信息時代機械設(shè)計制造及自動化研究

王 姚 ， 李汝翀

（湖南交通工程學院，湖南 衡陽 421001）

在信息技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，各行各業(yè)在信息技術(shù)的輔助下都取得了一定的發(fā)展優(yōu)勢，機械制造行業(yè)作為現(xiàn)代工業(yè)化社會發(fā)展過程中極為重要的行業(yè)，為進一步提升這一行業(yè)的發(fā)展質(zhì)量，將信息技術(shù)與機械設(shè)計生產(chǎn)制造融為一體已經(jīng)成為降低人力資源消耗、提升機械設(shè)備生產(chǎn)質(zhì)量的最有效的方式之一。

1 信息技術(shù)在機械設(shè)計制造及自動化中的優(yōu)勢

1.1 提升機械設(shè)計制造效率

在當前機械設(shè)計制造工作開展的過程中，信息技術(shù)的合理應(yīng)用可以在一定程度上簡化傳統(tǒng)手工機械設(shè)備生產(chǎn)操作的流程，縮短生產(chǎn)時間，達到提升機械設(shè)備設(shè)計生產(chǎn)制造效率的目的。同時，這種自動化程度較高的設(shè)計制造方式還能提升機械設(shè)計制造產(chǎn)品的精確度，便于生產(chǎn)企業(yè)有效地控制產(chǎn)品的質(zhì)量，降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，提高自身的經(jīng)濟效益。以汽車發(fā)動機制造為例，過去的發(fā)動機生產(chǎn)過程中，受零件裝配、零件質(zhì)量等因素的影響，發(fā)動機的生產(chǎn)質(zhì)量、效率往往存在較大的不確定性?，F(xiàn)階段，將自動化機械設(shè)計制造應(yīng)用于汽車發(fā)動機生產(chǎn)過程中，由自動化打號機、擰緊機、可調(diào)機械臂等設(shè)備代替人工組裝零部件[1]。

1.2 提升機械設(shè)計制造安全性

在傳統(tǒng)的機械設(shè)計制造過程中，大多由人工操作機械設(shè)備，進行產(chǎn)品的生產(chǎn)，受機械設(shè)備故障、人員操作失誤等問題的影響，這種生產(chǎn)方式往往存在較多的安全隱患。現(xiàn)階段，為了在降低安全隱患出現(xiàn)概率的基礎(chǔ)上，切實降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，將信息技術(shù)應(yīng)用于機械設(shè)計生產(chǎn)過程中，減少人工工作量，在提升機械設(shè)計生產(chǎn)自動化水平的同時，有助于降低機械設(shè)備對人員的傷害。同時，將信息技術(shù)應(yīng)用于機械設(shè)計制造工作中，可以由計算機系統(tǒng)有效監(jiān)控機械設(shè)計制作的流程，并且通過對各項數(shù)據(jù)進行分析記錄的方式，及時發(fā)現(xiàn)機械設(shè)計制造過程中設(shè)備中的故障并處理，避免對機械設(shè)計制造活動產(chǎn)生不利影響。

1.3 便于遠程監(jiān)控機械設(shè)計制造流程

現(xiàn)階段，大部分融入信息技術(shù)的自動化機械設(shè)計制造設(shè)備可以由計算機系統(tǒng)遠程監(jiān)控設(shè)備的工作情況，這種情況的出現(xiàn)使得工作人員往往不需要在機械設(shè)備邊上，就可以借助計算機系統(tǒng)了解設(shè)備的實際情況，并通過對機械設(shè)計制造流程進行遠程監(jiān)控的方式切實保證產(chǎn)品生產(chǎn)流程的穩(wěn)定性。

2 信息技術(shù)在機械設(shè)計制造及自動化中的應(yīng)用

筆者以某制造企業(yè)為例，該企業(yè)為了提升機械制造加工的效率，考慮升級改造現(xiàn)有機械加工設(shè)備。為此，該企業(yè)利用信息技術(shù)對機械手進行自動化改造，具體設(shè)計方案如下。

2.1 大型閉式壓力機自動上下料機械手的設(shè)計方案

在當前的自動化機械設(shè)計生產(chǎn)過程中，用自動化上下料機械手代替人工完成取料、送料、取件等工作，不僅能夠降低生產(chǎn)的危險性，還能節(jié)約生產(chǎn)成本、提升工件的加工質(zhì)量?，F(xiàn)階段，在大型閉式壓力機自動上下料機械手的生產(chǎn)制造過程中，明確機械手的實際應(yīng)用環(huán)境，為其設(shè)定合適的生產(chǎn)節(jié)拍，確定其主要的機械結(jié)構(gòu)參數(shù)，成為了極為重要的工作。

