人工智能技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用

劉宇祺

（南京工程學(xué)院 工業(yè)中心，江蘇 南京211100）

人工智能是21世紀(jì)的新產(chǎn)物，科技的進(jìn)步是人類肉眼可見的。人工智能的到來也意味著社會(huì)邁入一個(gè)全新階段，在此背景下，各行各業(yè)的生產(chǎn)模式有所轉(zhuǎn)變。對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域來說，由于人工智能技術(shù)的出現(xiàn)，使其生產(chǎn)模式、方法有所優(yōu)化，規(guī)模漸漸擴(kuò)大，在最終的設(shè)計(jì)制造效率與質(zhì)量上也得到前所未有的提高。因此，人工智能技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域而言有著較強(qiáng)的推動(dòng)性意義。研究人工智能技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用，可給相關(guān)行業(yè)提供實(shí)踐價(jià)值。

1 人工智能技術(shù)概念

人工智能技術(shù)屬于全新的科學(xué)技術(shù)，其主要是指專業(yè)技術(shù)人員采取對(duì)應(yīng)的理論、方法對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行研發(fā)。研發(fā)的主要內(nèi)容則包含了人工智能模擬、延伸、拓展等，可以把人工智能列入計(jì)算機(jī)領(lǐng)域[1]。人工智能技術(shù)的設(shè)計(jì)理念在于了解智能問題，通過圖像語言識(shí)別、專家系統(tǒng)等手段測(cè)試人工智能反應(yīng)，來模擬人的大腦與行為軌跡，以此來幫助人類解決問題。在人工智能技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新的過程中，其涉及范圍也在不斷擴(kuò)大。

2 人工智能技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用意義

2.1 推動(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)轉(zhuǎn)型

早在上世紀(jì)30年代，一些發(fā)達(dá)國(guó)家就開始在機(jī)械制造領(lǐng)域融入智能化技術(shù)。和國(guó)外相比，我國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的人工智能技術(shù)發(fā)展要晚一些。在極少部分地區(qū)還依舊使用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)制造方法，主要在一些中小型企業(yè)中有所體現(xiàn)。這些企業(yè)在設(shè)計(jì)制造機(jī)械產(chǎn)品時(shí)，更多的是依靠人工的力量，對(duì)行業(yè)發(fā)展形成嚴(yán)重制約。在進(jìn)入新時(shí)期后，我國(guó)經(jīng)濟(jì)與科技得到雙重發(fā)展，在此前提下，機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域也開始大量引入人工智能技術(shù)。自從引入人工智能技術(shù)后，國(guó)內(nèi)的機(jī)械制造水平得到前所未有的提升。我國(guó)作為制造業(yè)大國(guó)，要想實(shí)現(xiàn)行業(yè)整體轉(zhuǎn)型升級(jí)，就必須積極引入人工智能技術(shù)，挖掘人工智能資源，推動(dòng)行業(yè)進(jìn)步，讓中國(guó)制造業(yè)長(zhǎng)期穩(wěn)居世界第一。

2.2 削弱人工成本提升生產(chǎn)效率

傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)制造方法更多地是依靠人工勞動(dòng)力，相比之下，無論是在機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量還是效率上都比較低。在結(jié)合人工智能技術(shù)輔助生產(chǎn)后，不僅明顯削減了人工成本，還大大提高了生產(chǎn)效率[2]。人工智能技術(shù)的目的和用途就在于此。在機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域中的人工勞動(dòng)力成本比例較大，有時(shí)甚至超過了材料成本，這在無形中增加了企業(yè)經(jīng)濟(jì)壓力。人工智能技術(shù)的出現(xiàn)，使企業(yè)可以把大部分人工勞動(dòng)力成本投入到智能產(chǎn)品購置中來，在緩解經(jīng)濟(jì)壓力的同時(shí)，也可以為企業(yè)帶來更多利潤(rùn)。在當(dāng)代機(jī)械設(shè)計(jì)制造過程中已經(jīng)不需要太多人工勞動(dòng)力，技術(shù)人員只需提前編寫程序，將其輸入到人工智能系統(tǒng)中，再放入需加工的材料或零件，智能化設(shè)備就可自動(dòng)化運(yùn)行，也不需要人工二十四小時(shí)進(jìn)行監(jiān)督。當(dāng)中途發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)報(bào)警通知管理人員，甚至系統(tǒng)還可以定位故障點(diǎn)，通過分析故障及時(shí)給出解決方案，避免故障擴(kuò)大。在人工智能技術(shù)下設(shè)計(jì)制造出來的機(jī)械產(chǎn)品，精度比人工制造更高。

