机械设计制造及其自动化的应用研究

机械设计制造及其自动化的应用研究

杨刚

广东图特家居科技股份有限公司  广东 佛山  528300

摘要：在现代社会上，伴随科技的飞快进步，从全球范围正在酝酿一场工业变革，国际工业发展将会渐渐向以各种新兴技术，如移动互联网、物联网、云计算、大数据等为主要特点的新阶段迈进。在以上这样的环境下，国内也提出了智能制造发展方针，很多企业也纷纷着手进行“机器换人”。各个企业掀起了一场自动化变革，行业的火爆促使大量的从业人员涌入，然而由于我国自动化起步较晚，很多从业者并不了解而走了很多弯路。本文作者根据自身的从业经验。从机械自动化应用角度出发，以设计应用、优化应用、发展趋势等方面为基本内容，分享自己的一些浅见，希望能帮助从业者速融入企业，更快的成长。

关键词：机械自动化；机械设计制造；设计应用；优化应用

在市场经济体制下，机械制造类企业为了赢得竞争并发展壮大，便应不断提升机械自动化的整体应用水平，确保产品质量[1]。而作为从业者，机械设计制造及其自动化的应用和创新，是需要一些努力和能力的，这不是一日练成的，想要不断的提升自我，务必多多见识，多多思考，多多总结，积少成多，积多成精。

一、机械设计制造及其自动化的设计应用

机械自动化设备由于其“非标”的特殊性，往往是用户定制，类型庞杂，还要以服务生产为目标，故而其应用时，需要考虑的要点很多，不是仅有机械设计基础就可以了。具体到个案通常要从方案初定着手。调查和处理相关的信息，包括项目具体信息，行业既有资源，项目问题点、难点等。完成之后才形成自己完整的设计思路，最后我们的机械自动化设备毕竟是做给客户的，那除了使用功能之外，设备的“颜值”也是客户考虑的关键因素。

1、初定方案

机械机构设计，就是有预见性地赋予设备新的功能和数据。预见性何来呢?主要依赖于个人经验、相关资料、他人指导，继而形成我们的初定方案，一般从以下四个方向做起：

1.1信息处理 在做机械自动化项目之前，这是一个不可或缺的环节，必须做好充分的评估和确认工作。梳理清客户需要，样品准备，有无通用性要求，产品3D和工程图纸等。

1.2物料流向 从物料到产品的过程，应该采用什么类型的流向（一般包括整理定向和连续供料两个考虑因素），是设备方案制作的重中之重。一个产品到底能不能实现自动化，物料流向可以说起决定性作用，一般来说只有产品的物料流向做的好，几乎就可以确定这个产品可以做自动化。

1.3工艺布局 对生产线而言，是设备的布局，对设备而言，是机构的布局，要能符合现场和制造流程以及工艺的要求，呈现的是一个大局方案或总体规划。至于表达的方式，没有特别要求，但最好能做到具象化，在方案设计之初尽量用简单的文字或流程图来表达，有助于自己理清思路。

1.4细化机构 细节属于设计工艺的一种实现方式，相同的方案，不一样的细节处理，便极易出现结果差异。众所周知，细节决定成败，设计自动化的机械机构更是如此，宜注意兼顾许多细节。不管方案做到怎样的程度，最终均应到细节落实，所以，若欠缺认识、经验，便极易捉襟见肘。在实际设计这些机械机构时，通常先出整体方案再生产零件，有的时候零件出现问题又需再来优化整体方案，如此多次反复。在复杂工艺的场合上，宜全面细致周全考量，并兼顾细节描述，这样更能合理的完成深入设计。

2、机械自动化机构设计的思路和技巧

   构思，就是根据项目已知约束和条件，想着能够怎么来实现，主要发生在方案(包括3D制作)拟定阶段。从实际应用的角度看，是有一些方法和技巧的，往往需要以产品为核心，从工艺入手，做动作模拟，把握好细节。以“动作模拟”的构思方法为例，顾名思义，就是模拟人工作业，进行机构/设备的设计，适用很多散件组装的情况，有一定原则和技巧，具体如下：

