淺析智能自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

林卓成

（廣東省佛山市南海區(qū)南海中學(xué)，廣東 佛山 528211）

1 并聯(lián)機(jī)器人簡(jiǎn)述

并聯(lián)機(jī)構(gòu)是指通過(guò)兩個(gè)以上的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)鏈將動(dòng)平臺(tái)與定平臺(tái)相連接，機(jī)構(gòu)的自由度大于等于2，用并聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)的一種閉環(huán)結(jié)構(gòu)。其最早出現(xiàn)于20世紀(jì)30年代左右，當(dāng)時(shí)其是一種基于球面的并聯(lián)機(jī)構(gòu)娛樂裝置，隨著發(fā)展逐漸被應(yīng)用于飛行模擬器、汽車噴涂等。一個(gè)固定基座、兩條以上能獨(dú)立動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)鏈和具有n自由度（n=2、3、4、5、6）的末端執(zhí)行器組成了并聯(lián)機(jī)構(gòu)。與串聯(lián)機(jī)構(gòu)相比，并聯(lián)機(jī)構(gòu)剛度更大，結(jié)構(gòu)也比較穩(wěn)定，承載能力大而又運(yùn)動(dòng)負(fù)荷小，但因其工作空間較小，負(fù)載能力有限，機(jī)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致其應(yīng)用受限，但應(yīng)用仍舊十分廣泛，例如Stewart、Delta等。

1978年，澳大利亞著名機(jī)構(gòu)學(xué)教授提出將并聯(lián)機(jī)構(gòu)用于機(jī)器人手臂。并聯(lián)機(jī)器人Adept Quattro被稱為是世界上運(yùn)行速度最快的機(jī)器人，運(yùn)用高級(jí)算法進(jìn)行控制，擁有靈活的機(jī)械臂，其所占空間極小，可以在大的工作范圍內(nèi)（工作半徑可達(dá)650mm和800mm）進(jìn)行工作，能夠在高速工作下保持平穩(wěn)的工作狀態(tài)。因此，Adept Quattro機(jī)器人在裝配、加工、包裝和其他制造中的應(yīng)用非常廣泛。這種機(jī)器人不僅提高了空間利用率，其高速的運(yùn)行方式也減少了周期時(shí)間，能夠以180個(gè)/分鐘的速度從運(yùn)送的傳送帶上夾取零部件，性能高達(dá)普通機(jī)器人的兩倍。

第一代機(jī)器人delta——被譽(yù)為“最成功的并聯(lián)機(jī)器人”，在1990年就在世界各國(guó)申請(qǐng)專利并被廣泛應(yīng)用在裝配、自動(dòng)化和醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域中。隨著人類對(duì)機(jī)器人不斷的深入研究，并聯(lián)機(jī)器人越來(lái)越多地被應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力較強(qiáng)、精度較高且無(wú)累計(jì)誤差，又不需占用很大的工作空間，由于運(yùn)動(dòng)的部分重量很輕，只要固定在平臺(tái)或接近平臺(tái)的位置，運(yùn)行起來(lái)就可以達(dá)到很高的速度。如被用于飛行模擬器的運(yùn)動(dòng)模擬器，是目前各類飛行員必備的訓(xùn)練工具，及在工業(yè)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛的工業(yè)機(jī)器人、醫(yī)療中的醫(yī)療機(jī)器人等等。

并聯(lián)機(jī)器人Adept Quattro只是智能自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用在機(jī)械行業(yè)領(lǐng)域的冰山一角，正是因?yàn)檫@些智能自動(dòng)化技術(shù)越來(lái)越成熟也越來(lái)越多的被應(yīng)用，使得機(jī)械生產(chǎn)越來(lái)越高效。

2 機(jī)械自動(dòng)化的發(fā)展

機(jī)械自動(dòng)化是指以機(jī)械方式實(shí)現(xiàn)機(jī)器或裝置在無(wú)人為干預(yù)的情況下，可以按照預(yù)先設(shè)定的程序或指令運(yùn)行或操作的過(guò)程，而且是最早出現(xiàn)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

2.1 機(jī)械自動(dòng)化的發(fā)展歷程

據(jù)《墨子》記載，春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期魯班制造出的木鳥，能通過(guò)風(fēng)力飛上天空且三天不降落，這便是我國(guó)最早出現(xiàn)的自動(dòng)化裝置。在近代西方工業(yè)革命時(shí)期，瓦特在蒸汽機(jī)中使用的離心式調(diào)速器，運(yùn)用了多個(gè)機(jī)械自動(dòng)控制系統(tǒng)，從此機(jī)械自動(dòng)化進(jìn)入了一個(gè)新的階段。1870年美國(guó)發(fā)明的自動(dòng)螺絲生產(chǎn)機(jī)器，采用純機(jī)械控制是典型的單機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)，隨著流水作業(yè)的自動(dòng)加工線和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸自動(dòng)線的產(chǎn)生，自動(dòng)化技術(shù)開始由單機(jī)向更高級(jí)別的自動(dòng)化系統(tǒng)轉(zhuǎn)變；直至1965年，計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)，為制造自動(dòng)化系統(tǒng)奠定了新的基礎(chǔ)，一直到現(xiàn)在，數(shù)控技術(shù)幾乎是經(jīng)濟(jì)型實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)的唯一技術(shù)?？v觀機(jī)械自動(dòng)化的歷史進(jìn)程，計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)是21世紀(jì)的制造業(yè)新模式的主要發(fā)展目標(biāo)。

