机械设计制造及其自动化发展方向解析

王帅旗 方召

摘要： 现代信息技术、科学技术的快速发展对机械设计制造领域也产生了深刻的影响，实现了机械设计制造的自动化发展，机械设备的性能得到提升，对人类社会生产发展提供了更多支持。为了能够更好的发挥出机械自动化对社会发展的作用，文章结合机械设计制造的内涵和发展意义，根据机械设计制造的特点和要求，就如何借助自动化技术来促进机械制造长远发展进行探究。

Abstract： The rapid development of modern information technology and science and technology has also had a profound impact on the field of mechanical design and manufacturing， realized the automatic development of mechanical design and manufacturing， improved the performance of mechanical equipment， and provided more support for the production and development of human society. In order to better play the role of mechanical automation in social development， combined with the connotation and development significance of mechanical design and manufacturing， and according to the characteristics and requirements of mechanical design and manufacturing， this paper explores how to promote the long-term development of mechanical manufacturing with the help of automation technology.

关键词： 机械设计制造;自动化;发展趋势

Key words： mechanical design and manufacturing;automation;development trend

中图分类号：TH122                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）04-0215-03

0  引言

在信息科技的支持下，机械制造开始朝着自动化、多样化的方向发展，并在融合多个学科的情况下逐渐发展成为一个综合学科。机械制造自动化实现的关键技术是机械技术、电子技术。在机械制造自动化的支持下会所实现机械工程的创新化发展。随着社会生产和科学技术的进步，机械设计制造逐渐被赋予了更多新的内容，各个先进的技术也为机械制造深化发展提供了支持，使得机械设计领域迈入到新的发展阶段，为此，文章结合机械制造内涵、特点，着重就自动化技术在机械设计制造领域的应用意义和应用前景进行分析。

1  机械设计制造自动化发展概述

机械设计制造自动化是指在原本的机械产品设计加工中引入先进的自动技术和先进的设备，在技术和设备的支持下来合理把控产品的生产。在时代的发展支持下，生产技术会从机械化逐渐发展到数字自动化、计算机自动化，由此能够提升产品生产速率，提高产品的生产加工质量。

机械设计制造是一门综合性学科，在发展的过程中融合了多门关联学科，具有广泛性、综合性的特点。和传统意义上的机械制造发展相比，机械设计制造自动化发展更加智能化、人性化、科学化、合理化，在自动化技术的支持下，机械设计制造能够满足更多领域的发展需要，也能够进一步提升所设计产品的性能，即产品能更好从输入端达到输出的要求，产品的功能也由此会进一步得到完善。[1]

2  机械设计制造及其自动化发展所需要遵循的原则

2.1 充分滿足机械设备的功能要求

机械设计制造及其自动化实现造福于各个行业，特别是对机械设备的生产和管理更是产生了深刻的影响。为了能够更好的发挥出自动化技术在机械设计制造领域的应用作用，在进行设备设计的时候需要相关人员能够充分掌握各个设备的使用功能和安全管理核心，根据领域发展需要来恰当的转变机械设备的功能，实现对机械设备的灵活使用。

2.2 引入先进的技术

在先进技术的支持下能够为机械设计、制造自动化发展提供源源不断的动力支持，即借助先进的技术形式会根据实际需要来进行机械产品的生产加工。为了能够发挥出技术的应用作用，相关人员在引入自动化的时候都需要因地制宜的选择适合的技术形式，在自动化技术的支持下提升机械设计制造的智能化水平。[2]

2.3 多种加工功能的机械化设备

第一，用来进行能量转换的设备。能够完成能量转换的设备是动力机械设备，依托动力机械的系统功能来根据需要切换能源。在工业加工领域常见的能量转换设备包含内燃机、水轮机、电动机。第二，用来处理信息的设备。面临庞大的需要处理的信息，可以借助机械化设备来进行处理，并在先进设备的支持下获取有利于工业生产的信息。第三，具有其他功能的机械化设备。将自动化技术应用到机械设计制造领域还能够研发出多功能的机械设备，这些设备的应用范围和应用领域更加多元和广泛。[3]机械制造中常用的动密封形式如图1所示。

