新形势下自动化技术在机械设计制造中的应用研究

桑建国

摘 要：机械设计制造在工业化生产中不可或缺，自动化技术的革新应用大幅提升了机械设计制造水平。新形势下自动化技术在机械设计制造中呈现智能化、网络化、数控化趋势，为此详细研究了自动化技术在机械设计制造中的应用情况。基于传感器研发机械设计制造自动化监测系统，动态获取机械加工机床的运行状态;基于机器视觉技术检测机械生产零件的缺陷，保障机械生产质量。提供机械设计制造效率优化的技术支持，驱动机械设计制造行业效益提升。

关键词：自动化技术;机器视觉;传感器;机械设计制造

工业生产以机械设备的发展为契机开启崭新的生产时代，人类社会的进步以机械化为重要动力进行生产革新。我国工业生产随着改革开放大规模展开，带动了机械自动化生产水平的优化与进步，机械化生产成为经济建设的关键增长点之一[1]。自动化是机械化生产达到较高水平的显著特征，标志着机械化水平的进步，是驱动社会革新进步关鍵性节点，社会生产的效率与质量由此得到较大改善[2]。机械设计制造中的自动化技术是优化生产效率与生产质量的关键因素，实现了生产材料的优化配置与效率的提升[3]。以往机械设计制造领域需要人的操作才能实现高效的生产计划，而自动化技术在机械设计制造中的应用解放了人的双手，减少人力成本。本文重点列举了机械设计制造的自动化检测技术与自动化监控技术，保障机械设计制造的质量与效率。

1 传感器技术在机械设计制造自动化监测中的应用

机械设计制造行业的数控机床趋向大型化、高速化、高精度的发展方向，长期的繁重工作负担下，振动、冲击等压力对机械制造数控机床产生超负荷影响，干扰机床生产状态，进一步导致数控机床生产误差变大[4]，严重可出现意外停机状况。因此，如何精准监控数控机床生产状态、预判机械制造故障等信息成为优化机械设计制造效率的重中之重。本文基于传感器设计机械制造机床状态监测系统，实时向管理人员提供可靠的机床运行数据，保障机械生产正常运行。

1.1 机械制造机床状态监测系统传感器选取

机械设计制造监控的传感器主要包括加速度传感器与功率传感器，最终选取的传感器相关信息见下表。

1.2 机械制造机床状态监测系统总体结构设计

基于传感器的机械制造机床状态监测系统结构见图1，该系统使用嵌入式技术实现不同硬件接口的连接，具体表现为加速度、电机电流、温度等各个信号接口数据的采集与传输。监测系统的加速度传感器信号采集原理如下：加速度信号主要通过4线制的方式和前置专门性信号采集模块连接，将该模块信号转变为以太网信号输出并与嵌入式监控系统的以太网接口连接，设置监控系统采集数据的频率为10 Hz。功率传感器信号采集原理同上，差异在于其信号输出使用5线制与前置专用信号采集模块连接。

基于传感器设计机械制造机床状态监测系统，用以监测机械设计制造情况，生产操作人员在监控端可随时查看机床运行信息，确保及时发现机床异常现象，保障机械制造顺利进行。

2 自动化检测技术在机械设计制造中的应用

在国外高水平精密度检测技术的冲击下，涌现大量崭新的检测设备与仪器，结合机械生产的自动化需求，高度自动化检测仪器在机械制造行业中成为主流[5]。计算机技术、集成技术的综合运用使得机械制造检测设施功能越来越全面，机械制造自动化检测技术应运而生。自动化检测是自动化机械制造系统的功能之一，目标是检测机械生产产品的质量，能够在检测过程中通过较少的人工操作实现自动检测[6]。本次重点研究了机器视觉在机械设备制造自动检测中的应用情况，通过识别机械零件图像信息自动检测零件的缺陷。