2.1动作分析 首先需要分析员工操作的具体环境和动作，收集全面的影响因素，产品的种类，不用种类有无特殊要求等等。

2.2动作提练 提炼操作者一共完成了多少动作，每个动作的类型（是直线动作，还是摆动动作，或者其他动作），各个动作之间的相互关系

2.3动作优化 动作提炼完成以后，要对各个动作进行优化，例如直线动作当然好实现，但摆动呢，是不是要确定是轨迹或是曲线?这就需要试验或判断，找到最简单的动作方式，不需要走复杂轨迹，那么就可以进一步简化为小角度的圆周运动。

3、如何设计出美观的机械自动化设备

   外观设计，并非是让设备分外耀眼，而是合理化地进行考究、锤炼，更多地赋予技术美感。如果方案合理、完美优化了机构，则无疑便能有所呈现美观，如果感觉设备很丑，多是出现了合理或优化方面的问题。也即确定自动化机械设备的美与丑，主要涉及理性成分，一看总风格(面向所有人)，二看细节(面向技术群体)。若误以为机械自动化设备做不做外观设计不知轻重，则必定未能认清外观设计隐含的好处，部分人可能认为，关于美观的概念往往见仁见智，难以明确。真可谓萝卜青菜，各有所好，面向美好的事物，不同人的观感往往千差万别。然而，关于技术上的美观却并不相同，正如上面提到的，以理性美居多，涵盖总的风格及细节局部。具体需要从怎样的方面入手呢？以下加以简单介绍：

3.1整体方案  整个方案需要符合用户的喜好、需求、标准，宜大力提升外在印象分(如色调、人性、风格、布局等)。部分标准的设备，便属于很理想的学习素材，可以多加揣摩，并归纳总结其中关于外观设计讲究突出的地方

3.2机构布局 大体宜讲究三个方面的内容，以标准件为先，主要参考理论依据、辅以感觉，做到以人为本。以标准件为先是由于多数情况下标准件初中成本优势，并且是由专业厂商统一制作，通常外观、性能均占优；做到以人为本，就是设备宜面向不一样的群体兼顾部分设计细节，防止头重脚轻、悬臂、逗积木系列的结构，除了与力学规律不符，看上去也存在不足。

3.3零件形状  零件会形成机构，既要协调机构布局，也要兼顾零件自己的形状，通常体现以下三个方面：合理的结构，存在过渡及导引，有所补强及掏料。若设计人员经验丰富，则在绘制零件时，大多均会考虑、处置以上这些方面，反之，有时按零件形状大体就能推测出来设计人员的经验。

3.4感官协调度  一般是指外观形状(巨大落差)、色调(未能统一)上的讲究，宜兼顾人的观感及审美趋势特点，与人机工程学要求一致。

3.5绘图习惯  对于机械自动化设备而言，图档无疑是静态的，但是最后生产出来的实体机却需要动起来，无疑就会牵涉各个方面的细节性元素，如气管、电线、物料等，涵盖一定的调整维护方面的假设空间(并非幻想或者满意意义、如拧紧螺钉需占用多大空间，便应先知晓板手大小和实际拧的方式)等等。以上这些均是设计人员已预先规划好的，也属于是否有经验的一大体现。一旦考虑不全，到时候便会出现四处补、挖，让原本理想的外观面目全非。所以，借助3D图模拟呈现效果也极其重要，需要尽可能逼真，有所渲染，最好可以实现动态化，实际也存在众多的处理方式。若机构布局、标准件愈发完整，则机台便愈好看，因此，便需加以科学表达，尽管详细可能并不一定是美观的，但是美观的则必定是详细的，于是，零部件先需要真正完整，涵盖一个接头、开关及一根光纤，甚或一个仿形工作者。

