智能自動化技術(shù)在機械設(shè)計中的應(yīng)用研究

鑫 龍，崔世超，焦可如，候天陽

（1.沈陽理工大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2.沈陽新松機器人自動化股份有限公司，遼寧 沈陽110159）

0 引言

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

1 智能自動化技術(shù)

智能自動化是以機械自動化為基礎(chǔ)發(fā)展而來的，整合了傳統(tǒng)機械自動化技術(shù)、智能化技術(shù)，自動化程度更高，整合了傳統(tǒng)自動化與集成自動化兩種技術(shù)，是通過人工智能、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，進而使腦力勞動向智能自動化發(fā)展[1]。集成自動化則整合了信息技術(shù)、系統(tǒng)控制技術(shù)等新技術(shù)，實現(xiàn)了智能一體化。機械設(shè)計作為機械工程的一處重要環(huán)節(jié)，是先于機械生產(chǎn)制造與應(yīng)用的環(huán)節(jié)，是機械產(chǎn)品生產(chǎn)與使用功能實現(xiàn)的初始環(huán)節(jié)。智能自動化技術(shù)使機械設(shè)計生產(chǎn)過程實現(xiàn)了全自動化，可以完全依賴器械完成整個設(shè)計制造過程，生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量更高，交互性更為明顯[2]。

2 機械設(shè)計中智能自動化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 有限元設(shè)計法

有限元設(shè)計是目前機械設(shè)計中應(yīng)用廣泛的一種技術(shù)，設(shè)計核心是結(jié)構(gòu)離散模式，對原有大量設(shè)計單元分解后，將各個有限的相對簡單的設(shè)計單元通過科學(xué)變現(xiàn)方式合理處理，并運用數(shù)學(xué)知識進行計算，進而使求解過程更為簡單方便，最大限度降低解答難度[3]。機械設(shè)計中，通過有限元設(shè)計法能夠?qū)C械結(jié)構(gòu)中的各個參數(shù)及其轉(zhuǎn)變進行準確計算，對于設(shè)計過程中的結(jié)果精確程度關(guān)注度降低，對于所得設(shè)計結(jié)果與設(shè)計所需的符合性更為關(guān)注。

2.2 優(yōu)化設(shè)計法

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

2.3 模糊設(shè)計法

模糊設(shè)計法是基于數(shù)學(xué)理論中的模糊理論及相關(guān)知識發(fā)展而來的一種設(shè)計方法。科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，使機械結(jié)構(gòu)更為繁雜，機械使用要求也不斷提高，機械設(shè)計時要考慮的因素也在不斷增加，各個因素之間關(guān)聯(lián)密切，進而使機械結(jié)構(gòu)更為繁瑣，細節(jié)也更為模糊[5]。因此，設(shè)計人員為提高設(shè)計效率與質(zhì)量，從模糊理論出發(fā)，在科學(xué)衡量各個要素之間的關(guān)系的基礎(chǔ)上，模糊各要素界限，打破傳統(tǒng)設(shè)計理念的要素束縛，通過模糊設(shè)計使設(shè)計工作更為簡單、快捷，同時保證了設(shè)計質(zhì)量與效果。

3 智能自動化技術(shù)在機械設(shè)計中的發(fā)展方向

3.1 系統(tǒng)化

計算機集成制造系統(tǒng)是基于智能自動化技術(shù)發(fā)展而來的一種集成系統(tǒng)化技術(shù)，集成了大量智能化、自動化、數(shù)字化技術(shù)，在機械設(shè)計中通過多種計算機輔助技術(shù)的整合，實現(xiàn)綜合自動化，為機械設(shè)計提供多項輔助技術(shù)，將機械產(chǎn)品智能化與自動化開發(fā)視一個完整的系統(tǒng)工程，在機械設(shè)計智能自動化的基礎(chǔ)上，更好地協(xié)調(diào)人與機械操作過程中的操作人、機械運行環(huán)境的關(guān)系，使人、機器及運行環(huán)境實現(xiàn)協(xié)調(diào)一體性，進一步推進機械設(shè)計智能自動化發(fā)展[6]。一些實際操作中難以試驗與檢驗的機械設(shè)備，如受季節(jié)性與地域性影響較嚴重的農(nóng)業(yè)機械設(shè)計時，就能夠通過模型等方法的運用，對機械產(chǎn)品性能進行科學(xué)預(yù)測，并對設(shè)計合理性與實際使用方法進行最優(yōu)化預(yù)測，最終設(shè)計產(chǎn)品再置于人工模擬環(huán)境下檢驗其效果[7]。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，機械設(shè)計領(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)運用在集成制造系統(tǒng)設(shè)計中，可以通過智能化自動技術(shù)使系統(tǒng)更為集成化，即以系統(tǒng)工程理論為基礎(chǔ)對機械設(shè)計智能自動化技術(shù)進行指導(dǎo)，借助信息化技術(shù)，使機械設(shè)備能夠達到智能化控制與操作[8]。

