智能自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

鑫 龍，崔世超，焦可如，候天陽(yáng)

（1.沈陽(yáng)理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159；2.沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng)110159）

0 引言

隨著十三五規(guī)劃的推進(jìn)與工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，智能自動(dòng)化已經(jīng)成為目前機(jī)械設(shè)計(jì)制造業(yè)的必然發(fā)展趨勢(shì)與表現(xiàn)形式，為整個(gè)工業(yè)發(fā)展帶來(lái)了巨大的活力，也使我國(guó)新興技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，智能自動(dòng)化技術(shù)也成為目前我國(guó)工業(yè)發(fā)展所需的核心力量與技術(shù)。

1 智能自動(dòng)化技術(shù)

智能自動(dòng)化是以機(jī)械自動(dòng)化為基礎(chǔ)發(fā)展而來(lái)的，整合了傳統(tǒng)機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)、智能化技術(shù)，自動(dòng)化程度更高，整合了傳統(tǒng)自動(dòng)化與集成自動(dòng)化兩種技術(shù)，是通過(guò)人工智能、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、大系統(tǒng)理論等相關(guān)理論，利用具備一些智能特征的系統(tǒng)替代人的腦力勞動(dòng)，進(jìn)而使腦力勞動(dòng)向智能自動(dòng)化發(fā)展[1]。集成自動(dòng)化則整合了信息技術(shù)、系統(tǒng)控制技術(shù)等新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了智能一體化。機(jī)械設(shè)計(jì)作為機(jī)械工程的一處重要環(huán)節(jié)，是先于機(jī)械生產(chǎn)制造與應(yīng)用的環(huán)節(jié)，是機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)與使用功能實(shí)現(xiàn)的初始環(huán)節(jié)。智能自動(dòng)化技術(shù)使機(jī)械設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化，可以完全依賴(lài)器械完成整個(gè)設(shè)計(jì)制造過(guò)程，生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量更高，交互性更為明顯[2]。

2 機(jī)械設(shè)計(jì)中智能自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 有限元設(shè)計(jì)法

有限元設(shè)計(jì)是目前機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛的一種技術(shù)，設(shè)計(jì)核心是結(jié)構(gòu)離散模式，對(duì)原有大量設(shè)計(jì)單元分解后，將各個(gè)有限的相對(duì)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)單元通過(guò)科學(xué)變現(xiàn)方式合理處理，并運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而使求解過(guò)程更為簡(jiǎn)單方便，最大限度降低解答難度[3]。機(jī)械設(shè)計(jì)中，通過(guò)有限元設(shè)計(jì)法能夠?qū)C(jī)械結(jié)構(gòu)中的各個(gè)參數(shù)及其轉(zhuǎn)變進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，對(duì)于設(shè)計(jì)過(guò)程中的結(jié)果精確程度關(guān)注度降低，對(duì)于所得設(shè)計(jì)結(jié)果與設(shè)計(jì)所需的符合性更為關(guān)注。

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)法

優(yōu)化設(shè)計(jì)法是機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)不斷發(fā)展的產(chǎn)物，是將機(jī)械設(shè)計(jì)問(wèn)題通過(guò)科學(xué)合理的轉(zhuǎn)換方法將其轉(zhuǎn)變成一種對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，機(jī)械設(shè)計(jì)人員圍繞這一數(shù)學(xué)模型逐步進(jìn)行解答與深層次設(shè)計(jì)，使機(jī)械設(shè)計(jì)所需的各個(gè)參數(shù)、指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)化，從而獲得一種理想度最高的設(shè)計(jì)效果。整個(gè)過(guò)程中計(jì)算問(wèn)題的解決就意味著機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中相應(yīng)重要問(wèn)題的解決，問(wèn)題解決后，設(shè)計(jì)人員能夠獲得明確的設(shè)計(jì)方案[4]。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使這一設(shè)計(jì)過(guò)程中的相關(guān)計(jì)算全部由計(jì)算機(jī)所取代，計(jì)算精度更高、計(jì)算速度更快、準(zhǔn)確性更好。這種方法是目前機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用最為廣泛的一種方法。優(yōu)化設(shè)計(jì)法還使設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)技術(shù)水平與設(shè)計(jì)質(zhì)量獲得了很大的提高，減少了設(shè)計(jì)任務(wù)，提高了設(shè)計(jì)效率，間接降低了產(chǎn)品生產(chǎn)成本。