3.6其他提示  关于外观设计说属于设计技巧，还不如说属于设计人员的一种自我追求。部分机械自动化设计，一些人会认为很乱，部分人则不以为然。认为乱的人，设计中必会试图将电线、气管藏(好)、理(明白)、束(捆扎)、(明确标)识、(保护)护等等，这样美观无疑便会呈现出来；相反，认为还可以的人，便得过且过了。据学习视角进行总结，为了让机械自动化设备更美观，工作者便应力争提升审美能力并优化表达图样、设计机构及完善整个方案。

4、机械自动化设计的基本原则

    4.1可靠性原则：在信息时代下，关于机械设计制造、机械自动化方面的可靠性主要是指在标准统一的基础条件下，产品零部件能够在预期寿命下顺利完成的功能动作。因此，从本质上看，可靠性原则一般是指设计制造的产品、零部件、结构能够尽量达到可靠性方面的基础需求。

4.2技术性原则：在机械方案设计、生产的环节，专业技术性能一般都涵盖产品基本功能、制造生产、运行状态等一系列的应用性能，主要涉及静态、动态方面的性能。例如，在生产产品中，传递的应用功能、效率、产品制造强度、内部结构体系抗摩擦性、产品振动稳定性等。而技术应用标准则一般是指设备生产制造技术性能可以满足标准要求，例如，在设备振动时，会额外形成动态载荷、基础应变，尤其是在设备工作频率尽可能接近机械设备产品、零部件固有设计频率时，便会让设备产生共振。如果设备振动持续增大，则很容易快速损坏设备零部件甚或系统。而设备发生振动时的基本稳定性则是局限机械体系或零部件各项振动数据的参数，例如，固有振幅、频率、噪声等均位于标准参数范围。

4.3标准化原则：在设计、制造机械产品中，往往涉及很多较为复杂、多变的方案设计标准。针对机械产品而言，在标准化实施设计概念中，整个方案设计中的名词术语、计量单位、符号等均应与实施标准保持一致。对于实物外部形态，在具体实施标准化中，关于机械产品的原材料、零部件、设备、能源等一系列的外部结构形式、使用性能、数据尺寸等均应结合统一的标准来逐一选择。在生产过程方式的标准化上，则一般是指产品操作标准化、性能检验、数据测量模式等均应结合标准规定要求来实施，因此，标准化操作原则就是在方案设计中确保所有行为可以达到设备产品的标准化需求。就机械设备利用范围而言，通常涉及国家标准、业界标准、单位标准这三个级别。经由利用强制性上看，则可以划分成必须执行、建议利用这两类。

二、机械设计制造、机械自动化的优化应用

1、增大资金投入

国内机械设计制造、有关机械自动化应用整体相对呆板，不够灵活多样，难以达到完全自动化的效果，还有待发展核心技术水平。而这一切都离不开资金的投入。

2、前期的立项控制优化

在机械自动化类设备立项的前期阶段，可以和3D软件结合，利用先进的PDM技术对产品进行系统的分析，科学的评审设计、加工、装配等应用中的瓶颈，并提高整个体系的操作性。设计人员根据产品需求，模拟操作员常规操作，借力于对应控制设备和计算机软件来设置、规划机械自动化内容。全面降低后续加工，组装调试，产线运行的故障风险。

3、加强管理思想和人才的优化

   企业是有运营和技术能力高低之分的，只有充分提高公司的整体实力，才能跟市场拼速度、拼价格，才有更多的资本和胜算。由于机械自动化设备制造企业的核心竞争力更多与技术相关，因此需要加强技术管理和培养精兵良将。技术管理，忌讳什么项目都想原创或做高精尖，集中精力做好有前景的技术，能达到不怕市场抄袭的层面是最理想的状态。其他普通的项目，可多利用现成的行业资源，提高资源利用率，减少错漏，确保市场竞争力，提高员工的工作效率。精兵良将，人是企业最宝贵的财富，既要打感情牌，也要持福利剑，把有能力的人招揽进来并留住，反之，用人不善，则容易把项目做乱做砸。在我们机械自动化行业，纵观项目开展的各个环节，最影响交期的是方案设计和组装调试两个阶段，这两块的(人员)实力越强，对交期的达成掌控会越有效，尤其是调试阶段，经常会蹦出各种疑难杂症，容易导致交期受阻，不同的人来处理会有不同的效率和效果。