3  机械设计制造及其自动化发展的效益

3.1 提升产品的生产能力和加工工作质量

机械设计制造自动化的实现能够根据实际情况来调节、控制产品的生产加工，在自动化技术的支持下，机械自动化控制和检测的精准度、灵敏度以及普及范围会得到提高。在自动化技术的支持下，能够使得机械设计制造系统按照规范的标准来完成一系列的操作，并在系统运作的过程中减少主观因素对机械产品生产加工的干扰。同时，在自动化技术的支持下，机械产品生产操作效率也会得到提升，比如对于数控机床工件生产加工来说，零部件加工稳定性大范围的提升，生产效率是之前的五倍到六倍;柔性制造系统的生产效率会提升1.5倍到3.5倍。机械设计制造自动化的工作方式十分灵活，能够应用的产品生产加工领域范围广，在使用的过程中能够有效缩短产品的生产加工周期。[4]

3.2 提升机械产品加工的安全性和可靠性

基于自动化技术的机械设计产品制造加工会拥有一整套的监督控制、诊断、保护机制，在产品生产加工的过中如果遭遇了过压、过流、过载等电路故障，机械设计制造自动化加工系统会自动启动保护措施，从而减少事故的严重性，规避事故对人体安全带来的威胁。机械设计制造自动化使用了电子元器件，在具体生产加工的过程中会减少机械产品的可动构件以及磨损部件，加工出来的产品可靠性、安全性较高。

3.3 设备调整和维修方便，性能得到改善

机械设计制造自动化产品能够依托先进的自动化技术来进行改进和完善，即结合机械产品加工制造的要求来优化产品生产工艺，从而根据不同对象的需求来生产出不同的机械产品。在先进技术的支持下，可以通过多个技术手段来将产品的信息纳入到自动化产品控制操作系统中，从而在不需要改变产品零部件的情况下就能够完善产品的加工。在机械设计制造产品生产加工出现故障的时候，可以借助自动化技术来及时诊断、鉴别和处理故障，帮助系统能够在第一时间恢复运作。

3.4 复合功能较强，适合范围广泛

机械设计制造产品的生产加工深受单一性技术、功能的限制，在产品加工的时候如何改变单一技术、功能对产品生产的限制是相关人员一直以来需要思考和解决的问题。结合机械制造的特点，通过多个技术、多个功能的整合使用会提升产品生产加工的自动化水平。同时，机械设计自动化产品一般具备自动补偿、自动校验、自动调节、自动控制的功能，能够根据不同场合的使用需要来唤醒产品的功能。

3.5 改善产品生产劳动条件，实现自动化生产

机械设计制造自动化生产速度快，自动化技术十分适合被应用在技术密集、知识密集型产品的生产加工中，在自动化技术的支持下能够帮助人们从繁琐的体力劳动中释放出来，从而实现产品生产较高的现代化发展。[5]

3.6 节省产品生产加工的资源、能源消耗

资源节约型、环境友好型是当前国家对社会构建提出的基本要求，按照这样的要求，机械设计制造产品的生产要注重在保证产品质量的基础上减少产品生产加工对资源和能源的消耗，将自动化技术引入到机械设计制造产品的生产加工中能够在低能耗驱动机构的作用下来调节产品生产的资源、能源供应，在保证产品生产效率的同时会达到理想化的节能生产效果。

4  机械设计制造自动化在化工生产中的应用案例分析

以W3150型立式铣削数控加工中心为研究对象，将铣削数控加工中心的整机内容设计为机械设计制造和自动化专业案例，其中会包含立式数控铣削加工中心性能参数、铣削系统组成、铣削系统运作原理、运动仿真实验等。

