淺析智能自動化技術在機械設計中的應用

林卓成

（廣東省佛山市南海區南海中學，廣東 佛山 528211）

1 并聯機器人簡述

并聯機構是指通過兩個以上的獨立運動鏈將動平臺與定平臺相連接，機構的自由度大于等于2，用并聯方式驅動的一種閉環結構。其最早出現于20世紀30年代左右，當時其是一種基于球面的并聯機構娛樂裝置，隨著發展逐漸被應用于飛行模擬器、汽車噴涂等。一個固定基座、兩條以上能獨立動作的運動鏈和具有n自由度（n=2、3、4、5、6）的末端執行器組成了并聯機構。與串聯機構相比，并聯機構剛度更大，結構也比較穩定，承載能力大而又運動負荷小，但因其工作空間較小，負載能力有限，機構復雜導致其應用受限，但應用仍舊十分廣泛，例如Stewart、Delta等。

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

第一代機器人delta——被譽為“最成功的并聯機器人”，在1990年就在世界各國申請專利并被廣泛應用在裝配、自動化和醫療設備領域中。隨著人類對機器人不斷的深入研究，并聯機器人越來越多地被應用，其結構緊湊、承載能力較強、精度較高且無累計誤差，又不需占用很大的工作空間，由于運動的部分重量很輕，只要固定在平臺或接近平臺的位置，運行起來就可以達到很高的速度。如被用于飛行模擬器的運動模擬器，是目前各類飛行員必備的訓練工具，及在工業中應用越來越廣泛的工業機器人、醫療中的醫療機器人等等。

并聯機器人Adept Quattro只是智能自動化技術應用在機械行業領域的冰山一角，正是因為這些智能自動化技術越來越成熟也越來越多的被應用，使得機械生產越來越高效。

2 機械自動化的發展

機械自動化是指以機械方式實現機器或裝置在無人為干預的情況下，可以按照預先設定的程序或指令運行或操作的過程，而且是最早出現的自動化控制系統。

2.1 機械自動化的發展歷程

據《墨子》記載，春秋戰國時期魯班制造出的木鳥，能通過風力飛上天空且三天不降落，這便是我國最早出現的自動化裝置。在近代西方工業革命時期，瓦特在蒸汽機中使用的離心式調速器，運用了多個機械自動控制系統，從此機械自動化進入了一個新的階段。1870年美國發明的自動螺絲生產機器，采用純機械控制是典型的單機自動化系統，隨著流水作業的自動加工線和汽車發動機氣缸自動線的產生，自動化技術開始由單機向更高級別的自動化系統轉變；直至1965年，計算機數控機床的出現，為制造自動化系統奠定了新的基礎，一直到現在，數控技術幾乎是經濟型實現小批量生產的唯一技術。縱觀機械自動化的歷史進程，計算機集成制造系統是21世紀的制造業新模式的主要發展目標。

2.2 機械自動化的現狀

“自動化”是工業領域企業中常提到的一個詞，企業都希望通過自動化來提高生產率，減少成本，使各種資源得到最大化利用，從而提升企業的競爭力。從上世紀90年代至今，我國許多企業都采用了自動化技術。但與國外相比，仍然存在差距。

（1）生產水平方面。21世紀以來，我國制造業無論是在數量上還是質量上都取得了很大進步，但由于我國核心技術缺乏，自主產品較少，很多關鍵零件或機器都來自國外自動化水平比較高的國家，如美國、德國，因此我國在技術上還有很大的提升空間。

（2）制造方面。我國制造業晚了發達國家約幾年的時間，至上世紀70年代左右，我國制造業才開始慢慢向機械自動化轉型。由于技術水平的限制，當時并沒有使工作效率有很大提高。而現在盡管自動化已經在我國很普及，但在一個工業的生產流程中，依靠更多的還是人力。

（3）管理方面。工業發達國家重視管理體制，多采用計算機進行管理。我國不少企業采用計算機輔助管理，但仍有企業通過“經驗模式”進行管理，并且缺乏創新型人才，導致核心技術的研發更多依靠的是國外技術。