2.1 自动化检测技术的相机设置

相机是机器视觉技术检测零件的关键构成，综合考虑分辨率、灵敏度、信噪比、资金投入等因素确定使用黑白CCD相机。在机械零件生产过程中，定义零件传送速度为v，相机视野为A×B，相机采集图像速度上限为r，D、G分别表示机械零件的长度与高度，基于机械生产的效率要求，规定零件缺陷检测速度每秒不能低于n个，检测单个零件的耗时为t。据此得到相机拍照期间机械零件移动的长度，如公式（1）所示

结合上述标准与检测精度（0.1 mm）可确定相机的分辨率为640×480，此分辨率考虑了相机的成本投入情况，在不考虑成本的前提下可选择更高分辨率的相机，有效提升机械零件检测精度。

LED光源能耗小、性价比高，在机器视觉技术中的应用较为广泛，所以选择LED光源作为机械制造零件检测的环境光。

2.2 自动化检测技术的光电开关选取

光电开关是机械零件自动化检测的关键控制部件，相机拍摄机械零件的时间由光电开关决定，主要原理为：机械零件行进期间触发光电开关，此时计算机接收来自光电开关的信号，确保计算机对相机获取图像过程进行控制[7]。此处使用对射式光电开关，通过更正光电开关在检测线上相对时间的方式得到合理的零件拍摄区域位置与大小，呈现最优的光电开关布置与零件拍摄效果。

图2展示了光电开关布置结构。结合图2分析光电开关工作原理：光电开关安置于相机的前方位置，光电开关在零件遮挡其光路时即可采集光电信号并传输至计算机，确保计算机操控相机拍摄机械零件图像。

2.3 机械零件边缘检测与缺陷识别

成功采集机械零件图像后对其进行预处理，然后展开机械零件图像的边缘检测活动，基于Sobel算法提取零件图像的轮廓边缘，根据提取到的左右边缘点坐标即可去除轮廓边缘得到缺陷情况。具体判定机械零件是否存在缺陷的方法如下：（1）当零件轮廓边缘中包含显著的撕裂带边缘信息，则断定此机械零件可能存在缺陷，等待深入检测;（2）当零件轮廓边缘中不存在显著撕裂带边缘信息，判断此零件合格。经过图像后处理确定存在缺陷的零件，获取缺陷位置与尺寸信息的思路为：将存在缺陷几率的零件灰度图像进行阈值分割获取二值化图像，得到零件缺陷的目标信息，与背景完整分割，呈现具体的缺陷形状、位置信息、大小信息。

二值化图像中，像素0、像素1分别表示图像背景和物体，选取合理的灰度值或者灰度区间作为阈值是图像二值化的关键步骤，据此分割机械零件的图像，方法如下：

3 结论

我国国民经济的快速发展需要机械自动化技术的大力支持，我国取得国际竞争的胜利需要机械自动化技术不断革新升级，以符合机械生产的国际化标准。机械设计制造中的自动化技术有效提升了社会生产能力，将人的双手从机械操作中逐渐解放出来，减少了人力成本的资金投入。此外，自动化技术的升级换代使机械设计制造行业水平提升，带动行业整体变革。新形势下自动化技术在机械设计制造中的应用除更新技术水平外，更要加强技术人员的知识积累与专业技能培训，提高机械操作人员的技能水准，更好地为优化生产效益、提高国民经济增长服务。

参考文献：

[1] 吕沛. 机械设计制造及其自动化技术发展研究[J]. 科学技术创新， 2016， 26（19）：59.

[2] 江涛. 自动化技术在机械设计制造中的应用[J]. 现代制造技术与装备， 2016（9）：168.

[3] 李凤. 自动化技术在机械设计制造中的应用研究[J]. 时代农机， 2017， 44（2）：21-22.

[4] 董效. 探讨自动化技术在机械设计制造中的应用价值[J]. 内燃机与配件， 2018（1）：72-73.

[5] 于家. 自动化技术在机械设计制造中的应用[J]. 山东工业技术， 2019（6）：24.

[6] 陈晓. 机械设计制造及其自动化中计算机技术的应用分析[J]. 科学技术创新， 2017（4）：22.

[7] 刘艳雄， 张亮杰， 毛华杰. 基于机器视觉的精冲零件断面缺陷检测系统研究[J]. 制造业自动化， 2016， 38（4）：9-13.