基于智能化和信息化发展的机械自动化应用研究

楚五斌

（航天信息股份有限公司，北京 100197）

随着科学技术的发展，机械自动化程度不断提高。机械自动化给人类带来方便的同时也减少了潜在的安全隐患。因此，探讨机械自动化的应用和发展具有重要意义。就中国目前的经济发展而言，经济发展对机械自动化具有很大的依赖。机械制造为中国的经济发展提供了巨大帮助，包括机械设计与制造自动化相结合是工业设计改革的必由之路。时代发展到今天，传统机械设计制造已不能满足现代化发展，需要与时俱进，需要智能化和信息化的协同辅助，才能更好地实现技术进步。本文基于智能化和信息化发展的角度，探讨机械自动化的应用研究。

1 机械自动化的特征和发展

机械自动化是机器或装置通过机械方式来实现自动化控制的过程。机械自动化通常是指用机器简单地替代人工，将机器集成到自治系统中。自动化已经彻底改变了引入它的那些领域，现代生活几乎无不受它的影响。机械自动化的实现需要三要素。

（1）动力。自动化系统旨在完成一些有用的操作，而该操作需要动力。当今自动化系统中最常用的动力能源是电力。电力可以很容易地转换成其他类型的动力（例如，机械、液压和气动）来做相应的工作。此外，电能可以存储在高性能、长寿命的电池中。

（2）反馈控制。反馈控制广泛应用于现代自动化系统。反馈控制系统由5 个基本组件组成：输入、受控过程、输出、传感元件、控制器和执行装置。如图1所示。闭环反馈控制常用于描述这种系统。

图1 反馈控制系统的组件及其关系

（3）机器编程。程序指令控制系统自动完成一组动作。该程序指定自动化系统应该做什么以及它的各种组件必须如何运行才能实现预期的结果。程序内容从一个系统到另一个系统差别很大。在相对简单的系统中，程序由有限数量的明确定义的动作组成，这些动作以适当的顺序连续重复执行，从一个周期到下一个周期没有偏差。在更复杂的系统中，命令的数量可能非常大，并且每个命令的详细程度可能非常惊人。该程序提供了响应原材料或其他操作条件的变化而改变的动作顺序。

机械自动化的早期发展是由人类首先用石头制成的工具，这代表了史前人类试图在人类智能的控制下引导自己的体力。后来发展到动力机器如蒸汽机等。自动化历史上的另一个重要发展是提花织机，它展示了可编程机器的概念。现代各个领域的机械自动化都出现了许多重大革新：数字化计算机、数据存储技术、传感器技术等。所有这些发展都促进了自动化技术的进步。随着计算机技术发展的日新月异，包含编程命令的程序存储技术也出现了并行进步。随后传感器技术提供了大量的测量设备，可用作自动反馈控制系统。并且，自二战以来发展了一种高度先进的数学理论控制系统。该理论包括传统的负反馈控制、最优控制、自适应控制和人工智能。如今人工智能是计算机科学的一个高级领域，同时也是机械自动化在智能化和信息化发展下的产物。

2 机械自动化的优缺点

机械自动化最大优势在于生产力的高效和劳动力的节省；它取代了艰苦、单调的生产活动；可以完成危险状态下的工作，比如在有毒或有辐射环境下作业。但是并非所有任务都可以自动化，是否采用机械自动化设备要视情况而定。比如安装机械设施的成本较高，后期的维修费用也较高。

自动化的主要优点是：提高设备制造效率，提高质量，尤其是提高产品输出的稳定性，提高事故发生的可预测性，减少直接人工开支，缩短周期时间，提高准确性，减轻人员单调重复的工作，增加人类做其他事情的自由。机械自动化主要描述了机器取代人类行为，但它也与机械化松散地联系在一起。机器取代人力，在体型、力量、速度、耐力、视觉范围和敏锐度、听觉频率和精度、电磁感应和影响等方面扩展了人类的能力，减轻人类危险工作的压力和职业伤害，并且将人类从危险环境中移出。

机械自动化也存在缺点：初始成本高；在没有人工干预的情况下更快的生产可能意味着在自动化流程存在缺陷的情况下更快地产生未经检查的缺陷；当系统出现故障时，扩大的容量可能意味着扩大的问题——以扩大的速度释放危险的毒素、力量、能量等；自动化发起者通常对人类的适应性知之甚少，通常很难预测每种突发事件并针对每种情况制定完全预先计划的自动响应，自动化流程中固有的发现可能需要意外的迭代来解决，从而导致意外的成本和延迟；预计就业收入的人可能会被其他部署自动化的人严重扰乱，因为没有类似的收入容易获得。

3 机械自动化的应用

智能化和信息化是现代化的一个标志，智能化和信息化的发展使机械自动化又迈向一个新的台阶。原始的机械自动化是固定加工操作顺序的配置。目前还有一种现代化的机械自动是可编程的机械自动化，产品批量生产，一次从几十个到几千个不等。对于每个新批次，必须重新编程和转换生产设备以适应新的产品风格。这种重新编程和转换需要时间来完成，并且有一段非生产时间，然后是每个新批次的生产运行。可编程自动化的生产率通常低于固定自动化，因为该设备旨在促进产品转换而不是产品专业化。数控机床是可编程自动化的一个很好的例子，该程序针对每种不同的产品样式编码在计算机内存中，机床由计算机程序控制。

而目前最新的自动化是灵活自动化，是可编程自动化的延伸。可编程自动化的缺点是为每批新产品重新编程和更换生产设备所需的时间。这是生产时间的损失，成本很高。在柔性自动化中，产品的种类非常有限，因此设备的转换可以非常快速和自动化地完成，柔性自动化设备的重新编程是离线完成的。①数控：可编程自动化的一种形式，其中机器由数字或其他符号控制，数字或其他符号已编码在穿孔纸带或替代存储介质上。②自动化部件：使用生产线原理自动化装配操作。③制造业中的机器人：包括物料搬运、加工操作、装配和检验。④柔性制造系统FMS：多台机床通过物料搬运系统连接在一起，系统的各个方面都由中央计算机控制，当对产品的需求处于中低水平并且需求可能发生变化时，这种系统是理想的选择。⑤计算机过程控制：一个数字计算机用于指导制造过程的操作。⑥计算机集成制造CIM：在理想的CIM 系统中，计算机技术应用于公司的所有运营和信息处理功能，从客户订单到设计和生产，再到产品发货和客户服务，计算机系统的范围包括与制造有关的所有活动，在许多方面，CIM 代表了制造中最高水平的自动化。除了自动化技术的制造应用外，在通讯、交通、服务业、消费品等领域也取得了显著成果。

4 结语

目前，机械自动化技术在各行业都占有一席之地。随着自动化技术及相应设备的快速更新，在一定程度上提高了制造效率，为更精细化的加工工作提供了理论和技术支持与保障。得益于机械自动化的支持，可以更好地分析和评估机械制造各个环节存在的问题和潜在风险，提高其效能，与时俱进，为社会的积极发展增添新动力。