4.1 方案总体设计

方案细分为多个小案例，包含刀具、生产工艺、总体架构、零部件、电气控制、数控加工等，各个子系统和总系统密切关联。数控机床作为一个大型装备将其作为总体案例，其和各个子案例会贯穿本专业骨干课程的各门课程中，大案例和各门课程使用案例的关联如图2所示。将立式铣削数控加工中心的主要部分和参数拆分形成子案例，包含同步带传动、齿轮传动、轴承、刀库结构、主轴、液压缸、气缸、联轴器、数控系统、数控变成、工程图纸等。

机械设计制造工程项目研究的内容多数产品生产和开发设计中的技术问题，工程问题仅仅依靠文字和数据难以表达清除，这个时候就需要借助自动化技术来打造出结构图样、照片以及多媒体动画课件。在借助先进技术将大案例划分为具体小案例的过程中要注重思考如何从所选择的立式铣削数控加工中心抽出典型的、具有代表性的子系统，同时包含零部件、电气元件的供应问题也是需要相关人员需要思考和解决的。

4.2 锅炉汽包水位控制

从工业生产加工实际情况来看，锅炉汽包是用來W3150型立式铣削数控加工中生产蒸汽的重要设备，这项设备在工业现代化生产中起着十分重要的作用，在设备的支持和使用下能够提升工业产品的加工产量。为此，借助自动化技术，需要相关人员将锅炉汽包的液位高度控制在合理的范围内。

①单冲量控制系统。从实际应用情况来看，汽包水位控制手段应用到核心是控制给水，具体原理构造如图三所示。在汽包水位发生变化的时候，需要相关人员注重使用单冲量控制系统来控制水位变化，并在系统内部配置联锁报警装置，使得化工生产能够满足指定的生产要求。[6]②双重量控制系统。蒸汽负荷的变化会为汽包水控制工作的开展带来隐患，在这个期间需要相关人员根据蒸汽流的变化来调整正汽包的水位，通过这样的调整不仅能够补偿虚假水位变化引发的错误操作，而且还能够增强控制阀门的灵活性，减少水位波动，最终减少水位波动。在这个期间如果引入了蒸汽流量信号，就会打造出双冲量控制系统。③三冲量控制系统。在双冲量控制系统中，控制阀门的运作并不是一种线性运作，因此，在整个系统运作的时候想要实现静态化控制就会遇到比较多的问题，同时，在系统运作的时候如果无法克制给水系统的扰动，还会使得双冲量控制系统出现安全隐患。为了能够规避这种隐患可以在其中引入适量的给水信号，由此打造出三冲量控制系统。[7]在三冲量控制系统中，水位控制器和流量控制器参数整定方法和一般意义上的串级控制系统相同，在一台多通道控制器的作用下就能够完成一系列的控制工作。

4.3 冷却器控制方案

第一，采取措施控制冷却剂的流量。在冷却剂流量的控制一般是通过改变传热速率、传热面积来实现的。这样的控制方式属于一种保守的控制方式，控制过程中冷量利用充分，且在利用的过程中不会对压缩机的入口压力产生影响，但是从实际实施操作上来看，通过改变传热速率、传热面积控制冷却剂流量的方式操作起来不够方便，气体的蒸发空间无法得到保障，在处理不恰当的情况下会损坏压缩机。为了能加解决这个问题，在控制冷却器的过程中要注重科学调控物料的进出口温度，采取串级的方式来控制液位的上下限，保证系统内部拥有足够的蒸发空间。第二，控制气氨的排放量，。在控制气氨总体排放量时可以通过改变传热速率方程温度的方式来实现，但是需要注意的是，这种控制方式对系统的响应十分灵敏，制冷系统要具备足够的压力承接能力。

经过以上的分析，在机械设计制造自动化装置和被控制工艺设备之间会打造出一个没有人参与的全自动化控制系统，操作人员坐在操作室内部的时候就能够观察到整个装置的发展变化，通过安装这样的装置能够确保产品生产的安全、可靠，降低工作人员的劳作强度。

