機械設計制造及其自動化發展方向研究

于蘭

摘要：機械設計制造及其自動化是國家綜合國力的體現。機械設計制造及其自動化的發展體現了我國制造業在國際制造業上的地位。機械自動化引起了社會各界的廣泛關注，機器設備自動化的實現不僅可以推動機器設計制造自動化系統的進步，而且可以大大提高安全和生產效率。智能化、機電一體化、網絡化、綠色化、微型化、模塊化的運用推動了機械化自動化的進步，改善老舊的制造方式的技術缺陷，提升產量對我國經濟的繁榮有不可磨滅的作用。

Abstract： Mechanical design and manufacturing and its automation are the embodiment of the country's comprehensive national strength. The development of mechanical design and manufacturing and its automation reflects the status of my country's manufacturing industry in the international manufacturing industry. Machinery automation has attracted widespread attention from all walks of life. The realization of machine equipment automation can not only promote the progress of machine design and manufacturing automation systems， but also greatly improve safety and production efficiency. The application of intelligence， mechatronics， networking， greening， miniaturization， and modularization promotes the progress of mechanized automation， improves the technical defects of the old manufacturing methods， and increases the output， which has an indelible effect on the prosperity of my country's economy.

關鍵詞：自動化;機械設計;發展方向

Key words： automation;mechanical design;direction of development

中圖分類號：TH122 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）05-0199-03

0 ?引言

就機械制造而言，自動化是其追求的內在目標。在實現機械自動化全面發展的過程中，技術的開發和應用是主要的關鍵因素。為了有效地進行機械化，我們需要改革和創新技術。并對整個產品和功能進行技術集成和升級，使整機自動化系統更加完整、科學。[1]目前，我們正在通過科學技術推動機械自動化的改進和完善，這也符合我國機械行業目前的發展趨勢。

1 ?機械設計制造及其自動化基本概述

機械制造自動化的本質是設計和制造機械設備及相關產品。在整個制造過程中，一切都由智能自動化控制。這種自動化技術與傳統制造有很大不同，我們不再使用簡單的大型機器制造產品，而是在機器制造的基礎上，融合了一些信息技術和自動控制技術。[2]在實際生產中，每一個項目都是通過復雜的算法和精密的工具有效地安排和進行的。目前，隨著機器制造和自動化的結合，制造業有了很大的改善，在效率和技術上都有了很大的發展和飛躍。伴隨科技的不斷前進，機械制造與自動化技術將進一步完善，將越來越發達、越來越具體。最近幾年來，制造業發展迅速，與以前的制造業相比，制造工藝和技術有了很大的提高。但是，我們的技術與發達國家相比還比較落后，所以我們需要進一步加強追趕最新前沿技術的速度，而這些前沿技術往往是從國外引進的。

2 ?機械設計制造及其自動化優點

2.1 提高了工作的效率 ?機械設計、制造和自動化的主要目標是提高機械產品的產出，滿足生產需求，進而推動我國制造業的繁榮。在老舊的機械生產環境中大多數的制造都是手工操作，不可規避的生產失誤致使生產出的產品精準度不夠，自動化機械設備規避了這些存在的誤差，在確保產品質量不下降的條件下，精準地生產出產品。自動化機械設備不但釋放了眾多生產力且降低了一部分生產成本。從總體上來看提高了工作效率。

2.2 針對性的滿足機械要求 ?為了進行自動化的機械生產，要利用多種科學技術協同工作，令不一樣的科技整合成一個整體。機械設計制造及其自動化可以在生產時充分發揮科技的作用，生產不同的產品也可以有不同的生產方法。

通常工廠在生產產品之前，要先對產品的用途進行調研，之后設計并生產能夠最大限度發揮其功能的產品。調研設計的過程之前都是人工進行，但是使用自動化機械設備之后，無需人工調研設計，機械設備可以自行選擇，這樣就能讓生產出來的器械實現最好的效用，生產出更多的工業產品。[3]因而可知，機械制造類設計最重要的準則就是要盡可能的滿足對機械的功能需求， 只有充分達到這一準則，機械設計制造及其自動化技術的優勢才得以更好的發揮出來。

