自動化設備中有關機械結構設計的幾點體會

陸葉星

（鹽城高周波熱煉有限公司，江蘇 鹽城 224100）

在現代自動化設備中，機械結構的實用性和可靠性將對設備整體運轉效率、工作性能產生較大的影響。機械結構設計屬于自動化設備設計中十分重要的部分，在進行設計時應充分考慮設備的形狀、尺寸以及應用需求等關鍵要素，然后對機械結構進行創新性設計，從而保證自動化設備的運行性能，使之具備較為豐富的功能[1]。因此，當前加強對自動化設備中有關機械結構部分的設計研究具有較為積極的意義，有助于推進我國機械制造業的可持續發展。

1 自動化設備中機械結構設計內容及特點

1.1 自動化設備中機械結構設計內容

自動化設備中機械結構設計主要指的是基于設備整體功能需求，確定并畫出機械部分的結構圖，以此來保證自動化設備的運行性能和可靠性。在此設計過程中，主要是將一些抽象的機械原理轉化成為具體的機械構件。從具體設計內容來看，主要需設計人員對機械構件的材料、形狀、尺寸大小、表面粗糙度、公差大小等展開設計，同時在設計中明確相關加工工藝，應達到的強度、剛度要求以及與其他零部件之間的配合情況等。從設計的具體內容來看，雖然最終直接產物為設計圖紙，但期間需要設計人員考慮的問題卻較多，需要將眾多設計內容轉化為設計方案語言，以便后期生產加工能夠順利開展進行[2]。

1.2 自動化設備中機械結構設計特點

在自動化設備中機械結構設計過程具有較為鮮明的特點，其主要體現在以下幾個方面：（1）設計具有較強的綜合性，屬于自動化設備設計中工作量較大的環節，需要設計人員綜合設備應用需求，進行計算、繪圖，必要時需結合一定的實驗進行；（2）設計存在多解性特點，機械結構設計過程中對某些問題的解決，不止一種設計解決方案，但各種方案的應用性能通常存在差異，需要設計人員綜合比對，然后做出科學優化；（3）設計過程常存在反復交叉性，由于機械結構性能受影響因素較多，在設計過程中可能出現許多考慮不全面的因素，在后期發現問題時又需要進行反復性修改調整，也正因為這方面特點，使得機械結構設計耗時較多。基于自動化設備中機械結構設計表現出來的特點，在實際設計過程中，應在設計之初盡可能了解機械結構的相關基本要求，由此降低后期優化流程，從而達到提升設計效率的目的。

2 自動化設備中機械結構設計的要求分析

自動化設備對運行性能和功能提出較高要求，為滿足其運行性能和功能要求，在機械結構設計中，應充分把握設計要點，明確設計要求，并在設計中注意對機械結構進行優化和創新，從而提升機械結構設計的整體性能，提升自動化設備的市場競爭力。

2.1 將用戶需求作為設計基礎

在自動化設備設計過程中，其最終目的是滿足用戶應用需求，因此在進行設計時應將用戶需求作為整個設計過程的基礎。在設計初始階段，對用戶需求、市場需求等進行全面的調查了解，在充分了解需求的情況下才能讓最終設計與實際所需更加吻合的產品，從而讓設計的產品發揮出應有的價值[3]。如：在設計之前，應了解用戶對自動化設備整體形體的需求，然后在針對機械結構設計時，在保證設備整體運轉性能的基礎上盡可能滿足用戶對設備形體的需求，提升客戶對自動化設備的滿意度。如圖1所示，為較為常見的五軸關節型機器人手臂結構，在進行此類機器人手臂結構設計過程中，首先應明確工作環境的抓取需求，然后對設計自由度做出限制，以最大化提升運轉工作時的效率和準確性。

