机械设计制造及其自动化的应用研究

摘要：包括智能技术在内的现代化技术不断发展完善的大背景下，机械设计制造的自动化水平得到了显著提高，机械设计制造的效率同样得到大幅提升。本研究在智能技术快速发展的大背景下，从智能技术应用价值以及应用范围等角度出发，对智能技术如何在机械设计以及制造中应用进行了系统性分析探讨。本研究以人工智能技术为探讨重点，对人工智能技术在机械设计以及制造主要环节中应用的具体模式进行了分析，并探讨了人工智能技术在上述环节中发挥的主要作用。

关键词：机械设计；机械制造；自动化

引言

机械设计以及制造的自动化是利用自动辅助、自动监控以及自动生产等技术提高机械设计生产质量以及效率的一种措施。在自动化技术不断发展的大背景下，机械设计制造自动化已经具备实现的可能性。其中，智能化技术对机械设计制造的影响更深入，在降低成本、提高机械设计制造有效性方面作用更为显著，智能化发展已经成为机械设计制造发展的主要方向。本研究从使用效果以及发展趋势的角度出发，以智能技术为对象，就该技术在机械设计制造中如何应用进行了分析。

1 智能技术在机械设计制造中的应用

1.1 智能CAD系统的应用

智能CAD是利用智能技术对传统CAD软件进行优化后形成的一种智能软件。智能CAD最大的优势是能够减少设计者的工作量，让设计者能够将精力集中在核心问题解决方面。智能CAD软件首先能够完成对所有参数的自动校对以及审核，判断设计图纸是否存在明显的数据错误。如由于单位使用不同导致的错误等，均能够由智能CAD完成自动检测以及自动纠正。在内部结构设计中，智能CAD能够根据内部结构自主生成外轮廓，或在外轮廓的限制下对内部结构的合理性进行自主分析。对设计者而言，在该软件的辅助下设计者无需对设计图纸进行重复审核就能够确保设计图纸的规范有效。作为一种自传统CAD软件优化而来的智能软件，智能CAD无需重复学习，对大部分设计者而言安装后能够直接使用。

1.2 知识工程的应用

知识工程旨在通过系统化方法构建、管理和应用知识库，模拟人类知识推理能力。知识工程包括知识获取、知识表达、知识存储以及知识推理等主要内容，知识工程能够根据大数据获取的知识信息，在对知识信息进行分类以及重新归纳的情况下，形成对应的知识库以及专家库，以此满足知识调取利用的基本需求。在机械设计中，知识工程技术有助于帮助设计者优化设计理念，改善设计方案，提高设计的有效性。结构向复杂化方向发展是机械设计发展的主要方向，对机械设计者而言拥有所有机械相关知识的难度较高，设计过程中，利用知识工程设计人员能够获得设计相关的知识信息，并能够通过现有的专家库完成对方案的优化，确保设计中不存在知识性错误。随着适用范围的扩大，知识工程在机械设计中的应用有效性同样能够得到提升。

1.3 人工智能辅助的应用

人工智能技术在机械设计制造中能够起到显著的辅助作用，在训练充分的情况下，该技术能够独立用于设计结构较为简单的机械设备或机械设备的构件。人工智能建立在机器学习的基础上，通过有针对性地训练后具备一定的独立学习能力，并能够独立解决部分问题[1]。在机械设计中，人工智能能够较为准确地判断当前设计下所有部件是否能够正常组合，机械设备使用阶段是否可能出现摩擦等影响设备正常使用的问题。人工智能不仅能够在机械设备设计阶段完成较为准确地分析判断，且能够根据设计要求自主对相关参数进行调整，对机械设计进行优化。在设计方案的评估方面，人工智能技术能够通过模拟运行判断不同方案的效果，并有效避免人工审核的限制。人工智能技术在机械设计方案审核中的应用已经较为普遍，且被证明具有良好的使用效果。

2 智能技术在机械设计制造中应用的模式

2.1 智能加工

智能加工是一种柔性的加工技术，在确保加工精度的同时能够降低加工损耗，有效避免加工造成材料过度损耗、保证加工质量。机械设计生产过程中，包括切削、钻孔在内的环节均可以应用智能技术作为辅助。自动加工设备应用在机械生产加工环节后，已经能够实现加工的自动化，而传统的自动化技术仅能够实现无人操作下的自动加工，难以在加工的同时判断机械加工质量。智能加工则能够在切削等环节对比设计要求以及实际加工的成品，当成品的参数与设计开始出现偏差后，智能加工控制系统具备的自主分析功能，并自主对加工设备的参数进行调整，确保机械加工的质量。作为一种柔性加工模式，智能加工在加工精度要求较高、无人化程度较高的机械加工生产线当中具备良好的使用效果。且该技术能够有效避免加工设备突然停机等问题对机械加工的影响。

