智能制造時(shí)代下機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)探析

張?zhí)祚?/p>

（浙江省寧波晶鉆工業(yè)科技有限公司，浙江 寧波 315202）

0 引言

在智能制造時(shí)代，設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)智能機(jī)械制造的發(fā)展有重要作用。中國(guó)的智能機(jī)械制造在目前處于初級(jí)階段，特別是設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)相對(duì)薄弱，而設(shè)計(jì)是機(jī)械制造的重點(diǎn)所在，有必要在智能設(shè)計(jì)技術(shù)上加強(qiáng)探索和研究。

1 智能制造時(shí)代下機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)的主要特征

智能制造時(shí)代下機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)的特征主要表現(xiàn)在安全、便捷、低消耗幾個(gè)方面。

1.1 更安全

智能化設(shè)計(jì)比較漫長(zhǎng)，整體性特征較強(qiáng)。在設(shè)計(jì)智能機(jī)械時(shí)，為了提升科學(xué)性、合理性，需要基于網(wǎng)絡(luò)載體進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸與監(jiān)督，保證不斷完善操作技術(shù)。當(dāng)制造出現(xiàn)異常情況時(shí)，利用智能化設(shè)計(jì)技術(shù)可以及時(shí)自檢故障，妥善解決問(wèn)題，提升整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的安全性，同時(shí)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品提出更高的安全性要求。

1.2 更便捷

智能化水平較高是智能機(jī)械制造最顯著的優(yōu)勢(shì)，機(jī)械制造的整個(gè)過(guò)程也屬于智能化運(yùn)行過(guò)程，只需一鍵操作就可以完成所有制造流程，進(jìn)一步提高便捷化程度。通過(guò)智能技術(shù)應(yīng)用，機(jī)械設(shè)計(jì)制造流程更加安全、簡(jiǎn)潔、完整，并節(jié)省大量資金，特別是智能化水平、人性化水平有極大的提升，滿足智能制造時(shí)代發(fā)展需要[1]。

1.3 低消耗

智能機(jī)械制造是利用智能技術(shù)進(jìn)行機(jī)械制造，可以有效減少材料損耗。因?yàn)槔媚軝C(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)可以精確計(jì)算材料，適應(yīng)當(dāng)今的節(jié)能降耗需求。特別是當(dāng)下機(jī)械制造的智能化水平、節(jié)能要求都在不斷提高，資源能耗需求越來(lái)越低。

2 智能制造時(shí)代下機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)運(yùn)用要點(diǎn)

在智能制造時(shí)代下，分析機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)運(yùn)用要點(diǎn)，其主要包含了引進(jìn)智能技術(shù)、強(qiáng)化資源分類、加大優(yōu)化力度、積極引入創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維，基于這幾個(gè)方面的分析，就可以對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)運(yùn)用有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)。

2.1 引進(jìn)智能技術(shù)

為了在智能制造時(shí)代下有效提高機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用成效，在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中就應(yīng)引進(jìn)智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)充分利用。在實(shí)際利用環(huán)節(jié)需要注意兩點(diǎn)：第一，科學(xué)使用智能技術(shù)。機(jī)械設(shè)計(jì)制造工序復(fù)雜多樣，要基于對(duì)產(chǎn)品實(shí)際情況的全面分析，科學(xué)選擇智能技術(shù)，確保技術(shù)運(yùn)用的科學(xué)性、合理性[2]。這主要涉及到憑借智能化系統(tǒng)準(zhǔn)確率高、分析速度快等優(yōu)勢(shì)做好對(duì)輸入指令的分析，并根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)判斷計(jì)劃的合理性，得到最科學(xué)合理的機(jī)械設(shè)計(jì)方案。比如在機(jī)械制造中要先進(jìn)行生產(chǎn)產(chǎn)品性能測(cè)試，接下來(lái)按照反饋的信息和數(shù)據(jù)調(diào)整生產(chǎn)流程，確保機(jī)械制造質(zhì)量達(dá)標(biāo)。如果生產(chǎn)操作存在問(wèn)題，就要按照檢測(cè)數(shù)據(jù)建立科學(xué)的調(diào)試方案。第二，極大地降低機(jī)械制造成本。將智能技術(shù)引入機(jī)械設(shè)計(jì)制造，可以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。比如在智能操作系統(tǒng)的終端安裝諧波過(guò)濾器，及時(shí)清除掉混亂的信號(hào)，確保傳輸信號(hào)的準(zhǔn)確性、有效性，進(jìn)而提升傳輸數(shù)據(jù)的效率與質(zhì)量。

