提高機械設(shè)計制造及其自動化水平的有效途徑

茅洪菊 韓飛飛

摘 要：機械化生產(chǎn)方式的出現(xiàn)與推廣，使現(xiàn)代生產(chǎn)中應(yīng)用多種類型的機械設(shè)備，并推動機械設(shè)計制造工藝的發(fā)展加速。在自動化技術(shù)出現(xiàn)后，突破了機械設(shè)計制造的技術(shù)局限，進(jìn)一步提高了機械設(shè)計制造效率與質(zhì)量。為不斷提高機械設(shè)計制造及其自動化水平，本文分析其優(yōu)勢，并從結(jié)合先進(jìn)科技、創(chuàng)新思維、環(huán)保理念與完善配套設(shè)施、應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)角度探究提高發(fā)展水平的有效途徑，最后從性能與功能兩方面總結(jié)機械設(shè)計制造及其自動化未來發(fā)展方向，以期為機械制造行業(yè)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：機械設(shè)計制造；自動化；發(fā)展途徑

1 前言

隨著工業(yè)發(fā)展水平的提高，對用于工業(yè)生產(chǎn)中的機械設(shè)備質(zhì)量、性能有了更高的要求，并在保證生產(chǎn)高效性、安全性基礎(chǔ)上，要求降低機械設(shè)備能耗。基于此，機械設(shè)計制造企業(yè)需要加速技術(shù)更新，以嶄新的技術(shù)手段提高機械設(shè)計制造水平、升級自動化系統(tǒng)功能，從而滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展對機械設(shè)備、產(chǎn)品的要求。因此，還需不斷探索提高機械設(shè)計制造及其自動化水平的有效途徑。

2機械設(shè)計制造及其自動化的優(yōu)勢

2.1優(yōu)化生產(chǎn)模式

由于傳統(tǒng)技術(shù)條件與工藝相對落后，機械設(shè)計制造中難以生產(chǎn)出性能高、功能完善的機械產(chǎn)品。而進(jìn)入信息時代后，越來越多先進(jìn)科技手段的應(yīng)用，使機械設(shè)計制造技術(shù)水平大幅提高，生產(chǎn)模式也發(fā)生改變。如在機械產(chǎn)品設(shè)計制造中應(yīng)用自動化技術(shù)革新生產(chǎn)模式，可以減少生產(chǎn)過程中人工控制，提高機械制造的精度與效率。

2.2提高生產(chǎn)安全性

機械設(shè)計制造及其自動化使機械設(shè)備、產(chǎn)品的設(shè)計、制造、運行控制均以自動化手段完成，減少機械設(shè)備與產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的危險性因素，可以降低安全事故發(fā)生率；且發(fā)現(xiàn)異常后可以及時發(fā)出提示信息，即使存在安全隱患也能夠得到快速處理，提高安全風(fēng)險防范能力。

2.3提升工業(yè)智能化水平

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，越來越多的先進(jìn)技術(shù)與機械設(shè)計制造及其自動化結(jié)合，機械設(shè)備與產(chǎn)品的設(shè)計、制造、運行控制得到進(jìn)一步優(yōu)化，目前可以自主掌握工況，實現(xiàn)智能化控制與調(diào)節(jié)；且在機械設(shè)備控制中計算機可以模擬大腦神經(jīng)網(wǎng)，對設(shè)備展開更高端的智能控制，從而有效提高工業(yè)智能化水平[1]。

3提高機械設(shè)計制造及其自動化水平的有效途徑

3.1利用先進(jìn)科技與創(chuàng)新思維實現(xiàn)現(xiàn)代化發(fā)展

機械設(shè)計制造及其自動化發(fā)展過程中，應(yīng)不斷引進(jìn)更多先進(jìn)的科技手段，并樹立創(chuàng)新思維，創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用方式，從而使工業(yè)機械獲得持續(xù)發(fā)展的技術(shù)力量，朝著現(xiàn)代化方向穩(wěn)定前進(jìn)。例如，自CAD軟件技術(shù)誕生以來，在機械設(shè)備或產(chǎn)品的設(shè)計中大力推廣，其集成多種設(shè)計功能，且軟件不斷更新、性能不斷優(yōu)化，可以更高效、更便捷地完成機械設(shè)備、產(chǎn)品設(shè)計。同時，也應(yīng)利用信息技術(shù)手段消化與吸收先進(jìn)科技，如逆向工程，其是實現(xiàn)先進(jìn)科技信息化應(yīng)用的典型代表，機械設(shè)計人員需要提前了解機械產(chǎn)品的背景、模型，將產(chǎn)品設(shè)計過程利用信息技術(shù)再現(xiàn)，從而了解產(chǎn)品的處理流程、基本組織結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵設(shè)計要素，再利用CAD軟件、重構(gòu)思維展開設(shè)計，形成功能相近但性質(zhì)完全不同的機械產(chǎn)品加工模型[2]。