5  机械设计制造及其自动化发展展望

5.1 网络化发展  在现代科学技术和信息网络的快速发展下，信息网络遍布全球，对现代科学技术、工业生产、政治、军事、教育以及民众的日常生活产生了深刻的影响，当前，在进行机械设计产品加工制造的过程中需要相关人员以网络平台为重要发展媒介，通过网络平台来调查研究产品生产所需要的原材料，之后在网络平台上选取这些材料。网络技术的发展还能够为机械设计产品的生产加工者提供一个重要的交流平台，通过技术信息的交流来实现机械设计产品生产加工的网络化、便捷化发展。比如在网络平台的支持下能够实现机床生产的远程控制和无人化操作管理，实现机床联网，在机床联网之后可以在任何一台机床上来完成对关联机床的编写、设定、操作、运行，在家庭网络的支持下将各类家用电器连接形成以计算机为中心的计算机集成家电系统，最终实现产品的网络化、自动化生产。[8]

5.2 模块化发展  产品生产加工设计的模块化发展是一项长期性、复杂性的工程，自动化技术支持下的硬件模块化发展能够实现数控系统的标准化、集成化发展，在机械设计制造加工的时候会根据需求来调整存储器、CPU、PLC、输入输出接口的位置，之后通过增删替换来打造出不同档次的数控系统。

考虑到当前，机械设计制造产品生产种类和厂家的众多，标准化机械接口、电气接口、环境借口的自动化设计和开发就变成一项复杂的事情。在未来，依托自动化技术的机械设计制造产品生产加工能够打造出融合智能减速、研发减速、电动机设备为一体的动力单元，整个单元具备图像识别、图像处理、图像调整控制的操作功能，由此既能够实现新产品的开发设计，又能够扩大产品的生产规模。

5.3 绿色环保发展  一方面，工业的进步使得人们的物质更加丰富，生活更加舒适;另外一个方面，面对社会范围资源数量减少，如何借助先进的技术减少各个领域发展对资源、能源的消耗成为相关人员需要思考和解决的问题。将自动化技术引入到工业生产领域会减少工业生产的总体消耗，最终实现工业的绿色化、环保化发展。[9]

5.4 智能化发展  智能化是二十一世紀机械自动化技术发展的重要方向，智能化在控制理论基础上会充分吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模拟数学、心理学等方面学科知识，在整合这些知识的基础上来模拟人类智能，在模拟人工智能技术的过程中会对产品的生产进行判断、分析和处理，在智能化技术的支持下会降低产品作业消耗。

6  结束语

综上所述，在现代社会儿科学技术和信息技术的发展支持下，自动化技术开始被引入更多领域，机械设计制造自动化实现能够赋予产品生产的更多功能，并在自动化技术的支持下提升产品生产加工质量，增强生产产品的安全性和可靠性。为此，文章结合机械设计制造的基本内容和发展要求，以数控加工中心为研究对象，打造出了专业大案例，提供给专业课程群一个整体、系统的专业大案例，就机械设计制造自动化的发展方向问题作出了探讨，旨在能够在机械自动化一体化生产的影响和支持下来促进我国机械工业的长远、稳定、可持续发展。

参考文献：

[1]潘旭辉.机械设计制造及其自动化的发展方向[J].湖北农机化，2021（3）：2.

[2]吕辛，张岩鹏.我国机械设计制造及其自动化发展方向研究[J].科学技术创新，2013（020）：225.

[3]李知洋.探讨机械设计制造及其自动化的发展方向[J].山东工业技术，2016（3）：2.

[4]祖昱.机械设计制造及其自动化发展方向[J].2021（2015-3）：171.

[5]黄贵军.机械设计制造及其自动化发展方向的研究[J].科技创新导报，2019，16（3）：2.

[6]卜永乐.探析机械设计制造及其自动化的发展方向[J].时代农机，2020，47（1）：2.

[7]翟兆凯.浅谈机械设计制造及其自动化的发展趋势之人工智能方向[J].科学与信息化，2020（15）：1.

[8]龚才能.浅析我国机械设计制造及自动化发展方向研究[J].汽车世界，2020（5）：1.

[9]张文通.机械设计制造及其自动化的发展方向[J].百科论坛电子杂志，2020.