于蘭

摘要：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化是國家綜合國力的體現(xiàn)。機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化的發(fā)展體現(xiàn)了我國制造業(yè)在國際制造業(yè)上的地位。機(jī)械自動化引起了社會各界的廣泛關(guān)注，機(jī)器設(shè)備自動化的實(shí)現(xiàn)不僅可以推動機(jī)器設(shè)計(jì)制造自動化系統(tǒng)的進(jìn)步，而且可以大大提高安全和生產(chǎn)效率。智能化、機(jī)電一體化、網(wǎng)絡(luò)化、綠色化、微型化、模塊化的運(yùn)用推動了機(jī)械化自動化的進(jìn)步，改善老舊的制造方式的技術(shù)缺陷，提升產(chǎn)量對我國經(jīng)濟(jì)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(guān)鍵詞：自動化;機(jī)械設(shè)計(jì);發(fā)展方向

Key words： automation;mechanical design;direction of development

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

0 ?引言

就機(jī)械制造而言，自動化是其追求的內(nèi)在目標(biāo)。在實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動化全面發(fā)展的過程中，技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用是主要的關(guān)鍵因素。為了有效地進(jìn)行機(jī)械化，我們需要改革和創(chuàng)新技術(shù)。并對整個產(chǎn)品和功能進(jìn)行技術(shù)集成和升級，使整機(jī)自動化系統(tǒng)更加完整、科學(xué)。[1]目前，我們正在通過科學(xué)技術(shù)推動機(jī)械自動化的改進(jìn)和完善，這也符合我國機(jī)械行業(yè)目前的發(fā)展趨勢。

1 ?機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化基本概述

機(jī)械制造自動化的本質(zhì)是設(shè)計(jì)和制造機(jī)械設(shè)備及相關(guān)產(chǎn)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(shù)與傳統(tǒng)制造有很大不同，我們不再使用簡單的大型機(jī)器制造產(chǎn)品，而是在機(jī)器制造的基礎(chǔ)上，融合了一些信息技術(shù)和自動控制技術(shù)。[2]在實(shí)際生產(chǎn)中，每一個項(xiàng)目都是通過復(fù)雜的算法和精密的工具有效地安排和進(jìn)行的。目前，隨著機(jī)器制造和自動化的結(jié)合，制造業(yè)有了很大的改善，在效率和技術(shù)上都有了很大的發(fā)展和飛躍。伴隨科技的不斷前進(jìn)，機(jī)械制造與自動化技術(shù)將進(jìn)一步完善，將越來越發(fā)達(dá)、越來越具體。最近幾年來，制造業(yè)發(fā)展迅速，與以前的制造業(yè)相比，制造工藝和技術(shù)有了很大的提高。但是，我們的技術(shù)與發(fā)達(dá)國家相比還比較落后，所以我們需要進(jìn)一步加強(qiáng)追趕最新前沿技術(shù)的速度，而這些前沿技術(shù)往往是從國外引進(jìn)的。

2 ?機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化優(yōu)點(diǎn)

2.1 提高了工作的效率 ?機(jī)械設(shè)計(jì)、制造和自動化的主要目標(biāo)是提高機(jī)械產(chǎn)品的產(chǎn)出，滿足生產(chǎn)需求，進(jìn)而推動我國制造業(yè)的繁榮。在老舊的機(jī)械生產(chǎn)環(huán)境中大多數(shù)的制造都是手工操作，不可規(guī)避的生產(chǎn)失誤致使生產(chǎn)出的產(chǎn)品精準(zhǔn)度不夠，自動化機(jī)械設(shè)備規(guī)避了這些存在的誤差，在確保產(chǎn)品質(zhì)量不下降的條件下，精準(zhǔn)地生產(chǎn)出產(chǎn)品。自動化機(jī)械設(shè)備不但釋放了眾多生產(chǎn)力且降低了一部分生產(chǎn)成本。從總體上來看提高了工作效率。

2.2 針對性的滿足機(jī)械要求 ?為了進(jìn)行自動化的機(jī)械生產(chǎn)，要利用多種科學(xué)技術(shù)協(xié)同工作，令不一樣的科技整合成一個整體。機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化可以在生產(chǎn)時充分發(fā)揮科技的作用，生產(chǎn)不同的產(chǎn)品也可以有不同的生產(chǎn)方法。