3.2結(jié)合生態(tài)環(huán)保理念實現(xiàn)可持續(xù)化發(fā)展

為了實現(xiàn)機械設(shè)計制造行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，在不斷提高技術(shù)水平的同時，也要考慮機械產(chǎn)品與設(shè)備設(shè)計、制造、運行控制過程中的環(huán)保性，采取合理的手段與方式降低能耗、減少污染、控制資源浪費。目前，國家針對機械設(shè)計制造行業(yè)的發(fā)展制定了一系列法律法規(guī)，其中也明確對生態(tài)環(huán)保做出規(guī)定，在提高機械設(shè)計制造及其自動化水平過程中要始終依照法律要求，不斷突出行業(yè)的節(jié)能環(huán)保特點。同時，要不斷更新技術(shù)，積極運用具有環(huán)保性的新型資源、新型工藝，減少浪費與污染，提高整個設(shè)計、制造、運行控制過程的環(huán)保性。例如，在機械制造環(huán)節(jié)，基于環(huán)保理念應(yīng)采取用干切削技術(shù)，在機械制造中切削難度最大的工件材料為超硬合金，采用干切削技術(shù)可以預(yù)防材料與刀具之間出現(xiàn)“咬焊”式粘連情況；同時，啟動高速切削模式后，產(chǎn)生的95%～98%的切削熱均直接傳給切削，在與刀具前刀面接觸時一部分熱量已經(jīng)被消耗，從而可以有效預(yù)防切削瘤，提高超硬合金材料的加工質(zhì)量，避免頻繁出現(xiàn)質(zhì)量問題導(dǎo)致的資源浪費，也減少能源消耗，對實現(xiàn)“綠色制造”有著重要意義[3]。

3.3通過完善配套設(shè)施提高市場競爭力

一方面，對于有著豐富機械設(shè)計制造及其自動化發(fā)展資源、能力的區(qū)域應(yīng)給予資金、政策、人才方面的扶持，使其及時引進(jìn)先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)、生產(chǎn)線，提高配套設(shè)施科技水平，有效提高機械設(shè)計制造及其自動化發(fā)展水平。例如，在我國東北等工業(yè)發(fā)達(dá)區(qū)域，工業(yè)產(chǎn)業(yè)起步較早，機械設(shè)計制造及其自動化發(fā)展上有著得天獨厚的優(yōu)勢，但受市場形勢的影響，近年來東北地區(qū)機械制造行業(yè)發(fā)展速度變緩，得天獨厚的發(fā)展條件得不到有效利用，針對該情況，應(yīng)在政策、人才、資金等方面提供支持，完善機械設(shè)計、制造以及自動化相關(guān)的配套設(shè)施，從而提高自主研發(fā)能力，開發(fā)高品質(zhì)機械產(chǎn)品與設(shè)備。

另一方面，關(guān)注各個地區(qū)工業(yè)發(fā)展水平，在具備條件地區(qū)建設(shè)新型工業(yè)基地，并為具有技術(shù)基礎(chǔ)與外銷渠道的企業(yè)提供資金與政策方面的支持。例如，在我國諸多南方地區(qū)，經(jīng)濟(jì)實力雄厚、水上與陸上交通條件便利，可以為機械產(chǎn)品與設(shè)備外銷開辟出通道，但仍存在工業(yè)發(fā)展不理想情況。因此，應(yīng)分析原因，扶持優(yōu)勢工業(yè)產(chǎn)品發(fā)展，如船舶制造業(yè)，加速扶持新型工業(yè)基地建設(shè)，使更多零部件設(shè)計加工企業(yè)的得以生存。

