機械設計制造及其自動化發展探討

機械設計制造及其自動化是一門綜合性的工科學科，主要研究各種工業機械裝備、機電產品的設計、制造、改裝、運行控制，以及各生產等環節。該學科的主要任務就是培養我國機械設計制造及其自動化領域的高級機械工程技術人才，使他們具備本領域的相關專業知識與研究設計能力，并能夠在本領域生產第一線從事機械設計制造、研究與開發、生產、管理和經營銷售等工作。該學科最早追溯于1886年美國成立的機械工程師協會，該協會成立的初衷是改進企業管理，但在管理的運行中，匯聚了大量機械行業的人才，為現代機械工程的產生奠定了基礎。現代機械工程產生于20世紀70年代初，由日本的《機械設計》雜志副刊刊登了機電一體化這一名詞，即代表現代機械工程的出現。不久，美國的麻省理工學院又提出了自動化的概念。現代機械工程定義是由美國機械工程師協會于1984年提出的：現代機械工程與機電一體化系統是一致的，通過計算機網絡信息技術進行控制，以執行機械力、運動和能量流等動力學任務的相互聯系的機電系統”。這就意味著現代機械工程的誕生———機械設計制造及其自動化。相比較于歐美國家，我國進行機械設計及自動化研究起步較晚，但機械制造業是我國國民經濟的基礎性產業，關系到工業、農業和國防的發展，是我國的戰略性基礎產業。我國政府近年來對機械設計制造及其自動化的研究相當重視，對其研究投入不斷增加；另外隨著我國綜合國力和科技實力的不斷增強，我國機械設計及自動化領域近年來取得了長足的發展，形成了我國自己的特點。
1 發展特點
1.1智能化
在現代，機械設計制造及其自動化已經實現了與計算機科學技術等電子科技技術的完美結合，生產過程通過計算機操作控制，從而使生產達到自動化、智能化模式，從而有效地提高生產效率。目前，隨著自動控制技術的發展，智能化在我國密集型機械制造產業發展的趨勢越來越明顯，比如無人化工廠或無人化車間的出現，將大大提高企業生產效率并革新人們的傳統觀念。
1.2機電一體化
如果我國的機械制造業能全面實現機電一體化，其生產效率還會提高。另外，我國機械設計制造及其自動化產業生產結構的調整也需要機電一體的不斷提高，因為這樣會有利于設計和生產出新的產品或提高產品質量，滿足社會的需求。
1.3全球化
全球化也叫國際化。當今機械制造業不僅為滿足本國工農業、國防等服務，也在逐漸走向世界。我國機械制造及其自動化的杰出代表作就是高鐵列車工程，正在向東南亞多個國家及非洲國家出口。另外，全球化也體現在機械制造業的跨國合作上，比如我國的航空機械制造，在發動機的制造上與俄羅斯等國家合作。
1.4網絡化
網絡化在機械設計的自動化及其自動化的發展過程中作用巨大。比如，在某機械設計制造及其自動化企業進行產品設計和生產過程中，必須確保每一個環節都準確無誤，因此，每一個環節都需要投入大量的人力進行監督和控制。如果能夠實現網絡化管理，則可以大量減少人力，同時也可以實現對操作車間的遠程監控和管理，不僅避免了事故的發生，同時也提高了生產效率，減少了機械設備維修護理的成本。
1.5虛擬化
虛擬化是近幾年機械設計領域中新發展起來的應用計算機進行產品模擬設計技術，國內是由東南大學的胡如夫首次提出，其主要理念就是借助計算機技術和信息化技術，將機械產品的設計向虛擬化的方向發展[6]。相比較于傳統的機械制造企業產品設計時的手工繪圖，通過虛擬化設計可以縮短繪圖時間，便于修改和保存，從而提高生產效率。目前，機械設計的虛擬化主要采用CAD或CAPP畫圖軟件進行設計和制作。最近，西南交通大學的王磊報道了一種更先進的具有創新性理念的機械設計虛擬化技術，即RemoteApp，不僅仍然保留了虛擬化設計的特點，還可以通過云平臺實現遠程操作和遠程服務。但該技術仍然局限于Windows系統，而與Linux系統不能兼容。
1.6微型化
傳統機械設計制造產品體積龐大，比較笨重，這給機械設備的搬裝和運輸帶來了不便。隨著社會需求的變化，以及機械設計技術的不斷發展，某些機械行業越來越傾向于使用體積小、重量輕的新型機械設備，這些機械設備在微型管道作業、微型排爆作業等多個領域應用廣泛。因此，我國的機械設計制造業逐漸出現向微型化發展趨勢。隨著微型機械制造業的發展，逐漸出現了微機械研究的分支學科，包括微機構學、微構建材料力學、微摩擦學。然而，目前我國許多高精尖的儀器還沒有實現微型化，諸如克服摩擦力發熱等還不能克服。因此，我國在實現機械設計制作及其自動化整體的微型化方面還有很大的發展空間。
