機械設計制造及其自動化的設計原則及發展趨勢

顧懂懂

機械設計制造及其自動化的設計原則及發展趨勢

顧懂懂

（航天智造（上海）科技有限責任公司，上海 200233）

工業是一國經濟發展的基石，中國工業發展蒸蒸日上。同時，機械制造業在工業中發揮著中流砥柱的作用。在中國國民經濟的發展過程中，機械制造業逐漸向與自動化融合的方向發展，成為科技研究的重要內容。與自動化的深度融合，對于自動化控制的理論掌握有利于推動中國工業的綜合發展水平，從機械設計制造及其自動化的設計原則、自動化控制理論的內容以及應用，自動化的設計原則的發展趨勢等方面展開分析和闡述。

機械制造設計；自動化控制理論；設計原則；生產率

1 機械設計制造及其自動化的設計原則

1.1 廣泛化原則

相比于人工，機械有著更高的效率，操作度也更高。當下的各行各業之中，機械制造都被廣泛運用，因此，在機械設備的設計和生產之中技術人員應掌握全面的機械制造技術，對各項參數進行詳細分析和運用，在宏觀上拓寬對機械設備功能的掌握，使其能夠應用于更多的生產工作之中。

1.2 效率化原則

在機械產生之前的人工生產之中，精確性不足是很大的缺陷，因此自動化設備要求提高產品生產的精準度。并且在企業的生產環節中，生產率與效益緊緊掛鉤，因此，在機械設計制造及其自動化的設計之中應該遵循效率化的原則，從而提升機械生產的精度和自動化程度，達到更高的生產效率，為企業生產提供更大的收益。

1.3 實用化原則

機械設備制造及其自動化的目的是滿足多種多樣的機械生產需求，因此，在設備設計中需要保證設計與生產需求的高度契合，設計出的產品不可達不到需求，呈現的設計與需求設計也要對應，使設計出的產品能夠在真正的工業生產中發揮作用，提升工業生產水平和人們生活質量水平。

1.4 綠色化原則

機械設計制造行業是一個能耗非常大的行業，中國的能源消耗和環境污染問題在工業化的進程中不斷加劇。為了保證中國經濟的可持續發展，彰顯企業的社會責任，要堅持綠色化原則，生產綠色產品，保證生產過程綠色化，要設計出符合社會發展需求的綠色化產品。

1.5 便捷化原則

機械發展具有悠久的歷史，但是機械使用的根本目的是使人類勞動力得到一定程度的解放。因此，在機械設計制造及自動化的設計原則上要體現便捷性原則。

2 自動化控制理論的內容

自動控制是指沒有人的直接參與或者外加的控制裝置或者裝置器，機器設備仍能夠按照預先設定的工作狀態或者參數自動運行。二戰后，在傳遞函數為基礎的經典控制理論的基礎上，較為完整的自動化控制理論形成。

自動控制主要依靠自動控制系統和反饋控制系統工作。

2.1 自動控制系統

為了完成具有一定復雜性的控制任務，要求控制對象與控制裝置之間有滿足條件的連接方式，才能夠組成有機運行的自動控制系統。同時，在該系統中，被控制的對象的輸出量屬于嚴格加以控制的物理量，一般情況下被要求保持為某一恒定值，控制裝置則可以通過各樣的原理和方式對被控制的對象實施控制。這又是一種基于反饋控制原理的反饋控制系統。

2.2 反饋控制系統

在該系統之中，控制裝置對被控制的裝置發揮控制作用。取用被控制對象的反饋信息，用既定模型修正被控量與控制量兩者之間的偏差實現對被控量控制的任務。

3 自動化控制理論在機械設計制造中的應用

3.1 在程序單元的應用

這個單元是機械自動化任務運行的關鍵，也是在機械設計中需要關注的一個環節。在系統當中需要執行的任務和執行任務所采取的方式都是由程序單元決定的。將自動化控制理論應用在程序單元，有利于提高產品質量和產品生產率，使生產周期縮短，工程設計費用減少。

3.2 在作用單元的應用

這個單元是整個自動化控制系統之中完成前期任務的重要組成部分，主要功能是為系統運行提供能量，同時完成機械生產過程中的定位工作，將自動化控制理論應用在作用單元，有利于提高設備利用率，減少人力費用。

3.3 在傳感單元的應用

這個單元是系統運行的基礎性單元，主要實現對其運行的狀態和指標的實時監控和檢測。對于維持機械的平穩持續運行有著重大意義。在這一單元實現自動化理論的應用對減少維護檢測的人力、物力有重大作用。

