机械加工制造中自动化技术的应用

孟宪满

[摘    要]近年来，在科学技术不断创新的发展背景之下，先进自动化技术不断产生，并且被广泛应用于我国多个领域中。其中，机械加工制造业有效运用自动化技术，在很大的程度上改进了以往传统的机械加工制造模式，进而满足现代社会对于机械加工产品的发展需要。文章分析机械制造中自动化技术的意义与优势，列举自动化技术在现代机械制造中的集成化应用、柔性自动化应用与智能化应用。

[关键词]机械加工制造;自动化技术;应用与发展;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]In recent years， under the new development background of continuous science and technology innovation， automation technology has emerged， and has been widely applied in many fields in China. Mechanical processing and manufacturing has also gradually become modernized， mechanical processing and manufacturing industry effectively use automation technology， can improve the traditional mechanical processing and manufacturing mode to a large extent， and then meet the needs of modern society for the development of mechanical processing products. This paper analyzes the significance and advantages of automation technology in mechanical manufacturing， and lists the integrated application， flexible automation application and intelligent application of automation technology in modern mechanical manufacturing.

[Keywords]mechanical processing and manufacturing; automation technology; application and development; intelligence

1 机械加工制造中自动化技术应用的意义

目前，对于现代机械加工制造行业来讲，合理有效地应用自动化技术，可以在很大程度上节省时间、人力以及物力成本。且相对于人力操作来说，自动化技术的稳定性较强，生产操作的方式也相对更加简单安全，这样不仅减轻了生产制造人员的工作压力，还为机械加工制造的生产系统提供了稳定、高效的保障。

更新并升级换代机械加工制造的生产方式，有效提高企业的自动化生产技术水平，这不仅让机械设备装置和现代化技术进行了有效的融合，并且将其运用到了人们实际的生产活动之中，使得生产线上的各个步骤之间的联系更加紧密，使得企业能够大幅度提升自身的生产效率和资源的利用率，这样在最大程度上避免了资源的浪费，将经济效益最大化。

2 機械加工制造中自动化技术的特点与优势

自动化技术包罗万象，在多门学科的综合应用下，自动化技术被赋予了更加完善的功能，减少了人工参与制造生产，在设定计算机命令程序后便可进行加工制造。在科技日新月异的发展背景之下，自动化技术在机械加工制造领域中实现了越来越专业和成熟的应用，应用的特点主要包括安全性，广泛性，高效性。

2.1 安全性

在计算机技术的支持下，机械加工制造生产线可以建立安全演示平台以及危险预警平台，能够最大程度上保证参与机械加工制造人员的安全。在过去很长的一段时间内，机械加工制造都是需要绘制相应的图纸，并需要操作人员进行现场的勘测和加工处理，由于受到多方面人员因素的影响，使得机械加工制造行业的安全一直无法得到有效保障。随着自动化技术的诞生完善，计算机虚拟仿真技术开始建立安全演示和预警平台，这些技术应用都能及时地发现生产线上潜在的安全隐患问题，并将这些问题尽早解决，最终达到规避机械加工制造中安全隐患问题的目的。

2.2 广泛性

随着计算机技术的快速发展，自动化技术迎来了前所未有的发展机遇，自动化技术被广泛应用于各个领域行业。在机械制造加工过程中，自动化技术在制造、研发、设计和运输等各个环节都起到了至关重要的作用。

2.3 高效性

过去的很长一段时间内，机械制造加工都是主要依靠人力解决，但是随着社会对于加工进度和要求的不断提升，传统的制造加工方式已经逐渐无法满足社会需求。自动化技术可以有效地提高加工的速度和质量，达到高效精准的加工制造效果，使得整个加工制造流程变得更加高效率、高质量。

