關(guān)于智能制造時(shí)代機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)的幾點(diǎn)思考

沈曉輝

（臨沂臨工金利機(jī)械有限公司，山東 臨沂 276023）

在智能制造時(shí)代背景下，設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)于智能機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展有著不可或缺的作用。就我國(guó)而言，在智能機(jī)械制造方面還處于初級(jí)階段，尤其是在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)還比較薄弱，同時(shí)又是整個(gè)制造環(huán)節(jié)的重點(diǎn)，所以需要在設(shè)計(jì)技術(shù)方面強(qiáng)化研究。筆者就此進(jìn)行以下幾點(diǎn)思考。

1 智能制造時(shí)代機(jī)械設(shè)計(jì)的特點(diǎn)分析

1.1 安全性更高

機(jī)械智能化設(shè)計(jì)過(guò)程較為漫長(zhǎng)，且具有較強(qiáng)的整體性，在設(shè)計(jì)中，為彰顯科學(xué)合理性，需要利用網(wǎng)絡(luò)載體來(lái)傳輸和監(jiān)督數(shù)據(jù)，確保操作技術(shù)不斷完善，且制造存在異常時(shí)，能及時(shí)地進(jìn)行故障自檢，確保問(wèn)題得到解決，不僅整個(gè)設(shè)計(jì)的過(guò)程安全，而且對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的安全性和智能性要求更高。

1.2 資源能耗低

智能機(jī)械制造業(yè)是通過(guò)智能化技術(shù)手段制造機(jī)械，能在很大程度上降低材料損耗，這主要得益于智能機(jī)械設(shè)計(jì)中能精確計(jì)算材料，同時(shí)也滿足當(dāng)前節(jié)能降耗的需要，尤其是在當(dāng)前對(duì)機(jī)械的智能化程度和節(jié)能水平要求日益提升的今天，使得資源能耗的需求更低。

1.3 智能便捷化

智能機(jī)械最大的優(yōu)勢(shì)就在于具有較強(qiáng)的智能化水平，且整個(gè)機(jī)械制造過(guò)程屬于智能化運(yùn)行的全過(guò)程，只要在一鍵操作下就能確保所有制造工具完成，使得制造過(guò)程的便捷化程度更高。通過(guò)智能機(jī)械制造，使得整個(gè)流程更加安全、完整、簡(jiǎn)潔，同時(shí)能節(jié)約大量的資金，尤其是人性化和智能化水平的提升從而適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的需求。

2 智能制造時(shí)代機(jī)械設(shè)計(jì)的技術(shù)問(wèn)題梳理

由于目前的智能機(jī)械制造技術(shù)處于初級(jí)發(fā)展環(huán)節(jié)，存在的技術(shù)問(wèn)題較多，具體主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是齒輪故障，比如，突發(fā)性避障、突然剝落故障，常見(jiàn)形式有磨損、裂紋等；二是軸承故障，常見(jiàn)的有U性剝落故障，進(jìn)而發(fā)生燒傷、變形的問(wèn)題；三是軸故障，常見(jiàn)的有的疲勞坑深度，V型剝落故障，磨損、斷裂等；四是油封故障，深層裂紋、硬化剝落故障，比如，老化、變形、裂紋的問(wèn)題。

