機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化技術(shù)的智能應(yīng)用分析

李雪凝

（長沙理工大學(xué)， 湖南 長沙 410000）

1 智能制造時(shí)代機(jī)械設(shè)計(jì)制造概述

1.1 智能機(jī)械制造的優(yōu)勢

在智能制造中，由于機(jī)械制造具備了高精度、生產(chǎn)過程能源耗費(fèi)較低、生產(chǎn)作業(yè)簡便等的特征。在生產(chǎn)制造中，按照特定的生產(chǎn)過程檢查和調(diào)節(jié)制造參數(shù)、生產(chǎn)流程和生產(chǎn)工藝，有效地提高了機(jī)器制造的效率；在制造流程中，能及時(shí)地發(fā)現(xiàn)存在的不良現(xiàn)象，并經(jīng)過檢測、預(yù)警、查詢、處理等流程，能有效提升機(jī)械制造的準(zhǔn)確度；另外，由于在機(jī)器中配置了變壓器系統(tǒng)，增強(qiáng)了設(shè)備間的可靠性，降低了設(shè)備之間的摩擦，減少了能源耗費(fèi)。

1.2 智能機(jī)械制造的發(fā)展趨勢

機(jī)械設(shè)備制造業(yè)已經(jīng)成為我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要支柱產(chǎn)業(yè)之一，并正向著自動(dòng)化、智能化趨勢發(fā)展。在智能時(shí)代，機(jī)械設(shè)備制造商應(yīng)該提高環(huán)境保護(hù)能力，并加強(qiáng)在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中采用綠色環(huán)保的材料，以使機(jī)械制造設(shè)計(jì)更符合可持續(xù)發(fā)展的原則；并且在實(shí)際使用過程中的機(jī)械特性也需要進(jìn)一步改善，以增加設(shè)備的生產(chǎn)能力；另外，企業(yè)還需要增加管理技術(shù)的實(shí)用性。通過增加企業(yè)對機(jī)械制造優(yōu)勢與特點(diǎn)的研究，以及通過智能化技術(shù)的運(yùn)用，提高企業(yè)對生產(chǎn)過程的控制，增加企業(yè)生產(chǎn)流程的彈性[1-2]。

2 機(jī)械設(shè)計(jì)制造自動(dòng)化的特點(diǎn)

2.1 可靠性

智能自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用能夠較好地避免事故發(fā)生，同時(shí)相關(guān)工作人員也可以不再進(jìn)行手工操作，通過計(jì)算機(jī)程序就能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。但在這一過程中難免會(huì)出現(xiàn)問題，因此，均需在程序編寫過程中反復(fù)檢查，避免出現(xiàn)安全隱患，如若發(fā)生重大事故應(yīng)立即采取相應(yīng)的補(bǔ)救手段，這能降低或避免工作人員在作業(yè)過程中出現(xiàn)事故。

2.2 高效性

工程機(jī)械設(shè)計(jì)制造自動(dòng)化具有高效性，盡管實(shí)際參與制造的人較少，但其過程擁有很好的秩序性和條理性，而且沒有出現(xiàn)延遲的現(xiàn)象。采用自動(dòng)化控制，能有效提高工作效率。通過傳感器技術(shù)和電腦系統(tǒng)等設(shè)備對產(chǎn)品及工序進(jìn)行檢測分析進(jìn)行加工處理，利用PLC 程序?qū)崿F(xiàn)對整個(gè)生產(chǎn)過程的監(jiān)控和管理。

2.3 機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)的意義

機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)帶來了新的工作環(huán)境與新的發(fā)展方向。它不僅是一種先進(jìn)的技術(shù)，更是一種先進(jìn)的科學(xué)管理理念。

3 機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用（以機(jī)器人為例）

3.1 工業(yè)機(jī)器人

不同的機(jī)器人有不同的結(jié)構(gòu)類型，通過對機(jī)器人的結(jié)構(gòu)上的分析可以進(jìn)一步對機(jī)器人進(jìn)行分類。

工業(yè)機(jī)器人可分為直角坐標(biāo)型機(jī)器人、球坐標(biāo)型機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人和多關(guān)節(jié)型機(jī)器人。碼垛機(jī)器人在進(jìn)行構(gòu)型選擇與設(shè)計(jì)時(shí)，需要遵循四個(gè)原則：保證機(jī)械臂的工作空間能夠滿足作業(yè)要求；在滿足工作環(huán)境的條件下，盡可能減少自由度；為了避免出現(xiàn)機(jī)械臂不可控制和損壞機(jī)械臂的情況，需要消除機(jī)械臂的奇異位型；以及合理設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)，機(jī)械臂能夠正常運(yùn)動(dòng)和方便制造。從機(jī)械手的坐標(biāo)結(jié)構(gòu)來看主要分為直角坐標(biāo)、圓柱坐標(biāo)、球坐標(biāo)、關(guān)節(jié)坐標(biāo)。氣爪的氣動(dòng)控制，氣爪部分是用來實(shí)現(xiàn)抓取的功能，是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代機(jī)械手控制的關(guān)鍵，氣爪由氣缸提供抓取力，可以實(shí)現(xiàn)對于重物的抓取，如圖1 所示。