2.2 智能装配

智能装配是一种利用智能运输设备进行运输以及装配的技术，该技术能够实现装配全过程的自动化，智能化程度较高时在完全无人的情况下即可完成装配运输以及智能装配的整个流程。智能装配技术作为自动装配的升级技术，与自动装配存在一定的相似度，同样可以利用既有的生产设定运输需要装配的材料并完成装配，装配过程中扭矩等参数能够严格按照设定流程执行，装配质量因此同样能够得到显著提升[2]。智能装配与自动化装配的差异主要体现在智能装配具备一定的自主分析功能，能够对被运输以及装配的部件进行自主检测，判断部件与设计要求使用的部件是否一致。其在此前环节执行存在问题，按照原本设定的扭矩无法确保装配质量的情况下，智能装配能够明确当前的需求，并对装配流程进行自主优化处理。

2.3 智能质量检测

智能质量检测是指利用摄像头、无损检测设备在内的不同检测设备，在无需人工操作情况下对生产产品进行自主检测的一种技术。该技术能够融合生产环节以及检测环节，确保产品质量达到设计要求，同时有效缩短产品检测周期，提高检测的效率以及有效性。智能质量检测与一般的自动检测存在一定差异，后者同样需要在产品生产完成后进行，而智能检测则能够在产品生产的同时完成检测。与前者相比，后者的效率提升较为显著。智能质量检测技术，能够利用包括红外线之内的检测方法对产品的尺寸、角度以及表面的损伤情况等进行检测，判断产品当前环节的加工质量是否符合设计标准。除用于检测产品质量外，智能检测技术在辅助生产方面同样具有一定的作用。利用该技术，能够根据检测结果为生产环节提供辅助判断参数。

3 智能技术在机械自动化中的应用

3.1 智能控制系统

智能控制系统是一种建立在自动化机械自动化系统基础上的机械控制以及管理系统，与早期的自动化系统相比，智能控制系统具备根据当前的检测结果独立分析、独立判断以及独立决策的功能，能够显著改善控制效果。智能控制在具备传统自动化控制系统自主控制功能的同时，能够根据生产的实际情况完成对控制措施的调整，提高控制的针对性以及有效性。目前我国工业生产领域，生产自动化程度已经较高，自动生产以及控制系统已经得到了较为普遍地使用，尤其在大规模生产领域自动化技术已经成为普遍应用的技术。目前智能控制系统哦弄个在工业生产中总体使用占比相对较低，但从系统使用效果来看，智能控制系统已经被证明能够提高自动控制的有效性。除在大规模生产中应用外，从智能系统使用需求来看，该系统同样能够用于临时性生产调整，能够在无需调整硬件的情况下对产品参数进行小范围调节，满足小规模生产需要。

3.2 机器视觉技术

机器视觉技术在工业生产中的应用同样已经较为普遍，目前机械生产中机器视觉技术独立决策的效果虽然较为有限，但已经能够根据设定的逻辑等完善对机械生产的有效监管，提高机械生产的精度，该技术在高精度机械生产中已经被证明具备较好的使用效果。机器视觉是一种模拟人类视觉的自动化技术，能够使用包含摄像头、红外线等探测设备进行检测，并根据检测结果完成对机械生产情况的分析，明确机械生产环节是否存在不符合生产规范的行为，以及生产机械的精度是否达到了设计要求[3]。高精度机械设备对生产精度的要求极高，加工过程中需要对材料不断调整以达到设计的生产要求。这一过程中机器视觉技术的应用能够在高精度机械设备自动生产加工的同时，确保设备的加工精度，降低设备生产加工的废品率。机器视觉技术需要与机器深度学习相结合，才能达到较好的应用效果。

3.3 工业机器人技术

工业机器人可以在一定范围内取代人工，或作为人工的辅助设备使用，工业机器人的使用不仅能够提高机械设备生产的效率，且将工业机器人用于危险性较高的生产环节后，能够有效降低生产风险，避免工作人员在生产中受到不必要的伤害。工业机器人的普遍使用是机械设备智能生产的主要特征，在智能生产模式下工业机器人必然得到较为普遍地使用，在当前技术条件下，以工业机器人为核心进行生产时同样需要施工人员进行现场监督，但一般不需要施工人员直接参与生产，工作人员仅作为监督者对工业机器人的运行情况进行监管即可。与人工生产模式相比，工业机器人同样能够执行更精密以及复杂的生产要求，工业机器人的执行效率更高，能够更有效规避误差对生产的影响。以工业机器人为基础的自动化生产线，已经成为现代工业自动化生产的主要形式。

