自動化技術(shù)在機械工程中的應(yīng)用分析

摘要：機械工程主要包括機械產(chǎn)品的設(shè)計和制造，為在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，提高機械產(chǎn)品的性能，應(yīng)當(dāng)對設(shè)計制造過程進行優(yōu)化，本文對自動化技術(shù)在機械工程中的應(yīng)用進行論述。期望通過本文的研究能夠?qū)Υ龠M機械設(shè)計制造水平的提升有所幫助。

關(guān)鍵詞：自動化技術(shù);虛擬技術(shù);神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);機械工程

一、虛擬技術(shù)在機械工程中的應(yīng)用

（一）虛擬機械制造中的關(guān)鍵技術(shù)

1.1建模技術(shù)

建模主要是對各種模型的構(gòu)建，在虛擬制造中，包括以下模型：生產(chǎn)模型、產(chǎn)品模型、工藝模型等。通過生產(chǎn)模型的建立，可以對生產(chǎn)能力、生產(chǎn)特性等進行描述，并在已知需求的前提下，對整個生產(chǎn)過程進行預(yù)測。

1.2仿真技術(shù)

仿真是一種以模型作為對象的研究方法，通過對計算機系統(tǒng)強大的運算能力加以利用，在相對較短的時間內(nèi)模擬出實際生產(chǎn)中需要很長時間才能完成的過程，以此來達到縮短決策時間，節(jié)省人財物力的目的。對機械產(chǎn)品制造過程的仿真包括系統(tǒng)仿真和加工仿真，如切削仿真、鑄造仿真、焊接仿真、裝配仿真等等。

（二）具體應(yīng)用

在機械工程中，虛擬技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計和機械建模兩個方面。

2.1基于虛擬技術(shù)的機械產(chǎn)品設(shè)計

早期的虛擬技術(shù)主要是在軍事、航天等領(lǐng)域中應(yīng)用，而隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和完善，使得虛擬技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域進一步拓寬，在機械工程領(lǐng)域中得到越來越廣泛的應(yīng)用，為機械產(chǎn)品的設(shè)計制造提供了強有力的技術(shù)支撐。數(shù)控機床是最為典型的機械產(chǎn)品，在對機床進行設(shè)計的過程中，可以應(yīng)用虛擬技術(shù)對數(shù)控機床中關(guān)鍵機構(gòu)的幾何造型、運動特性、熱變形等進行仿真分析，從而為設(shè)計人員提供參考依據(jù)。除此之外，還可在機械產(chǎn)品的造型設(shè)計、裝配等環(huán)節(jié)中，對虛擬技術(shù)進行應(yīng)用，由此可進一步提升造型水平和裝配質(zhì)量。機車是一類比較特殊的機械產(chǎn)品，其本身具有一定的復(fù)雜性。因此，可在機車的設(shè)計開發(fā)中，對虛擬技術(shù)進行合理應(yīng)用，通過與傳統(tǒng)經(jīng)驗的有機結(jié)合，可有效解決如下問題：動力學(xué)計算、結(jié)構(gòu)強度以及可靠性分析等。在機械產(chǎn)品設(shè)計中對虛擬技術(shù)的應(yīng)用，可以顯著提高產(chǎn)品的精度，機械性能隨之提升。

2.2基于虛擬技術(shù)的機械建模

虛擬技術(shù)在機械建模中具有一定的應(yīng)用優(yōu)勢，將機械的組成情況、各個部件的連接方式、物理參數(shù)等輸入到虛擬系統(tǒng)當(dāng)中，系統(tǒng)能夠自行完成模型的構(gòu)建，整個過程不僅簡單，而且耗時非常短，能夠大幅度提升建模效率，設(shè)計人員的工作量也會隨之減輕。不僅如此，通過虛擬技術(shù)在機械建模中的應(yīng)用，可使相關(guān)軟件的功能得到充分發(fā)揮，比如計算結(jié)果可視化、數(shù)據(jù)圖形化等等，這樣設(shè)計人員便可直觀地看到機械建模的運動效果，從而保證模型的有效性。

二、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在機械工程中的應(yīng)用

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)歸屬于自動化技術(shù)的范疇，其在機械工程中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在機械優(yōu)化設(shè)計方面。機械優(yōu)化設(shè)計是在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，對機械設(shè)計進行改進和完善，這是一個相對比較復(fù)雜的過程，需要以設(shè)計標準為依據(jù)，通過數(shù)學(xué)建模，求取目標函數(shù)的最優(yōu)解，進而達到設(shè)計優(yōu)化的目標。在機械優(yōu)化設(shè)計中，設(shè)計人員可以對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行應(yīng)用。

（一）基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機械優(yōu)化設(shè)計

1.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其具有多維函數(shù)映射能力，能夠解決疑惑問題，由此使得BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到越來越廣泛的應(yīng)用。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠進行自我調(diào)節(jié)和組織，它的硬件一經(jīng)實現(xiàn)后，便可達到較高的分類速率，能夠快速完成數(shù)據(jù)信息的實時、精確處理。非線性映射能力以及柔性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最為突出的優(yōu)點，在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，神經(jīng)元的數(shù)量可任意設(shè)定，基本沒有任何限制，通過加快網(wǎng)絡(luò)的收斂速度能夠避免局部極小值的出現(xiàn)，從而確保解的準確性。