3 国内机械加工制造中自动化技术的应用

3.1 集成化应用

随着高性能材料技术与微电子技术的不断发展，机械自动化加工设备愈加愈趋于小型化和集成化，机械自动化加工系统依托于嵌入式技术也愈发变得系统化，应用范围也愈来愈广泛。

集成化的机械加工制造中自动化技术将自动化系统分成程序模块、传感模块、作用模块、制定模块与控制模块五部分。程序模块即软件层面的机械加工制造控制，随着技术的发展与工程效率的需求，机械自动化软件更多地采用图形化的编程方式与强大的人机交互界面，一方面使自动化设备更加明确产品的技术要求，另一方面使得技术人员越发明确设备的运行情况，使得机械自动化设备的可控性与操作性大幅增强;传感模块即机械自动化技术中硬件层面的应用，传感模块有众多不同种类的高性能传感器构成，MQTT无线通信技术的发展与工业化应用使得众多传感器的庞大数据量能够并行、高效、无失真的传输，实现了对机械加工制造过程的实时控制、作用模块即机械自动化设备的能量供应系统，通过计算加工过程的工程量控制能源供应，提高能源利用率并减少污染物排放;制定模块是机械自动化系统的核心模块，通过制定模块采集、整合、分析传感器数据并反馈给微控制器，并将程序输入设备进行对切割刀具的控制;控制模块与制定模块在物理结构上联通，位于机械自动化系统的终端，通过控制系统最终完成对机械臂、切割刀具的动作控制，并保障加工过程中的标准型与安全性。在机械自动化系统设备层外，还通过计算机技术建立工程数据库，不断累积加工数据，用于调配物资、规划流程、人员管理等方面，对于高质量的机械加工实现具有重要意义。

3.2 柔性自动化应用

柔性自动化是相对于传统的刚性自动化而产生的概念，为了改善传统自动化领域存在的生产产品单一性的问题，并弥补刚性自动化生产线更换或维护组件周期长的问题，提高生产效率，现代自动化领域提出了柔性自动化技术（图1）。柔性自动化具有生产工艺多样性与生产产品可变性的特点，并保留了刚性自动化生产率高的优点。在结构上，柔性自动化生产线通过计算机管理系统进行统一控制，完成物料储运、工艺设计、加工制造的一体化实现。柔性自动化生产线在加工精度上也具有很大优势，柔性自动化设备有自主排查与纠错能力，当生产线的某一部分发生故障时，微控制器通过分析故障原因可做出流程调整或故障设备绕行的解决方案。理想化的柔性自动化生产系统可以达到全程无人化生产，极大地削减人工成本的同时最大化地实现安全生产。

3.3 智能化应用

智能化是在柔性自动化基础上的进一步技术升级。随着人工智能、深度学习技术与大数据技术的发展与融合，基于人工智能的机械加工制造自动化呈现出智能化的特点，具体表现在高速度、高精度、高效率的实现，以及复合工艺与多轴化技术的逐步成熟。在“三高”的实现上，设备采用高速控制系统与高分辨率检测元件组成的交流数字伺服系统，有效提高了设备的动态与静态特性;复合工艺的实践减少了工序数量与各工序时长，通过多轴设计联动性完成设备的自动换刀、旋转主轴头与交换工作台等操作。在管理层面，智能化体现在实时管理系统的应用与升级上，传统实时管理系统仅能实现任务调度与工期保障，而智能化的实时管理系统通过计算仿真，滤除管理中的冗余部分，实现生产过程的动态化控制。

此外，智能化的最突出特点在于自动化设备的自主学习能力，设备通过机器视觉技术对大量工程经验进行累计，并通过神经网络技术进行数据分析与数学建模，最终通过可视化的人机交互界面反馈给技术人员。高度智能化的自动生产线可以实现无机械接触的远程控制，即设备的运行、更换与故障处理都由设备自主完成，工程仅需完成设备的监测与机器沟通的任务。

4 机械加工制造中自动化技术的发展趋势

4.1 虚拟化

虚拟化是机械加工制造及其自动化发展的一大趋势，虚拟化主要是指运用计算机技术实现工艺设计虚拟化、操作系统图像化以及制作工艺仿真化。

对于工艺设计虚拟化，采用CAD/CAM技术进行计算机辅助设计与计算机辅助制造一体化应用一个完整的CAD/CAM系统包括数字计算与图形处理、3D建模与几何规划、数控加工与数据储存、快速检索与快速调取、人机交互界面以及多维度输入输出等功能，在硬件层面涉及计算机及外部设备与终端数控机床，人工操作始终是现阶段机械加工与制造的核心。技术人员通过CAD软件进行产品设计、工程分析与图纸绘制，再通过CAM软件进行工艺设计、工装设计，并通过NC自動编程实现加工轨迹、工艺参数与辅助动作的编写，并作用于控制介质上，实现数控机床的加工制造。由于我国机械自动化领域起步较晚，且技术人员长期学习并采用OpenGL等国外软件进行设计开发，目前我国对于CAD/CAM技术的研究程度与应用程度均与工业发达国家存在不小的差距，对于CAD/CAM技术的自主创新能力也存在较大的上升空间。对于操作系统图像化，利用高级编程语言对人机交互界面进行人性化、模块化、图像化的设计，并对操作界面进行多功能的技术分区，满足用户对于图像模拟、图像追踪等功能的需求。对于制作工艺仿真化，虚拟化技术通过仿真技术模拟整个生产流程，更好地把握设计精度，在机械自动化的应用极大地缩减了企业的设计成本与设计周期，并显著提高了工程的材料利用率。

