機械設計制造及其自動化的設計原則及發展趨勢

李劍康

摘 要：機械設計制造及其自動化的應用能夠很大程度地提高生產效率，降低生產成本，使企業在市場競爭中更具有優勢，對加快機械設計制造及其自動化的學科建設具有重要意義。基于此，本文概述了機械設計制造及其自動化，闡述了機械設計制造及其自動化的設計原則，對機械設計制造中的自動化技術應用及其發展趨勢進行了探討分析。

關鍵詞：機械設計制造及其自動化；設計原則；應用；發展趨勢

一、機械設計制造及其自動化的概述

機械設計制造及其自動化是將微電子技術、計算機技術、機械技術、信息技術、電力技術和軟件編程等眾多技術融為一體，以系統功能目標為指導，以優化組織結構為生產目標，在高質多能、低能耗、高可靠性的原則之上，最大限度的實現既定的功能價值，達到整個系統最優化的最終效果。傳統機械設計制造和現代機械設計制造及其自動化，兩者本質上的區別在于自動化和智能化。現代機械制造業的智能化特點，并不是由于它是多種技術的單純疊加，而是它將多種技術融為一體，實現了整體上的協調統一。

二、機械設計制造及其自動化的設計原則

1.滿足功能的內在需求

產品研發目的都是為了滿足人們需要，因此不同產品有其不同的功能所在。工業的三要素包括：物質、信息和能量。機械設計自動化就是在輸入這三者時對其進行處理，使之輸出具有各自特性的物質、信息和能量。

2.不斷的創新功能

紡織機械、食品加工機械、印刷機械、交通運輸機械、各種機床等，都可以統稱為“加工機”，它是一種物質系統或產品，經過對物質、信息和能量的加工處理，以物料的搬運和加工為主，改變輸出的位置和形態。“動力機”是指輸入信息及能量，通過能量的轉換，最后輸出能量的系統。比如生活里常常用到的電動機、內燃機等。如果輸出的是機械能，那就稱之為“原動機”。當輸入的是信息和能量，通過信息處理的加工轉換之后，輸出的是數據、文字、聲音、圖像等，這種產品稱之為“信息機”。此外機械設計制造自動化還有動力、控制、檢測、構造等多種其它的內部功能。

三、機械設計制造中的自動化技術應用分析

1.機械設計制造中的智能自動化技術應用分析

智能機械制造技術是一個由機械制造技術、自動化技術、系統工程和人工智能等相互滲透，相互交織所形成的一門綜合性的技術。它是由智能機械和人類專家共同組成的人機一體化智能系統，該系統在機械制造過程中能進行一些智能活動，如分析、推理、判斷、決策等。也就是說，智能機械制造技術就是把人工智能和機械制造技術進行有機的結合，將人工智能融入到機械制造系統的各個環節中，通過模擬專家的智力活動，取代或延伸機械制造環境中應由專家完成的那部分活動。在智能機械制造系統中，系統具有專家的智能，能自動監視自身的運行狀況，隨時發現錯誤或預測錯誤的發生，并且自身含有改進和預防的功能。除此之外，智能機械制造系統還具有應付外界突發事件的能力，能夠自動調整自身參數來適應外部環境的需求，使自己始終運行在最佳狀態。

2.機械設計制造中的集成自動化技術應用分析

機械制造中的自動化技術集成化應用主要是借助系統工程理論的有效指導和信息技術對企業的制造流程進行整體上的優化，通過精簡機構和過程重組等手段促進適度自動化，并在計算機數據庫和信息網絡的支持下，將機械制造企業的各種要素以及經營管理活動集成為一個有機整體，從而實現機械制造以人為中心的柔性化生產。自動化及相關技術的集成化應用有很多優點，例如，自動化及相關技術的集成化應用在提高產品生產質量，降低新產品的研發成本，保護生態環境這三個方面都具有十分重要的現實意義。隨著現代計算機技術、微電子技術以及自動化技術在機械制造領域應用的不斷增多，為了實現不同級別集成制造系統的構造，比較簡便有效的方法就是對各種技術進行系統集成。

