自动化技术在机械工程中的应用研究①

王迟梅, 王 冬

(佳木斯大学机械工程学院,黑龙江 佳木斯 154007)

0 引 言

自动化技术是指利用各种先进的工程技术手段,通过使用自动化设备和系统,实现对生产过程的自动化控制和管理。随着电子技术的发展,自动控制系统在机械工程中的应用越来越广泛,系统可以通过传感器和执行器来感知和控制生产参数,从而实现对整个生产过程的自动控制[1]。而计算机等先进技术的发展进一步推动了自动化技术在机械工程中的应用。目前,自动化技术在汽车制造业、医疗设备制造业、水利工程等领域的应用已经非常广泛,可以实现全线自动装配和检测,提高了机械制造产业的生产效率和产品质量[2]。现如今,机械制造自动化的发展对于计算机、信息技术、通信技术的依赖性增强,推动了传统制造产业的转型升级。

1 自动化技术在机械工程中的应用价值

机械工程领域正面临着日益多样化的挑战。传统的人工操作方式已经无法满足当前市场对机械工程生产效率和设备质量的要求,自动化技术的引入则为解决这些问题提供了切实可行的解决方案。将机械设备与先进的控制系统、传感技术相结合,能够实现生产过程的高度自动化和智能化,从而提高生产效率、降低成本、提升产品质量,减少对人力资源的依赖,保障机械生产活动的安全性。

(一)提升机械设计制造综合效率

自动化技术在机械工程中的应用能够显著优化机械制造工艺和流程,提升机械设计制造效率,特别是对于流程较为复杂的制造工艺,自动化技术的应用能够明显缩短工期,提升工艺精确度[3]。

(二)有效降低机械工程资源成本

就机械制造企业而言,自动化技术的应用能够有效降低生产成本,为企业带来更高的经济效益,提升企业的综合竞争力。首先,自动化技术应用于机械工程后,许多重复、繁琐的操作可以由机器完成,企业人力资源需求减少,节约了企业招聘和培训成本,并且企业能够更好地利用现有人员开展高附加值工作,提高了资源综合利用效率。其次,将自动化技术引入机械设计和制造流程,机器能够按照预定的规范和精度进行加工,帮助企业更加精确地控制原材料用量,减少资源浪费和操作误差风险[4]。最后,自动化设备可以对能源需求进行精确的监测和调整,根据生产任务制定能源使用最优方案,避免不必要的能源浪费和消耗,减少能源成本。

(三)提升机械生产活动的安全性

自动化技术的应用可以减少人工参与,规避安全风险。首先,自动化技术则可以减少或消除人为因素对生产活动的干扰,规避由人为错误引发的安全问题。其次,自动化设备可以替代工人完成一些处于复杂和危险环境中的工作,避免工人直接接触有害物质或高温、高压等危险环境。如在化工行业中,使用自动化技术可以实现对危险化学品的自动输送和加工,避免工人直接接触有害物质,降低生产安全风险[5]。最后,自动化技术可以为机械工程提供实时监控和预警服务,及时发现和处理潜在的安全问题。

2 自动化技术在机械工程中的具体应用

自动化技术在机械工程中的应用水平直接关系到机械制造生产效率、生产成本产品质量。现如今,随着科学技术的进步和发展,集成自动化、柔性自动化、智能自动化、数控自动化等技术在机械制造领域的应用越来越广泛,企业可以选择更高效、便捷的方式进行原料加工,改善原料流通速度,优化机械制造生产模式,为机械制造产业可持续发展提供重要技术支撑。

(一)集成自动化技术应用

集成自动化是指将不同的自动化设备、系统或过程串联在一起,以实现协调、高效和自动化的生产过程,如图1。集成自动化技术在机械工程中的应用主要体现在生产流程的自动化控制方面,即通过收集、整理工程技术相关信息,为机械制造提供参考,优化机械制造工艺流程和方案,提升机械制造效率与产品质量。同时,集成自动化系统可以实现对生产过程的监控和控制,通过传感器和数据采集系统实时监测生产状态,及时调整生产参数,提高生产效率和产品质量。孙鹏等[6]为提升精密装配中点胶针尖的精确性,解决更换点胶料筒带来的问题,以集成技术为支撑,设计了具有高精密度的点胶系统,如图2,实现了针尖位置自动标定和点交作业自动定位,有效解决了微小装配流程中精密自动化点胶存在的问题。此外,集成自动化技术可以实现对机械设备和生产线的实时监控和远程控制,通过安装传感器、执行器、控制器等设备,实时获取设备运行状态、温度、压力等参数,通过可视化界面实时分析数据,及时发现设备异常,提前进行预警和调整,减少生产事故和生产线停机造成的损失。

图1 工业自动化系统集成

图2 精密点胶系统

(二)柔性自动化技术的应用

柔性自动化技术以计算机技术为核心,为企业调整生产加工技术提供依据,进而推动机械制造产业多元化、个性化发展。首先,柔性自动化技术可以通过对市场需求的监测和反馈,调整机械制造方案和流程。其次,柔性自动化技术可以优化机械制造方案和流程,降低生产成本,提高生产效率和质量。最后,柔性自动化技术可以对接质量管理系统,改进机械制造方案和流程。如当检测到产品质量出现异常时,柔性自动化系统可以自动调整机械设备的运行参数,以减少质量缺陷的发生。陈璇等[7]为提升断路器装配车间作业方法与生产线结构(如图3),以数字孪生技术为支撑,设计了一种垛机器人柔性自动化车间装配方案(如图4),并构建了垛机器人运动型控制模型,通过装配数据交互将虚拟和物理单元进行实时链接,能够实时显示机器人转配状态、运动轨迹等数据,提升了断路器装配效果。