圖1 五軸關節型機器人手臂結構

2.2 滿足自動化設備質量要求

自動化設備對產品質量提出較高要求，而機械結構屬于自動化設備中的重要組成部分，其質量對自動化設備質量有著較大的影響，因此在設計過程中應對機械結構設計質量予以高度重視，確保機械結構的剛度、強度、穩定性等都能夠達到設計要求。同時，設計中還需結合應用便捷性、安全性、環保性、節能性等多方面因素考慮，使得最終自動化設備具有較高的自動化控制性能。這實質上決定了自動化設備機械結構設計的動態化特性，需在設計中不斷獲取應用數據，然后基于獲取到的數據信息分析現階段機械結構設計存在的不足，最后采取科學的優化措施，以促進自動化設備整體質量的提升。

2.3 滿足使用功能需求

在進行機械結構設計時，應保證自動化設備發揮出應有的功能，其在功能設計方面通常需要滿足兩點要求：（1）基礎功能要求，設計機械結構應滿足自動化設備運轉工作的基礎要求，尤其是應用者需要的一些功能，必須在設計中得到保證；（2）創新功能要求，為保證設計自動化設備整體更具競爭力，在機械結構設計時還應做出一定的功能創新，提升機械設備運行穩定性、可靠性以及節能性[4]。如圖1所示的機器人手臂結構設計中，為提升其靈活性，可在結構的下端安裝橫向或縱向的滑動裝置，然后通過自動化控制系統進行控制，能夠使其應用范圍得到大幅度提升。

2.4 強化產品后期優化設計

面對高速發展的科學技術，自動化機械設備表現出較快的更新速度，整體性能也在不斷更新發展中得到提升。在此背景下，進行自動化設備機械結構設計應在思維上保持先進性，不斷基于使用者需求、市場需求，加強對產品的后期優化設計，以促進設備整體性能不斷提升，這是現代企業保持較強競爭力的重要基礎，同時這也是現代機械結構設計人員應具備的基本素質。在實際設計中，應注意保持創造性思維，并將這種思維與現代科學技術結合，在機械結構零部件尺寸、形狀、連接等方面做出改良創新，提升自動化設備的整體控制性能、運轉性能。

3 自動化設備中機械結構設計的體會

自動化設備中機械結構設計是一個較為復雜的過程，需要考慮的因素較多，為有效保證設計質量，使機械結構設計具有更為良好的質量和性能，在設計時主要可從方法創新和加強優化設計兩個方面做出改善，通過設計方法創新提升設計效率，通過加強優化設計提升機械結構設計質量。

3.1 重視機械結構設計的方法創新

隨著現代計算機技術、智能化技術的快速發展，在對機械結構進行設計的過程中，應善于靈活應用智能化技術，提升設計的效率和質量。首先，可利用設計軟件進行三維建模，并模擬自動化裝備所處環境，以便對零件尺寸、位置、形狀等信息做進一步優化，提升機械結構設計的整體性能；其次，通過計算機軟件進行裝配模擬設計，在設計環節中發現各個零部件之間存在的不匹配現象，然后對零部件結構和尺寸做出優化，促進機械結構裝配工作的開展。同時，借助計算機軟件裝配模擬，也能夠為機械結構后期實際裝配制定具體的裝配方案，提升裝配質量和效率；最后，借助計算機軟件展開設計，應善于應用其中有限元分析、材料性能數據調取等功能，這不僅能夠促進設計效率的提升，而且能夠使之具備更高的合理性，從而保障最終的設計質量[5]。

3.2 重視機械結構設計中的優化設計過程

在自動化設備機械結構設計中，優化設計環節是十分關鍵的一個環節，對自動化設備整體性能有著較大的影響，優化設計應從多個角度、多個方面展開全面分析，綜合比對各種機械結構設計方案，從中選取出最為合理的設計方案。

