使用功能為基礎，將硬件設備、軟件程序等部分組裝成若干個功能模塊，在系統結構中維持各個模塊的單獨運作，當后續改變產品研制對象或新增產品研制要求時，企業只需要在自動化系統結構中增減模塊數量、調整模塊種類，不需要再重新開發配套的自動化系統[4]。

4.2 柔性化

從目前國內制造業的現狀可以看出，傳統的大批量生產方式有很大的缺陷，如生產線調整困難、產品研發周期長、很難適應市場的不斷變化、一些生產資源出現閑置浪費等現象。所以，企業必須調整生產模式，從大規模生產向多類別、小批次轉型，在自動化技術基礎上建立柔性生產線。柔性自動化生產系統由信息控制、自動儲運等子系統構成，能夠在不停機的情況下，快速進行生產模式地轉換，將多種類的零件進行小批次加工，使得大部分的生產資源被有效使用，減少資源閑置浪費等情況，從而降低生產成本。例如，在生產過程中，當需要更換機械產品或零部件時，系統后臺應該按照生產要求、加工對象重新定制方案，優化、整合加工對象與設備，再通過工業機器人將所需物料運輸就位、操縱設備進行加工，如若再進行其他零件的替換時，應反復進行以上步驟。當前，柔性自動化技術已經在毛坯工件加工、加工廢料存儲等領域得到廣泛應用，協助企業批量生產多類別的機械產品，使得生產成本、品質、效率等得到有效保障[5]。

4.3 智能化

目前，在機械設計制造的過程中，自動化技術主要是取代了人工來完成基本的工作，人工對機械產品的設計水平與制造質量起到了影響，從而減少研制周期、把控成本，確保方案能夠順利執行，但是其功能效用并沒有被完全發揮出來。所以，為了能夠早日實現智能制造的目的，制造企業應該將自動化技術朝著智能化的方向發展，在原有的自動化系統的基礎上，對人工智能系統進行開發，包括計算機技術、網絡技術、專家系統等，使用多項智能算法構建專家知識庫，并利用智能系統將產品設計、產品制造等相結合。比如在設計階段，研究人員可以利用該系統進行模擬試驗，并對試驗的成果進行檢驗，以確保其滿足開發和應用的需要，同時還可以通過該智能化系統對機器設備的結構進行最優修正；在制造階段，以類似的案例為基礎，讓智能系統掌握制造的規律和機制，并在制造周期與成本等剛性條件的限制下，進行方案的調整與優化，再由研究人員對方案的合理性、可行性等進行檢驗，確認無誤后并可進行后續執行[6]。

4.4 虛擬化

就當前的機械設計制造水平來說，大部分都是依靠人工繪制出的圖紙與方案，然后通過多次的修改、檢驗，達到標準，然后才能進行實際的生產和應用。從一開始的初稿到最后的定稿，都需要耗費大量的人力、物力與時間，導致企業的生產成本提高，競爭力卻降低。而采用虛擬技術能夠很好地解決以上問題，大幅降低制造環節的能量消耗，提高制造質量和精度。在進行生產工作前，研究人員會在電腦系統中繪制模型，再利用人工智能全方位分析、判斷，針對存在的問題和不足，做出相應的調整和優化，而后形成一套完整的虛擬生產流程，接著再對虛擬生產出的3D 模型產品的外觀、精度等展開全面的分析，以保證零件的精度，使產品的生產效率得到極大提高。以數字孿生（digi taltwin, DT）技術為例，此技術可以將物理系統到信息空間的數字化模型進行分析和建模，從而完整地將物理系統在各種現實場景下的生命周期過程反映到虛擬數字系統。數字孿生技術可以利用計算機對真實的工作環境和工作條件進行仿真，并以1:1 的比例再現了產品的真實生產過程。利用模擬的形態對產品的制造過程進行了初步的設計，然后根據該模型對產品的制造過程進行初步的設計。這個過程讓前期的生產問題可以在數字平臺上提前預警，并且可以及時進行規避，極大地減少了產品的開發時間和成本，為自動化的生產過程提供技術支持和數字保證[7]。

5 結語

綜上所述，機械設計制造的生產與社會的進步和經濟的發展是密切相關的。所以，機械設計在其發展進程中，應順應時代潮流，加強與信息化技術的結合，重視新興技術的革新，改善機器的各項性能，實現模塊化、柔性化、智能化、虛擬化發展，促進各個行業以及社會經濟的穩定、持續發展。