圖1 氣爪形態(tài)示意圖

3.2 農(nóng)業(yè)機(jī)器人

采摘機(jī)器人分別由視覺定位系統(tǒng)、機(jī)械臂系統(tǒng)、末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)以及總控制系統(tǒng)組成。具體實(shí)例如下：

1）椰子機(jī)器人：可以像人一樣對物品進(jìn)行抓取，有類似于人的關(guān)節(jié)，同時(shí)也有類似與人的大腦的控制系統(tǒng)，來控制不同的關(guān)節(jié)之間的移動(dòng)，簡單說這類機(jī)器人是有驅(qū)動(dòng)、傳統(tǒng)以及控制的系統(tǒng)三部分組成，由視覺識別系統(tǒng)對椰子進(jìn)行識別，識別后有升降臺將小車的執(zhí)行部件運(yùn)送到指定的位置，從而實(shí)現(xiàn)抓取的操作。抓取下椰子之后，直接將椰子放到地面上。

2）自動(dòng)噴藥機(jī)器人：目前最常見的噴藥機(jī)是人操作的背負(fù)式噴霧器，對于高大的植物則采取了使用航空噴霧的方法。噴藥機(jī)器是通過機(jī)器運(yùn)動(dòng)的手段對噴藥裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，大部分是使用輪子進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，同樣也有使用履帶驅(qū)動(dòng)。

無論什么形式的噴藥裝置，最大的特點(diǎn)都是可以通過各種手段實(shí)現(xiàn)對人力的替代，提高工作效率。但我國額定噴藥機(jī)器的研究仍然較落后，傳統(tǒng)噴藥方式的缺點(diǎn)主要為效率低，人力成本大。經(jīng)過不斷研究發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)諸多果蔬的采摘、施肥、噴藥等工作已經(jīng)采用自動(dòng)噴藥裝置來取代人工操作。噴藥裝置的應(yīng)用可以極大提高工作效率，達(dá)到靈活噴藥的目的，這些噴藥裝置基本上都應(yīng)用于園林的護(hù)工等工作上[3]。

通過研究調(diào)查多個(gè)自動(dòng)噴藥裝置發(fā)現(xiàn)，果園噴藥裝置主要分成三部分，即噴藥系統(tǒng)、行走系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。噴藥裝置的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是在底盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)；噴藥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，即噴藥的方式以及噴藥用的藥水存儲(chǔ)方式，以及基本的控制系統(tǒng)組成，不同的系統(tǒng)有不同的控制邏輯以及基本的控制方法。其底盤布局和整體結(jié)構(gòu)如圖2、圖3 所示。

圖2 底盤布局

圖3 整體結(jié)構(gòu)

由于果園中的環(huán)境比較復(fù)雜，噴藥裝置在操作時(shí)為了適應(yīng)果園復(fù)雜的工作環(huán)境，設(shè)計(jì)一個(gè)履帶行走機(jī)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)爬坡等操作。行走機(jī)構(gòu)外側(cè)是通過履帶和地面直接接觸，履帶的作用是為了增加與小車與地面之間的接觸面積從而減小壓強(qiáng)。當(dāng)履帶行走機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，有電機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪選擇，由鏈輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)著履帶的運(yùn)動(dòng)，由于履帶板與路面之間的附著力大于驅(qū)動(dòng)鏈輪、支重輪和導(dǎo)向輪的滾動(dòng)阻力，所以履帶板不會(huì)滑動(dòng)，而驅(qū)動(dòng)鏈輪、支重輪和導(dǎo)向輪則沿著鋪設(shè)的鏈軌滾動(dòng)，從而驅(qū)使整機(jī)行走。

4 結(jié)語

我國機(jī)械制造自動(dòng)化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了機(jī)械領(lǐng)域的發(fā)展。但我國的此類技術(shù)與發(fā)達(dá)國家相比仍存在一定的差距，應(yīng)針對目前的問題與難題展開深入的研究，讓智能技術(shù)在機(jī)械制造技術(shù)中得到全面的提升，以此來增強(qiáng)國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。