通常工廠在生產(chǎn)產(chǎn)品之前，要先對產(chǎn)品的用途進(jìn)行調(diào)研，之后設(shè)計(jì)并生產(chǎn)能夠最大限度發(fā)揮其功能的產(chǎn)品。調(diào)研設(shè)計(jì)的過程之前都是人工進(jìn)行，但是使用自動化機(jī)械設(shè)備之后，無需人工調(diào)研設(shè)計(jì)，機(jī)械設(shè)備可以自行選擇，這樣就能讓生產(chǎn)出來的器械實(shí)現(xiàn)最好的效用，生產(chǎn)出更多的工業(yè)產(chǎn)品。[3]因而可知，機(jī)械制造類設(shè)計(jì)最重要的準(zhǔn)則就是要盡可能的滿足對機(jī)械的功能需求， 只有充分達(dá)到這一準(zhǔn)則，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化技術(shù)的優(yōu)勢才得以更好的發(fā)揮出來。

2.3 適用性與可持續(xù)性相輔相成 ?機(jī)械制造業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境相對較惡劣，若全部生產(chǎn)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(chǎn)率。在自動化生產(chǎn)模式下，可以減少工人處于惡劣環(huán)境的時長，減少對工人身體的損害，提高生產(chǎn)率。并且自動化機(jī)械不受自然環(huán)境的影響，在惡劣環(huán)境中也能正常工作，環(huán)境對機(jī)械生產(chǎn)的限制減少，機(jī)械制造業(yè)也就得到更好的發(fā)展。[4]

工業(yè)制造之所以比其他制造業(yè)更難，是因?yàn)楣I(yè)制造過程的多樣性和復(fù)雜性對其影響更大，對機(jī)械設(shè)備的要求也復(fù)雜，需要機(jī)械設(shè)備。包括這一適用功能，機(jī)器設(shè)計(jì)制造和自動化完全滿足這一要求，完全滿足工業(yè)制造行業(yè)對機(jī)械設(shè)備的要求。將機(jī)械設(shè)計(jì)制造和自動化與企業(yè)的生產(chǎn)情況聯(lián)系起來，使用自動化技術(shù)編程出可以減少風(fēng)險(xiǎn)的程序，可以提高機(jī)械設(shè)備的可持續(xù)性和適用性。[5]所謂機(jī)器制造與自動化，其實(shí)就是自動化技術(shù)在傳統(tǒng)機(jī)器制造的基礎(chǔ)上的應(yīng)用，也是當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)過程的技術(shù)指標(biāo)。它用于重型設(shè)備和土木工程行業(yè)等各個領(lǐng)域的設(shè)備制造過程中。

以caterpillar內(nèi)燃機(jī)中心的曲軸流動機(jī)構(gòu)為例，活塞行程H=152mm，曲軸半徑to=76mm，連桿長度b=200mm。它被優(yōu)化為帶有偏置活塞的內(nèi)燃機(jī)，即偏置滑動機(jī)構(gòu)，運(yùn)行速度系數(shù)k=1.2和活塞H=152mm被視為初始設(shè)計(jì)條件。需要優(yōu)化的各種參數(shù)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(yōu)化模型進(jìn)行求解，優(yōu)化結(jié)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(yōu)化后的驅(qū)動力無效分量之和比優(yōu)化前減少了40.3%，表明優(yōu)化效果良好。根據(jù)Cos-6588.（c）Min.=（a+（e）/B，c Min=47.16，上述優(yōu)化結(jié)果應(yīng)替換為最小傳動角的表達(dá)式，以便優(yōu)化結(jié)果滿足傳動角不小于允許的傳動角（c）=第40次緩和。取發(fā)動機(jī)樹的轉(zhuǎn)速為1500r/min，P S活塞的軸向力為1000N。根據(jù)加速度和李的平衡方程式優(yōu)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(yōu)化后活塞加速度普遍降低，峰值從優(yōu)化前的2295m/S2下降到優(yōu)化后的2164m/S2，下降5.7%。由于加速度反映慣性力，活塞的優(yōu)化加速度減小，因此慣性力減小，活塞機(jī)構(gòu)運(yùn)動性能提高。優(yōu)化后活塞與缸套之間的正壓大大低于優(yōu)化前的對應(yīng)值，峰值由優(yōu)化前的410.8n降至優(yōu)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(jié)約成本，提高安全性 ?獲得經(jīng)濟(jì)效益是大多數(shù)工廠生產(chǎn)產(chǎn)品的目的，要提高整體經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，就要降低生產(chǎn)成本，尤其是在機(jī)械設(shè)計(jì)制造和自動化方面。[6]使用自動化設(shè)備可以提升生產(chǎn)效率和成品率、減少報(bào)廢率和生產(chǎn)材料的浪費(fèi)，在生產(chǎn)環(huán)節(jié)就節(jié)約了成本。再者，使用自動化機(jī)械生產(chǎn)出來的產(chǎn)品品質(zhì)較高、細(xì)節(jié)較為完美，價格更低價值也將增加，在不同的方面為企業(yè)創(chuàng)收。