2.3 機械自動化帶來的影響

機械自動化的發展帶來了很大的便利及改變。

（1）生產條件的改善。機械自動化技術的應用，是通過機械代替部分人力工作，大大減輕了工人的工作量和勞動強度，從而在很大程度上提高了工作效率。而機械自動化的應用使得工業操作更為安全，一些高危的操作以前需要通過人力來完成，現在可以通過操作機器或設備達到目的。例如在煤礦生產方面，對煤礦的開采、挖掘、運輸等，如果僅僅依靠人力開采、運輸，這不僅需要花費大量的人力物力，而且由于煤礦中的一些不安全因素，經常會導致安全事故的發生。現在，通過機械自動化設備事先設定好程序，電牽引采煤機就能自動進行采煤作業。

（2）控制成本，達到高效率，高質量。機械自動化設備一般耗能較低，能源利用率卻很高，與傳統的手工作業相比，節約了資源的同時就能使成本相對的減少。另一方面其生產效率高，可以批量生產，使原料、成本得到最大利用。

（3）設備的調整、維修更加方便。在不同的生產類型中，機械自動化設備可以根據實際情況和需要進行安裝調試，只需設備匹配，而不需要改變硬件的條件下就可以安裝使用。在安全性上，機械自動化設備可以在工作過程中對故障進行自我監控及檢查，進而使工作人員能及時發現故障及時解決。

3 智能自動化技術在機械中的應用

機械自動化的出現大大提高了生產水平。近年來，智能自動化技術逐漸在機械領域被應用，智能化的機械相比于機械自動化，具有更高的生產效率，達到高質高量的效果，使其在機械領域逐漸成為一種趨勢。

3.1 智能自動化的特點

智能自動化技術源于機械自動化，是由傳統的機械自動化技術與智能化技術相融合而成。機械自動化盡管已經高度自動化，但其操作仍然離不開人力，消耗量較大。例如設備需要人為控制，而智能化技術出現后，使得機械生產過程中更多的是依靠器械來完成。

在智能自動化機械工程的生產中，其生產效率高，產品品質高，交互性也比較明顯。智能化的機械生產，例如并聯機器人Adept Quattro的應用，在生產過程中不需要人力太多干預，通過特定的系統，就可以對整個操作過程的數據進行收集、并整合歸納，最后進行分析、處理，這樣大大減少了對人力的需求。在醫藥企業的生產線上對輸液袋進行裝箱，生產線一般速度較快，而輸液袋又是軟的，導致非常不利于機器人抓取。但現在一臺并聯機器人可以代替一個班次，一分鐘裝箱可達180袋。綜上來看，智能化自動化技術逐漸取代機械自動化技術是不可避免的趨勢。

3.2 智能化技術在機械自動化的應用

（1）機械生產設備逐漸智能化。在機械生產中，自動化所占的比重越來越重。而自動化生產的主要模式就是流水線操作，這樣相比于人工操作，機械操作降低了人力成本，也減少了人為不穩定因素帶來的影響。另外，機械操作不僅速度比較穩定，同時產品質量也相對較高，更是在一定程度上降低了次品率。例如在醫療、電子產品、食品等的生產流水線上，因并聯機器人抓取精準、轉動靈活、反應迅速，被廣泛應用在最后的整理裝箱環節，甚至可以將巧克力拼成花的形狀裝進盒子。

（2）機械生產的管理智能化。機械生產的過程中，采用智能化的管理系統，可以邊生產的同時邊采集生產數據進而分析。如果生產過程中產生偏差，可以及時進行調整，在提高容錯率的同時提升了生產線的效率。應用智能化的生產管理，進行智能化關聯系統，能及時將生產、銷售及反饋的數據整合，起到網絡共享的作用。各項信息其及時性、準確性的保證，可以避免很多問題。以往的管理模式，更多的是依靠人力，而調研、設計、生產這些環節中如果有一個消息滯后，都可能為企業帶來無法預料的后果。

（3）機械產品智能化。隨著智能化技術在機械工程中的應用，使得機械產品智能化也成為現實。并聯機器人Adept Quattro在工作過程中，不需要人為去指示下一步該做什么，它自己可以快速而準確的完成它的本職工作；特斯拉跑車的生產工廠中運用的幾乎是全自動設備，一臺設備可以完成幾種動作而不沖突，有序進行；現在的智能汽車，已經可以在完全無駕駛員的情況下啟動、停車。一系列的智能化技術在工業、生活中的應用，使機械產品更加人性化、個性化，同時也為生活帶來更多的便利。

4 結語

智能化的機械工程提高了工作效率，降低了人工成本，為生活及生產都帶來很大便利。而智能化與自動化技術的結合，相輔相成，為人類帶來更多的效益。

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