工业产业背景下机械制造及其自动化的发展方向

冀宁

[摘    要]我国作为一个制造业大国，第一产业的发展时刻影响着国民经济的发展，机械自动化技术的出现与发展不断推进着机械制造领域的发展，也为我国的产业布局与市场竞争提供了新的机遇。阐述我国工业产业背景下机械制造及其自动化的发展现状，并通过对比传统机械制造行业与机械自动化，分析机械制造及其自动化在生产成本、产品质量、市场竞争力等方面的价值与优势，例举自动化技术在机械制造领域的应用，合理分析并预测了机械制造及其自动化领域的发展方向，希望有利于推动机械自动化领域的发展。

[关键词]机械制造;自动化;发展方向;智能化

[中图分类号]TH16 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）09–00–03

[Abstract]As a major manufacturing country， the development of the primary industry always affects the development of the national economy， the emergence and development of machinery automation technology constantly promote the development of machinery manufacturing field， but also provides new opportunities for our industrial layout and market competition. This paper expounds the development status of machinery manufacturing and automation under the background of Chinese industrial industry， and analyzes the value and advantages in production cost， product quality， market competitiveness， illustrates the application of automation technology， and reasonably analyzes and predicts the development direction of machinery manufacturing and automation， hoping to promote the development of mechanical automation.

[Keywords]mechanical manufacturing; automation; development direction; intelligence

1 機械制造及其自动化的意义与价值

机械制造的自动化技术是时代飞速发展到第三次科技革命的产物，自动化技术在机械制造领域的广泛应用改变了该领域的市场格局，并显著加大了市场竞争的激烈程度，同时时代的发展对机械制造领域在换能节能、环保与可持续发展方面也提出了新的要求。随着技术的理论突破与各行业的普遍应用，工业产业领域的机械制造品的需求在不断扩大，生产力水平飞速上升，同时伴随着传统行业转型的大量困难。在这种背景下，有必要对工业产业背景下机械制造及其自动化的发展方向进行探究。

传统的机械制造属于技术密集型与劳动密集型产业，即大量人工劳动力操作大量机械加工设备。这样的生产模式存在两个方面的弊端：①人工劳动的效率与质量严重制约着产品的产出效率与质量，②大量人工意味着管理成本的大量投入与安全事故风险的不断累积。机械自动化技术的出现从根本上改善甚至解决了这两方面的问题。一方面机械制造的自动化技术改变了生产方式，将大量人工劳动力解放并形成自动化的流水线操作与控制系统，最大程度地排除了人为失误;另一方面机械制造的自动化技术的智能化应用利用信息技术不断采集、分析、整合工程数据，且设备上采用了各种高精度的导向、定位、进给、调整、检测、视觉系统或部件，可以保证产品装配生产的高精度，使得机械制造行业不断标准化，减少冗余的加工环节并提高材料利用率，显著提高了机械制造品的质量。

2 机械制造及其自动化的发展现状

我国作为一个制造业大国，曾经长期依赖对国外技术与生产线的引进。20世纪80年代以来，不断加大对于机械制造的自动化方向的投入。但由于我国工业发展与自动化技术的发展起步较晚，因此在机械制造及其自动化领域与发达国家仍存在一定的差距。在技术层级上，我国仍属于机械自动化的初期阶段，即操作自动化阶段。这一阶段的显著特点在于实现了机械设备生产取代人工劳动力生产、计算机技术简化机械制造的操作难度等，但在机械制造的自动化控制、制造精度、复合设备制造、柔性制造技术与联动制造技术等方面仍存在技术难题。在管理层面，我国与发达国家也存在较大的差距。我国的管理模式与管理团队水平尚未跟进技术发展水平，其中，比较显著的是我国大多中小企业仍采用传统的人工管理模式，尚未普及信息化、标准化的计算机管理模式，由此造成了制造效率、制造质量、制造规模与经济效益的弱势竞争地位。在工艺层面，纳米加工、激光加工、电磁加工等尖端技术在国际竞争中发达国家依然处于绝对优势，并在一定程度上处于垄断地位，限制我国的技术发展。应充分明确的是，现阶段我国的制造业的整体水平依然处于体量大但技术难度不高的阶段，并急需机械制造与自动化方面的专业人才与创新能力。此外，国家在标准制定、人才培养及相关法律法规与政策的制定上均有一定程度的滞后性，制约着我国机械制造及其自动化领域的发展。