在實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動化的過程中，如果一臺機(jī)器出現(xiàn)故障，機(jī)器可以自動解決問題，同時采取相應(yīng)的保護(hù)措施，防止因錯誤而損壞機(jī)器。如果發(fā)生故障，會立即采取措施保護(hù)機(jī)器。這樣可以保證整個生產(chǎn)中工人和產(chǎn)品的安全。技術(shù)人員在設(shè)計(jì)機(jī)械自動化時，要更加人性化，這從另一方面也展現(xiàn)了機(jī)械的智能化。另外，在使用機(jī)械自動化進(jìn)行生產(chǎn)時，每一個環(huán)節(jié)都要嚴(yán)格把控，盡量減少人為干預(yù)，使各環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)，從而有效降低發(fā)生事故的概率。同時，機(jī)械自動化的靈敏度比較高，既能保證生產(chǎn)安全，又能提高生產(chǎn)效率。

3 ?機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化發(fā)展方向

3.1 智能化 ?在制造和設(shè)計(jì)中都實(shí)現(xiàn)了自動化。在機(jī)器制造過程中實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)，可以避免人工失誤，生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品，提高整體生產(chǎn)效率。早期的機(jī)器制造并沒有實(shí)現(xiàn)整個過程的自動化，自動化技術(shù)只能應(yīng)用于產(chǎn)品的一部分過程，一些復(fù)雜的過程還需要人工操作。現(xiàn)在自動化技術(shù)已經(jīng)體現(xiàn)在設(shè)計(jì)階段，可以依靠CIMS、CAD等技術(shù)完成更復(fù)雜的建模和計(jì)算，還可以對加工過程進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)或仿真加工。自動化機(jī)械不浪費(fèi)材料，甚至可以節(jié)省時間。

近年來，機(jī)器制造和自動化已廣泛應(yīng)用于與機(jī)器設(shè)計(jì)相關(guān)的各個行業(yè)。依托大數(shù)據(jù)技術(shù)、挖掘技術(shù)、精密算法等人工智能系統(tǒng)的擴(kuò)展，為我國的機(jī)械制造和自動化產(chǎn)業(yè)拓展更寬闊的發(fā)展渠道。目前，人工智能和計(jì)算機(jī)技術(shù)在機(jī)器制造和自動化的進(jìn)步中已經(jīng)不同程度地滲透。例如，技術(shù)人員在制定機(jī)器制造的框架時，離不開已經(jīng)成為制造核心的智能操作程序的支持。同時，內(nèi)部信息全控，整個工作機(jī)制連通。中央處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)分發(fā)這些信息，使系統(tǒng)內(nèi)的各種設(shè)備都能正常工作。自動化機(jī)械還可以根據(jù)工作情況自動優(yōu)化和調(diào)整工作模式。

目前的機(jī)械制造業(yè)基于控制理論，實(shí)現(xiàn)了融合人工智能、心理學(xué)、力學(xué)等相關(guān)知識的智能模擬。在給出指令時，計(jì)算機(jī)用于模擬人類的思想和動作，并將這些指令發(fā)送給負(fù)責(zé)執(zhí)行任務(wù)的機(jī)器人或機(jī)械臂。這種自動化和智能化可以體現(xiàn)在機(jī)械制造的諸多領(lǐng)域，有效降低成本，替代勞動力，因此智能化的發(fā)展?jié)摿Ρ容^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(chǎn)和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)?？梢愿鶕?jù)用戶的訂單要求，確定生產(chǎn)工藝和原材料，生產(chǎn)出讓用戶滿意的個性化產(chǎn)品。銷售商品并不意味著生產(chǎn)經(jīng)營的結(jié)束，這些智能產(chǎn)品可以將設(shè)備的數(shù)據(jù)狀態(tài)收集、整理并發(fā)送到工廠，企業(yè)可以據(jù)此了解產(chǎn)品和設(shè)備的使用和運(yùn)行情況。數(shù)據(jù)和工作協(xié)同信息服務(wù)奠定了基礎(chǔ)。