3.4合理應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)提高綜合實力

在機械產(chǎn)品與設(shè)備的設(shè)計、制造、運行控制中合理應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)，是提高生產(chǎn)力、自動化水平的關(guān)鍵。應(yīng)用可編程邏輯控制器，該控制器可以對機械設(shè)計、制造等環(huán)節(jié)所需數(shù)據(jù)進(jìn)行計算、分析，并基于經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)構(gòu)建生產(chǎn)過程模型，在模型上可以及時發(fā)現(xiàn)加工工藝存在的問題，并自動調(diào)整設(shè)備運行參數(shù)，在無異常情況下設(shè)備自動運行、自動調(diào)節(jié)。由此可見，通過可編程邏輯控制器使生產(chǎn)與控制數(shù)據(jù)之間產(chǎn)生聯(lián)系，實現(xiàn)機械自動化與現(xiàn)代計算機技術(shù)的有效結(jié)合，將有效提高機械制造控制實效性。以某軸類機械產(chǎn)品制造為例，在車削環(huán)節(jié)利用可編程邏輯控制器進(jìn)行控制，可以自動推進(jìn)加工流程，并按照預(yù)先設(shè)定自動調(diào)節(jié)加工刀具參數(shù)，如在T0100-外輪廓粗加工時自動調(diào)整刀尖圓弧半徑為0.8mm、切深為2mm、進(jìn)給速度為150mm/min、主軸轉(zhuǎn)速800r/min；并自動控制切削量，如進(jìn)行直線與圓弧輪廓車削時，根據(jù)機械制造方案要求，粗車切削與精車切削速度分別為90m/min、120m/min，可編程控制器內(nèi)可以自動通過公式（1）計算出粗車與精車的主軸轉(zhuǎn)速[4]。

Vc=πdn/1000? ?（1）

式（1）中Vc表示車削速度、d表示銑刀直徑、n表示刀具轉(zhuǎn)速。

應(yīng)用無線與機械生產(chǎn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，機械制造前，利用電腦與無線監(jiān)控組成無線設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)可以監(jiān)控機械產(chǎn)品與設(shè)備的整個制造過程，并將監(jiān)控獲取的數(shù)據(jù)、畫面及時傳遞給自動化控制系統(tǒng)。經(jīng)過數(shù)據(jù)與圖像的分析，自動化控制系統(tǒng)可以自主識別生產(chǎn)中存在的問題，快速發(fā)出報警信息，從而減少機械制造中的安全風(fēng)險，也降低工作壓力，大幅提高機械制造效率。而在監(jiān)控系統(tǒng)與自動化控制系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)過程中，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)扮演著重要角色，實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，可以高效、準(zhǔn)確地傳遞信息，便于自動化控制系統(tǒng)及時掌握生產(chǎn)設(shè)備的運行狀態(tài)。

4機械設(shè)計制造及其自動化的未來發(fā)展方向

為充分實現(xiàn)機械設(shè)計制造及其自動化的使用價值，在確定提高其水平的有效路徑后，應(yīng)沿著正確的方向推動機械設(shè)計制造及其自動化發(fā)展。

4.1性能的未來發(fā)展方向

4.1.1實現(xiàn)高速、高精度、高效發(fā)展

任何類型的機械產(chǎn)品與設(shè)備設(shè)計在制造期間，其速度、效率、精度均是重點關(guān)注的技術(shù)指標(biāo)。而隨著現(xiàn)代科技發(fā)展，在提高自動化水平上有了更多手段，如利用高速芯片、帶高分辨率絕對式檢測元件交流數(shù)字伺服系統(tǒng)、智能芯片以及多控制系統(tǒng)等可以使自動化控制系統(tǒng)、設(shè)計軟件、制造系統(tǒng)的功能更加完善，并且高效、精準(zhǔn)的控制下，有效提高機械產(chǎn)品與設(shè)備的設(shè)計精度、制造效率。

4.1.2實現(xiàn)柔性化發(fā)展

為使機械設(shè)備性能得到優(yōu)化，在設(shè)計制造環(huán)節(jié)還需不斷引進(jìn)先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)，增強數(shù)控系統(tǒng)的柔性。結(jié)合機械設(shè)備設(shè)計與生產(chǎn)需要，在數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計上應(yīng)繼續(xù)沿用模塊化理念，其可以根據(jù)實際需求及時消除或增加某項功能模塊，提升系統(tǒng)的可拓展性，從而更好地滿足不同類型客戶的個性化需求。同時，應(yīng)用柔性化數(shù)控系統(tǒng)也可以提高群控系統(tǒng)的柔性，根據(jù)生產(chǎn)流程的實際需求設(shè)計控制程序，能夠使數(shù)控系統(tǒng)功能最大程度發(fā)揮。

4.1.3實現(xiàn)實時智能化發(fā)展

最早研發(fā)自動化控制系統(tǒng)主要是為了滿足機械產(chǎn)品、設(shè)備生產(chǎn)調(diào)度需求，避免出現(xiàn)規(guī)定時間內(nèi)未完成生產(chǎn)任務(wù)情況。但隨著自動化技術(shù)水平的提高，人工智能等先進(jìn)科技的先后出現(xiàn)，可以構(gòu)建智能化實時系統(tǒng)，基于計算模型對人類智能行為進(jìn)行模擬，再將人工智能與實時系統(tǒng)融合在一起，提高自動化控制系統(tǒng)的實時響應(yīng)能力，進(jìn)而提高控制實效性，使機械設(shè)計與制造日益智能化。