3.4 在制定單元的應用

在這一單元中，自動化控制能夠將傳感單元傳輸的信息進行準確的處理和詳細的分析比較，接著根據實際情況發出動作信號。將自動化控制理論應用在制定單元，對于提升機械的自動化生產水平有重大意義。

3.5 在控制單元的應用

這個單元在整個生產環節中起到了保障性的作用，對于各個單元的制定、動作調節、維護有著關鍵意義。由此可見，自動化控制理論在機械設計之初就能夠為后續的生產提供極大的便捷性。自動化控制理論在各個單元的應用，也能夠節約多方面的人力、物力，使工業生產的效益明顯提高。

3.6 應用實例

自動化控制理論在機械設計制造中的典型應用案例是數控機床的發展。作為機械加工制造業的主要加工設備，在機械設計制造及其自動化領域具有重要的研究意義。W3150型立式銑削數控加工中心是一項典型的機械設計制造以及自動化發展的專業大案例。W3150型立式銑削數控加工中心可以具體分為刀具、生產工藝、總體結構、傳動機構、電氣控制、數控系統、數控加工等部分進行具體的自動化分析。例如加工中心的主軸和箱體零件通常與CAD/CAM、有限元分析等技術結合。機床電器以及數控設備中廣泛應用主運動控制、進給運動控制、自動換刀裝置控制等單元的自動化技術。各個運行單元通過數控技術緊密結合互相支撐，是自動化控制理論在機械設計制造中的應用典型。

4 機械設計制造及其自動化的發展趨勢

4.1 光機電一體化

主要指的是通過光學技術、計算機技術和微電子技術的深度融合提升自動化機械生產產品的附加值。同時，激光技術、傳感器技術、光能驅動技術等在機械制造業的應用有利于機械設計制造及其自動化性能和品質的提升，也有利于各學科在融合中取長補短各取所需，增強行業的可持續發展能力。光機電一體化設備的系統設計制作如圖1所示。

圖1 光機電一體化設備的系統設計制作示意圖

4.2 模塊化

機械設計制造的過程具有一定的復雜性，包含的內容和學科知識及其廣泛。因此，對設計人員對設計目的的明確程度、多樣性的信息分析研究能力提出了要求。在設計時，根據各方面的功能特點進行模塊劃分，從模塊的角度入手設計，全面提升設計水平，提高設計效率。同時，在模塊化之后能夠根據不同的設計模塊開展檢測工作，提高設計工作的檢測效率，縮短維修時間。

4.3 智能化

智能化是保證機械具有良好操作水平的重要條件。尤其在人工智能和大數據技術快速發展的時代，智能化必定是機械制造和設計發展的趨勢之一。同時，在智能化的高度發展之下可以實現對勞動力的解放，提高機械的綜合使用水平。智能化的發展對于維護機械的穩定運行和持續性運行發揮著重要的作用，使機械有了可以全面、快速、自我運行的條件。

4.4 綠色化

在倡導可持續性發展的當今社會，資源不斷枯竭和環境不斷惡化。各行各業已做好向綠色化生產轉變的準備。機械制造行業也面臨著向綠色化轉型。主要的綠色化要求是從設計、材料、管理、工藝、包裝等多個流程實現生產流程的綠色化，同時要加強對可再生能源的使用和廢舊材料的回收和再使用，通過提高產品整體的使用率和回收率，優化資源使用，實現可持續性發展。

4.5 人性化

除了考慮機械本身的運行功能以外，在機械設計的過程中賦予一定的人類情感。將生產設計的產品融入人性化的設計理念，更有利于在未來占有市場并贏得口碑。在機械擬人化的同時，也能夠達到提高人們日常生活便利性的本質目的，為使用者提供更好的使用體驗。同樣，在人性化的發展中能夠促進中國機械制造自動化設計與人契合的發展。

5 結束語

綜上所述，機械設計制造及其自動化發展對于整個制造行業的轉型升級有著重大的意義，是提高生產效率的關鍵，也是提升生產質量，滿足多樣市場需求的必經之路。因此，結合當下的熱門學科，比如計算機科學、信息技術、網路技術、人工智能技術和自動控制技術等，向著智能化、綠色化的方向實現機械設計制造的自動化，是實現中國工業化強國夢想要求的體現。

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2095－6835（2021）06－0165－02

TH122

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.06.068

顧懂懂（1988—），男，河南人，本科，助理工程師，研究方向為機械制造及其自動化。

〔編輯：張思楠〕