2.2 機(jī)械自動(dòng)化的現(xiàn)狀

“自動(dòng)化”是工業(yè)領(lǐng)域企業(yè)中常提到的一個(gè)詞，企業(yè)都希望通過(guò)自動(dòng)化來(lái)提高生產(chǎn)率，減少成本，使各種資源得到最大化利用，從而提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。從上世紀(jì)90年代至今，我國(guó)許多企業(yè)都采用了自動(dòng)化技術(shù)。但與國(guó)外相比，仍然存在差距。

（1）生產(chǎn)水平方面。21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)制造業(yè)無(wú)論是在數(shù)量上還是質(zhì)量上都取得了很大進(jìn)步，但由于我國(guó)核心技術(shù)缺乏，自主產(chǎn)品較少，很多關(guān)鍵零件或機(jī)器都來(lái)自國(guó)外自動(dòng)化水平比較高的國(guó)家，如美國(guó)、德國(guó)，因此我國(guó)在技術(shù)上還有很大的提升空間。

（2）制造方面。我國(guó)制造業(yè)晚了發(fā)達(dá)國(guó)家約幾年的時(shí)間，至上世紀(jì)70年代左右，我國(guó)制造業(yè)才開始慢慢向機(jī)械自動(dòng)化轉(zhuǎn)型。由于技術(shù)水平的限制，當(dāng)時(shí)并沒有使工作效率有很大提高。而現(xiàn)在盡管自動(dòng)化已經(jīng)在我國(guó)很普及，但在一個(gè)工業(yè)的生產(chǎn)流程中，依靠更多的還是人力。

（3）管理方面。工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家重視管理體制，多采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行管理。我國(guó)不少企業(yè)采用計(jì)算機(jī)輔助管理，但仍有企業(yè)通過(guò)“經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ健边M(jìn)行管理，并且缺乏創(chuàng)新型人才，導(dǎo)致核心技術(shù)的研發(fā)更多依靠的是國(guó)外技術(shù)。

2.3 機(jī)械自動(dòng)化帶來(lái)的影響

機(jī)械自動(dòng)化的發(fā)展帶來(lái)了很大的便利及改變。

（1）生產(chǎn)條件的改善。機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用，是通過(guò)機(jī)械代替部分人力工作，大大減輕了工人的工作量和勞動(dòng)強(qiáng)度，從而在很大程度上提高了工作效率。而機(jī)械自動(dòng)化的應(yīng)用使得工業(yè)操作更為安全，一些高危的操作以前需要通過(guò)人力來(lái)完成，現(xiàn)在可以通過(guò)操作機(jī)器或設(shè)備達(dá)到目的。例如在煤礦生產(chǎn)方面，對(duì)煤礦的開采、挖掘、運(yùn)輸?shù)?，如果僅僅依靠人力開采、運(yùn)輸，這不僅需要花費(fèi)大量的人力物力，而且由于煤礦中的一些不安全因素，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。現(xiàn)在，通過(guò)機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備事先設(shè)定好程序，電牽引采煤機(jī)就能自動(dòng)進(jìn)行采煤作業(yè)。

（2）控制成本，達(dá)到高效率，高質(zhì)量。機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備一般耗能較低，能源利用率卻很高，與傳統(tǒng)的手工作業(yè)相比，節(jié)約了資源的同時(shí)就能使成本相對(duì)的減少。另一方面其生產(chǎn)效率高，可以批量生產(chǎn)，使原料、成本得到最大利用。

（3）設(shè)備的調(diào)整、維修更加方便。在不同的生產(chǎn)類型中，機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備可以根據(jù)實(shí)際情況和需要進(jìn)行安裝調(diào)試，只需設(shè)備匹配，而不需要改變硬件的條件下就可以安裝使用。在安全性上，機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備可以在工作過(guò)程中對(duì)故障進(jìn)行自我監(jiān)控及檢查，進(jìn)而使工作人員能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障及時(shí)解決。

3 智能自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械中的應(yīng)用

機(jī)械自動(dòng)化的出現(xiàn)大大提高了生產(chǎn)水平。近年來(lái)，智能自動(dòng)化技術(shù)逐漸在機(jī)械領(lǐng)域被應(yīng)用，智能化的機(jī)械相比于機(jī)械自動(dòng)化，具有更高的生產(chǎn)效率，達(dá)到高質(zhì)高量的效果，使其在機(jī)械領(lǐng)域逐漸成為一種趨勢(shì)。