3 技術(shù)思考

3.1 資源分類

智能制造中，產(chǎn)品制造與技術(shù)應(yīng)用有著十分緊密的聯(lián)系，智能制造在資源分類方面有著十分重要的作用。在智能系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，能采集相關(guān)設(shè)計(jì)信息，再根據(jù)信息要求對(duì)模擬制造流程進(jìn)行監(jiān)理，構(gòu)建基于機(jī)械的資源共享，在控制器中顯示機(jī)械標(biāo)識(shí)的部分，進(jìn)而把信息存儲(chǔ)在制造鏈中，再結(jié)合材料商提供數(shù)據(jù)，從而有效掌控機(jī)械制造活動(dòng)。比如，在機(jī)械制造時(shí)，當(dāng)信號(hào)指示燈出現(xiàn)變化后，設(shè)計(jì)和制造均需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，若沒(méi)有變化則不用調(diào)整和改變。且在智能家居機(jī)械制造中，智能系統(tǒng)與傳統(tǒng)制造系統(tǒng)存在不同，因此在對(duì)其精準(zhǔn)性判斷時(shí)，應(yīng)安裝電子機(jī)械控制軟件，從而及時(shí)有效地進(jìn)行檢測(cè)和分析，并通過(guò)選擇重要信息，對(duì)材料使用情況及時(shí)地掌握，再針對(duì)性地進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，且利用智能化制造系統(tǒng)選擇材料時(shí)，還要計(jì)算其重復(fù)使用率，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)有環(huán)境為基本，對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)周期進(jìn)行計(jì)算，并通過(guò)科學(xué)分類，滿足智能機(jī)械制造的需要。

3.2 智能技術(shù)

在智能機(jī)械制造設(shè)計(jì)中，采用的智能技術(shù)較多，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)緊密結(jié)合自身實(shí)際情況，有效考量產(chǎn)品的綜合性，從而確保智能技術(shù)與產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程相結(jié)合。例如，在智能化系統(tǒng)中將質(zhì)量實(shí)現(xiàn)過(guò)程輸入后，智能系統(tǒng)就能對(duì)輸入的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，并結(jié)合實(shí)際需要，針對(duì)性地對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化和完善，以確保設(shè)計(jì)方案的最優(yōu)化。而且在應(yīng)用智能技術(shù)時(shí)，需要在節(jié)能方面加強(qiáng)重視，比如，在智能終端上進(jìn)行諧波過(guò)濾器的安裝，從而更好地感知存在的混亂信號(hào)，使機(jī)械的智能化水平不斷提升。

3.3 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

智能網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在機(jī)械制造過(guò)程中的應(yīng)用，旨在促進(jìn)傳統(tǒng)制造工藝的完善和優(yōu)化。所以，在制造時(shí)利用智能網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，使得機(jī)械制造現(xiàn)場(chǎng)得到更加完善和有效。同時(shí)，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)確保產(chǎn)品能及時(shí)地得到監(jiān)控，使得整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程更加科學(xué)。

3.4 案例分析

本案例選取水下電動(dòng)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)為例，為加強(qiáng)智能機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用，本工程設(shè)計(jì)的案例采用輕小型機(jī)械臂，不僅體積小，而且質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，有良好的經(jīng)濟(jì)性，主要適用于簡(jiǎn)單水下作業(yè)，自由度為5+1，采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，空氣質(zhì)量小于3kg，負(fù)載0.5kg，作業(yè)半徑為450mm，最大下潛深度為100m，最大抓取尺寸為70mm。

在對(duì)機(jī)械臂的自由度進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，主要是采用智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)其自由度進(jìn)行模擬，由于只是進(jìn)行簡(jiǎn)單的水下工作，所以自由度不高，能確保采集樣品即可，但是，水下工作環(huán)境復(fù)雜，所以需要降低本體運(yùn)動(dòng)消耗量，那么，機(jī)械臂的自由度也不能太小。

在對(duì)機(jī)械臂自由度結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，按照其設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)，將最大臂長(zhǎng)、標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載和抓取目標(biāo)的最大直徑等參數(shù)設(shè)計(jì)指標(biāo)輸入三維設(shè)計(jì)軟件（SOLIDWORKS）開(kāi)展虛擬建模。

在對(duì)該機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，主要是采用簡(jiǎn)單控制作為設(shè)計(jì)原則，結(jié)構(gòu)采取模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)關(guān)節(jié)模塊中都包含電機(jī)、角度傳感器、減速器和連接固定件，每個(gè)模塊在完成設(shè)計(jì)后需要確保關(guān)節(jié)模塊連接問(wèn)題即可，其中底座主要是采用螺栓在本體上安裝，而底座回轉(zhuǎn)模塊則是借助連接軸和在底座內(nèi)安裝的電機(jī)進(jìn)行連接，其余模塊之間則是采用電機(jī)軸來(lái)連接，而另一側(cè)則是采用軸承來(lái)固定，腕部模塊末端則是采取電機(jī)軸和手爪模塊來(lái)連接，從而得到手爪回轉(zhuǎn)自由度。其中，手爪模塊的結(jié)構(gòu)采用齒輪雙鉸式結(jié)構(gòu)，在手爪一側(cè)安裝的電機(jī)帶動(dòng)手爪的另一側(cè)手指來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)。