2.1.1 機械手的需求分析

在當前的大型閉式壓力機自動上下料機械手需求分析的過程中，設(shè)計人員可以從企業(yè)生產(chǎn)需求、沖壓設(shè)備實際需要、訂單及自動化系統(tǒng)、機械手設(shè)計要求等方面進行分析，以便為后續(xù)機械手的設(shè)計生產(chǎn)工作提供有效的支持。具體來說，在分析機械手的實際應(yīng)用需求的過程中，設(shè)計人員需明確大型閉式壓力機自動上下料機械手主要被應(yīng)用于材料的沖壓工作當中，并且機械手在其中的具體應(yīng)用方式為，先將材料放在沖壓機的相應(yīng)位置，由壓力機與模具對材料施加適當?shù)膲毫Γ共牧铣蔀橛兄欢ǔ叽缗c形狀的沖壓件，然后將沖壓件取下，放在另一相應(yīng)位置。因此，機械手在設(shè)計過程中，需要能用上料機械手拾取中臺上的板料、等待壓力機的上料信號、將板料及時送到壓機下模具上、在沖壓完成后取出沖壓件，并且保證這一系列操作節(jié)拍具有高塑性與安全性的特點。

2.1.2 機械手的驅(qū)動方式分析

在當前大型閉式壓力機自動上下料機械手的設(shè)計過程中，能夠保證機械手正常驅(qū)動的方式包括液壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動與氣動驅(qū)動，并且不同的驅(qū)動方式與機械手操作的穩(wěn)定性、精確性之間存在著一定的聯(lián)系。

首先，液壓驅(qū)動為機械手提供的推力與轉(zhuǎn)矩都比較大，可以有效實現(xiàn)低速大噸位機械手的運動。在功率相同的情況下，液壓驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)較為緊湊，體積較小，這種情況以液壓驅(qū)動方式機械手的布局安裝靈活性更高。同時，在液壓油的作用下，機械手中的液壓元件可以實現(xiàn)自潤滑，達到延長機械手整體使用壽命的目的。但需要注意的是，受液壓油在實際應(yīng)用過程中無法在過高或過低溫度下穩(wěn)定發(fā)揮自身作用的影響，若外界環(huán)境溫度過高或過低都可能導致機械手的傳動能量損失大大增加，并且在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，其檢查難度也比較大。

其次，電氣驅(qū)動的動力源主要為伺服電機，在實際應(yīng)用過程中，伺服電機與PLC、控制器等部件結(jié)合，通過分析傳感器、編碼器等控制裝置，實現(xiàn)對使用這種驅(qū)動方式的機械手進行快速響應(yīng)與確定定位。若機械手的驅(qū)動方式為電氣驅(qū)動，那么在應(yīng)用過程中，機械手的運動噪聲、污染源都比較少，并且由于機械手中不存在液壓油、氣泵等部件，可以在一定程度上節(jié)約后期設(shè)備檢修維護的成本。但需要注意的是，電氣驅(qū)動動力源中往往存在電機、傳感器等部件，這些部件的元件成本相對較高，往往會增大機械手制造成本。

最后，氣動驅(qū)動的動力源主要介質(zhì)為壓縮的空氣，氣動驅(qū)動可以在高溫、灰塵、潮濕等惡劣環(huán)境中穩(wěn)定工作，并且對環(huán)境的影響比較小。氣動驅(qū)動元件的結(jié)構(gòu)較為簡單，維護難度比較小。但需要注意的是，氣動系統(tǒng)無法做高壓負載輸出，并且隨著空氣的壓縮性增大，系統(tǒng)動作的穩(wěn)定性將會降低，在工作過程中往往會產(chǎn)生噪聲。同時，由于氣動驅(qū)動在使用過程中負載變化與元件速度之間存在著直接的聯(lián)系，因此，氣動驅(qū)動的速度控制難度比較大，無法滿足精密運動的需要[2]。由于大型閉式壓力機自動上下料機械手在實際應(yīng)用過程中，對定位精度有著較高的要求，并且需要具有一定的位置自鎖功能，對上述三種驅(qū)動方式進行分析后，可以選擇電氣驅(qū)動作為機械手的驅(qū)動方式。

2.1.3 機械手設(shè)計方案

大型閉式壓力機自動上下料機械手的方案設(shè)計主要可以分成整體結(jié)構(gòu)設(shè)計、端拾器設(shè)計、主要參數(shù)設(shè)計等。

首先，在進行機械手整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，可以以桁架式機械手為基礎(chǔ)，研究機械手各部分功能。1）承載座是機械手實現(xiàn)兩側(cè)支撐的方式，桁架的兩端被固定在承載座上，在實際連接過程中，與壓力機相連接的那部分承載座需要避開壓力機立柱上的管路。2）桁架式機械手的主要承載部件，安有導軌、齒輪等部件。3）X軸機械臂可以利用齒輪齒條的傳動，實現(xiàn)桁架上的運動，同時，為切實滿足X軸機械臂較大運動行程、精度誤差需小于0.1 mm的要求，需要使用導軌滑塊作為其導向與支撐部件。4）Z軸機械臂主要是以齒輪齒條作為傳動方式，并且行程較短，為避免在停機狀態(tài)下，Z軸機械臂受自重的影響出現(xiàn)滑動現(xiàn)象，需要在安裝過程中保證Z軸機械臂有抱閘功能。5）Y軸機械臂作為車間內(nèi)主要承擔行車換模、換料功能的部件，在實際應(yīng)用過程中，與壓力機之間的距離往往在5 m左右，其Y軸方向的移動距離在2.5 m左右，現(xiàn)階段，為避免Y機械臂在使用過程中對壓力機的正常工作產(chǎn)生影響，可以在Y軸方向上，將Y軸機械臂分成Y1與Y2軸機械臂兩部分。

