智能制造時代下機械設計技術探析

張天翊

（浙江省寧波晶鉆工業科技有限公司，浙江 寧波 315202）

0 引言

在智能制造時代，設計技術對智能機械制造的發展有重要作用。中國的智能機械制造在目前處于初級階段，特別是設計環節相對薄弱，而設計是機械制造的重點所在，有必要在智能設計技術上加強探索和研究。

1 智能制造時代下機械設計技術的主要特征

智能制造時代下機械設計技術的特征主要表現在安全、便捷、低消耗幾個方面。

1.1 更安全

智能化設計比較漫長，整體性特征較強。在設計智能機械時，為了提升科學性、合理性，需要基于網絡載體進行數據的傳輸與監督，保證不斷完善操作技術。當制造出現異常情況時，利用智能化設計技術可以及時自檢故障，妥善解決問題，提升整個設計過程的安全性，同時對機械產品提出更高的安全性要求。

1.2 更便捷

智能化水平較高是智能機械制造最顯著的優勢，機械制造的整個過程也屬于智能化運行過程，只需一鍵操作就可以完成所有制造流程，進一步提高便捷化程度。通過智能技術應用，機械設計制造流程更加安全、簡潔、完整，并節省大量資金，特別是智能化水平、人性化水平有極大的提升，滿足智能制造時代發展需要[1]。

1.3 低消耗

智能機械制造是利用智能技術進行機械制造，可以有效減少材料損耗。因為利用能機械設計技術可以精確計算材料，適應當今的節能降耗需求。特別是當下機械制造的智能化水平、節能要求都在不斷提高，資源能耗需求越來越低。

2 智能制造時代下機械設計技術運用要點

在智能制造時代下，分析機械設計技術運用要點，其主要包含了引進智能技術、強化資源分類、加大優化力度、積極引入創新設計思維，基于這幾個方面的分析，就可以對機械設計技術運用有一個全面的認識。

2.1 引進智能技術

為了在智能制造時代下有效提高機械設計技術應用成效，在機械設計制造中就應引進智能技術，實現充分利用。在實際利用環節需要注意兩點：第一，科學使用智能技術。機械設計制造工序復雜多樣，要基于對產品實際情況的全面分析，科學選擇智能技術，確保技術運用的科學性、合理性[2]。這主要涉及到憑借智能化系統準確率高、分析速度快等優勢做好對輸入指令的分析，并根據生產數據判斷計劃的合理性，得到最科學合理的機械設計方案。比如在機械制造中要先進行生產產品性能測試，接下來按照反饋的信息和數據調整生產流程，確保機械制造質量達標。如果生產操作存在問題，就要按照檢測數據建立科學的調試方案。第二，極大地降低機械制造成本。將智能技術引入機械設計制造，可以達到節能降耗的目的。比如在智能操作系統的終端安裝諧波過濾器，及時清除掉混亂的信號，確保傳輸信號的準確性、有效性，進而提升傳輸數據的效率與質量。

2.2 強化資源分類

考慮到機械制造需要結合產品、工藝、技術等，進行合理的資源分類對保證制造智能機械的效率與質量有重要作用。第一，利用智能系統收集機械制造數據和信息，結合產出設計模擬整個機械制造過程，及時發現其中的問題和不足。第二，打造資源共享中心，實時監督智能機械制造過程，有針對性地制定改進策略，提升機械制造效率。對于智能系統的內控制模塊，可以直接在系統內部存儲機械制造數據，在生產制造過程中就可以讀取產品數據，據此調整生產制造工藝，保證達到生產標準。若檢測器發出預警，就意味著機械設計標準和生產工藝之間不匹配，工作人員需要及時設置系統信息，確保機械設計技術在智能制造時代的運用效果。比如在智能系統內部進行電子控制模塊的設置，以實現對產品信息的實時收集，為后期分析產品質量提供準確的信息、數據。第三，科學使用大數據技術展開分析，在虛擬數據庫里存儲海量機械產品信息，按照所需生產信息調用科學有效的生產工藝，提升智能機械制造效果。在對生產材料的選擇方面，機械制造人員要關注材料的重復使用，盡量選擇綠色環保性、低污染甚至無污染的材料，通過合理使用材料資源提升智能機械制造設計技術的運用效率和質量。

2.3 加大優化力度

和許多發達國家相比，中國的機械設計行業技術表現存在滯后性，因而機械設計技術依舊有諸多缺陷。為了預防發生過度重視、依賴國外設計技術的問題，應按照機械設計技術實施情況，有機整合國外技術運用資源，讓國內的機械設計技術取得良好推廣使用效果[3]。這就要求機械設計管理的相關單位和人員能夠按照已經掌握的機械設計技術知識、基本原理，結合實際狀況進行評價，構建比較完善的機械設計分析制度、管理制度，以便體現并突出機械設計管理的靈活優勢，降低經濟生產成本。與此同時，在優化機械設計技術操作管理時要從產品設計性能、質量等方面進行嚴格的控制，提升管理的科學性，從而密切結合當下市場上不斷涌現的機械設計管理新技術、生產管理新模式，持續改進機械設計技術，讓機械設計操作更加靈活，更有效地突出基本的智能化技術特征。