2.3 模糊設(shè)計(jì)法

模糊設(shè)計(jì)法是基于數(shù)學(xué)理論中的模糊理論及相關(guān)知識(shí)發(fā)展而來(lái)的一種設(shè)計(jì)方法?？茖W(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，使機(jī)械結(jié)構(gòu)更為繁雜，機(jī)械使用要求也不斷提高，機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的因素也在不斷增加，各個(gè)因素之間關(guān)聯(lián)密切，進(jìn)而使機(jī)械結(jié)構(gòu)更為繁瑣，細(xì)節(jié)也更為模糊[5]。因此，設(shè)計(jì)人員為提高設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量，從模糊理論出發(fā)，在科學(xué)衡量各個(gè)要素之間的關(guān)系的基礎(chǔ)上，模糊各要素界限，打破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念的要素束縛，通過(guò)模糊設(shè)計(jì)使設(shè)計(jì)工作更為簡(jiǎn)單、快捷，同時(shí)保證了設(shè)計(jì)質(zhì)量與效果。

3 智能自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的發(fā)展方向

3.1 系統(tǒng)化

計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)是基于智能自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展而來(lái)的一種集成系統(tǒng)化技術(shù)，集成了大量智能化、自動(dòng)化、數(shù)字化技術(shù)，在機(jī)械設(shè)計(jì)中通過(guò)多種計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的整合，實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化，為機(jī)械設(shè)計(jì)提供多項(xiàng)輔助技術(shù)，將機(jī)械產(chǎn)品智能化與自動(dòng)化開(kāi)發(fā)視一個(gè)完整的系統(tǒng)工程，在機(jī)械設(shè)計(jì)智能自動(dòng)化的基礎(chǔ)上，更好地協(xié)調(diào)人與機(jī)械操作過(guò)程中的操作人、機(jī)械運(yùn)行環(huán)境的關(guān)系，使人、機(jī)器及運(yùn)行環(huán)境實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)一體性，進(jìn)一步推進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)智能自動(dòng)化發(fā)展[6]。一些實(shí)際操作中難以試驗(yàn)與檢驗(yàn)的機(jī)械設(shè)備，如受季節(jié)性與地域性影響較嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，就能夠通過(guò)模型等方法的運(yùn)用，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品性能進(jìn)行科學(xué)預(yù)測(cè)，并對(duì)設(shè)計(jì)合理性與實(shí)際使用方法進(jìn)行最優(yōu)化預(yù)測(cè)，最終設(shè)計(jì)產(chǎn)品再置于人工模擬環(huán)境下檢驗(yàn)其效果[7]。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域也衍生出了一系列新技術(shù)，如柔性化技術(shù)、數(shù)控技術(shù)等，將這些技術(shù)運(yùn)用在集成制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可以通過(guò)智能化自動(dòng)技術(shù)使系統(tǒng)更為集成化，即以系統(tǒng)工程理論為基礎(chǔ)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)智能自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行指導(dǎo)，借助信息化技術(shù)，使機(jī)械設(shè)備能夠達(dá)到智能化控制與操作[8]。

3.2 數(shù)字化

數(shù)字化技術(shù)能夠不斷改進(jìn)傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)的各種弊端，如，機(jī)械設(shè)計(jì)前，利用計(jì)算機(jī)建模功能輔助設(shè)計(jì)，再根據(jù)模型對(duì)相應(yīng)參數(shù)、指標(biāo)進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化，從而避免機(jī)械產(chǎn)品可能出現(xiàn)的弊端。計(jì)算機(jī)技術(shù)為機(jī)械設(shè)計(jì)數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)提供了重要的幫助，利用計(jì)算機(jī)能夠不斷完善整個(gè)建模及設(shè)計(jì)過(guò)程。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員以各類(lèi)參考數(shù)據(jù)為設(shè)計(jì)依據(jù)，利用計(jì)算機(jī)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)中可能影響機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量與機(jī)械設(shè)計(jì)效率的相關(guān)因素進(jìn)行優(yōu)化與提高，提升設(shè)計(jì)質(zhì)量與效率。

3.3 產(chǎn)業(yè)化

機(jī)械設(shè)計(jì)的智能自動(dòng)化使機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，機(jī)械設(shè)計(jì)與其他科技領(lǐng)域的整合，使其不再局限于單一的機(jī)械設(shè)計(jì)目標(biāo)，不再滿足于某個(gè)領(lǐng)域的個(gè)體化需求，而是逐步滲透到了生物工程、機(jī)械人、無(wú)人機(jī)、納米科技等諸多行業(yè)的設(shè)計(jì)制造中。機(jī)械設(shè)計(jì)人員也不再專(zhuān)一于某個(gè)單一領(lǐng)域的技術(shù)升級(jí)，需要充分考慮跨領(lǐng)域技術(shù)的交叉與整合，使機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)化不斷提高。