1.7模塊化
模塊化對于機械制造企業非常重要，有利于企業之間的協作。總所周知，我國是機械制造業大國，各種機械制造廠家和企業繁多，而不同廠家和企業之間的產品在接口上一定要相匹配，否則不能相互組合使用，這就需要實現機械設計制造及其自動化產品生產的模塊化。如研制具有標準化參數的動力單元，進行模塊設計和生產，迅速開發出新產品，同時也可擴大生產規模。顯然，模塊化將提高機械自動化企業的生產效率。
1.8生態化
從20世紀至21世紀初，傳統的機械制造業注重的是產能，并未考慮對環境及生態的影響。隨著生態化理念的提出，人們對生態環境的保護也越來越重視，而機械設計制造業為大能耗行業，而且可能對環境帶來污染。要想實現真正的生態化發展，就必須加大生態化制造技術的應用。在機械產品設計制造中，只有重視制造技術的生態化應用才能更好地提高機械產品設計制造過程中能源的消耗，減少對環境的危害。目前，隨著我們國家對機械制造業產能過剩的逐步調整，整個機械制造業正逐步走向一條生態化的發展道路。
2 相關應用
2.1農業領域的應用
農業的現代化是指機械設計制造及其自動化在農業領域的應用，是近期我們國家提出的實現現代農業戰略目標的重要手段。然而，相比較于西方發達國家，我國在農業領域的機械設計制造及其自動化水平還較低，發展不充分，尤其在農業設備的精準度方面差距比較明顯。目前，國外在農業灌溉上以及農田施肥上，均實現了高度的機械化和精準化，但今后在農業機械設計制造及其自動化建設方面實現精準化需要走的路還很長。比如，在開發農產品的精細加工以及高附加值的生產設備上，我國還缺乏相關的研究。另外，微型芯片的出現也是發展我國智慧化農業的一個契機，可以通過芯片技術設計出智能自動收割機、智能播種機，為我國農業發展提供條件。因此，機械設計制造及其自動化在農業領域的應用還有很大的提升空間，任務也很艱巨。
2.2工業領域的應用
相比較于農業領域，工業領域中機械設計制造及其自動化的應用更加廣泛，涉及汽車、列車、船舶、水利設施、工廠設備、精密儀器等制造業。目前，我國機械設計制造及其自動化在工業領域應用的杰出代表就是我國的高鐵列車，其技術的先進性，設備的服務質量及舒適度已經享譽全世界。截止2018年6月份的統計數字，中國的高鐵運營的總里程數達到了2.5萬km，超過世界上任何國家。目前，我國的高鐵列車采用CTCS-3級列控系統，可滿足高鐵列車最高運行時速達到350km/h以上；同時通過GSM-R無線網絡系統可實現車地雙向通信，其采用交織冗余覆蓋技術，提高了系統的可靠性和抗干擾性。
2.3軍事及航空航天領域的應用
機械制造及其自動化控制已經涉足軍工、航空、航天等領域，并且也取得了引人矚目的成就。為了應對今后的現代化戰爭，我國軍工領域已經應用機械設計制造及其自動化技術設計和生產軍工產品，比如設計和生產軍工電源、數據采集卡、PLC、數據模塊、檢測儀器儀表、傳感器、軍用平板電腦等自動化程度較高的產品，這些對我國軍工產業的提高具有非常重要的意義。除了軍事領域，自動化控制在我國的航空、航天領域應用也非常廣泛，程度非常高。例如，機器人在航空航天的應用。機器人自動制孔系統就是應用在航空航天領域的一項關鍵技術，比如F-16、F-22和T-50等機型飛機垂尾壁板的制孔
統，還有C-130飛機的梁腹板、波音B-747的機艙地板、F-35飛機機翼上壁板，以及A380機翼壁板等也均采用機器人自動制孔系統。
3 前景與展望
我國機械設計制造及其自動化取得了舉世矚目的成就，目前已形成了高鐵列車工程、航空航天、船舶制造等高速發展行業。隨著我國科技的發展和綜合國力的提高，我國對機械制造業的需求也將不斷提高，因此驅動我國機械設計制造及其自動化將進入一個更加嶄新的發展階段。在該階段，機械設計制造及其自動化應朝著符合社會需求的方向不斷發展，大力發展計算機輔助設計應用于機械設計制造及其自動化，將我國由機械制造大國變為機械制造強國。