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)制造流程

在機(jī)械設(shè)計(jì)制造的過程中涉及非常多的加工環(huán)節(jié)，而這些加工環(huán)節(jié)需要投入較多的人工勞動(dòng)力。但是，因?yàn)槿斯げ僮髡`差發(fā)生率較高，無法做到十全十美，因此就需借助人工智能技術(shù)的幫助。在加工環(huán)節(jié)采用人工智能設(shè)備后，給機(jī)械設(shè)計(jì)制造業(yè)指明了一條發(fā)展道路。因?yàn)槿斯ぶ悄茉O(shè)備有著數(shù)字化、自動(dòng)化以及智能化等特點(diǎn)，可以在復(fù)刻人類思想與行為的基礎(chǔ)上超越人類原本思維，并利用人工智能設(shè)備制造出完美的機(jī)械產(chǎn)品。而且，在引入人工智能技術(shù)以后，機(jī)械設(shè)計(jì)制造流程得到簡(jiǎn)化，更加一目了然，在操作上也更順暢。再加上人工智能設(shè)備的各種優(yōu)勢(shì)，機(jī)械制造企業(yè)對(duì)其引入率和使用率越來越高，在我國(guó)大型機(jī)械制造企業(yè)中應(yīng)用廣泛。

3 基于人工智能技術(shù)的機(jī)械設(shè)計(jì)制造方法與要求

3.1 做好準(zhǔn)備工作

在借助人工智能技術(shù)設(shè)計(jì)和制造機(jī)械產(chǎn)品時(shí)，企業(yè)必須重視準(zhǔn)備工作的完成性。在機(jī)械設(shè)計(jì)制造之前，企業(yè)需分析機(jī)械產(chǎn)品實(shí)際用途，對(duì)設(shè)計(jì)制造所需的零件尺寸、相對(duì)關(guān)系、規(guī)格等有所確定。而在實(shí)際的設(shè)計(jì)制造過程當(dāng)中，企業(yè)則要根據(jù)生產(chǎn)流程妥善進(jìn)行管控，技術(shù)人員切勿擅自操作。在我國(guó)一些企業(yè)設(shè)計(jì)制造機(jī)械產(chǎn)品時(shí)，個(gè)別技術(shù)人員認(rèn)為自己經(jīng)驗(yàn)豐富，不需要按照步驟流程進(jìn)行操作，因此造成了不可挽回的失誤。人工智能技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的應(yīng)用時(shí)間較短，還處于摸索探究階段，在此情況下，企業(yè)要想發(fā)揮人工智能技術(shù)的輔助作用，就必須嚴(yán)格按照生產(chǎn)流程落實(shí)。并且，企業(yè)還需根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況對(duì)零部件大小、規(guī)格等加以調(diào)整，規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)、失誤，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)過程進(jìn)行合理管控，以此來制造出優(yōu)質(zhì)的機(jī)械產(chǎn)品[3]。