3 机械制造及其自动化的应用

3.1 自动化信息系统

自动化信息系统是指通过构建机械制造过程中多维度数据的数据库并进行计算机辅助设计与管理，计算机技术的引入是自动化实现的基础与关键。机械制造的数据涉及产品设计数据、制造工艺数据、设备运行数据与产品销售数据等，因此自动化的实现方式与实现软件也是多维度的。随着技术的逐步发展，自动化信息技术逐步从辅助地位提高到机械制造项目的主要制定依据，信息化有效地帮助机械制造提高其生产效率与生产规范性。

3.2 自动化运输与生产系统

自动化运输系统是指通过计算机技术自动控制原材料的供应与各流程间的产品衔接，自动化运输不仅涉及产品运输，还涉及能源的持续供应;自动化生产系统是指通过计算机技术实现工艺流程的设计、制造环境的构建与机械产品的流水线自动生产。自动化的运输与生产是机械制造流程中不可分割的两个环节，自动化的运输与生产最显著的特点即去人工化与流程标准化，这种生产模式最大程度地排除了人为误差并提高了产品质量的稳定性，同时体现在安全性的显著提高与时间成本、生产成本的大幅节省上。

3.3 自动化检测系统

自动化检测系统是高性能机械自动化制造时必备的系统，大部分的自动化检测系统都是负反馈系统，对材料与设备检测最主要的目的是主动地预防废品产生或被动地进行废品剔除，并提高设备的使用寿命。由于人工检测能力的限制与部分产品的精度与质量要求极为严苛，因此需利用计算机技术对新材料与机械自动化设备的各功能进行自动化的检测。检测内容包括但不限于加工工件的质量控制、加工工艺工程的检测、加工过程的优化与设备运行的效率，通常利用电磁感应、气压、光束或放射性同位素射线等的物理特性对测试对象的需求参数进行定量化的检测，人工智能领域的发展将实现神经网络在智能检测方面的深度应用。

4 机械制造及其自动化的发展方向

4.1 高性能化发展

随着时代的发展，对工业产品需求的门类与特性不断丰富，纵观整个工业产业发展的趋势，机械制造不断向特性化、微型化、机电一体化的方向发展，同时自动化技术的融入进一步加快了这一步伐。传统机械制造设备多为大型设备，不仅设备的占地面积大，对车间的要求较高，而且大型设备的故障率较高，维护成本占整体成本中不小的比重，一些陈年设备的维护在一定程度上制约着企业的发展。针对这一问题，机械自动化设备逐渐向小型化发展，即设备体积缩小、精密性提高、能源消耗降低。小型化的机械自动化设备在工业上的运用降低了企业的生产成本，有助于企业的良性发展。此外，自动化技术的发展使机械制造设备完成了机电一体化的迭代更新，在结构设计与材料使用上都发生了巨大的改变，这使得机械制造设备的工作能力与产出率都有了质的飞跃，并更加适应更多复杂的应用环境。

4.2 网络化发展

网络化是信息时代对工业產业背景下的机械制造领域提出的新要求，伴随着网络化的发展，机械制造及其自动化也呈现了虚拟化的特点。机械制造及其自动化的虚拟化又称虚拟现实技术，是指专业人员通过计算机技术进行系统性的制造计划设计并进行仿真。虚拟工艺设计包括对设备的3D建模、对制造流程的全真模拟以及对投入产出的精细化预测和安全性规划，通过虚拟工艺设计可以高精度地进行成本预算与项目效益分析;通过仿真可最大程度地检验工艺的可行性与经济性。对于虚拟仿真中出现的问题，专业人员可以在制造过程的任何阶段第一时间进行技术性修正，在项目实施前排除部分问题，缩短项目周期。随着项目规模的扩大与项目难度的提升，仿真所带来的收益与开发效率愈加显著。机械制造及其自动化的网络化发展是指利用无线通信技术与嵌入式技术直接控制机械制造自动化设备内部，对内部的微处理器与微控制器进行逻辑操控，并将制造过程中的各项数据无线传输给上位机，以实现操作人员对项目的监测、比对、故障分析等流程，现广泛应用于工业环境的PLC系统就是网络化的最大体现。

