基于智能自動化技術的機械設計研究

付 凱

（濟南二機床集團有限公司，山東 濟南 250022）

智能自動化是一門涉及機械、微電子、計算機、電氣自動化等多門學科的綜合技術，目前已經在機械制造、交通運輸等領域得到了廣泛應用。在我國制造業向高端發展的過程中，迫切需要一大批高精尖、多功能的機械設備。由于其結構更加復雜和精密，傳統的機械設計模式已經無法滿足要求，將智能自動化技術運用到機械設計中勢在必行。從機械設計人員角度來看，一方面要辯證看待智能自動化技術對機械設計工作產生的多方面利好影響，另一方面又要熟練應用智能自動化技術，尤其是集成化、柔性化、虛擬化等技術。在智能自動化技術的輔助下，將機械設計人員腦海中的創意以三維立體模型的方式呈現，為設計人員不斷修改、完善設計方案以及提高機械制造精度提供幫助。

1 機械設計中應用智能自動化技術的重要性

1.1 提高了機械設計效率

機械設計是機械制造的必要前提。對于一些結構復雜、零件精密的大型機械產品，前期設計是一項費時費力的工作。設計人員既要從機械產品的實用功能出發展開設計，保證設計出來的方案能夠支持各項功能的順利實現；還要兼顧機械產品中各個零部件之間的協調配合，并在尺寸精度方面滿足要求。在這種情況下，以人工為主的繪圖設計需要花費大量的時間，在設計中還會因為疏忽大意導致設計方案的實用性不強，對后續機械產品的加工制造也產生了不良影響。對比來看，使用智能自動化技術進行機械設計，可以在人工智能技術和計算機信息技術的幫助下，代替設計人員完成一部分機械設計任務，極大地提升了機械設計效率，縮短了機械產品從設計到制造的周期，間接地降低了企業的機械產品研發成本。

1.2 增強了產品的可靠性

機械產品是由若干個零部件組成的復合體，任何一個零部件出現質量問題，都會對整個機械裝置的可靠運行產生影響，甚至會產生嚴重的安全事故。因此，在機械設計中，設計人員既要關注機械產品各項功能的順利實現，同時也必須提高各零部件之間的協調性以及機械產品整體的可靠性。將智能自動化技術應用到機械設計中，不僅能夠讓機械設計內容可視化，以三維模型的形式呈現出來，提高設計方案的立體感；而且還能支持虛擬漫游、碰撞檢測等高級功能[1]，這就為設計人員及時發現機械設計方案存在的缺陷以及開展設計優化工作提供了支持。通過虛擬漫游，設計人員可以發現機械三維模型隱藏區域的不合理之處，及時進行修改，提高了機械設計方案的參考價值。

1.3 改善了機械產品性能

衡量機械產品性能的指標有多種，例如功能實現情況、運行能耗、機械磨損、使用壽命、安全性等。基于智能自動化技術的機械設計，在按照設計方案搭建起機械產品的三維模型后，可以在虛擬環境下開展仿真實驗，驗證機械產品各項功能的實現情況，以及機械產品在運行中的運行能耗、機械磨損，并預測機械產品的使用壽命等。根據仿真結果，設計人員可以一目了然地掌握機械模型在哪些方面達到了設計預期，在哪些方面還需要改進。在改進—仿真—優化的循環過程中，讓機械產品的設計方案得到持續完善，機械產品的性能也會進一步提升。

2 智能自動化技術在機械設計中的應用

以往的機械設計需要設計人員手動繪制草圖，或者是借助于CAD 等制圖軟件繪制機械產品的二維圖紙。雖然也能滿足機械設計與制造的需求，但是費時費力，并且二維平面圖紙無法反映出一些復雜機械產品的細部設計內容，制造出來的機械產品與設計人員的預期存在差異。智能自動化技術在機械設計中的成熟運用，能夠解決上述問題，無論是提高機械設計效率，還是改進機械設計質量，均發揮了重要作用。

2.1 集成化技術在機械設計中的應用

2.1.1 機械圖紙集成化管理系統的架構

在精密、復雜機械產品的設計中，需要使用到大量的設計圖紙。將機械圖紙集成化管理系統應用到機械設計中，可以實現對設計圖紙的自動保存和備份，并且支持數據恢復，解決了傳統機械設計中圖紙丟失的問題[2]。機械圖紙集成化管理系統的整體架構如圖1所示。