4、设计和制造工艺优化应用

尽管国内正在不断优化机械自动化发展中的各项工艺，但分析整个行业的总体形势却发现，国内机械设计领域的自动化技术，还是存在一定程度的滞后性[6]。究其原因主要有两点。第一，设计软件，由于之前国内大环境没有重视设计软件的开发，导致国内这一块非常落后，极大的阻碍了相关行业的发展；第二，先进的制造工艺设备，国外机械制造业具有很优良的自动化类设备，如激光加工、纳米技术等。保证了产品生产的质量稳定。然而，国内因为各种原因，基础的加工设备相对落后，很多先进工艺无法实现。极大影响了国内制造水平的进一步提高，从而表现出后劲不足的态势，急需在设计软件和制造工艺中优化应用。

5、自动化系统的安全控制优化应用

在机械自动化领域，安全生产一直都是很重要的内容。产品的安全，合格，高效的生产大多依靠机械自动化设备的设计和员工的规范操作，如关于结构动作的设计是否合理、相关配件的选用是否正确、传感器的布局是否科学、设备的动作逻辑是否严密、紧急情况的处置措施、员工的操作是否规范、设备的保养是否按时等都影响着产品生产的安全和效率。要想充分降低安全事故和保障产量质量，需要按时完成设备点检表，积极地结合机械自动化设备的各类特点管控整个生产，保证生产系统安全稳定的运行。

三、机械设计制造、机械自动化的未来发展趋势

当前，在机械设计制造、有关自动化的应用中，有关科学技术变得越来越成熟，国内各行各业也在不断推广应用机械设计制造和自动化，而从一定程度上促进了机械设计制造、机械自动化的用效果。在未来的发展中，机械设计制造、有关自动化则会呈现出以下发展趋势：

1、多元化：在机械设计制造、机械自动化中，融合了更加多元化的技术，物联网、移动互联网、大数据、云计算等等。除此之外还会横向的与众多学科分支技术充分融合，进而更好的发展、进步。

2、集成化：当前国内的大多数机械设计制造均分开进行设计、生产、制造、管理，行业模式进一步细分，反向推动企业积极创新，不断提高机械设计制造中融合自动化技术的水平，进而高度融合机械设计、生产、制造、管理，进而更好的达到工业发展的各种需求。

3、节能化：由于机械自动化设备达到了“机器换人”的目的，除了充分的解放了劳动力之外，还节约了人的维护成本，油耗、能耗等自然资源，提高了企业的管理效率。

四、结束语

总之，在我国经济的建设和发展中，机械设计制造业以及机械自动化起着很重要的助推作用。机械设计制造、相应的自动化呈现出很突出的应用优势特点。针对当前的实际应用现状，则需要在先进科技进步发展的推动下，从机械自动化技术上确保机械设计制造质量，并以此来全面提升生产效率、产品质量，大幅度降低工人劳动强度，进而有效促进社会经济的进一步建设与发展。

参考文献

[1]姜振宇.机械制造自动化的研究与应用[J].内燃机与配件，2018（05）：196-197.

[2]刘润龙.机械设计制造及其自动化在风电领域的应用[J].住宅与房地产，2017（18）：286.

[3]蔡臻卿，曹瑜伟.浅析机械设计制造及其自动化应用分析[J].山东工业技术，2017（10）：34.

[4]董诚.机械设计制造及其自动化的设计原则及发展趋势[J].内燃机与配件，2018（23）：184-185.

[5]姜毓依侬.浅谈机械设计制造及其自动化的特点与优势及发展趋势[J].南方农机，2017，49（23）：198.

[6]王宇航.机械设计制造及其自动化的特点与优势及发展趋势分析[J].才智，2018（33）：237.