简述计算机技术在机械设计制造及自动化中的技术创新运用论文

　　摘要：在工业制造领域，计算机技术的应用十分普遍，并在提高效率、提升质量、降低成本等方面有重要价值。本文针对机械设计制造及自动化技术进行研究，从计算机技术在机械设计制造及自动化中的创新运用及计算机技术的应用优势和发展方向等方面进行分析，希望通过本文能加快计算机技术在机械设计制造及自动化中的推广和应用，推动工业制造行业可持续发展。

 

　　关键词：机械设计制造；自动化；计算机技术；创新应用

 

 

　　Huang Guosheng

 

　　(School of Automation,Guangdong University of Technology，Guangzhou Guangdong，510000)

       Abstract:In the field of industrial manufacturing,the application of computer technology is common,which highlights the important value in improving efficiency,improving quality and reducing cost.This paper studies mechanical design,manufacturing and automation,and analyzes the development status,the innovative application of computer technology in mechanical design,manufacturing and automation,and the application advantages and development direction of computer technology.It is hoped that through this paper,we will accelerate the promotion and innovation and application of computer technology in mechanical design,manufacturing and automation,and promote the sustainable development of industrial manufacturing industry.

 

　　Key words:mechanical design and manufacturing;automation;computer technology;innovative application

 

 

　　机械设计制造及自动化简单来说分为三部分内容：一是机械设计，以工业产品的设计开发为主，包括产品零件的开发、调试、图纸绘制等，设计开发人员要熟练运用建模和出图软件；二是机械制造，以工业产品的生产制造为主，包括零件制造材料的选择、制造设备的选型、工艺流程的安排、车间管理工作等；三是机械自动化，以自动控制和信息处理为主。

 

　　目前来看，我国工业制造行业尚处于中低端水平，以零部件为代表的中间件、集成电路、半导体元器件制造为主，高端电子产品、关键元器件、品牌核心技术标准等方面存在不足[2]。例如，自动化系统的设计和制造能力有限，与新型信息技术融合不到位等。为此，制造业相关人员必须发挥计算机技术的核心作用，对计算机技术进行创新运用，通过降低设计难度、缩短生产周期，全面提高机械设备的生产制造能力。

 

 

　　计算机技术的应用能提高系统的灵敏度，并通过逻辑编程实现生产的自动化。

 

　　(一)仿真技术

 

　　计算机仿真技术从网络技术、信息处理技术发展而来，融入了可视化、VR等技术。工作人员在计算机上可进行编程、调整，并借助数值进行计算和问题求解。仿真技术在机械设计制造及自动化中的运用。主要是通过建立仿真模型，让设计制造人员进行观察分析，并模拟零部件的功能，评价设备的整体运行状况，从而保证设计制造质量。从实际应用来看，若航空工业采用仿真技术，则大型客机的设计和研制周期能缩短20%；航天工业采用仿真技术，利用仿真实验代替实弹试验，试验次数能减少80%；核电工业采用仿真技术，对核电站进行调试、维护和检修，仅需1年就能收回仿真系统的建设成本；机械设备制造工业采用仿真技术，对机械、零件的运行进行模拟，能确保零件和整机的功能相吻合。

 

　　在仿真实验中，工作人员根据实验要求输入信号，信号通过模型后需要分析并调整参数，参数调整后，加载到仿真模型中，就能对模型进行优化。如果是不确定的模型，则可采用蒙特卡罗法进行随机模拟，提高实验效率，验证模型变化，得到实验结果，最后利用该结果指导实际设计与生产工作。

 

　　(二)辅助设计技术

 

　　计算机辅助设计技术是在机械设计过程中对系统进行优化调整，或构建专业软件对机械设计产生辅助作用、提高整体设计效果的技术。和人工辅助设计相比，计算机辅助设计不仅能降低设计难度，还能提高工作效率。

 

　　以设备齿轮传动为例，应用辅助设计技术，首先要分析并掌握传动需求，然后结合材料特点、系统运行荷载，进行参数计算和优化设计。对齿轮材料进行选择时，相关人员需参考内燃机的设计要求，对强度、韧性等指标进行计算，考虑到经济成本，最终可选择合金钢。齿轮设计要满足设备荷载、传动精度等要求，这个过程可由计算机进行计算，对设计方案和效果进行优化。计算荷载系数时，计算公式如下：