圖1 機械圖紙集成化管理系統的結構

該系統基于Windows 標準開發，采用C/S 架構，數據庫為SQL Server 2008，采用面向對象的可視化編程技術。具有以下應用優勢：

1）與Windows 下的各種應用程序保持良好兼容性，可以以圖像的方式完成數據文件和設計圖紙的瀏覽、編輯等操作。

2）可以智能捕捉機械設計CAD 圖紙上的各項屬性值，包括機械零件的尺寸、形狀、構造等，方便設計人員直觀了解設計成果，為機械設計優化提供了支持。

3）支持文件在線共享，可以將機械設計文件共享給其他設計人員，方便設計人員交流討論并提出完善意見，有利于機械產品的深化設計。

2.1.2 機械圖紙集成化管理系統的應用

現階段，機械圖紙集成化管理系統已經被廣泛應用到機械設計、機械制造等領域。該系統的應用方法為：

1）數據錄入。將機械設計圖紙及圖紙中的各項參數錄入該系統中。如果設計圖紙為紙質文件，可以借助于掃描儀將紙質文件轉化為相應的電子文件，然后通過轉發器發送到計算機，并在機械圖紙集成化管理系統中打開。如果設計圖紙為電子文件，則直接讀取。數據錄入支持部件錄入、參數錄入。該系統基于ActiveX 控件輔助完成機械圖紙的數據錄入，并且通過預覽的方式在人機交互界面上呈現出來[3]。設計人員可通過當前界面對錄入數據進行修改、保存、刷新等操作。

2）瀏覽查詢。完成數據錄入后，可以將機械設計圖紙中的零件、部件名稱、參數等保存到數據庫中。后期需要瀏覽機械設計圖紙時，可在系統的搜索欄中輸入關鍵詞（如機械設計圖紙的名稱、錄入時間等），點擊搜索后即可查詢并瀏覽相應的機械圖紙。

3）報表打印。根據機械設計圖紙內容，系統可以自動識別機械制造所需的物料和零件清單，并生成明細表。在后續的機械制造中，可打印明細清單，保證機械制造的順利進行。

2.2 柔性化技術在機械設計中的應用

2.2.1 柔性設計與制造系統的架構

柔性制造系統（FMS）是一種集在線設計、數控加工、仿真驗證等多種功能于一體的復合系統。利用柔性系統開展機械設計，其優勢在于進一步提高了機械設計的自動化程度，進而提升了設計效率。在機械設計中，從確定工藝路線到繪制機械草圖，再到構建機械三維模型，整個過程較為煩瑣且費時費力。基于柔性化技術的機械設計，在完成CAD 圖紙設計后，可以自動生成機械設計工藝路線，并根據工藝卡生成機械制造所需要的物料清單。根據工藝文件，啟動CAM 軟件，調動代碼庫中的基礎模型，可以設計出機械產品的三維模型。該模型被保存到工藝數據庫中，在機械制造環節可以直接從CAPP 數據庫中調用機械模型，然后在數控機床上完成加工制造[4]。

2.2.2 柔性設計與制造系統的應用

基于柔性設計與制造系統的機械產品設計方法如下：

1）參數化建模。考慮到機械產品的組成部件形狀多樣、結構復雜，在柔性設計系統中無法直接提供符合機械設計要求的零件。借助于柔性化設計技術，可以先建立通用零件的數據庫，存儲一些機械設計中常用的標準零件，如夾具、刀具、定位銷等。然后根據機械設計需要，對這些通用零件進行參數化建模。設計人員根據實際需要，靈活調節通用零件的尺寸或形狀，即可得到符合機械設計要求的專用零件。

2）數字化裝配設計。在數字化軟件仿真環境中，利用計算機數據接口可以接收已經繪制完成的CAD圖紙。然后從數據庫中調用已經設計好的專用零件，完成數字化裝配，得到機械產品的三維模型。完成初步裝配設計后，設計人員還要采取三維仿真的方式，對機械產品的功能進行仿真模擬，驗證機械產品各部件是否能協調運動以及各項功能能否正常實現[5]。

3）優化設計與產品定型。根據三維仿真結果，如果存在瑕疵，則需要繼續進行優化設計，并在優化結束后重新進行仿真驗證。在確定不存在問題后，即可保存當前的機械模型。

2.3 虛擬化技術在機械設計中的應用

2.3.1 虛擬樣機系統的架構

將虛擬現實（VR）技術應用到機械設計中，能夠讓機械設計內容可視化，達到“所見即所得”的效果，這對于提高機械產品的設計質量與設計效率有積極幫助。基于虛擬現實技術的機械設計，相比于傳統的圖紙設計具有以下優勢：

1）降低了設計成本。在設計一些大型的、精密的機械產品時，可以利用虛擬樣機構建的三維模型代替實物模型，并且后期可以零成本更改機械設計方案，節約了資金和人力。

2）直觀展示設計細節。設計機械產品的三維模型，能夠全方位展示每一處設計細節，方便設計人員修改設計方案，不斷提高模型精度，為后續的機械產品高精度加工制造奠定了基礎[6]。基于虛擬現實技術的虛擬樣機機械設計系統如圖2所示。