3.2 數(shù)字化

數(shù)字化技術(shù)能夠不斷改進傳統(tǒng)機械設(shè)計的各種弊端，如，機械設(shè)計前，利用計算機建模功能輔助設(shè)計，再根據(jù)模型對相應(yīng)參數(shù)、指標進行持續(xù)優(yōu)化，從而避免機械產(chǎn)品可能出現(xiàn)的弊端。計算機技術(shù)為機械設(shè)計數(shù)字化的實現(xiàn)提供了重要的幫助，利用計算機能夠不斷完善整個建模及設(shè)計過程。在設(shè)計過程中，設(shè)計人員以各類參考數(shù)據(jù)為設(shè)計依據(jù)，利用計算機對機械設(shè)計中可能影響機械產(chǎn)品質(zhì)量與機械設(shè)計效率的相關(guān)因素進行優(yōu)化與提高，提升設(shè)計質(zhì)量與效率。

3.3 產(chǎn)業(yè)化

機械設(shè)計的智能自動化使機械設(shè)計實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，機械設(shè)計與其他科技領(lǐng)域的整合，使其不再局限于單一的機械設(shè)計目標，不再滿足于某個領(lǐng)域的個體化需求，而是逐步滲透到了生物工程、機械人、無人機、納米科技等諸多行業(yè)的設(shè)計制造中。機械設(shè)計人員也不再專一于某個單一領(lǐng)域的技術(shù)升級，需要充分考慮跨領(lǐng)域技術(shù)的交叉與整合，使機械設(shè)計產(chǎn)業(yè)化不斷提高。

4 智能自動化在機械設(shè)計中的應(yīng)用

智能自動化在機械設(shè)計中的實際應(yīng)用很廣泛，例如并聯(lián)機器人。并聯(lián)機器人是將運動平臺與定平臺利用兩個或兩兩一行的獨立運行鏈相互連接后，使其機械自由度達到2以上，進而形成并聯(lián)驅(qū)動模式。20世紀30年代是并聯(lián)機器人的最早提出年代，1978年并聯(lián)機器人被安裝到機械手臂上，其緊湊的結(jié)構(gòu)、較強的承載力、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)機器人已經(jīng)在多個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。第一，并聯(lián)機床。并聯(lián)機床是目前并聯(lián)機械實際應(yīng)用吸引力最高的一個領(lǐng)域。并聯(lián)機床具有結(jié)構(gòu)簡單、剛度更大、傳動鏈短、質(zhì)量輕且成本更低等優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)6軸驅(qū)動，可以加工復(fù)雜的三維曲面。通過重組與模塊化設(shè)計，還能夠使機械布局形式更為多樣化，自由度組合更靈活，機械環(huán)境適應(yīng)性更強。如德國Micromat公司開發(fā)研制的6X并聯(lián)機床，安裝了一個伸縮桿，具備了更為靈活的長度變化，能夠靈活地驅(qū)動主軸部件，完成加工軌跡所需的各種運動，同時，工作臺上的工件則始終保持固定不動。第二，工業(yè)機器人。工業(yè)機器人也是目前工業(yè)領(lǐng)域具有廣闊發(fā)展前景的一種智能自動化技術(shù)，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時，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，提高了工作人員的保護意識，降低了勞動強度。如天津大學(xué)發(fā)明了一種全鉸接2平動輕型并聯(lián)機械手，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)療機器人。目前醫(yī)學(xué)外科領(lǐng)域、機器人研究領(lǐng)域?qū)︶t(yī)療機器人的開發(fā)與應(yīng)用關(guān)注度很高，已投入使用的各種醫(yī)療機器人能夠?qū)崿F(xiàn)準確的選位、精細地臨床操作，在提高臨床操作精確度與效率的同時，還極大地降低了院內(nèi)感染風(fēng)險。第四，操作器，目前空間飛船與空間對接器對接機構(gòu)中的并聯(lián)機器人就是作為操作器功能而存在的，上下平臺之間留有通孔以作為對接通道，上下兩個平臺為對接環(huán)，通過6個直線驅(qū)動器能夠驅(qū)動飛船對正，并驅(qū)動對接機構(gòu)完成能量吸收、減振、主動抓取、柔性結(jié)合、對正拉緊、鎖住卡緊等各項工作。一些地方挖掘及地下開采等也能夠通過并聯(lián)機構(gòu)完成。此外，并聯(lián)機器人還在造船起重機、傳感器、體感模擬娛樂機械等各個方面得到了應(yīng)用，是目前智能自動化在機械設(shè)計領(lǐng)域中的一個應(yīng)用熱點[10]。

5 結(jié)語

智能自動化技術(shù)是現(xiàn)代機械設(shè)計行業(yè)的必然發(fā)展趨勢，也是實現(xiàn)機械設(shè)計智能化、自動化、系統(tǒng)化的主要途徑，能夠促進機械設(shè)計質(zhì)量、效率的不斷提高，同時，也是機械設(shè)計產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的基礎(chǔ)，不斷探索機械設(shè)計的智能自動化發(fā)展能夠使機械設(shè)計不斷科學(xué)化、合理化。