 

　　K=KAKVKαKβ

 

　　公式中，K表示齿轮荷载系数；KA表示使用系数，平稳状态下取值1.1；KV表示齿轮动载系数；Kα表示齿轮之间的荷载分配系数；Kβ表示荷载分布系数。计算时，输入机械设计手册中的内容，计算机即可自动选择参数并完成计算。

 

　　(三)三维建模技术

 

　　三维建模在机械设计制造中的应用较为普遍，利用计算机软件构建零件的虚拟模型，可助力设计和制造完成。三维建模主要分为两种：一是多边形网格，建模较为简单，多用在效果图设计上；二是NURBS，建模更加精细化，适用于结构复杂的模型。在技术原理上，三维建模是利用计算机描述系统行为，采用数学方法获得物体和物体的空间关系，然后对这些数据进行分析使用，最后完成模型的构建。对设备传动系统建模时，技术人员可将传动系统知识、计算机技术进行有机结合，并转化为数学关系，得到相关模型。

 

　　以内燃机三维建模为例，主要步骤如下：第一，明确传动知识集合，设置该集合为，Xm集合表示为Xm={x1,x2,x3,...,xm}；选择n个属性样本，在该集合中建立信息系统，表示为S=(U,A,V,F)，各个子集有明确的区域和取值范围，能形成信息函数，计算后可得到边界区域；第二，计算关联属性，在边界区域范围内，计算不同属性，采用DEMATEL法赋权；根据可靠属性权重，计算决策属性的关联度，就能得到重要程度；第三，根据各个集合及参数值，生成档案数据库，利用该数据库进行建模，可以展示传动过程、放大细部构造，满足设计制造人员的工作需求。

 

　　(四)3D打印技术

 

　　3D打印从三维建模的基础上发展而来，根据产品模型，使用可粘合材料进行逐层打印，从而获得产品实物。在机械设计制造中，技术人员使用3D打印机，将设计内容输入计算机系统，就能快速得到设计模型，还能对材料、数据、比例进行调整。基于此，3D打印被称为工业4.0时代的代表性技术[3]。在航天工业中，制造火箭发动机的喷射器需要高精度加工技术，采用3D打印技术可有效降低制造难度。在汽车制造工业中，早在2014年就出现了第一辆3D打印汽车。

 

　　以重要机械零部件磨损为例，传统维修工作需要调用原配件，由于整个调用和运输环节耗时长，因此企业不得不中断生产。我国3D打印技术发展迅速，在义乌小商品市场中，用户只要提供产品的图片和信息，就能对产品批量化生产，可改变产品设计制造的传统模式。

 

　　(五)数控编程

 

　　数控编程是计算机技术在机械加工生产阶段的应用。对系统编程后，设备可按照预设流程进行加工，可提高生产的精准度和自动化。该技术的应用流程如下：第一，分析产品的加工需求，结合各种技术参数要求，然后根据需求信息进行编程，保证系统执行效果和实际加工需求相吻合；第二，根据编程步骤、图纸和加工工艺等设计相应程序，如设计加工路线、刀位坐标，保证编程的完整性；第三，对程序进行验证、调整，直至加工出满足设计要求的产品。

 

 

　　以数控机床为例，零件加工中坐标控制是关键和难点。在实际加工作业中，机床和零件始终保持静止，通过移动刀具完成切割加工。采用计算机数控编程，基于笛卡尔直角坐标系，分别对刀具在X、Y、Z三轴上的坐标进行调整，能够控制刀具的运动方向及轨迹，保证加工精准度。得益于计算机技术的进步，编程开始向自动化方向发展，即使面对复杂的机械零件，编程工作的难度也能明显降低，在一定程度上节约了人力和物力成本。

 

　　(六)人工智能

 

　　以机械设备抓取目标为例，人工智能的应用如下。第一，系统运行。使设备进入抓取环境中，设备做好抓取准备。第二，监控系统对当前环境进行拍摄，将图像传输至处理中心。机器通过学习对环境中的要素进行分类，准确识别抓取的目标。第三，以自身位置为核心，确定抓取目标的位置，计算该点坐标，判断抓取方式及抓取成功几率。第四，调整设备的状态，系统下达抓取命令，机械臂按照命令执行，到达目标位置(坐标)进行抓取。机器深度学习存在一定难度，需要获取大量数据、进行大量计算，对软硬件系统有较高要求。