4.3 智能化发展

智能化是伴随人工智能技术与深度学习技术不断发展所提出的新观点，代表着机械制造及其自动化最前沿的发展方向。与网络化不同的是，智能化侧重的方向是机械自动化设备的自主判断与自动控制能力。机械制造实现智能化的主要目的在于通过智能算法与高性能芯片进一步提高对于各数据的运算能力，并形成智能化的数据调度与处理架构，进而提升机械制造的效率与精度。智能化的机械自动化设备所实现的目标为通过大量数据的训练使计算机规划出最优方案，并在一定程度上集成人脑的学习与创新能力，实现制造流程的全程全方位控制。智能化发展的具体方向可分为健壮性设计、优化性设计，并从产品的需求出发运用逆向工程技术设计整个机械制造及其自动化系统。

4.4 精细化发展

精细化发展是指对产品或工艺的精度超量级要求，主要有加工精度与加工速度两个方面。目前顶尖技术对于产品的处理已经拥有纳米级的处理能力。在超高速切割方面，由于真空技术的发展，目前可以达到的最高转速已经达到千米每分钟的级别。精细化程度的不断提高所积累的量变给机械制造领域带来了质的影响，高精度背后的高难度技术代表着制造工艺、数控刀具、生产材料等一系列技术的发展。此外，高精度制造在材料利用率上的优越表现在优化了经济收益的同时契合了时代对于工业产业绿色生产的要求，帮助机械制造及其自动化实现良性发展。

4.5 多技术融合发展

跨学科、跨专业的技术融合在复杂领域的机械自动化中逐步显现，由于市场竞争的不断加剧与技术革命的周期不断缩短，市场要求企业对于机械制造的生产、加工、检测、运输、装配间形成高度的一体化，企业对于这一需求将各工艺逐渐融合，将各技术统一到一条生产线或一个车间内。此外，对于计算机技术而言，自动化技术与CAPP技术、CAM/CAD技术、互联网技术融合成为一个发展方向。CAPP技术是指利用计算机进行逻辑运算来定制加工机械零件，完成加工与装配两个方面的工艺设计。CAPP技术的多接口特性使其与CAD与CAM拥有良好的兼容性，并使得该系统呈现高度的集成化特点;由于企业内局域网的环境为CAPP技术与互联网的融合提供较为安全的网络环境与较为稳定的连接环境。该系统可以实现从信息汲取、工艺决策到数据库建立的人机交互平台的建立，充分实现机械制造的自动化。

5 结束语

目前我国的机械制造及其自动化的发展由于规模效应在技术上的突破难度逐渐降低，但在应用与市场竞争力上仍存在一定程度的短板。机械自动化的发展应从实际出发，以市场需求作为导向，以国家的经济发展水平作为基础。面对愈发激烈的市场竞争，综合分析国内外市场的主流需求，吸取头部企业的成功或失败经验，加大对低成本自动化技术的资金投入与规模投入，从稳固现有市场与扩展新市场两方面入手，优先占据国内下沉市场，加快建立设计、生产、销售、维修与回收的全方位服务模式，并打通质量、环境、运输的多维度渠道，最大程度地提高我国机械制造企业的竞争优势。

参考文献

[1] 葛贇.提高机械设计制造及其自动化的有效途径[J].内燃机与配件，2020（9）：218-219.

[2] 张怀仁.机械制造及其自动化的发展方向[j].数字通信世界，2020（5）：266.

[3] 许红军.提高机械设计制造及其自动化的有效途径[J].湖北农机化，2020（17）：141-142.