2.3 適用性與可持續性相輔相成 ?機械制造業的生產環境相對較惡劣，若全部生產工序都由人工操作，那么長期下來工人的健康會受到損害，這樣會降低生產率。在自動化生產模式下，可以減少工人處于惡劣環境的時長，減少對工人身體的損害，提高生產率。并且自動化機械不受自然環境的影響，在惡劣環境中也能正常工作，環境對機械生產的限制減少，機械制造業也就得到更好的發展。[4]

工業制造之所以比其他制造業更難，是因為工業制造過程的多樣性和復雜性對其影響更大，對機械設備的要求也復雜，需要機械設備。包括這一適用功能，機器設計制造和自動化完全滿足這一要求，完全滿足工業制造行業對機械設備的要求。將機械設計制造和自動化與企業的生產情況聯系起來，使用自動化技術編程出可以減少風險的程序，可以提高機械設備的可持續性和適用性。[5]所謂機器制造與自動化，其實就是自動化技術在傳統機器制造的基礎上的應用，也是當前工業生產過程的技術指標。它用于重型設備和土木工程行業等各個領域的設備制造過程中。

以caterpillar內燃機中心的曲軸流動機構為例，活塞行程H=152mm，曲軸半徑to=76mm，連桿長度b=200mm。它被優化為帶有偏置活塞的內燃機，即偏置滑動機構，運行速度系數k=1.2和活塞H=152mm被視為初始設計條件。需要優化的各種參數的初始值和取值范圍如表1所示。

使用MATLAB編程對之前建立的優化模型進行求解，優化結果為x=[71.905.8900 54.4448 1.7835 0.7130]。為便于加工，取To=72.0mm、B=185.9mm和=54.4mm。值得注意的是，優化后的驅動力無效分量之和比優化前減少了40.3%，表明優化效果良好。根據Cos-6588.（c）Min.=（a+（e）/B，c Min=47.16，上述優化結果應替換為最小傳動角的表達式，以便優化結果滿足傳動角不小于允許的傳動角（c）=第40次緩和。取發動機樹的轉速為1500r/min，P S活塞的軸向力為1000N。根據加速度和李的平衡方程式優化前后活塞加速度隨曲軸角度變化的圖像以及活塞和氣缸套之間的正壓變化曲線如圖1、圖2所示。

從圖中可以看出，優化后活塞加速度普遍降低，峰值從優化前的2295m/S2下降到優化后的2164m/S2，下降5.7%。由于加速度反映慣性力，活塞的優化加速度減小，因此慣性力減小，活塞機構運動性能提高。優化后活塞與缸套之間的正壓大大低于優化前的對應值，峰值由優化前的410.8n降至優化后的402.9n，下降1.9%。因此，活塞與氣缸套之間的摩擦也減少了，從而延長了兩個零件的使用壽命。

2.4 節約成本，提高安全性 ?獲得經濟效益是大多數工廠生產產品的目的，要提高整體經濟效益和社會效益，就要降低生產成本，尤其是在機械設計制造和自動化方面。[6]使用自動化設備可以提升生產效率和成品率、減少報廢率和生產材料的浪費，在生產環節就節約了成本。再者，使用自動化機械生產出來的產品品質較高、細節較為完美，價格更低價值也將增加，在不同的方面為企業創收。

在實現機械自動化的過程中，如果一臺機器出現故障，機器可以自動解決問題，同時采取相應的保護措施，防止因錯誤而損壞機器。如果發生故障，會立即采取措施保護機器。這樣可以保證整個生產中工人和產品的安全。技術人員在設計機械自動化時，要更加人性化，這從另一方面也展現了機械的智能化。另外，在使用機械自動化進行生產時，每一個環節都要嚴格把控，盡量減少人為干預，使各環節實現自動化生產，從而有效降低發生事故的概率。同時，機械自動化的靈敏度比較高，既能保證生產安全，又能提高生產效率。

