關于智能制造時代機械設計技術的幾點思考

沈曉輝

（臨沂臨工金利機械有限公司，山東 臨沂 276023）

在智能制造時代背景下，設計技術對于智能機械制造業的發展有著不可或缺的作用。就我國而言，在智能機械制造方面還處于初級階段，尤其是在設計環節還比較薄弱，同時又是整個制造環節的重點，所以需要在設計技術方面強化研究。筆者就此進行以下幾點思考。

1 智能制造時代機械設計的特點分析

1.1 安全性更高

機械智能化設計過程較為漫長，且具有較強的整體性，在設計中，為彰顯科學合理性，需要利用網絡載體來傳輸和監督數據，確保操作技術不斷完善，且制造存在異常時，能及時地進行故障自檢，確保問題得到解決，不僅整個設計的過程安全，而且對機械產品的安全性和智能性要求更高。

1.2 資源能耗低

智能機械制造業是通過智能化技術手段制造機械，能在很大程度上降低材料損耗，這主要得益于智能機械設計中能精確計算材料，同時也滿足當前節能降耗的需要，尤其是在當前對機械的智能化程度和節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

智能機械最大的優勢就在于具有較強的智能化水平，且整個機械制造過程屬于智能化運行的全過程，只要在一鍵操作下就能確保所有制造工具完成，使得制造過程的便捷化程度更高。通過智能機械制造，使得整個流程更加安全、完整、簡潔，同時能節約大量的資金，尤其是人性化和智能化水平的提升從而適應時代發展的需求。

2 智能制造時代機械設計的技術問題梳理

由于目前的智能機械制造技術處于初級發展環節，存在的技術問題較多，具體主要體現在以下幾個方面：一是齒輪故障，比如，突發性避障、突然剝落故障，常見形式有磨損、裂紋等；二是軸承故障，常見的有U性剝落故障，進而發生燒傷、變形的問題；三是軸故障，常見的有的疲勞坑深度，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、裂紋的問題。

3 技術思考

3.1 資源分類

智能制造中，產品制造與技術應用有著十分緊密的聯系，智能制造在資源分類方面有著十分重要的作用。在智能系統運行時，能采集相關設計信息，再根據信息要求對模擬制造流程進行監理，構建基于機械的資源共享，在控制器中顯示機械標識的部分，進而把信息存儲在制造鏈中，再結合材料商提供數據，從而有效掌控機械制造活動。比如，在機械制造時，當信號指示燈出現變化后，設計和制造均需要進行相應的調整，若沒有變化則不用調整和改變。且在智能家居機械制造中，智能系統與傳統制造系統存在不同，因此在對其精準性判斷時，應安裝電子機械控制軟件，從而及時有效地進行檢測和分析，并通過選擇重要信息，對材料使用情況及時地掌握，再針對性地進行調整和優化，且利用智能化制造系統選擇材料時，還要計算其重復使用率，同時結合現有環境為基本，對產品生產周期進行計算，并通過科學分類，滿足智能機械制造的需要。

3.2 智能技術

在智能機械制造設計中，采用的智能技術較多，在實際設計過程中，應緊密結合自身實際情況，有效考量產品的綜合性，從而確保智能技術與產品生產過程相結合。例如，在智能化系統中將質量實現過程輸入后，智能系統就能對輸入的設計方案進行分析，并結合實際需要，針對性地對方案進行優化和完善，以確保設計方案的最優化。而且在應用智能技術時，需要在節能方面加強重視，比如，在智能終端上進行諧波過濾器的安裝，從而更好地感知存在的混亂信號，使機械的智能化水平不斷提升。

3.3 網絡技術

智能網絡技術在機械制造過程中的應用，旨在促進傳統制造工藝的完善和優化。所以，在制造時利用智能網絡技術能實現遠程操控，使得機械制造現場得到更加完善和有效。同時，應用網絡技術確保產品能及時地得到監控，使得整個設計過程更加科學。