3.2 完善機(jī)械設(shè)計(jì)制造方案

在企業(yè)設(shè)計(jì)機(jī)械制造方案時(shí)，需確保方案的實(shí)用性、完善性與合理性，企業(yè)應(yīng)當(dāng)把各種影響因素考慮進(jìn)去。比如，針對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造所使用到的所有零件都需進(jìn)行架構(gòu)，把零件放到數(shù)控機(jī)床或夾具之中，在固定后，結(jié)合后期的實(shí)際生產(chǎn)情況予以調(diào)整，杜絕因零件位置發(fā)生偏移而引發(fā)的質(zhì)量問題。這樣做的主要目的是為了提高零件位置的精確性。在機(jī)械設(shè)計(jì)制造時(shí)，會(huì)涉及加工刀具，企業(yè)在選擇刀具時(shí)可盡量選擇幅度角比較小的刀具，這樣可以有效削弱加工粗糙度，提高零件加工精度。在零件加工的過程中會(huì)伴隨風(fēng)險(xiǎn)意外發(fā)生，所以為了規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，企業(yè)需根據(jù)零件的切削條件、材料等因素合理選擇加工技術(shù)。與此同時(shí)，企業(yè)需關(guān)注人工智能技術(shù)在零件加工與生產(chǎn)中的重要性，企業(yè)可將與零件有關(guān)的信息數(shù)據(jù)輸入到智能系統(tǒng)中，人工智能系統(tǒng)會(huì)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、處理，并生成模型，滿足機(jī)械設(shè)計(jì)制造需求。

3.3 擁有高質(zhì)量硬件與軟件

只有得到硬件與軟件的支持，才能提高人工智能技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的作用，所以企業(yè)必須開發(fā)高質(zhì)量的硬件與軟件，這也在一定程度上決定了機(jī)械制造智能化的發(fā)展趨勢(shì)。例如，在機(jī)械設(shè)計(jì)制造過程中，需結(jié)合計(jì)算機(jī)、電子信息等技術(shù)，將軟硬件系統(tǒng)相結(jié)合，使其相互作用、相互協(xié)作，以此來提高機(jī)械設(shè)計(jì)制造水平[4]。而要想達(dá)到這一目的，應(yīng)把各種軟件技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，發(fā)揮出共同作用，對(duì)現(xiàn)有的機(jī)械設(shè)計(jì)制造技術(shù)予以完善。與電子信息技術(shù)相比較，計(jì)算機(jī)技術(shù)不管是在數(shù)據(jù)處理，還是運(yùn)行管理上都更加復(fù)雜，企業(yè)要想實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)轉(zhuǎn)，就必須加強(qiáng)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)管理工作。對(duì)生產(chǎn)過程所獲取到的數(shù)據(jù)信息及時(shí)分析、反饋，這也對(duì)企業(yè)提出了較高要求，企業(yè)必須擁有較強(qiáng)的自動(dòng)化控制技術(shù)才能滿足該標(biāo)準(zhǔn)。

