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机械设计制造及其自动化发展探讨


机械设计制造及其自动化是一门综合性的工科学科,主要研究各种工业机械装备、机电产品的设计、制造、改装、运行控制,以及各生产等环节。该学科的主要任务就是培养我国机械设计制造及其自动化领域的高级机械工程技术人才,使他们具备本领域的相关专业知识与研究设计能力,并能够在本领域生产第一线从事机械设计制造、研究与开发、生产、管理和经营销售等工作。该学科最早追溯于1886年美国成立的机械工程师协会,该协会成立的初衷是改进企业管理,但在管理的运行中,汇聚了大量机械行业的人才,为现代机械工程的产生奠定了基础。现代机械工程产生于20世纪70年代初,由日本的《机械设计》杂志副刊刊登了机电一体化这一名词,即代表现代机械工程的出现。不久,美国的麻省理工学院又提出了自动化的概念。现代机械工程定义是由美国机械工程师协会于1984年提出的:现代机械工程与机电一体化系统是一致的,通过计算机网络信息技术进行控制,以执行机械力、运动和能量流等动力学任务的相互联系的机电系统”。这就意味着现代机械工程的诞生———机械设计制造及其自动化。相比较于欧美国家,我国进行机械设计及自动化研究起步较晚,但机械制造业是我国国民经济的基础性产业,关系到工业、农业和国防的发展,是我国的战略性基础产业。我国政府近年来对机械设计制造及其自动化的研究相当重视,对其研究投入不断增加;另外随着我国综合国力和科技实力的不断增强,我国机械设计及自动化领域近年来取得了长足的发展,形成了我国自己的特点。
1 发展特点
1.1智能化
在现代,机械设计制造及其自动化已经实现了与计算机科学技术等电子科技技术的完美结合,生产过程通过计算机操作控制,从而使生产达到自动化、智能化模式,从而有效地提高生产效率。目前,随着自动控制技术的发展,智能化在我国密集型机械制造产业发展的趋势越来越明显,比如无人化工厂或无人化车间的出现,将大大提高企业生产效率并革新人们的传统观念。
1.2机电一体化
如果我国的机械制造业能全面实现机电一体化,其生产效率还会提高。另外,我国机械设计制造及其自动化产业生产结构的调整也需要机电一体的不断提高,因为这样会有利于设计和生产出新的产品或提高产品质量,满足社会的需求。
1.3全球化
全球化也叫国际化。当今机械制造业不仅为满足本国工农业、国防等服务,也在逐渐走向世界。我国机械制造及其自动化的杰出代表作就是高铁列车工程,正在向东南亚多个国家及非洲国家出口。另外,全球化也体现在机械制造业的跨国合作上,比如我国的航空机械制造,在发动机的制造上与俄罗斯等国家合作。
1.4网络化
网络化在机械设计的自动化及其自动化的发展过程中作用巨大。比如,在某机械设计制造及其自动化企业进行产品设计和生产过程中,必须确保每一个环节都准确无误,因此,每一个环节都需要投入大量的人力进行监督和控制。如果能够实现网络化管理,则可以大量减少人力,同时也可以实现对操作车间的远程监控和管理,不仅避免了事故的发生,同时也提高了生产效率,减少了机械设备维修护理的成本。
1.5虚拟化
虚拟化是近几年机械设计领域中新发展起来的应用计算机进行产品模拟设计技术,国内是由东南大学的胡如夫首次提出,其主要理念就是借助计算机技术和信息化技术,将机械产品的设计向虚拟化的方向发展[6]。相比较于传统的机械制造企业产品设计时的手工绘图,通过虚拟化设计可以缩短绘图时间,便于修改和保存,从而提高生产效率。目前,机械设计的虚拟化主要采用CAD或CAPP画图软件进行设计和制作。最近,西南交通大学的王磊报道了一种更先进的具有创新性理念的机械设计虚拟化技术,即RemoteApp,不仅仍然保留了虚拟化设计的特点,还可以通过云平台实现远程操作和远程服务。但该技术仍然局限于Windows系统,而与Linux系统不能兼容。
1.6微型化
传统机械设计制造产品体积庞大,比较笨重,这给机械设备的搬装和运输带来了不便。随着社会需求的变化,以及机械设计技术的不断发展,某些机械行业越来越倾向于使用体积小、重量轻的新型机械设备,这些机械设备在微型管道作业、微型排爆作业等多个领域应用广泛。因此,我国的机械设计制造业逐渐出现向微型化发展趋势。随着微型机械制造业的发展,逐渐出现了微机械研究的分支学科,包括微机构学、微构建材料力学、微摩擦学。然而,目前我国许多高精尖的仪器还没有实现微型化,诸如克服摩擦力发热等还不能克服。因此,我国在实现机械设计制作及其自动化整体的微型化方面还有很大的发展空间。