其次，在端拾器設(shè)計過程中，為保證端拾器能夠切實滿足壓力機自動化上下料的需要，端拾器可以先在料垛區(qū)完成垛料的分張、拆垛、對中與涂油，然后將板料送到指定位置，再由上料機將板料從中臺上送到壓力機上?，F(xiàn)階段，依據(jù)板料的拾取方式不同，拾取器可以分成電磁吸附式拾取器、機械夾鉗式拾取器、永磁鐵吸附式拾取器以及真空吸盤式拾取器，并且上述拾取器的具體工作原理與優(yōu)缺點如表1所示。在本次機械手設(shè)計過程中考慮到壓力機的實際使用需要，可以采用電磁吸附式端拾器對板料進行運輸[3]。

表1 不同拾取器的比較

最后，面對不同的使用環(huán)境，桁架式上下料機械手的定位精度、運行速度尺寸等設(shè)計要求存在著一定的差異。在當前的機械手設(shè)計過程中，為切實減少機械手各部分設(shè)計計算的難度，可以應(yīng)用Solid Works系統(tǒng)對其進行建模處理，然后得到設(shè)計參數(shù)如表2所示。并且在機械手的實際應(yīng)用過程中，為盡量延長機械手的使用壽命，可以在滿足節(jié)拍器要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)用信息技術(shù)對設(shè)備的最優(yōu)運動速度、加速度、位置等信息進行分析，并通過將其應(yīng)用于機械手的實際應(yīng)用過程中的方式，切實滿足機械手的使用需要。

表2 大型閉式壓力機自動上下料機械手的主要參數(shù)

2.1.4 機械手的總體控制方案

在自動化機械設(shè)計生產(chǎn)過程中，控制系統(tǒng)的信息化程度與其自動化程度之間存在著直接的聯(lián)系?，F(xiàn)階段，為進一步提升大型閉式壓力機自動上下料機械手工作的協(xié)調(diào)性、安全性與穩(wěn)定性，選擇一種合適的控制方式，為機械手設(shè)計合適的控制系統(tǒng)成為了極為必要的工作。具體來說，當前工業(yè)生產(chǎn)過程中，較為常用的自動化控制系統(tǒng)主要包括單片機、繼電邏輯、可編程控制器等控制系統(tǒng)，相較于工作頻率較低的繼電邏輯控制系統(tǒng)，可編程控制器具有操作簡單、運行穩(wěn)定性高、程序設(shè)計靈活等優(yōu)點，并且在實際應(yīng)用過程中，可以實現(xiàn)故障自檢。為切實降低自動化管理的難度，可編程控制器的使用范圍不斷擴大。因此，在大型閉式壓力機自動上下料機械手設(shè)計過程中，為更好地實現(xiàn)對機械手行為的有效控制，可以應(yīng)用可編程控制系統(tǒng)，為其編寫控制程序，實現(xiàn)機械手的自動化運轉(zhuǎn)。

2.2 大型閉式壓力機自動上下料機械手系統(tǒng)設(shè)計

近年來，隨著工業(yè)自動化的不斷發(fā)展，為了在盡可能控制大型閉式壓力機自動上下料機械手整體成本的同時，進一步提升系統(tǒng)操作的可靠性與穩(wěn)定性，可以將具有較強抗干擾能力、功能完善的工業(yè)可編程控制程序應(yīng)用到機械手當中。具體來說，在可編程控制器的應(yīng)用過程中，可以通過語句描述、圖形、功能表圖等語言編程的方式，實現(xiàn)人機交互、故障自動診斷等功能，進一步提升機械手功能控制的可靠性，降低人員控制機械手的難度，提升管控的安全性。以上料機械手控制系統(tǒng)需實現(xiàn)的功能為例，上料機械手的功能是將涂油板料送到壓力機下模具上，具體工作流程為：在中臺上拾取板料—等待壓力機的上料信號—當信號發(fā)出后將板料放到壓力機下模具上—端拾器移動到送料位—釋放板料。為保證上述流程操作的準確性，在進行上料機械手的系統(tǒng)設(shè)計過程中，可以將其坐標方式設(shè)置為絕對式坐標系，當機械手出現(xiàn)急停、開機錯誤等問題時，為保證定位的準確度，機械手需要先回到原點位置，然后再重復上述工作流程。同時，保證機械手在工作過程中位置可以移動，并且控制機械手的定位誤 差在0.1 mm以下[4]。

3 結(jié)論

綜上所述，在信息時代的發(fā)展背景下，自動化技術(shù)得到了有效的發(fā)展，并且這種情況的存在切實推動了機械制造行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。現(xiàn)階段，為切實提升機械設(shè)計制造行業(yè)的整體生產(chǎn)效率與生產(chǎn)質(zhì)量，深入研究信息技術(shù)與機械設(shè)計制造行業(yè)之間的聯(lián)系，成為了一項極為必要的工作。