而在選擇機(jī)械臂材料時(shí)，主要是結(jié)合工作環(huán)境和工作要求，由于需要在水下運(yùn)行，不僅具有較強(qiáng)的可靠性和穩(wěn)定性，而且還具有較強(qiáng)的耐腐蝕性，同時(shí)，考慮水下作業(yè)時(shí)被附加質(zhì)量、浮力和水阻力帶來(lái)的影響，所以在本體重量上需要較輕，才能將運(yùn)動(dòng)慣性和水動(dòng)力影響降到最低，在選擇機(jī)械臂材料時(shí)，應(yīng)根據(jù)強(qiáng)度、密度、剛度、耐腐蝕性、塑性、表面疏水性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性等因素的考慮。常見(jiàn)的機(jī)械臂材料有鋁合金、不銹鋼、鈦合金，在本設(shè)計(jì)中，主要選擇采用鋁合金，不僅能滿足材料質(zhì)量輕的要求，而且價(jià)格便宜，同時(shí)，密度高，可塑性強(qiáng)。

在做好各種材料選擇的基礎(chǔ)上，對(duì)該機(jī)械模型開(kāi)展運(yùn)動(dòng)控制仿真試驗(yàn)，以確保其智能化水平得到提升。在設(shè)置參數(shù)時(shí)，機(jī)械臂關(guān)節(jié)角度的初始值是0.09，關(guān)節(jié)角速度初始值是0，關(guān)節(jié)角度期望運(yùn)動(dòng)的指令是0.1sint。而在設(shè)置好參數(shù)的基礎(chǔ)上，利用模糊RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制參數(shù)設(shè)置，采用滑模函數(shù)和高斯函數(shù)對(duì)其模糊FRB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法進(jìn)行了分析，為確保控制精度得到保障，隱性層數(shù)為31，并對(duì)水下機(jī)械臂模型控制時(shí)，將MATLAB與SIMULINK進(jìn)行聯(lián)合仿真，得到的5個(gè)關(guān)節(jié)響應(yīng)數(shù)據(jù)基本相同，對(duì)設(shè)計(jì)的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行了驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)性均與實(shí)際需求相符。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了滿足智能化制造的需要，還開(kāi)發(fā)了基于DNC網(wǎng)絡(luò)的數(shù)控加工平臺(tái)，同時(shí)，利用基于windows的IDE操作系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)機(jī)械臂的操作過(guò)程進(jìn)行了人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)，這樣機(jī)械臂在水下的運(yùn)行情況，均能通過(guò)人機(jī)界面展示出來(lái)，同時(shí)，在傳感手臂上設(shè)置的數(shù)據(jù)采集模塊，能對(duì)整個(gè)機(jī)械臂的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，確保整個(gè)任務(wù)管理模塊能及時(shí)地掌握機(jī)械臂的運(yùn)行動(dòng)態(tài)，從而在水下進(jìn)行智能化采集。因此，需要在實(shí)際設(shè)計(jì)中，切實(shí)加強(qiáng)智能技術(shù)與機(jī)械設(shè)計(jì)的有效結(jié)合，并采用關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使機(jī)械臂的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量和舵機(jī)驅(qū)動(dòng)滿足節(jié)能運(yùn)行的需要。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文采用理論與實(shí)踐相結(jié)合的方式，對(duì)智能制造時(shí)代的機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)提出了幾點(diǎn)思考，需要我們緊密結(jié)合實(shí)際工作的需要，切實(shí)加強(qiáng)智能機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用，著力提升設(shè)計(jì)的智能化和科學(xué)化水平。