3.機械設計制造中的柔性自動化技術應用分析

柔性自動化系統是在確保柔性生產的前提下，通過人機界面的優化和自動化的合理追求建立相對完善的信息管理系統，進而充分發揮計算機管理所能產生的效益。在柔性自動化系統中，自動化設備可能與普通設備是共同存在的，而且在機械制造的個別環節允許人為干預的出現，因而有效提高了機械制造對外界因素變化的適應能力，使得制造出的產品可以更好地適應市場的需求。除此之外，柔性自動化加工系統還有一個非常重要的功能，就是它可以實現與柔性制造系統的有效銜接，從而提高機械生產、機械設置與機械制造之間的聯系，因此，機械制造的自動化程度就會大大的提高。隨著現代機械制造業的發展，機械使用者對機械制造企業的應變能力、客戶需求的快速反應與適應能力都提出了更高的要求，這也就需要企業能夠結合市場需求和技術更新等外部條件的變化，實現對機械產品生產結構以及制造種類的合理調整，這時柔性自動化技術的應用就顯得尤為重要。

四、機械設計制造及其自動化的發展趨勢

1.高可靠性

信息技術的快速發展，使得數控機床網絡化將得到廣泛應用。對于無人工廠而言，如果要求在l6小時內連續正常工作，無故障率在P（t）>99%以上，則數控機床的平均無故障運行時間MTBF就必須大于3000小時。對一臺數控機床而言，如主機與數控系統的失效率之比為l0：1（數控的可靠比主機高一個數量級）。此時數控系統的MTBF就要大于33333小時，而其中數控裝置、主軸及驅動等的MTBF就必須大于l0萬小時。當前國外數控裝置的MTBF值已達6000小時以上，驅動裝置達30000小時以上。

2.高速度及高精度方向發展

速度和精度直接關系到加工效率和產品質量，是數控機床的兩個重要指標。高速度、超精度加工技術可極大地提高效率，提高產品的質量和檔次，縮短生產周期和提高市場競爭能力。為此國際生產工程學會（CIRP）將其確定為21世紀的中心研究方向之一。目前在超高速加工中，車削和銑削的切削速度已達到5000～8000m/min以上；主軸轉數在30000轉/分（有的高達10萬轉/分）以上；工作臺的移動速度（進給速度）：在分辨率為l微米時，在100m/min（有的到200m/min）以上，在分辨率為0.1um時，在24m/min以上；自動換刀速度在1秒以內；小線段插補進給速度達到12m/min。在加工精度方面，近10年來，普通級數控機床的加工精度已由10um提高到5um，精密級加工中心則從3～5um，提高到1～1.5um，并且超精密加工精度已開始進入納米級（0.01um）。

3.柔性化、智能化

柔性化發展趨勢主要表現為：從點（數控單機、加工中心和數控復合加工機床）、線（FMC、FMS、FTL、FML）向面（工段車間獨立制造島、FA）、體（CIMS、分布式網絡集成制造系統）的方向發展。數控機床及其構成柔性制造系統能方便與CAD、CAM、CAPP、MTS聯結，向信息集成方向發展。智能化加工主要是基于神經網絡控制、模糊控制、數字化網絡技術和理論的加工，其是在加工過程中模擬人類專家的智能活動，具體表現為：為提高驅動性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機參數的自適應運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作的智能化，如智能化的自動編程，智能化的人機界面等；智能診斷、智能監控，方便系統的診斷及維修等。

五、結束語

綜上所述，隨著機械運用范圍的不斷擴張，社會對機械化、自動化水平的要求也越來越嚴格。隨著機械技術的不斷發展和完善，現代的機械自動化較之傳統的機械設計制造，更具有高效率、節能節約材料、多功能化等特點，更能滿足人們和生產生活的需求，從而帶來良好的社會和經濟效益。endprint