1.2 在機械優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用

機械優(yōu)化設(shè)計需要以原本的設(shè)計作為基礎(chǔ)，通過改進和完善，來達到優(yōu)化的目的，從而提高機械性能。在對機械進行優(yōu)化設(shè)計時，可利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性映射功能，對機械控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)進行優(yōu)化。由于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本身所具備的特殊屬性，從而使其在優(yōu)化設(shè)計中能夠規(guī)避已經(jīng)認定的目標函數(shù)權(quán)值，這樣便可高效完成多目標的優(yōu)化設(shè)計。具體的優(yōu)化設(shè)計過程如下：以機械產(chǎn)品當(dāng)前的狀況為依據(jù)進行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建;以設(shè)計變量作為輸入向量，并以目標函數(shù)作為輸出定量，進而確定出BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中各環(huán)節(jié)的連接權(quán)重，這樣便可確認設(shè)計變量與目標函數(shù)之間的映射關(guān)系;按照這個映射關(guān)系，對變量間的數(shù)值進行確定，通過求取最優(yōu)解，完成機械產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計，達到提高機械性能的目的。

（二）基于反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機械優(yōu)化設(shè)計

反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種非常先進的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它能夠?qū)⑤敵鼋?jīng)時移接入到輸入層，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在快速尋優(yōu)問題的解決中具有非常明顯的優(yōu)勢。由于反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)在無外部輸入的情況下，可以達到自我穩(wěn)定的狀態(tài)，所以神經(jīng)元間的連接權(quán)值基本上都處于相同的狀態(tài)，由此使得該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有非常高的穩(wěn)定性。在這一前提條件下，可將能量函數(shù)加入到網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，以函數(shù)為依據(jù)，對運行方式的穩(wěn)定性進行判斷，進而達到優(yōu)化的目的。在機械優(yōu)化設(shè)計過程中，對反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行應(yīng)用時，可將機械設(shè)備的相關(guān)問題與網(wǎng)絡(luò)模型建立銜接關(guān)系，依托神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度表達，對機械設(shè)計中的變量以及目標函數(shù)進行優(yōu)化，這樣便可在網(wǎng)絡(luò)中完成動態(tài)演化，從中找到最優(yōu)進程，實現(xiàn)設(shè)計優(yōu)化。

三、CAD/CAE/CAM技術(shù)在機械工程中的應(yīng)用

CAD/CAE/CAM全都歸屬于計算機輔助工具的范疇，是具有代表性的自動化技術(shù)，其中CAD是計算機輔助設(shè)計，CAE是計算機輔助工程，CAM是計算機輔助制造，它們以計算機作為主要的技術(shù)手段，以軟件的形式為用戶提供輔助工具，從而快速完成模具結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)加工、機械產(chǎn)品的設(shè)計與優(yōu)化。

（一）在數(shù)控加工中的應(yīng)用

在數(shù)控加工中，對CAM技術(shù)進行應(yīng)用時，需要對工藝性加以充分考慮，具體包括刀具進給方式的合理性;以直線加圓弧的方式對進退刀進行引入，這樣可以使工件上的刀痕達到最小化;在處理對稱特征的過程中，要以確保工件的加工質(zhì)量作為前提，將加工方向調(diào)整為順銑;采用轉(zhuǎn)角減速的處理方法，保證切削質(zhì)量。通過對上述工藝的考慮，能夠有效縮短數(shù)控編程周期，編程效率和質(zhì)量隨之提高。

（二）在鍛造中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的鍛造方法由于存在一定的缺陷，使得原材料大量浪費，同時鍛造出來的工件存在局部應(yīng)力集中的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致鍛件表面常常會出現(xiàn)裂紋。因鍛造模具的模膛填充不足，使得鍛件的質(zhì)量無法得到保障。為解決這一問題，可以應(yīng)用CAD和CAE技術(shù)，對鍛造工藝進行優(yōu)化改進，經(jīng)輔助設(shè)計后，將原本的直棒料改為圓盤料，通過試鍛造，鍛件的性能比未優(yōu)化前得到進一步提升，從而達到節(jié)約材料和提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

結(jié)論

綜上所述，在機械工程中，可以對自動化技術(shù)中的虛擬技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及CAD/CAE/CAM技術(shù)進行合理運用，由此除了能夠?qū)C械設(shè)計制造過程進行優(yōu)化之外，還能進一步提升機械產(chǎn)品的性能，對于促進機械工程領(lǐng)域的發(fā)展意義重大。期望通過本文的研究能夠?qū)Υ龠M機械設(shè)計制造水平的提升有所幫助。

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作者簡介：

江南，鹽城萬華耐磨材料有限公司。