3.1 智能自動(dòng)化的特點(diǎn)

智能自動(dòng)化技術(shù)源于機(jī)械自動(dòng)化，是由傳統(tǒng)的機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)與智能化技術(shù)相融合而成。機(jī)械自動(dòng)化盡管已經(jīng)高度自動(dòng)化，但其操作仍然離不開人力，消耗量較大。例如設(shè)備需要人為控制，而智能化技術(shù)出現(xiàn)后，使得機(jī)械生產(chǎn)過(guò)程中更多的是依靠器械來(lái)完成。

在智能自動(dòng)化機(jī)械工程的生產(chǎn)中，其生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品品質(zhì)高，交互性也比較明顯。智能化的機(jī)械生產(chǎn)，例如并聯(lián)機(jī)器人Adept Quattro的應(yīng)用，在生產(chǎn)過(guò)程中不需要人力太多干預(yù)，通過(guò)特定的系統(tǒng)，就可以對(duì)整個(gè)操作過(guò)程的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、并整合歸納，最后進(jìn)行分析、處理，這樣大大減少了對(duì)人力的需求。在醫(yī)藥企業(yè)的生產(chǎn)線上對(duì)輸液袋進(jìn)行裝箱，生產(chǎn)線一般速度較快，而輸液袋又是軟的，導(dǎo)致非常不利于機(jī)器人抓取。但現(xiàn)在一臺(tái)并聯(lián)機(jī)器人可以代替一個(gè)班次，一分鐘裝箱可達(dá)180袋。綜上來(lái)看，智能化自動(dòng)化技術(shù)逐漸取代機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)是不可避免的趨勢(shì)。

3.2 智能化技術(shù)在機(jī)械自動(dòng)化的應(yīng)用

（1）機(jī)械生產(chǎn)設(shè)備逐漸智能化。在機(jī)械生產(chǎn)中，自動(dòng)化所占的比重越來(lái)越重。而自動(dòng)化生產(chǎn)的主要模式就是流水線操作，這樣相比于人工操作，機(jī)械操作降低了人力成本，也減少了人為不穩(wěn)定因素帶來(lái)的影響。另外，機(jī)械操作不僅速度比較穩(wěn)定，同時(shí)產(chǎn)品質(zhì)量也相對(duì)較高，更是在一定程度上降低了次品率。例如在醫(yī)療、電子產(chǎn)品、食品等的生產(chǎn)流水線上，因并聯(lián)機(jī)器人抓取精準(zhǔn)、轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、反應(yīng)迅速，被廣泛應(yīng)用在最后的整理裝箱環(huán)節(jié)，甚至可以將巧克力拼成花的形狀裝進(jìn)盒子。

（2）機(jī)械生產(chǎn)的管理智能化。機(jī)械生產(chǎn)的過(guò)程中，采用智能化的管理系統(tǒng)，可以邊生產(chǎn)的同時(shí)邊采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)而分析。如果生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生偏差，可以及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，在提高容錯(cuò)率的同時(shí)提升了生產(chǎn)線的效率。應(yīng)用智能化的生產(chǎn)管理，進(jìn)行智能化關(guān)聯(lián)系統(tǒng)，能及時(shí)將生產(chǎn)、銷售及反饋的數(shù)據(jù)整合，起到網(wǎng)絡(luò)共享的作用。各項(xiàng)信息其及時(shí)性、準(zhǔn)確性的保證，可以避免很多問題。以往的管理模式，更多的是依靠人力，而調(diào)研、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)這些環(huán)節(jié)中如果有一個(gè)消息滯后，都可能為企業(yè)帶來(lái)無(wú)法預(yù)料的后果。

（3）機(jī)械產(chǎn)品智能化。隨著智能化技術(shù)在機(jī)械工程中的應(yīng)用，使得機(jī)械產(chǎn)品智能化也成為現(xiàn)實(shí)。并聯(lián)機(jī)器人Adept Quattro在工作過(guò)程中，不需要人為去指示下一步該做什么，它自己可以快速而準(zhǔn)確的完成它的本職工作；特斯拉跑車的生產(chǎn)工廠中運(yùn)用的幾乎是全自動(dòng)設(shè)備，一臺(tái)設(shè)備可以完成幾種動(dòng)作而不沖突，有序進(jìn)行；現(xiàn)在的智能汽車，已經(jīng)可以在完全無(wú)駕駛員的情況下啟動(dòng)、停車。一系列的智能化技術(shù)在工業(yè)、生活中的應(yīng)用，使機(jī)械產(chǎn)品更加人性化、個(gè)性化，同時(shí)也為生活帶來(lái)更多的便利。

4 結(jié)語(yǔ)

智能化的機(jī)械工程提高了工作效率，降低了人工成本，為生活及生產(chǎn)都帶來(lái)很大便利。而智能化與自動(dòng)化技術(shù)的結(jié)合，相輔相成，為人類帶來(lái)更多的效益。

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