1.7模块化
模块化对于机械制造企业非常重要,有利于企业之间的协作。总所周知,我国是机械制造业大国,各种机械制造厂家和企业繁多,而不同厂家和企业之间的产品在接口上一定要相匹配,否则不能相互组合使用,这就需要实现机械设计制造及其自动化产品生产的模块化。如研制具有标准化参数的动力单元,进行模块设计和生产,迅速开发出新产品,同时也可扩大生产规模。显然,模块化将提高机械自动化企业的生产效率。
1.8生态化
从20世纪至21世纪初,传统的机械制造业注重的是产能,并未考虑对环境及生态的影响。随着生态化理念的提出,人们对生态环境的保护也越来越重视,而机械设计制造业为大能耗行业,而且可能对环境带来污染。要想实现真正的生态化发展,就必须加大生态化制造技术的应用。在机械产品设计制造中,只有重视制造技术的生态化应用才能更好地提高机械产品设计制造过程中能源的消耗,减少对环境的危害。目前,随着我们国家对机械制造业产能过剩的逐步调整,整个机械制造业正逐步走向一条生态化的发展道路。
2 相关应用
2.1农业领域的应用
农业的现代化是指机械设计制造及其自动化在农业领域的应用,是近期我们国家提出的实现现代农业战略目标的重要手段。然而,相比较于西方发达国家,我国在农业领域的机械设计制造及其自动化水平还较低,发展不充分,尤其在农业设备的精准度方面差距比较明显。目前,国外在农业灌溉上以及农田施肥上,均实现了高度的机械化和精准化,但今后在农业机械设计制造及其自动化建设方面实现精准化需要走的路还很长。比如,在开发农产品的精细加工以及高附加值的生产设备上,我国还缺乏相关的研究。另外,微型芯片的出现也是发展我国智慧化农业的一个契机,可以通过芯片技术设计出智能自动收割机、智能播种机,为我国农业发展提供条件。因此,机械设计制造及其自动化在农业领域的应用还有很大的提升空间,任务也很艰巨。
2.2工业领域的应用
相比较于农业领域,工业领域中机械设计制造及其自动化的应用更加广泛,涉及汽车、列车、船舶、水利设施、工厂设备、精密仪器等制造业。目前,我国机械设计制造及其自动化在工业领域应用的杰出代表就是我国的高铁列车,其技术的先进性,设备的服务质量及舒适度已经享誉全世界。截止2018年6月份的统计数字,中国的高铁运营的总里程数达到了2.5万km,超过世界上任何国家。目前,我国的高铁列车采用CTCS-3级列控系统,可满足高铁列车最高运行时速达到350km/h以上;同时通过GSM-R无线网络系统可实现车地双向通信,其采用交织冗余覆盖技术,提高了系统的可靠性和抗干扰性。
2.3军事及航空航天领域的应用
机械制造及其自动化控制已经涉足军工、航空、航天等领域,并且也取得了引人瞩目的成就。为了应对今后的现代化战争,我国军工领域已经应用机械设计制造及其自动化技术设计和生产军工产品,比如设计和生产军工电源、数据采集卡、PLC、数据模块、检测仪器仪表、传感器、军用平板电脑等自动化程度较高的产品,这些对我国军工产业的提高具有非常重要的意义。除了军事领域,自动化控制在我国的航空、航天领域应用也非常广泛,程度非常高。例如,机器人在航空航天的应用。机器人自动制孔系统就是应用在航空航天领域的一项关键技术,比如F-16、F-22和T-50等机型飞机垂尾壁板的制孔
统,还有C-130飞机的梁腹板、波音B-747的机舱地板、F-35飞机机翼上壁板,以及A380机翼壁板等也均采用机器人自动制孔系统。
3 前景与展望
我国机械设计制造及其自动化取得了举世瞩目的成就,目前已形成了高铁列车工程、航空航天、船舶制造等高速发展行业。随着我国科技的发展和综合国力的提高,我国对机械制造业的需求也将不断提高,因此驱动我国机械设计制造及其自动化将进入一个更加崭新的发展阶段。在该阶段,机械设计制造及其自动化应朝着符合社会需求的方向不断发展,大力发展计算机辅助设计应用于机械设计制造及其自动化,将我国由机械制造大国变为机械制造强国。

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