4 智能自動(dòng)化在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

智能自動(dòng)化在機(jī)械設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用很廣泛，例如并聯(lián)機(jī)器人。并聯(lián)機(jī)器人是將運(yùn)動(dòng)平臺(tái)與定平臺(tái)利用兩個(gè)或兩兩一行的獨(dú)立運(yùn)行鏈相互連接后，使其機(jī)械自由度達(dá)到2以上，進(jìn)而形成并聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式。20世紀(jì)30年代是并聯(lián)機(jī)器人的最早提出年代，1978年并聯(lián)機(jī)器人被安裝到機(jī)械手臂上，其緊湊的結(jié)構(gòu)、較強(qiáng)的承載力、較高的精確度迅速在制造領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用[9]。

目前，并聯(lián)機(jī)器人已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。第一，并聯(lián)機(jī)床。并聯(lián)機(jī)床是目前并聯(lián)機(jī)械實(shí)際應(yīng)用吸引力最高的一個(gè)領(lǐng)域。并聯(lián)機(jī)床具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛度更大、傳動(dòng)鏈短、質(zhì)量輕且成本更低等優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)6軸驅(qū)動(dòng)，可以加工復(fù)雜的三維曲面。通過(guò)重組與模塊化設(shè)計(jì)，還能夠使機(jī)械布局形式更為多樣化，自由度組合更靈活，機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)。如德國(guó)Micromat公司開(kāi)發(fā)研制的6X并聯(lián)機(jī)床，安裝了一個(gè)伸縮桿，具備了更為靈活的長(zhǎng)度變化，能夠靈活地驅(qū)動(dòng)主軸部件，完成加工軌跡所需的各種運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，工作臺(tái)上的工件則始終保持固定不動(dòng)。第二，工業(yè)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人也是目前工業(yè)領(lǐng)域具有廣闊發(fā)展前景的一種智能自動(dòng)化技術(shù)，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，還能夠替代人工在特殊環(huán)境下的作用，降低特殊工作環(huán)境所面臨的危險(xiǎn)，提高了工作人員的保護(hù)意識(shí)，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。如天津大學(xué)發(fā)明了一種全鉸接2平動(dòng)輕型并聯(lián)機(jī)械手，具有調(diào)整的自由度、更高的精度，極大地解放了人工。第三，醫(yī)療機(jī)器人。目前醫(yī)學(xué)外科領(lǐng)域、機(jī)器人研究領(lǐng)域?qū)︶t(yī)療機(jī)器人的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用關(guān)注度很高，已投入使用的各種醫(yī)療機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確的選位、精細(xì)地臨床操作，在提高臨床操作精確度與效率的同時(shí)，還極大地降低了院內(nèi)感染風(fēng)險(xiǎn)。第四，操作器，目前空間飛船與空間對(duì)接器對(duì)接機(jī)構(gòu)中的并聯(lián)機(jī)器人就是作為操作器功能而存在的，上下平臺(tái)之間留有通孔以作為對(duì)接通道，上下兩個(gè)平臺(tái)為對(duì)接環(huán)，通過(guò)6個(gè)直線驅(qū)動(dòng)器能夠驅(qū)動(dòng)飛船對(duì)正，并驅(qū)動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)完成能量吸收、減振、主動(dòng)抓取、柔性結(jié)合、對(duì)正拉緊、鎖住卡緊等各項(xiàng)工作。一些地方挖掘及地下開(kāi)采等也能夠通過(guò)并聯(lián)機(jī)構(gòu)完成。此外，并聯(lián)機(jī)器人還在造船起重機(jī)、傳感器、體感模擬娛樂(lè)機(jī)械等各個(gè)方面得到了應(yīng)用，是目前智能自動(dòng)化在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的一個(gè)應(yīng)用熱點(diǎn)[10]。

5 結(jié)語(yǔ)

智能自動(dòng)化技術(shù)是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)的必然發(fā)展趨勢(shì)，也是實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)智能化、自動(dòng)化、系統(tǒng)化的主要途徑，能夠促進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)質(zhì)量、效率的不斷提高，同時(shí)，也是機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的基礎(chǔ)，不斷探索機(jī)械設(shè)計(jì)的智能自動(dòng)化發(fā)展能夠使機(jī)械設(shè)計(jì)不斷科學(xué)化、合理化。