2.2 強(qiáng)化資源分類

考慮到機(jī)械制造需要結(jié)合產(chǎn)品、工藝、技術(shù)等，進(jìn)行合理的資源分類對(duì)保證制造智能機(jī)械的效率與質(zhì)量有重要作用。第一，利用智能系統(tǒng)收集機(jī)械制造數(shù)據(jù)和信息，結(jié)合產(chǎn)出設(shè)計(jì)模擬整個(gè)機(jī)械制造過(guò)程，及時(shí)發(fā)現(xiàn)其中的問(wèn)題和不足。第二，打造資源共享中心，實(shí)時(shí)監(jiān)督智能機(jī)械制造過(guò)程，有針對(duì)性地制定改進(jìn)策略，提升機(jī)械制造效率。對(duì)于智能系統(tǒng)的內(nèi)控制模塊，可以直接在系統(tǒng)內(nèi)部存儲(chǔ)機(jī)械制造數(shù)據(jù)，在生產(chǎn)制造過(guò)程中就可以讀取產(chǎn)品數(shù)據(jù)，據(jù)此調(diào)整生產(chǎn)制造工藝，保證達(dá)到生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。若檢測(cè)器發(fā)出預(yù)警，就意味著機(jī)械設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)工藝之間不匹配，工作人員需要及時(shí)設(shè)置系統(tǒng)信息，確保機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)在智能制造時(shí)代的運(yùn)用效果。比如在智能系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行電子控制模塊的設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品信息的實(shí)時(shí)收集，為后期分析產(chǎn)品質(zhì)量提供準(zhǔn)確的信息、數(shù)據(jù)。第三，科學(xué)使用大數(shù)據(jù)技術(shù)展開(kāi)分析，在虛擬數(shù)據(jù)庫(kù)里存儲(chǔ)海量機(jī)械產(chǎn)品信息，按照所需生產(chǎn)信息調(diào)用科學(xué)有效的生產(chǎn)工藝，提升智能機(jī)械制造效果。在對(duì)生產(chǎn)材料的選擇方面，機(jī)械制造人員要關(guān)注材料的重復(fù)使用，盡量選擇綠色環(huán)保性、低污染甚至無(wú)污染的材料，通過(guò)合理使用材料資源提升智能機(jī)械制造設(shè)計(jì)技術(shù)的運(yùn)用效率和質(zhì)量。

2.3 加大優(yōu)化力度

和許多發(fā)達(dá)國(guó)家相比，中國(guó)的機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)技術(shù)表現(xiàn)存在滯后性，因而機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)依舊有諸多缺陷。為了預(yù)防發(fā)生過(guò)度重視、依賴國(guó)外設(shè)計(jì)技術(shù)的問(wèn)題，應(yīng)按照機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)施情況，有機(jī)整合國(guó)外技術(shù)運(yùn)用資源，讓國(guó)內(nèi)的機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)取得良好推廣使用效果[3]。這就要求機(jī)械設(shè)計(jì)管理的相關(guān)單位和人員能夠按照已經(jīng)掌握的機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)知識(shí)、基本原理，結(jié)合實(shí)際狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，構(gòu)建比較完善的機(jī)械設(shè)計(jì)分析制度、管理制度，以便體現(xiàn)并突出機(jī)械設(shè)計(jì)管理的靈活優(yōu)勢(shì)，降低經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)成本。與此同時(shí)，在優(yōu)化機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)操作管理時(shí)要從產(chǎn)品設(shè)計(jì)性能、質(zhì)量等方面進(jìn)行嚴(yán)格的控制，提升管理的科學(xué)性，從而密切結(jié)合當(dāng)下市場(chǎng)上不斷涌現(xiàn)的機(jī)械設(shè)計(jì)管理新技術(shù)、生產(chǎn)管理新模式，持續(xù)改進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)，讓機(jī)械設(shè)計(jì)操作更加靈活，更有效地突出基本的智能化技術(shù)特征。

2.4 積極引入創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維

伴隨著各級(jí)政府部門對(duì)于科教研究力度的不斷加大，相關(guān)領(lǐng)域投入資金占據(jù)的GDP比重也在不斷的提高，這樣也呈現(xiàn)出快速發(fā)展的態(tài)勢(shì)，這樣就使得我們的科學(xué)教育高新技術(shù)的水平與發(fā)達(dá)國(guó)家之間的水平正在逐漸的縮小。基于這一背景分析，各個(gè)地方政府部門就在積極倡導(dǎo)基于創(chuàng)新來(lái)渠道發(fā)展政策的基本理念。對(duì)于工業(yè)智能機(jī)械裝備制造而言，就要求能夠?qū)⒐I(yè)創(chuàng)新技術(shù)思維融入其中，這樣才能夠讓其完成更為先進(jìn)的、更加現(xiàn)代化的工業(yè)智能機(jī)械技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用工作。在長(zhǎng)時(shí)間的理論研究基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際工作，這樣就可以滿足智能機(jī)械裝備制造企業(yè)涉及管理方法的持續(xù)優(yōu)化、創(chuàng)新與完善處理，最終滿足機(jī)械設(shè)計(jì)的整體性要求。

3 智能制造時(shí)代下機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)運(yùn)用案例

本案例選擇輕小型水下電動(dòng)機(jī)械臂設(shè)計(jì)，輕小型機(jī)械臂結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，而且質(zhì)量輕、體積小，經(jīng)濟(jì)性良好，在簡(jiǎn)單水下作業(yè)中非常適用。這一機(jī)械臂的自由度是5+1，為電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，負(fù)載0.5kg，空氣質(zhì)量不足3kg，作業(yè)半徑是450mm，抓取的最大尺寸是70mm，下潛的最大深度是100m。