4 人工智能辅助设计制造的应用模式

4.1 设计阶段

虽然当前阶段人工智能在机械设计的创新方面能够发挥的作用整体来看依然较为有限，但在辅助设计以及提高设计质量方面，该技术已经被证明具备较好的应用效果。首先，人工智能能够降低人工作业量，尤其在模型的运算方面，模型需要大量约束条件才具备实际应用价值，模型约束条件人工计算量大且较为复杂，人工智能技术则能够帮助设计者快速完成约束条件的计算，获得准确的结果，以此降低设计者前期准备的工作总量。其次，人工智能技术能够将不同的设计标准与语言快速转化为与设计匹配的指令，以此达到提高设计效率的目的。在人工智能技术的辅助下，设计者重复性工作量大幅减少，设计的效率能够得到进一步提升。

4.2 生产阶段

生产阶段，人工智能在下述几个方面能够达到较好地使用效果。

（1）人工智能技术能够辅助完成生产调度。复杂的大型机械设备生产过程中需要加工大量构件，占用多条生产线。随着机械设备复杂性的提高，设备生产效率将呈现较为显著的下降趋势。人工智能技术在明确复杂机械设备生产对材料、设备以及生产线需求的基础上，根据现有的材料以及当前的加工需求，能够主动分析如何有效调用所需的资源和设备，提高生产效率并避免资源浪费。

（2）自动化生产中人工智能技术同样能够发挥极为显著的作用。自动化生产过程中人工智能技术能够对生产精度进行较为准确地监管，判断当前的生产与规划是否一致。人工智能技术同样能够对生产使用的设备进行监督，通过对设备运行情况的监督，能够及时对生产参数进行调整，确保生产加工的质量。人工智能技术的应用，能够推动生产效率、生产安全性以及生产质量的同步提升[4]。

4.3 信息处理

在机械设备设计以及加工相关信息处理方面，人工智能技术的作用主要集中在下述几个方面。

（1）人工智能技术能够提高大数据采集的针对性以及有效性。大数据采集信息无需人工智能支持，但缺少人工智能辅助时大数据采集的数据中大部分必然是无用数据，且数据处理时同样需要耗费大量的资源对无用数据进行处理。人工智能技术能够确定哪些数据或哪些领域的数据存在采集的必要性，且能够根据现有分析获得更加准确、应用有效性更高的分析结果。

（2）人工智能技术能够实现数据信息的局部共享，提高数据信息应用的有效性。虽然在传统数据采集模式下，大数据采集的信息各部门同样能够自主调取，但由于采集的数据信息过多，且使用者无法明确哪些数据具备调用的必要性，因此数据难以得到有效利用。人工智能技术则能够根据各部门的需求自主完成数据的针对性传输，让数据在相应部门得到更有效地利用，并使得相应部门及时获取所需数据。

4.4 故障诊断

故障的自动诊断是自动化生产线的重要组成部分，人工智能技术引入后，故障自动诊断的智能化程度能够得到进一步提升。在人工智能的辅助下，机械设备生产中故障发生的位置、故障发生的可能原因以及排除故障的措施等能够更加明确。在生产效率要求较高的情况下，人工智能技术有助于提高生产稳定性，并确保机械设备的生产质量，降低生产成本较高的大型设备的废品率。

结语

将智能技术全面引入机械设计制造等环节，不仅能够提高机械设计制造的精度，且能够实现对生产更有效地控制，确保高精度机械产品的生产质量。当前，包括智能CAD、知识工程等软件在机械设计制造中已经得到了较为普遍的应用，并取得了较好的应用效果。其中，人工智能技术的使用效果更加突出，且在智能技术中人工智能技术具备较大的挖掘可能，能够进一步推进机械设计制造的自动化发展。

参考文献

[1]柳岸敏,韦婷,王萍,林欢.智能制造背景下现代学徒制人才培养模式研究[J].包装工程,2022,43(S02):167-170.

[2]陆天睿,徐一刚,陈沿宏,刘凯,马强.机械制造自动化发展现状及方向[J].轻工科技,2021(5):68-69.

[3]刘建军.提高机械设计制造及其自动化水平的有效途径[J].化纤与纺织技术,2020,49(9):95-96.

[4]梁建成,崔汉国.机械制造走向智能化的辩证发展规律及趋势[J].科学技术与辩证法,1994(1):44-47.

作者简介：韦同太,1995年，男，山东省菏泽市曹县人，汉族，职称二级建造师（视同助理工程师）,研究方向机电工程；

黄晓涵,1994年,女,济南市平阴县人，汉族，机电工程初级职称，研究方向：机电工程。