3 ?機械設計制造及其自動化發展方向

3.1 智能化 ?在制造和設計中都實現了自動化。在機器制造過程中實現自動化生產，可以避免人工失誤，生產出高質量的產品，提高整體生產效率。早期的機器制造并沒有實現整個過程的自動化，自動化技術只能應用于產品的一部分過程，一些復雜的過程還需要人工操作。現在自動化技術已經體現在設計階段，可以依靠CIMS、CAD等技術完成更復雜的建模和計算，還可以對加工過程進行仿真實驗或仿真加工。自動化機械不浪費材料，甚至可以節省時間。

近年來，機器制造和自動化已廣泛應用于與機器設計相關的各個行業。依托大數據技術、挖掘技術、精密算法等人工智能系統的擴展，為我國的機械制造和自動化產業拓展更寬闊的發展渠道。目前，人工智能和計算機技術在機器制造和自動化的進步中已經不同程度地滲透。例如，技術人員在制定機器制造的框架時，離不開已經成為制造核心的智能操作程序的支持。同時，內部信息全控，整個工作機制連通。中央處理系統負責分發這些信息，使系統內的各種設備都能正常工作。自動化機械還可以根據工作情況自動優化和調整工作模式。

目前的機械制造業基于控制理論，實現了融合人工智能、心理學、力學等相關知識的智能模擬。在給出指令時，計算機用于模擬人類的思想和動作，并將這些指令發送給負責執行任務的機器人或機械臂。這種自動化和智能化可以體現在機械制造的諸多領域，有效降低成本，替代勞動力，因此智能化的發展潛力比較大。同時，“私人定制”也越來越受到人們的歡迎。也為智能化生產和發展奠定了基礎。可以根據用戶的訂單要求，確定生產工藝和原材料，生產出讓用戶滿意的個性化產品。銷售商品并不意味著生產經營的結束，這些智能產品可以將設備的數據狀態收集、整理并發送到工廠，企業可以據此了解產品和設備的使用和運行情況。數據和工作協同信息服務奠定了基礎。

3.2 機電一體化 ?隨著網絡技術的發展，計算機技術在廣泛的領域得到普及，機電領域在社會領域的融合得到了充分的應用。制造業和機械行業，自動化行業升級了數據挖掘技術、復雜算法、依托數據技術深化了人工智能系統等。當今我國在人工智能中的機電一體化已經有了卓越的成效。該技術有利于工業行業的發展，目前部分技術人員設計并制造出了機電一體化的程序并搭建了框架。

并由一組內部信息控制，并確保機器制造系統中的每一臺設備都由中央處理單元系統分配和協調。在框架運行的同時，可以獨立優化工作任務和工作模式，在一些領域開始應用這種機電一體化機器制造系統，降低經濟成本。更有利的是，智能化的發展方向在機械設計制造和自動化的發展中具有無限的潛力。

3.3 網絡化 ?當前，我國已進入全面信息技術時代，信息技術發展迅猛，信息技術已成為人們日常生活和工作中不可或缺的一部分。將信息技術利用到機械設計制造和自動化中，全方位利用現代信息技術，處理機械自動化生產過程中出現的問題并搜集信息資料。這樣提高了自動化機械的功能性，大大提高了自動化機械的生產效率，在一定程度上提升了自動化機械的市場競爭力。目前，大多數機械設備都是基于現代信息技術實現遠程控制的系統，這種應用在生活和生產中還沒有得到廣泛應用，但卻是未來發展的必然趨勢。這不僅是因為機械制造技術與信息技術的發展越來越緊密，而且也是未來機械制造技術發展的主要方向。同時，隨著人們生活質量的提高，科技進步的速度將加快，為今后的發展提供更大的便利。從而促進工業生產成本的節約和控制。同時，以高效率、高質量、高精度的操作設備生產出的產品質量保證更高、價格更低價值也將增加，同時控制成本，進一步提高經濟效益易。

3.4 綠色化 ?我國在發展初期，由于一些特殊原因，自然環境遭到破壞，不僅生態環境變得惡劣，而且對如今群眾的生活造成了非常不利的影響。所以，環保工作一直倍受關注。在機械設計和制造行業，也要貫徹環保理念，減少對生態環境的污染，時刻牢記要保護環境。在設計和制造機械時，不要將經濟效益作為最重要的指標，要將環保理念放在第一位。這樣在生產自動化機械時才不會對環境造成嚴重污染。在選擇相關材料時，不僅要合理有效地回收利用各種廢棄物，還要大量使用環保材料，防止物質資源的浪費。工廠要強化對所有生產程序的監管，將環保理念貫徹始終。此外，生產環保機械設備不但能夠降低工業生產成本，還可以增加經濟效益，并且保護了我們周圍的環境。