2.4 積極引入創新設計思維

伴隨著各級政府部門對于科教研究力度的不斷加大，相關領域投入資金占據的GDP比重也在不斷的提高，這樣也呈現出快速發展的態勢，這樣就使得我們的科學教育高新技術的水平與發達國家之間的水平正在逐漸的縮小。基于這一背景分析，各個地方政府部門就在積極倡導基于創新來渠道發展政策的基本理念。對于工業智能機械裝備制造而言，就要求能夠將工業創新技術思維融入其中，這樣才能夠讓其完成更為先進的、更加現代化的工業智能機械技術的研發與應用工作。在長時間的理論研究基礎上，結合實際工作，這樣就可以滿足智能機械裝備制造企業涉及管理方法的持續優化、創新與完善處理，最終滿足機械設計的整體性要求。

3 智能制造時代下機械設計技術運用案例

本案例選擇輕小型水下電動機械臂設計，輕小型機械臂結構比較簡單，而且質量輕、體積小，經濟性良好，在簡單水下作業中非常適用。這一機械臂的自由度是5+1，為電動驅動，負載0.5kg，空氣質量不足3kg，作業半徑是450mm，抓取的最大尺寸是70mm，下潛的最大深度是100m。

為了在機械設計中強化智能技術運用，在設計機械臂自由度時主要使用智能設計系統，模擬其自由度。機械臂只進行簡單水下作業，自由度不高，可以保證樣品采集即可。然而水下作業環境復雜，需要減少本體運作消耗量，所以機械臂自由度不能過小。基于對機械臂的自由度結構設計，根據設計技術指標把最大臂長和標準負載、抓取目標最大直徑等指標參數輸入SolidWorks（三維設計軟件）進行虛擬建模。

設計機械臂的結構時遵循簡單控制原則，進行模塊化設計，其每一個模塊都涵蓋了電機和角度傳感器、連接固定件、減速器，完成每一個模塊的設計之后保證關節模塊的連接[4]。其中的底座主要在本體上用螺栓安裝，底座回轉模塊通過連接軸與安裝在底座內的電機來連接，其他模塊之間通過電機軸連接，另一側通過軸承固定，而腕部模塊末端通過電機軸、手爪模塊進行連接，形成手爪回轉自由度。手爪模塊結構是齒輪雙鉸式，在其一側安裝電機，將手爪另一側的手指帶動起來運轉。

對于機械臂材料的選擇，要與作業要求、作業環境結合起來考慮。因為機械臂要在水下作業，既要擁有較強的穩定性、可靠性，又要具備良好的耐腐蝕性能，并且考慮水下工作時的附加質量和浮力、水阻力等因素，需要機械臂本體質量較輕，才能最大限度降低運動慣性、水動力的影響。所以選擇機械臂的材料時要滿足密度、強度、剛度、塑性、耐腐蝕性、表面疏水性和穩定性、經濟性等要求。機械臂設計中常用的材料包括鋁合金、鈦合金與不銹鋼，本設計選擇鋁合金材料，不僅密度高、質量輕，擁有較強的可塑性，價格也較低。

選好機械臂設計材料之后進行模型運動控制的仿真實驗，保證提高智能化水平。在參數的設置中，機械臂的初始關節角值為0.09，初始關節角速度值為0，期望關節角運動指令為0.1sint。做好參數設置以后通過模糊RBF神經網絡進行控制，即利用滑模函、高斯函數，分析模糊FRB神經網絡的控制算法。為了保證精度控制，隱性層數是31，在機械臂的模型控制中進行Matlab、Simulink的聯合仿真，由此得到5個基本相同的關節響應數據。在驗證機械臂設計技術參數指標之后，發現設計強度、設計經濟性都符合實際需求。

在水下機械臂設計中，為了適應智能化制造，還進行了以DNC網絡為基礎的數控加工平臺開發，并且利用以Windows為基礎的IDE操作系統設計了機械臂操作全過程的人機交互界面。如此，機械臂在水下作業的情況都可以由人機界面來呈現。同時設計傳感手臂的數據采集模塊，采集機械臂的所有運行數據，保證通過任務管理模塊及時掌握水下機械臂作業狀態，進行智能化的水下采集。所以在實際設計環節要有機整合智能技術、機械設計，通過關節驅動電機讓機械臂關節驅動質量、舵機驅動都能滿足作業要求。

4 結束語

智能制造是時代發展的必然趨勢，要想進一步完善機械設計技術，加快技術進步，就要整合分析現階段出現的問題和不足，通過運用智能技術妥善解決，推動技術的創新發展，最終保障智能機械制造的穩健發展。