4 人工智能技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的具體應(yīng)用

4.1 在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

與傳統(tǒng)模式相比，機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)在融入人工智能技術(shù)后，效率得到了大大提高，在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中使用人工智能技術(shù)，可以提高設(shè)計(jì)的完善性。在傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，由于是以人工作為核心力量，所設(shè)計(jì)出來的生產(chǎn)方案可能存在不合理現(xiàn)象。而人工智能技術(shù)則可以利用專家系統(tǒng)構(gòu)建模型，在模型中對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬，從而選擇一種最適合的生產(chǎn)方案。在對(duì)數(shù)控機(jī)床模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可通過人工智能技術(shù)搜索與模塊有關(guān)的方案，在構(gòu)建完數(shù)控機(jī)床總布局之后實(shí)施產(chǎn)品加工。由于人工智能技術(shù)擁有專家系統(tǒng)，和CAD程序相比，專家系統(tǒng)的靈活性和針對(duì)性更強(qiáng)，可以對(duì)每一個(gè)步驟進(jìn)行解釋，如果發(fā)現(xiàn)不合理現(xiàn)象，可快速修改程序。并且，在對(duì)機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，CAD系統(tǒng)只能夠?qū)逃谐绦蜻M(jìn)行設(shè)計(jì)，若中途想修改程序十分困難，而各專家系統(tǒng)之間都有交互性，修改簡(jiǎn)便。比如，在對(duì)飛機(jī)、輪船等結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，只需要給出一個(gè)前提數(shù)據(jù)就可完成全部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)任務(wù)[5]。除此之外，在對(duì)齒輪等機(jī)械零件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，通過人工智能技術(shù)只需給出齒輪輪廓范疇或傳動(dòng)信息就可設(shè)計(jì)出一個(gè)完整的齒輪。人工智能技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)較為明顯，在傳統(tǒng)齒輪設(shè)計(jì)中，由于沒有考慮到噪音問題，導(dǎo)致最終設(shè)計(jì)出來的齒輪在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲污染。而借助人工智能生產(chǎn)出來的齒輪，對(duì)噪聲有著明確要求，通過專家系統(tǒng)可對(duì)齒輪廓形進(jìn)行糾正，系統(tǒng)還會(huì)自動(dòng)生成齒輪零件詳圖，方便技術(shù)人員參考。

4.2 在零件工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

當(dāng)前較為成熟的工藝設(shè)計(jì)主要是成阻技術(shù)和工藝編制分析，在后續(xù)的發(fā)展中已經(jīng)逐漸發(fā)展為智能工藝設(shè)計(jì)。通常情況下，可將機(jī)械零件分成回轉(zhuǎn)軸類零件和箱體零件，因?yàn)楦髁慵目住⒔恰⒚娌煌约庸すに囋O(shè)計(jì)選擇也存在一定差異，所選擇的切削量、時(shí)間、成本、刀具、數(shù)控機(jī)床類型等各不相同。針對(duì)機(jī)械零件的工藝設(shè)計(jì)，既可以是單臺(tái)數(shù)控機(jī)床，也可以是加工中心。通過人工智能技術(shù)可把加工零件輸入計(jì)算機(jī)生產(chǎn)系統(tǒng)中，還可以完成刀具傳輸、數(shù)控機(jī)床調(diào)整等設(shè)計(jì)工作。國(guó)內(nèi)在零件工藝設(shè)計(jì)時(shí)可借鑒國(guó)外現(xiàn)有的工藝設(shè)計(jì)理念。比如，法國(guó)所開發(fā)的CARI系統(tǒng)可以對(duì)幾十種不同形狀的零件進(jìn)行加工，并且其是由LISP語言構(gòu)成的。日本所研發(fā)的TOM系統(tǒng)比較適用于孔加工過程中。英國(guó)所研發(fā)的EXCAP系統(tǒng)比較適用于回轉(zhuǎn)零件加工中。當(dāng)前我國(guó)針對(duì)該方面的研究還停留在工藝編制分析上，與此同時(shí)，也有一些大型機(jī)械企業(yè)設(shè)計(jì)出了較為復(fù)雜的程序。

