智能自動化技術在機械設計中的應用研究

鑫 龍，崔世超，焦可如，候天陽

（1.沈陽理工大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110159；2.沈陽新松機器人自動化股份有限公司，遼寧 沈陽110159）

0 引言

隨著十三五規劃的推進與工業技術的不斷發展，智能自動化已經成為目前機械設計制造業的必然發展趨勢與表現形式，為整個工業發展帶來了巨大的活力，也使我國新興技術得到了迅猛發展，智能自動化技術也成為目前我國工業發展所需的核心力量與技術。

1 智能自動化技術

智能自動化是以機械自動化為基礎發展而來的，整合了傳統機械自動化技術、智能化技術，自動化程度更高，整合了傳統自動化與集成自動化兩種技術，是通過人工智能、神經元網絡、大系統理論等相關理論，利用具備一些智能特征的系統替代人的腦力勞動，進而使腦力勞動向智能自動化發展[1]。集成自動化則整合了信息技術、系統控制技術等新技術，實現了智能一體化。機械設計作為機械工程的一處重要環節，是先于機械生產制造與應用的環節，是機械產品生產與使用功能實現的初始環節。智能自動化技術使機械設計生產過程實現了全自動化，可以完全依賴器械完成整個設計制造過程，生產效率、產品質量更高，交互性更為明顯[2]。

2 機械設計中智能自動化技術的應用現狀

2.1 有限元設計法

有限元設計是目前機械設計中應用廣泛的一種技術，設計核心是結構離散模式，對原有大量設計單元分解后，將各個有限的相對簡單的設計單元通過科學變現方式合理處理，并運用數學知識進行計算，進而使求解過程更為簡單方便，最大限度降低解答難度[3]。機械設計中，通過有限元設計法能夠對機械結構中的各個參數及其轉變進行準確計算，對于設計過程中的結果精確程度關注度降低，對于所得設計結果與設計所需的符合性更為關注。

2.2 優化設計法

優化設計法是機械設計技術不斷發展的產物，是將機械設計問題通過科學合理的轉換方法將其轉變成一種對應的數學模型，機械設計人員圍繞這一數學模型逐步進行解答與深層次設計，使機械設計所需的各個參數、指標達到最優化，從而獲得一種理想度最高的設計效果。整個過程中計算問題的解決就意味著機械設計過程中相應重要問題的解決，問題解決后，設計人員能夠獲得明確的設計方案[4]。計算機技術的發展使這一設計過程中的相關計算全部由計算機所取代，計算精度更高、計算速度更快、準確性更好。這種方法是目前機械設計中應用最為廣泛的一種方法。優化設計法還使設計人員設計技術水平與設計質量獲得了很大的提高，減少了設計任務，提高了設計效率，間接降低了產品生產成本。

2.3 模糊設計法

模糊設計法是基于數學理論中的模糊理論及相關知識發展而來的一種設計方法。科學技術的不斷發展，使機械結構更為繁雜，機械使用要求也不斷提高，機械設計時要考慮的因素也在不斷增加，各個因素之間關聯密切，進而使機械結構更為繁瑣，細節也更為模糊[5]。因此，設計人員為提高設計效率與質量，從模糊理論出發，在科學衡量各個要素之間的關系的基礎上，模糊各要素界限，打破傳統設計理念的要素束縛，通過模糊設計使設計工作更為簡單、快捷，同時保證了設計質量與效果。

3 智能自動化技術在機械設計中的發展方向

3.1 系統化

計算機集成制造系統是基于智能自動化技術發展而來的一種集成系統化技術，集成了大量智能化、自動化、數字化技術，在機械設計中通過多種計算機輔助技術的整合，實現綜合自動化，為機械設計提供多項輔助技術，將機械產品智能化與自動化開發視一個完整的系統工程，在機械設計智能自動化的基礎上，更好地協調人與機械操作過程中的操作人、機械運行環境的關系，使人、機器及運行環境實現協調一體性，進一步推進機械設計智能自動化發展[6]。一些實際操作中難以試驗與檢驗的機械設備，如受季節性與地域性影響較嚴重的農業機械設計時，就能夠通過模型等方法的運用，對機械產品性能進行科學預測，并對設計合理性與實際使用方法進行最優化預測，最終設計產品再置于人工模擬環境下檢驗其效果[7]。隨著互聯網技術的發展，機械設計領域也衍生出了一系列新技術，如柔性化技術、數控技術等，將這些技術運用在集成制造系統設計中，可以通過智能化自動技術使系統更為集成化，即以系統工程理論為基礎對機械設計智能自動化技術進行指導，借助信息化技術，使機械設備能夠達到智能化控制與操作[8]。