4.2 数字化

数字化是机械加工制造及其自动化发展的另一大趋势，机械自动化的数字化发展是指对于生产流程的数字化解析与数字化控制。我国提出要由制造大国向制造强国转变，就必须实现机械加工制造的全领域数字化生产。此外，由于机械设计制造的特性化发展，企业需要更好地处理网络信息，并进行高质量、短周期的设计以满足多样化的市场需求。数字化技术的深入应用也为这一目标的实现打下坚实的基础。

对于数字化在机械自动化的应用，工业发达国家在20世纪80年代起就已经开始了对这一领域的研究。德国西门子公司开发的SINUMERIK ONE数字化原生数控系统实现了数控机床与开发软件的双胞胎式融合，并帮助用户在一个数字化的空间内对工作流程进行完整的仿真与测试，采用SINUMERIK ONE的PLC控制系统可达到传统PLC控制系统处理速度的10倍，并采用TIA Portal集成系统实现操作流程任意两点间与自动化设备任意端对端间的控制，极大地节约了企业的时间与资金。对于自动化设备设计厂商的需求，同属西门子公司开发NX Virtual Machine虚拟机中的Sinumerik-VNCK功能实现了机床的设计、工程建构、调试与维护的数字化，用户无需通过拆解设备即可了解设备内部结构并对设备进行直接控制。

4.3 绿色化

绿色化是新时代社会对于工业企业提出的全新要求，由于全球范围内的气候变化与传统资源的高速消耗，绿色化与低碳化的新生产模式成为现代企业的必然发展方向。从企业经济效益的角度来看，绿色化与低碳化的生产模式可以削减能源成本，并且国家对于环境友好型工业生产方式的发展树立了专项补贴与有利政策，都在一定程度上为企业带来经济收益。此外，绿色化的生产方式对于工作环境的改善，使得员工具有更好的工作积极性，进而实现工作质量的提升与企业收益的增加。实现绿色化的生产方式，①需要从源头入手，提高企业的环境保护意识。②在设备生产时尽量延长设备的使用寿命，对于老旧设备，及时回收老旧设备中的可循环利用的部分。

此外，加大对于绿色制造工艺的研究与应用。绿色加工过程涉及绿色设计、绿色材料、绿色设备、绿色包装、绿色管理五方面，全方位的绿色化转型才能真正实现机械加工制造企业的绿色化。在国内，上海交通大学、清华大学等高等院校研发的三价铬电镀工艺、无铅焊接工艺、干冻消磨加工工艺等一系列工艺为机械自动化生产的各个环节提供绿色化的解决方案，中国机械科学研究总院提出的“数字化无膜铸造精密成型技术研究”为金属材料、玻璃材料与树脂材料的铸造提供了完整的电机产品绿色技术标准。国际上，欧盟针对机械制造过程中产生的废料与机械自动化设备的回收问题，提出了“下一代生产系统”的解决方案。该系统在原理上通过使用可再生材料延长设备的生命周期，并使得设备离散化，实现更精密的设备循环利用，通过“下一代生产系统”处理后，机床设备的回收率接近80%、能源消耗减少了30%，并在减少噪声污染、重金属排放等方面有显著成效。

5 结束语

自动化技术在机械加工制造行业的广泛应用，有效地为机械加工制造操作提供了有力的支持和保障，极大地推动了机械加工制造行业的现代化发展。随着当前社会科技的快速进步与发展，机械加工制造中传统技术的弊端也日益凸显，传统技术开始成为了机械加工制造发展路上的绊脚石，自动化技术的应用具备了显著优势，极大地提升机械加工制造的效率以及生产产品的质量。目前机械加工制造的自动化技术应用还处于初步发展阶段，需要进一步加快自动化技术的发展与完善，创新与应用，充分发挥计算机技术在该领域行业内的应用，促进机械加工制造的自动化发展，有效促进机械加工制造的快速发展。

参考文献

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