4.3 在數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)控制中的應(yīng)用

人工智能技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域中的應(yīng)用還可以體現(xiàn)在自動(dòng)化控制技術(shù)上。在對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行操作的過程中，可以對(duì)現(xiàn)有的測(cè)量信息進(jìn)行分析和計(jì)算，觀察使用參數(shù)是否符合約束要求。比如，在鏜孔當(dāng)中，其切削條件是不能產(chǎn)生太大振動(dòng)，即便產(chǎn)生振動(dòng)，也要觀察其振動(dòng)幅度是否在可允許范圍以內(nèi)，需要經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)來測(cè)得。在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中，主要是由數(shù)控機(jī)床運(yùn)行來實(shí)現(xiàn)的，然而，在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中存在工業(yè)機(jī)器人配合中心，該中心的存在給機(jī)械設(shè)計(jì)制造提供了良好契機(jī)。也正是因?yàn)樵撝行闹С郑蓪?duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行嚴(yán)格控制。但自動(dòng)化控制技術(shù)的應(yīng)用需得到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)幫助，這也意味著企業(yè)需安裝計(jì)算機(jī)系統(tǒng)才能引入自動(dòng)化控制技術(shù)。與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比，自動(dòng)化控制系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)更為顯著。當(dāng)企業(yè)在對(duì)小批量機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)制造時(shí)，自動(dòng)化控制系統(tǒng)可高效完成工作，在節(jié)約時(shí)間成本的同時(shí)，還可降低能耗，有著較高性價(jià)比。目前，自動(dòng)化控制技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，在多個(gè)加工環(huán)節(jié)上都有涉及，機(jī)械制造企業(yè)也開始大面積接受自動(dòng)化控制技術(shù)，在發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)之上，與生產(chǎn)實(shí)際結(jié)合，推動(dòng)我國(guó)機(jī)械制造行業(yè)發(fā)展。

4.4 在機(jī)械產(chǎn)品制造加工中的應(yīng)用

在機(jī)械產(chǎn)品制造與加工過程中，其是運(yùn)用人工智能技術(shù)最頻繁的環(huán)節(jié)。人工智能技術(shù)有著速度快、精準(zhǔn)度高等優(yōu)勢(shì)，而且可以使用精密儀器實(shí)施切割，在機(jī)械產(chǎn)品制造加工中的作用不可埋沒。在實(shí)際的產(chǎn)品制造加工中，可將切割技術(shù)和快速成型技術(shù)相融合，以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品自動(dòng)化切削、成型工作。比如，可以利用人工智能技術(shù)對(duì)產(chǎn)品表面進(jìn)行熱加工處理，使得產(chǎn)品表面逐漸硬化。在機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域中，大部分機(jī)械產(chǎn)品都是為了延長(zhǎng)使用壽命才進(jìn)行設(shè)計(jì)制造的。而在使用熱處理技術(shù)時(shí)，由于耐高溫性較強(qiáng)，可對(duì)大部分機(jī)械產(chǎn)品實(shí)施熱加工，提高其使用壽命[6]。

4.5 在企業(yè)投資決策中的應(yīng)用

對(duì)于機(jī)械制造企業(yè)來說，在機(jī)械產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)完成之后，企業(yè)必須結(jié)合數(shù)控機(jī)床的實(shí)際情況落實(shí)改善工作。如果數(shù)控機(jī)床不滿足人工智能技術(shù)應(yīng)用要求，那么企業(yè)就需及時(shí)更換數(shù)控機(jī)床。我國(guó)一些中小型企業(yè)并未關(guān)注該問題，導(dǎo)致人工智能技術(shù)作用無法得到充分發(fā)揮。但數(shù)控機(jī)床的數(shù)量需結(jié)合各種因素、數(shù)據(jù)、條件來決定。比如，被加工機(jī)械產(chǎn)品的加工精度要求、數(shù)量要求、制造工藝、車間布局等。

5 結(jié)束語

作為新時(shí)代產(chǎn)物，人工智能技術(shù)在我國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域已經(jīng)廣泛應(yīng)用，該技術(shù)的引入對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域而言有著積極作用。人工智能技術(shù)不但可以推動(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)轉(zhuǎn)型，還有著削減人工成本、提升生產(chǎn)效率、優(yōu)化設(shè)計(jì)制造流程等優(yōu)勢(shì)。目前，人工智能技術(shù)應(yīng)用在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)、零件工藝設(shè)計(jì)、數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)控制、機(jī)械產(chǎn)品制造加工以及企業(yè)投資決策等方面。要想充分發(fā)揮人工智能技術(shù)作用，企業(yè)必須做好準(zhǔn)備工作，完善機(jī)械設(shè)計(jì)制造方案，擁有高質(zhì)量硬件與軟件。