 

　　(七)大数据技术

 

　　大数据就是海量数据资料，数据库、云计算、物联网、数据挖掘等均离不开大数据技术的支持。在机械设计制造中，传统设计的方案需要大量仪器设备进行试验，再得出设计数据和研发报告。这不仅耗费时间长，而且投入的资源多。应用大数据技术，对同类产品或相似产品的研发数据进行整理分析及对设计参数进行分析，能帮助设计人员少走弯路，缩短设计时间、降低研发成本。产品生产完成后，性能测试环节应用大数据技术，能避免进入测试误区，提高测试效率和质量。

 

 

　　(一)应用优势

 

　　1.提高生产效率

 

　　在机械设计制造及自动化中，计算机技术的应用能提高生产效率。有学者研究称，和传统设计制造技术相比，在计算机技术的支持下产品研发成本可降低2%-4%，上市周期缩短5%-10%，人工成本降低，产线生产效率和设备综合效率均可提高。

 

　　2.保证生产安全

 

　　传统人工作业时，工作人员需要进行安全防护，若工作人员长时间高危生产环境中，就会威胁自身健康。计算机技术的应用可实现生产的自动化，将工作人员从机械性、重复性的作业中解脱出来，使工作人员脱离危险的生产环境，减少作业事故。

 

　　3.提升计算精度

 

　　机械设计制造需要大量的数据统计、计算与分析，人工手动作业不仅效率低，而且存在人为差错，影响计算结果的准确性。计算机技术的应用，可使用专用软件进行数据采集和处理，整个计算过程能避免人为干预，提升计算精度，有效控制误差，保证成品和设计符合要求。

 

　　(二)发展方向

 

　　1.微型化

 

　　机械设计制造的微型化，指的是在产品搭载系统功能的前提下，尽量缩小设备的体积。目前航空航天、生物医学领域对此有较高的要求。要想实现微型化操作，技术人员需要将计算机、网络通信、电子控制等技术结合起来，不断改造、优化微型机械设备，实现精细化调控。随着计算机技术的不断发展，数据可以在更小的体积中存储，且计算机运算能力提升，可保持良好的工作状态。微型化的发展，需要解决两个关键问题：一是设备材料问题，材料要在体型缩小的同时保持功能；二是构建微机电系统，对机械设备进行驱动控制。

 

　　2.网络化

 

　　计算机技术和网络技术的融合发展是科技发展的重要趋势，将其应用在机械设计制造中，能实现自动控制。网络化的发展一方面可以将不同的计算机系统连接起来，形成全面覆盖的网络，用以监控产品设计制造全过程，并及时发现问题、解决问题，保证设计产品生产质量。另一方面，网络化可实现生产过程中人员和环境的分离，使远程指导成为现实，可以打破地理空间的限制，保证设计生产工作灵活、有序推进。

 

　　3.智能化

 

　　机械设计制造的智能化，在满足生产需求的同时，可节约劳动力、降低生产成本，保证技术的安全性。例如，采用数字化技术辅助机械设计制造，能对数据进行自动采集管理，实现模型构建，提高整体设计水平。针对复杂的结构，设计制造中采用并行化技术方案。基于多种方式共同完成设计，可实现信息资源共享，加强设计人员之间的沟通，从而提高设计质量。

 

 

　　文章以仿真技术、辅助设计技术、三维建模技术、3D打印技术、数控编程、人工智能、大数据技术为例，详细阐述了计算机技术在机械设计制造及自动化中的应用。在未来，随着新型信息技术的进步，机械设计制造行业将朝微型化、网络化、智能化的方向发展，在提高生产效率、保证生产安全、提升计算精度等方面将发挥出重要作用，并推动我国制造业持续发展。

 

 

　　[1]李本翠.机械设计制造的智能化发展趋势综述[J].中国设备工程，2022(07).

 

　　[2]刘鹏.提高机械设计制造及其自动化水平的有效途径[J].现代制造技术与装备，2021(11).

 

　　[3]徐健，陈南.探究机械设计制造及其自动化的优势及发展趋势[J].环球市场，2020(6).