3.2.1 結合自動化設備應用場合進行優化

在不同的應用場合下，對自動化設備的應用需求存在較大的差異，在設計過程中應將此作為設計優化重點內容。如：在某自動化教學設備的設計中，要求該設備擁有自主行走、遠端遙控等功能，在初期機械結構設計中僅注重其仿生行走功能，應用曲柄遙桿機構、雙搖桿與曲軸連桿等機械部件進行相互作用來實現行走，但是設計中忽略了教學應用人員的攜帶問題，使得其實際應用性能受到影響。后在優化設計中對部分機械結構做出優化，使之能夠實現折疊，提升其攜帶方便性，有效滿足教學應用人員的實際應用需求，在很大程度上提升其實際應用性[6]。由該案例也可看出，在進行自動化設備機械結構設計中，要了解市場需求、用戶使用需求，然后結合這些需求進行優化，能夠讓設計產品的整體價值得到提升。

3.2.2 加強對材料應用的優化

在機械結構設計中，應用不同類型的原材料，不僅會影響到設備的使用性能，還會對設備造價產生較大的影響，尤其在當前新材料類型不斷增多的背景下，在實際設計中對加工應用的原材料進行合理選擇表現出較高的重要性。在設計中可從加工處理、材料性能、材料價格等多方面進行考慮，在不影響設備使用的基礎上，選擇綜合性能更為突出的材料類型。

3.2.3 針對結構零部件數量展開優化

對于自動化設備生產企業來講，其更加關注的是設備的性能和造價，需要設備在滿足使用性能要求的基礎上，盡可能降低設備的造價，以此來達到最大的經濟效益。而機械結構的零部件數量對設備的造價有著較大的影響，如何優化結構零部件數量，降低機械結構的造價表現出較高的重要性[7]。在此種情況下，設計人員一方面應注意后期零部件的測評，測評各個零部件實際發揮作用；另一方面應對測評結果進行綜合性分析，將其中個別作用較低的零部件剔除，以此能夠促進自動化設備整體性價比提升。

3.2.4 優化零部件的局部安裝位置

機械結構設計中，各個零部件的安裝位置也屬于重要的優化設計內容，零部件所處位置不同，所應用的排列方式不同，都會對設備整體的運行質量產生影響。因此，在優化設計中，應考慮到零件之間的關聯性、結構整體的貼合程度等，然后對局部零部件所處位置做出調整，有效控制零部件之間的間隔距離，使自動化設備的整體質量和性能得到提升。此外，零部件的安裝位置還可能對結構的整體穩定性造成影響，尤其是一些立式機械結構，應避免上端結構過重引發傾倒危險。

3.2.5 優化自動化設備的外形

從消費者的角度進行考慮，對產品的外形表現出較高的關注度，自動化設備的外形直接影響到消費者的第一印象，而機械結構是決定自動化設備外形的重要因素，因此在機械結構設計中應對設備整體外形引起關注，盡可能讓設備擁有較為美觀的外形[8]。為達到該目的，在完成機械結構內部零部件設計后，應再次對零部件的形狀和尺寸做出優化，并為之配備合適的防護外殼，保證自動化設備的美觀和性能共存。

3.2.6 優化自動化設備的綠色性能

綠色化、節能化是新時代背景下設計工作開展高度關注的問題，在對自動化設備機械結構展開設計的過程中，應在設計之初便明確“綠色化、節能化、環保性”的主題，降低自動化設備運行能耗，提升其運行綜合性能[9]。具體來看，首先，要求設計人員考慮到機械結構傳動方式，在滿足應用可靠性的情況下，盡可能采用更為節能的傳動方式，降低機械結構工作過程中產生的損耗；其次，對不同設計方案對能源的消耗進行試驗對比分析，找出增大能耗的結構原因，然后對相關部位做出針對性優化，這樣才能提升運行的實際效果。

4 結束語

綜上所述，在現代自動化設備設計中，機械結構設計屬于十分重要的組成部分，自動化設備整體性能影響較大，因此應把握設計要點，對機械結構進行優化設計。首先在設計中應滿足各種基本需求，如：功能需求、質量需求、使用需求等，然后在滿足這些需求的基礎上，應用更為先進的設計方式，從設備外形、綠色性能、零部件數量、零部件安裝位置等方面展開優化設計，全面提升自動化設備的綜合性能，使設計出來的自動化設備在市場環境中擁有較高的競爭力。