3.5 微型化 ?目前，微型化也是工業行業的發展趨勢。在傳統的機械制造過程中，工作裝配占用的結構空間比較大，所以機械設備的立方體積也相應較大，占用了很大一部分空間，阻礙了企業的發展。本文提到的這種小型化趨勢主要體現在機械自動化系統上。機械自動化系統的整體性能沒有變化，但其整體體積成比例下降。在機械制造過程中，目前微科技的應用范圍還比較小，但由于其精度高、體積相對較小，具有廣泛的應用優勢，可以促進工業的良性發展。

傳統機械設備制作行業，產量是企業的核心競爭力。然而在工業領域，精密機械部件轉型程度成為企業的核心競爭力。機械設備制作行業，不但在生產上對體積有了更高的要求，對精密技術，科技化程度也有了更高的要求，這都是為了產出高精度的機械零部件。按照各種工藝，設置更加科學有序的運行模式。例如：在數控切割工具技術方面，國內致力于復合數控刀具的研發。并在車床上，機床的這些方面也取得了一定的成效。它不僅降低了經濟成本，也充分發揮了精細加工技術的作用。如此它仍然是未來的發展指南。

3.6 模塊化 ?當前接口的種類豐富而復雜，因為機械自動化產品的種類很多。所以，需要提高機械設備設計制造的嚴謹性。在機械設備的設計和制造中，不但要確保機械設備模塊化的特點，還要保證機械設備滿足原始設計的要求。如此這般就能夠大規模增加機械設備的生產，大大降低材料成本和時間成本。目前，很多工廠已經將模塊化應用到工業生產中，效果非常好，尤其是在電器產品方面，在使用模塊化之后取得了很好的成效。然而，徹底使用模塊化的程序是相當困難的。這是因為運行一個不合理的應用程序會產生相反的效果，會產生負面影響。因此，我們需要結合機械化生產大規模使用模塊化的實際情況，使機械設計制造和自動化具有更廣闊的發展前景。

4 ?結語

隨著我國機械制造行業的技術和制度的進一步完善，機械制造逐漸脫離原有的模式，運用了科學技術與電子信息生成了自動化機械制造，其數字化、自動化的特點能夠全面掌控生產過程，極大地提高了生產率，產生了現實的經濟價值。總之，機械設計制造的快速發展和自動化，可以顯著提高的工廠的產量，并且促進經濟發展。機械設計制造及其自動化既滿足當前綠色環保的生產標準和可持續發展理念又與當今國家的發展的方向相吻合。現代信息技術的繁榮興盛，推動了機械設計制造及其自動化的進步。將智能化、機電一體化、網絡化、綠色化、微型化、模塊化運用到機械化設計中，既能夠提升自動化機械設備的生產效率、安全性與實用性又能夠節約成本、滿足不同機械的需要。所以機械生產行業應該大力推行自動化機械，為我國工業發展和經濟發展做出更大的貢獻。

參考文獻：

[1]梁喜佳，張洪偉.淺析機械設計制造及其自動化的特點與優勢及發展趨勢[J].科技創新與應用，2016（6）：126.

[2]邱國棟.計算機技術在機械設計制造及其自動化領域應用中的重要性分析[J].今日自動化，2021（1）：68-69.

[3]馬君，孫娟紅.解析機械設計制造及其自動化的技術核心[J].智庫時代，2019（17）：200-201.

[4]閆杰.機械自動化設計原則與應用分析[J].建筑工程技術與設計，2017（30）：1526.

[5]趙磊.論述計算機技術在機械設計制造及其自動化領域應用中的重要性[J].信息系統工程，2020（4）：99-100.

[6]沙澤宇.機械設計制造及其自動化的發展方向論述[J].內燃機與配件，2019（10）：171-172.