圖2 虛擬樣機系統的構成

結合圖2，該系統的運行流程為：檢測模塊可以動態檢測是否有操作請求，如果檢測到來自用戶的操作命令，則通過傳感器啟動虛擬樣機，建立用于進行機械設計的虛擬環境。利用建模模塊提供的各種幾何模型，進行組合、編輯，設計出機械產品的3D 模型，并通過計算機的人機交互界面將設計成果反饋給用戶。用戶根據反饋結果，對3D 模型進行優化，直到該模型符合設計要求或達到設計預期。

2.3.2 虛擬樣機系統的應用

虛擬現實建模語言（VRML）是一種專門應用于虛擬環境下模型建構的程序語言，除了支持在計算機上建立虛擬場景外，還能進行場景漫游，讓設計師能夠以第一人稱觀察機械模型的各個維度和設計細節。基于VRML的虛擬樣機系統應用方法如下：

1）設計機械產品的三維造型。結合機械設計需求，使用CAD 軟件建立機械產品的二維設計方案，并且將初步設計成果以VRML 格式文件存儲，這樣就能將機械產品的幾何模型轉化成可以在計算機虛擬環境下進行運動的仿真模型。

2 ）機械零件的裝配。 在計算機上啟動CosmoWorlds 軟件，在該軟件中打開已經生成的VRML 文件，得到機械產品的整體框架。然后設計人員從素材庫中尋找合適的基礎物體，如球體、圓柱體、正方體等，添加到機械產品框架中，并通過修改、編輯得到最終的三維機械模型。

3）在CosmoWorlds 軟件提供的虛擬場景中，通過拖動鼠標的方式可以實現機械模型的翻轉、放大，觀察設計細節并確定是否需要更改、優化。如果不需要進行模型修改，則保存該模型，仍然存儲為VRML格式文件，至此完成機械產品設計[7]。

2.4 檢測技術在機械設計中的應用

2.4.1 光電檢測原理

現代檢測技術的運用，能夠利用化學、物理等技術對被檢測的機械產品進行質量判斷，并出具量化的檢測報告。機械設計人員根據檢測報告，可以了解機械產品在哪些方面還存在缺陷，從而為機械產品的優化設計提供了參考，這對實現機械產品的高精度加工有積極幫助。在機械設計中，推廣使用自動檢測技術成為提升設計效率、提高設計精度的重要保障。在目前應用比較成熟的幾種檢測技術中，光電檢測具有檢測精度高（可以達到0.05 μm/m）、檢測效率高、避免直接接觸被檢測物體的優勢[8]。其檢測原理為：當被檢測的機械產品受到光照后，會反射出光線。利用前端的受光器可以捕捉反射的光信號，并且經過A/D 轉換后，將光信號轉化為計算機可識別的電信號。然后通過計算機的分析、處理，了解機械運行情況，并對機械運行加以控制[9]。

2.4.2 檢測技術的應用

隨著光電檢測技術的日益成熟，目前該技術已經在包裝機械、打印機、洗衣機等多種機械的設計中得到了廣泛運用。這里以牙膏包裝機械為例，將光電檢測技術與計算機信息技術相結合，優化包裝機械設計。在包裝作業流水線上，以相同間隔布置反射型光電檢測裝置。當包裝好的牙膏傳送到光電檢測儀器的檢測范圍內時，會捕捉到光信號，并將光信號轉化成電信號反饋給PLC。然后PLC 發送控制指令，讓前端的凸輪驅動杠桿，將牙膏連通底座在合適的位置托起，并做旋轉運動。當光電接收頭與牙膏管表面印刷商標的位置重合后，此處有色標記不再發出反射光。此時，光電檢測儀器根據光信號的變化，重新調節控制指令，保證牙膏管底部與商標位于同一平面[10]。在包裝機械設計中應用光電檢測技術，能夠提高機械檢測的精準性，并且顯著提高檢測效率，降低企業成本。

3 結語

從技術應用效果來看，智能自動化技術不僅可以提供通用零件、虛擬漫游等實用功能，降低機械設計難度；而且還能讓機械設計達到“所見即所得”的效果，讓機械設計成果能夠直觀地呈現在設計人員面前，方便設計人員及時調整機械產品的設計方案。現階段，集成化技術、虛擬化技術、柔性化技術、自動檢測技術等，已經在機械設計領域得到了成熟運用。下一步，要繼續推進大數據、互聯網、人工智能等前沿信息技術在機械設計中的深度應用，從而為我國制造業沖擊高端、健康發展提供技術支持。