3.2 數字化

數字化技術能夠不斷改進傳統機械設計的各種弊端，如，機械設計前，利用計算機建模功能輔助設計，再根據模型對相應參數、指標進行持續優化，從而避免機械產品可能出現的弊端。計算機技術為機械設計數字化的實現提供了重要的幫助，利用計算機能夠不斷完善整個建模及設計過程。在設計過程中，設計人員以各類參考數據為設計依據，利用計算機對機械設計中可能影響機械產品質量與機械設計效率的相關因素進行優化與提高，提升設計質量與效率。

3.3 產業化

機械設計的智能自動化使機械設計實現了產業化，機械設計與其他科技領域的整合，使其不再局限于單一的機械設計目標，不再滿足于某個領域的個體化需求，而是逐步滲透到了生物工程、機械人、無人機、納米科技等諸多行業的設計制造中。機械設計人員也不再專一于某個單一領域的技術升級，需要充分考慮跨領域技術的交叉與整合，使機械設計產業化不斷提高。

4 智能自動化在機械設計中的應用

智能自動化在機械設計中的實際應用很廣泛，例如并聯機器人。并聯機器人是將運動平臺與定平臺利用兩個或兩兩一行的獨立運行鏈相互連接后，使其機械自由度達到2以上，進而形成并聯驅動模式。20世紀30年代是并聯機器人的最早提出年代，1978年并聯機器人被安裝到機械手臂上，其緊湊的結構、較強的承載力、較高的精確度迅速在制造領域發揮了重要作用[9]。

目前，并聯機器人已經在多個領域得到了廣泛的應用。第一，并聯機床。并聯機床是目前并聯機械實際應用吸引力最高的一個領域。并聯機床具有結構簡單、剛度更大、傳動鏈短、質量輕且成本更低等優勢，能夠實現6軸驅動，可以加工復雜的三維曲面。通過重組與模塊化設計，還能夠使機械布局形式更為多樣化，自由度組合更靈活，機械環境適應性更強。如德國Micromat公司開發研制的6X并聯機床，安裝了一個伸縮桿，具備了更為靈活的長度變化，能夠靈活地驅動主軸部件，完成加工軌跡所需的各種運動，同時，工作臺上的工件則始終保持固定不動。第二，工業機器人。工業機器人也是目前工業領域具有廣闊發展前景的一種智能自動化技術，在保證產品質量的同時，還能夠替代人工在特殊環境下的作用，降低特殊工作環境所面臨的危險，提高了工作人員的保護意識，降低了勞動強度。如天津大學發明了一種全鉸接2平動輕型并聯機械手，具有調整的自由度、更高的精度，極大地解放了人工。第三，醫療機器人。目前醫學外科領域、機器人研究領域對醫療機器人的開發與應用關注度很高，已投入使用的各種醫療機器人能夠實現準確的選位、精細地臨床操作，在提高臨床操作精確度與效率的同時，還極大地降低了院內感染風險。第四，操作器，目前空間飛船與空間對接器對接機構中的并聯機器人就是作為操作器功能而存在的，上下平臺之間留有通孔以作為對接通道，上下兩個平臺為對接環，通過6個直線驅動器能夠驅動飛船對正，并驅動對接機構完成能量吸收、減振、主動抓取、柔性結合、對正拉緊、鎖住卡緊等各項工作。一些地方挖掘及地下開采等也能夠通過并聯機構完成。此外，并聯機器人還在造船起重機、傳感器、體感模擬娛樂機械等各個方面得到了應用，是目前智能自動化在機械設計領域中的一個應用熱點[10]。

5 結語

智能自動化技術是現代機械設計行業的必然發展趨勢，也是實現機械設計智能化、自動化、系統化的主要途徑，能夠促進機械設計質量、效率的不斷提高，同時，也是機械設計產業化發展的基礎，不斷探索機械設計的智能自動化發展能夠使機械設計不斷科學化、合理化。