4.1.4實現(xiàn)工藝復(fù)合性與多軸化發(fā)展

機械設(shè)備與產(chǎn)品設(shè)計制造是為了滿足市場上工業(yè)加工生產(chǎn)需求，而當(dāng)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展到一定水平后，對復(fù)合加工的要求更高。工業(yè)企業(yè)意在通過復(fù)合加工縮短生產(chǎn)時間、減少生產(chǎn)工序，使單位時間內(nèi)生產(chǎn)出更多產(chǎn)品，創(chuàng)造更大效益。而復(fù)合加工則要結(jié)合多種自動化技術(shù)，需要保持自動化控制系統(tǒng)功能多系列、多軸化，因此，在未來應(yīng)實現(xiàn)工藝復(fù)合性以及自動化控制功能多軸化。以數(shù)控技術(shù)為例，在機床上裝夾一次工件后，可以自動完成換刀、主軸旋轉(zhuǎn)，完成多道工序的加工任務(wù)。

4.2功能的未來發(fā)展方向

4.2.1用戶界面實現(xiàn)圖形化發(fā)展

機械設(shè)計制造領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用數(shù)控系統(tǒng)，在數(shù)控系統(tǒng)當(dāng)中與用戶之間產(chǎn)生對話的接口則為用戶界面。為了滿足不同用戶的個性化需求，應(yīng)從用戶的角度完善、優(yōu)化用戶界面設(shè)計，并在優(yōu)化設(shè)計中合理應(yīng)用可視化技術(shù)、虛擬顯示技術(shù)等，使用戶界面更加人性化、智能化[5]。而圖形化用戶界面是目前最新穎的設(shè)計方式，受到專業(yè)與非專業(yè)用戶的廣泛歡迎，其兼具快速編程、藍(lán)圖編輯等多種顯示功能，也可以在窗口與菜單上直接選擇對應(yīng)圖形操控系統(tǒng)、獲得各項服務(wù)。

4.2.2科學(xué)計算實現(xiàn)可視化發(fā)展

可視化也是提高自動化技術(shù)發(fā)展水平的重要表現(xiàn)，在機械設(shè)計、制造、運行控制過程中通過可視化科學(xué)計算可以更高效地完成不同類型數(shù)據(jù)的處理、解釋，解決信息交流方式過于單一問題，也使表達(dá)方式更加豐富，不再局限于語言與文字，可以利用動畫、圖像等可視化信息完成交流。可視化科學(xué)計算的實現(xiàn)可以提高交流效率，減少交流中的阻礙，也可以實現(xiàn)無圖紙設(shè)計，縮短設(shè)計與制造周期。

4.2.3插補、補償方式實現(xiàn)多樣化發(fā)展

結(jié)合提高機械設(shè)計制造及其自動化水平路徑，應(yīng)利用更多元的插補與補償方式。如插補可以采用直線、圓弧、援助、空間橢圓曲面、極坐標(biāo)、螺紋、NANO等插補方式；補償上可以采用溫度、象限誤差、間隙、垂直度等補償方式。

4.2.4內(nèi)裝高性能可編程邏輯控制器

從上述內(nèi)容可知，可編程邏輯控制器在提高機械設(shè)計制造及其自動化水平上有著重要價值，其改變了自動化控制系統(tǒng)的運行方式，也使其功能更加完善；且將控制器安裝在數(shù)控系統(tǒng)當(dāng)中，利用更高級的語言進(jìn)行編程，可以不斷開發(fā)新功能。因此，在未來應(yīng)將高性能的可編程邏輯控制器安裝在機械自動化控制系統(tǒng)中，支持其自動化設(shè)計制造，并在需要改變時直接在線修改控制程序。

5結(jié)論

綜上所述，提高機械設(shè)計制造及其自動化水平對現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展有著重要現(xiàn)實意義，但在路徑選擇上要謹(jǐn)慎，應(yīng)根據(jù)機械產(chǎn)品與設(shè)備的設(shè)計、制造、運行控制需求應(yīng)用先進(jìn)科技、現(xiàn)代技術(shù)，并立足環(huán)保進(jìn)行自動化技術(shù)革新，從而確定正確的發(fā)展方向，使機械業(yè)獲得持續(xù)、健康發(fā)展的充足動力。

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