图3 断路器机器人柔性装配车间

图4 断路器柔性装配车间数字孪生框架

(三)数控自动化技术的应用

数据自动化技术以集成自动为基础,通过数据采集、传输、高端计算机终端等构成监控管理系统,实现对机械制造全流程的自动化监控管理,具有高度自动化、精确性高、生产效率高等优点,在机械工程领域有着广泛应用。罗永洪等[8]为解决传统数控自动化技术集成度低、自动化水平低等问题,设计了以软PLC为核心(如图5),通过软硬件分离技术的新型数控自动化生产系统(如图6),实现了自动化系统的可移植性,可在云端对设备进行集中控制,不仅能耗低,而且控制准确性实现了大幅提升。

图5 PLC 配置结构

图6 系统控制结构

(四)智能自动化技术的应用

随着大数据与人工智能技术的发展,自动化技术得到了进一步发展,形成了集人工智能、集成、数控于一体的高阶智能自动控制技术。如图7在生产线上,智能控制机械臂可以实现对设备的远程监控和操作,根据生产任务的需要自动调整机械设备的工作速度和产量,提高生产效率和产品质量,提升设备运行的可靠性和安全性。其次,智能自动化系统融合了传感器等先进技术手段,可以实时采集、分析和处理机械设备的运行数据,包括温度、压力、振动等参数,实现对设备运行状态的实时监测和预警。最后,在神经网络技术支持下,智能自动化系统被赋予了深度学习功能,可以根据数据分析结果和市场需求自动优化机械制造参数,为企业提供最佳安全生产方案。

3 自动化技术融入机械工程的问题与对策分析

与以人力为主的生产形式相比,自动化技术在机械工程中的应用为机械制造产业带来了新的发展机遇[9]。得益于自动化技术的高效性、安全性和精确性,其已经被广泛应用于多个生产领域[10]。近年来,随着人工智能、大数据等技术的发展,自动化技术得到了长足发展,但其应用仍存在一些问题,限制了机械制造产业转型升级。

(一)自动化技术融入机械工程存在的问题

1)企业自动化技术管理体系滞后

一方面,部分企业对于自动化技术的理解较为狭隘,只将其视为提高生产效率和降低成本的手段,忽视其更深层次的价值,没有形成完整的自动化生产体系[11]。另一方面,缺乏机械自动化相关的标准和规范,导致不同企业在自动化技术的选择、实施和管理上存在较大差异,难以形成共同的技术标准和流程,影响了自动化技术的推广和应用。

2)机械自动化技术创新能力不足

尽管机械自动化技术在提高生产效率和降低成本方面具有巨大潜力,但一些企业在技术创新方面仍面临一些困难。部分企业思维保守,机械自动化投入的资金不足,无法进行有效的技术研发和创新,限制了机械自动化技术的发展。此外,部分企业缺乏将技术优势转化为实际应用的能力,无法落地和推广创新技术。

3)自动化领域专业技术人才缺失

教育体系与行业需求脱节是导致自动化专业人才缺失的重要原因之一。传统的教育体系缺乏与自动化技术发展同步的更新和改革,教学内容滞后于实际需求,教学过程过于注重理论知识灌输,没有与行业有效接轨,导致学生实际应用能力不足,不能满足机械工程产业的需求。同时,自动化技术存在较高的专业性和复杂性,是一门综合性较强的学科,需要掌握电子技术、计算机编程、机械设计等多学科知识,知识面广、难度大,学生需要经历长时间的学习和实践才能成为合格的自动化专业人才。

(二)自动化技术高效融入机械工程的对策

1)企业积极完善自动化相关配套设施

随着科技的不断进步和人工智能的发展,自动化技术逐渐成为推动机械制造领域高质量发展的重要支撑,企业应当积极完善自动化配套设施,以提高生产效率、降低成本、改善产品质量。首先,企业应当对现有的机器设备进行数字化改造,可以将其连接网络,使其具备远程监控和操作能力,同时添加传感器、监控装置和数据采集模块,以实时获取设备的运行状态和相关参数。其次,随着自动化技术的不断进步,许多先进的自动化装备和机器人已经问世,这些设备具有高度的灵活性和生产效率,可以大幅减少人力投入,提高生产效率和产品质量。

2)加强机械自动化技术的研发和创新

投资研发资源是机械制造企业提升自动化技术创新能力的基础,机械制造企业应该增加研发投入,如招聘高素质的研发人才,购买先进的研发设备、软件工具,以及进行项目研究和试验等;建立科学、规范的研发体系,包括研发流程、知识管理、项目评估等,提高研发效率,降低创新成本,加快新技术研发和应用;充分发挥市场部门的作用,加强对市场需求的了解,从而更好地将新型自动化技术引入生产线,提高自动化水平[12]。

3)建设机械自动化专业人才培养体系

高水平人才是实现机械制造企业自动化技术创新和发展的关键要素,为培养出具备专业知识和技能的人才,企业需要建立完善的人才培养体系。首先,企业要联合高校机械自动化相关专业建立校企合作基地,共同培养机械自动化专业人才;与高校共同制定实习培训计划,为学生提供全面了解自动化技术应用和发展趋势的场所和机会,帮助他们提升专业知识储备和实践技能水平[13]。其次,企业应为有潜力的人才提供发展机会和晋升途径,通过制定职业发展规划、提供技术交流和学习机会等方式,为人才的成长和发展提供支持和指导。