3.2 機(jī)電一體化 ?隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)在廣泛的領(lǐng)域得到普及，機(jī)電領(lǐng)域在社會領(lǐng)域的融合得到了充分的應(yīng)用。制造業(yè)和機(jī)械行業(yè)，自動化行業(yè)升級了數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、復(fù)雜算法、依托數(shù)據(jù)技術(shù)深化了人工智能系統(tǒng)等。當(dāng)今我國在人工智能中的機(jī)電一體化已經(jīng)有了卓越的成效。該技術(shù)有利于工業(yè)行業(yè)的發(fā)展，目前部分技術(shù)人員設(shè)計(jì)并制造出了機(jī)電一體化的程序并搭建了框架。

并由一組內(nèi)部信息控制，并確保機(jī)器制造系統(tǒng)中的每一臺設(shè)備都由中央處理單元系統(tǒng)分配和協(xié)調(diào)。在框架運(yùn)行的同時，可以獨(dú)立優(yōu)化工作任務(wù)和工作模式，在一些領(lǐng)域開始應(yīng)用這種機(jī)電一體化機(jī)器制造系統(tǒng)，降低經(jīng)濟(jì)成本。更有利的是，智能化的發(fā)展方向在機(jī)械設(shè)計(jì)制造和自動化的發(fā)展中具有無限的潛力。

3.3 網(wǎng)絡(luò)化 ?當(dāng)前，我國已進(jìn)入全面信息技術(shù)時代，信息技術(shù)發(fā)展迅猛，信息技術(shù)已成為人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ髦胁豢苫蛉钡囊徊糠?。將信息技術(shù)利用到機(jī)械設(shè)計(jì)制造和自動化中，全方位利用現(xiàn)代信息技術(shù)，處理機(jī)械自動化生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題并搜集信息資料。這樣提高了自動化機(jī)械的功能性，大大提高了自動化機(jī)械的生產(chǎn)效率，在一定程度上提升了自動化機(jī)械的市場競爭力。目前，大多數(shù)機(jī)械設(shè)備都是基于現(xiàn)代信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的系統(tǒng)，這種應(yīng)用在生活和生產(chǎn)中還沒有得到廣泛應(yīng)用，但卻是未來發(fā)展的必然趨勢。這不僅是因?yàn)闄C(jī)械制造技術(shù)與信息技術(shù)的發(fā)展越來越緊密，而且也是未來機(jī)械制造技術(shù)發(fā)展的主要方向。同時，隨著人們生活質(zhì)量的提高，科技進(jìn)步的速度將加快，為今后的發(fā)展提供更大的便利。從而促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)成本的節(jié)約和控制。同時，以高效率、高質(zhì)量、高精度的操作設(shè)備生產(chǎn)出的產(chǎn)品質(zhì)量保證更高、價格更低價值也將增加，同時控制成本，進(jìn)一步提高經(jīng)濟(jì)效益易。

3.4 綠色化 ?我國在發(fā)展初期，由于一些特殊原因，自然環(huán)境遭到破壞，不僅生態(tài)環(huán)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(huán)保工作一直倍受關(guān)注。在機(jī)械設(shè)計(jì)和制造行業(yè)，也要貫徹環(huán)保理念，減少對生態(tài)環(huán)境的污染，時刻牢記要保護(hù)環(huán)境。在設(shè)計(jì)和制造機(jī)械時，不要將經(jīng)濟(jì)效益作為最重要的指標(biāo)，要將環(huán)保理念放在第一位。這樣在生產(chǎn)自動化機(jī)械時才不會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染。在選擇相關(guān)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(huán)保材料，防止物質(zhì)資源的浪費(fèi)。工廠要強(qiáng)化對所有生產(chǎn)程序的監(jiān)管，將環(huán)保理念貫徹始終。此外，生產(chǎn)環(huán)保機(jī)械設(shè)備不但能夠降低工業(yè)生產(chǎn)成本，還可以增加經(jīng)濟(jì)效益，并且保護(hù)了我們周圍的環(huán)境。