3.4 案例分析

本案例選取水下電動機械臂的設計為例，為加強智能機械設計技術的應用，本工程設計的案例采用輕小型機械臂，不僅體積小，而且質量輕，結構較為簡單，有良好的經濟性，主要適用于簡單水下作業，自由度為5+1，采用電動驅動，空氣質量小于3kg，負載0.5kg，作業半徑為450mm，最大下潛深度為100m，最大抓取尺寸為70mm。

在對機械臂的自由度進行設計時，主要是采用智能設計系統對其自由度進行模擬，由于只是進行簡單的水下工作，所以自由度不高，能確保采集樣品即可，但是，水下工作環境復雜，所以需要降低本體運動消耗量，那么，機械臂的自由度也不能太小。

在對機械臂自由度結構進行設計的基礎上，按照其設計技術指標，將最大臂長、標準負載和抓取目標的最大直徑等參數設計指標輸入三維設計軟件（SOLIDWORKS）開展虛擬建模。

在對該機械臂的結構設計時，主要是采用簡單控制作為設計原則，結構采取模塊化設計，每個關節模塊中都包含電機、角度傳感器、減速器和連接固定件，每個模塊在完成設計后需要確保關節模塊連接問題即可，其中底座主要是采用螺栓在本體上安裝，而底座回轉模塊則是借助連接軸和在底座內安裝的電機進行連接，其余模塊之間則是采用電機軸來連接，而另一側則是采用軸承來固定，腕部模塊末端則是采取電機軸和手爪模塊來連接，從而得到手爪回轉自由度。其中，手爪模塊的結構采用齒輪雙鉸式結構，在手爪一側安裝的電機帶動手爪的另一側手指來轉動。

而在選擇機械臂材料時，主要是結合工作環境和工作要求，由于需要在水下運行，不僅具有較強的可靠性和穩定性，而且還具有較強的耐腐蝕性，同時，考慮水下作業時被附加質量、浮力和水阻力帶來的影響，所以在本體重量上需要較輕，才能將運動慣性和水動力影響降到最低，在選擇機械臂材料時，應根據強度、密度、剛度、耐腐蝕性、塑性、表面疏水性、穩定性和經濟性等因素的考慮。常見的機械臂材料有鋁合金、不銹鋼、鈦合金，在本設計中，主要選擇采用鋁合金，不僅能滿足材料質量輕的要求，而且價格便宜，同時，密度高，可塑性強。

在做好各種材料選擇的基礎上，對該機械模型開展運動控制仿真試驗，以確保其智能化水平得到提升。在設置參數時，機械臂關節角度的初始值是0.09，關節角速度初始值是0，關節角度期望運動的指令是0.1sint。而在設置好參數的基礎上，利用模糊RBF神經網絡控制參數設置，采用滑模函數和高斯函數對其模糊FRB神經網絡控制算法進行了分析，為確保控制精度得到保障，隱性層數為31，并對水下機械臂模型控制時，將MATLAB與SIMULINK進行聯合仿真，得到的5個關節響應數據基本相同，對設計的技術參數指標進行了驗證，發現設計的強度和經濟性均與實際需求相符。

在設計過程中，為了滿足智能化制造的需要，還開發了基于DNC網絡的數控加工平臺，同時，利用基于windows的IDE操作系統，對整個機械臂的操作過程進行了人機交互界面設計，這樣機械臂在水下的運行情況，均能通過人機界面展示出來，同時，在傳感手臂上設置的數據采集模塊，能對整個機械臂的運行數據進行采集，確保整個任務管理模塊能及時地掌握機械臂的運行動態，從而在水下進行智能化采集。因此，需要在實際設計中，切實加強智能技術與機械設計的有效結合，并采用關節驅動電機，使機械臂的關節驅動質量和舵機驅動滿足節能運行的需要。

4 結語

綜上所述，本文采用理論與實踐相結合的方式，對智能制造時代的機械設計技術提出了幾點思考，需要我們緊密結合實際工作的需要，切實加強智能機械設計技術的應用，著力提升設計的智能化和科學化水平。