為了在機(jī)械設(shè)計(jì)中強(qiáng)化智能技術(shù)運(yùn)用，在設(shè)計(jì)機(jī)械臂自由度時(shí)主要使用智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)，模擬其自由度。機(jī)械臂只進(jìn)行簡(jiǎn)單水下作業(yè)，自由度不高，可以保證樣品采集即可。然而水下作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，需要減少本體運(yùn)作消耗量，所以機(jī)械臂自由度不能過(guò)小?；趯?duì)機(jī)械臂的自由度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)把最大臂長(zhǎng)和標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載、抓取目標(biāo)最大直徑等指標(biāo)參數(shù)輸入SolidWorks（三維設(shè)計(jì)軟件）進(jìn)行虛擬建模。

設(shè)計(jì)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)時(shí)遵循簡(jiǎn)單控制原則，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，其每一個(gè)模塊都涵蓋了電機(jī)和角度傳感器、連接固定件、減速器，完成每一個(gè)模塊的設(shè)計(jì)之后保證關(guān)節(jié)模塊的連接[4]。其中的底座主要在本體上用螺栓安裝，底座回轉(zhuǎn)模塊通過(guò)連接軸與安裝在底座內(nèi)的電機(jī)來(lái)連接，其他模塊之間通過(guò)電機(jī)軸連接，另一側(cè)通過(guò)軸承固定，而腕部模塊末端通過(guò)電機(jī)軸、手爪模塊進(jìn)行連接，形成手爪回轉(zhuǎn)自由度。手爪模塊結(jié)構(gòu)是齒輪雙鉸式，在其一側(cè)安裝電機(jī)，將手爪另一側(cè)的手指帶動(dòng)起來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)。

對(duì)于機(jī)械臂材料的選擇，要與作業(yè)要求、作業(yè)環(huán)境結(jié)合起來(lái)考慮。因?yàn)闄C(jī)械臂要在水下作業(yè)，既要擁有較強(qiáng)的穩(wěn)定性、可靠性，又要具備良好的耐腐蝕性能，并且考慮水下工作時(shí)的附加質(zhì)量和浮力、水阻力等因素，需要機(jī)械臂本體質(zhì)量較輕，才能最大限度降低運(yùn)動(dòng)慣性、水動(dòng)力的影響。所以選擇機(jī)械臂的材料時(shí)要滿足密度、強(qiáng)度、剛度、塑性、耐腐蝕性、表面疏水性和穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性等要求。機(jī)械臂設(shè)計(jì)中常用的材料包括鋁合金、鈦合金與不銹鋼，本設(shè)計(jì)選擇鋁合金材料，不僅密度高、質(zhì)量輕，擁有較強(qiáng)的可塑性，價(jià)格也較低。

選好機(jī)械臂設(shè)計(jì)材料之后進(jìn)行模型運(yùn)動(dòng)控制的仿真實(shí)驗(yàn)，保證提高智能化水平。在參數(shù)的設(shè)置中，機(jī)械臂的初始關(guān)節(jié)角值為0.09，初始關(guān)節(jié)角速度值為0，期望關(guān)節(jié)角運(yùn)動(dòng)指令為0.1sint。做好參數(shù)設(shè)置以后通過(guò)模糊RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制，即利用滑模函、高斯函數(shù)，分析模糊FRB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制算法。為了保證精度控制，隱性層數(shù)是31，在機(jī)械臂的模型控制中進(jìn)行Matlab、Simulink的聯(lián)合仿真，由此得到5個(gè)基本相同的關(guān)節(jié)響應(yīng)數(shù)據(jù)。在驗(yàn)證機(jī)械臂設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)指標(biāo)之后，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)強(qiáng)度、設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性都符合實(shí)際需求。

在水下機(jī)械臂設(shè)計(jì)中，為了適應(yīng)智能化制造，還進(jìn)行了以DNC網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的數(shù)控加工平臺(tái)開(kāi)發(fā)，并且利用以Windows為基礎(chǔ)的IDE操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)了機(jī)械臂操作全過(guò)程的人機(jī)交互界面。如此，機(jī)械臂在水下作業(yè)的情況都可以由人機(jī)界面來(lái)呈現(xiàn)。同時(shí)設(shè)計(jì)傳感手臂的數(shù)據(jù)采集模塊，采集機(jī)械臂的所有運(yùn)行數(shù)據(jù)，保證通過(guò)任務(wù)管理模塊及時(shí)掌握水下機(jī)械臂作業(yè)狀態(tài)，進(jìn)行智能化的水下采集。所以在實(shí)際設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)要有機(jī)整合智能技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)，通過(guò)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)讓機(jī)械臂關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)都能滿足作業(yè)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

智能制造是時(shí)代發(fā)展的必然趨勢(shì)，要想進(jìn)一步完善機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)，加快技術(shù)進(jìn)步，就要整合分析現(xiàn)階段出現(xiàn)的問(wèn)題和不足，通過(guò)運(yùn)用智能技術(shù)妥善解決，推動(dòng)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，最終保障智能機(jī)械制造的穩(wěn)健發(fā)展。