3.5 微型化 ?目前，微型化也是工業(yè)行業(yè)的發(fā)展趨勢。在傳統(tǒng)的機(jī)械制造過程中，工作裝配占用的結(jié)構(gòu)空間比較大，所以機(jī)械設(shè)備的立方體積也相應(yīng)較大，占用了很大一部分空間，阻礙了企業(yè)的發(fā)展。本文提到的這種小型化趨勢主要體現(xiàn)在機(jī)械自動化系統(tǒng)上。機(jī)械自動化系統(tǒng)的整體性能沒有變化，但其整體體積成比例下降。在機(jī)械制造過程中，目前微科技的應(yīng)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(yīng)用優(yōu)勢，可以促進(jìn)工業(yè)的良性發(fā)展。

傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備制作行業(yè)，產(chǎn)量是企業(yè)的核心競爭力。然而在工業(yè)領(lǐng)域，精密機(jī)械部件轉(zhuǎn)型程度成為企業(yè)的核心競爭力。機(jī)械設(shè)備制作行業(yè)，不但在生產(chǎn)上對體積有了更高的要求，對精密技術(shù)，科技化程度也有了更高的要求，這都是為了產(chǎn)出高精度的機(jī)械零部件。按照各種工藝，設(shè)置更加科學(xué)有序的運(yùn)行模式。例如：在數(shù)控切割工具技術(shù)方面，國內(nèi)致力于復(fù)合數(shù)控刀具的研發(fā)。并在車床上，機(jī)床的這些方面也取得了一定的成效。它不僅降低了經(jīng)濟(jì)成本，也充分發(fā)揮了精細(xì)加工技術(shù)的作用。如此它仍然是未來的發(fā)展指南。

3.6 模塊化 ?當(dāng)前接口的種類豐富而復(fù)雜，因?yàn)闄C(jī)械自動化產(chǎn)品的種類很多。所以，需要提高機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)制造的嚴(yán)謹(jǐn)性。在機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造中，不但要確保機(jī)械設(shè)備模塊化的特點(diǎn)，還要保證機(jī)械設(shè)備滿足原始設(shè)計(jì)的要求。如此這般就能夠大規(guī)模增加機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)，大大降低材料成本和時間成本。目前，很多工廠已經(jīng)將模塊化應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中，效果非常好，尤其是在電器產(chǎn)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(dāng)困難的。這是因?yàn)檫\(yùn)行一個不合理的應(yīng)用程序會產(chǎn)生相反的效果，會產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，我們需要結(jié)合機(jī)械化生產(chǎn)大規(guī)模使用模塊化的實(shí)際情況，使機(jī)械設(shè)計(jì)制造和自動化具有更廣闊的發(fā)展前景。

4 ?結(jié)語

隨著我國機(jī)械制造行業(yè)的技術(shù)和制度的進(jìn)一步完善，機(jī)械制造逐漸脫離原有的模式，運(yùn)用了科學(xué)技術(shù)與電子信息生成了自動化機(jī)械制造，其數(shù)字化、自動化的特點(diǎn)能夠全面掌控生產(chǎn)過程，極大地提高了生產(chǎn)率，產(chǎn)生了現(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)價值。總之，機(jī)械設(shè)計(jì)制造的快速發(fā)展和自動化，可以顯著提高的工廠的產(chǎn)量，并且促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化既滿足當(dāng)前綠色環(huán)保的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)和可持續(xù)發(fā)展理念又與當(dāng)今國家的發(fā)展的方向相吻合?，F(xiàn)代信息技術(shù)的繁榮興盛，推動了機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化的進(jìn)步。將智能化、機(jī)電一體化、網(wǎng)絡(luò)化、綠色化、微型化、模塊化運(yùn)用到機(jī)械化設(shè)計(jì)中，既能夠提升自動化機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)效率、安全性與實(shí)用性又能夠節(jié)約成本、滿足不同機(jī)械的需要。所以機(jī)械生產(chǎn)行業(yè)應(yīng)該大力推行自動化機(jī)械，為我國工業(yè)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。

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