智能制造時代機械設計技術探究

郭超

摘要：本文對數控機床技術進行分析，并在此基礎上設計機器人群控智能制造系統，在實際案例中探究該系統的應用方式，最后提出智能制造技術的應用要點。該系統可通過檢測臺自動測量，將帶有誤差的工件傳遞到數控系統，由系統完成自動補償，并利用機器人將工件抓取到指定位置，實現智能運輸。在實際應用中，還應通過智能分類資源、強化創新思維、引入網絡技術等方式，提高機械設計技術水平，以滿足智能制造技術要求。

關鍵詞：智能制造;機械設計;技術應用

中圖分類號：TH122? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）16-0196-02

0? 引言

在科技不斷發展下，我國制造業正逐漸從人工朝著智能機械方向轉變。一些工作環境惡劣、技術含量低的崗位逐漸用機器人來完成。與國外相比，我國機械設計技術起步較晚，更應牢牢把握智能制造時代機遇，對機械設計技術進行創新，本文研制的機器人群控智能制造系統，通過強化創新思維，引入網絡技術，對各項資源智能分類等方式，可有效推動國內機械制造業的可持續發展。

1? 數控機床技術

數控機床是集機械、液壓、氣壓與傳感器等技術為一體的自動化設備，在現代工業生產中得到普遍應用。在智能制造時代下，數控系統（CNC）逐漸成為核心控制器，可通過發送數字指令的方式對伺服系統與其他元件進行控制，操控機床生產出所需工件，為機械設備與技術的智能化轉型提供極大幫助，其主要功能模塊（圖1）及技術特點如下：

①CNC作為數控機床控制核心，在出廠之前安裝CNC后，用戶不可隨意調整CNC的位置與速度，但可利用C語言對其進行二次開發;②CNC存儲器主要包括兩種，一種為隨機型SRAM，另一種為只讀F-ROM，前者包括PMC與CNC參數，后者包括PMC控制軟件與程序等。在通電狀態下，BOOT系統可將控制軟件運輸到D-RAM內，依照程序對其實施CNC處理。在斷電狀態下，D-RAM內的數據便會全部消失;③軸卡對數字伺服CPU具有控制作用，可對機床位置、速度與電流等進行調節。將伺服CPU運算結果經過串行通信傳送給伺服放大器，由放大器對信號放大處理，進而實現電動機通電并轉動[1]。

2? 機器人群控智能制造系統設計與應用

2.1 整體設計

機器人群控智能制造系統以車間機械工件加工為對象，設計機床上/下料、主/從站、數控加工、信息化管理等多個單元，通過系統內各單元協調運行，經過自動加工、檢測、運輸與補償后，最終自動入庫，實現對工件的智能制造。該系統內主站單位為整個系統核心控制器，可對各個單元進行實時管控，并與從站循環交換信息;從站單元包括自動清洗、倉儲、自動檢測與產品輸送等單元。該系統適用于小型車銑零件加工，完成自動化裝夾、自動排產、線內清洗、自動補償等功能，有效提升產品質量與加工效率，減少生產人員投入，提高生產效益[2]。

2.2 系統功能

該系統功能主要通過不同單元狀態、人機交互、自主反饋等方式完成，可實現物理與信息系統協同，人與設備之間交互。在該系統運行中，利用機床上/下料單元將待加工工件運輸到數控加工單元，再根據總控單元指令完成工件加工，然后由上/下料單元將加工完畢的工件運送到檢測單元，在檢測臺上自動測量后，測量信息將上傳給總控單元，總控自動剔除不合格工件，由數控系統對工件誤差進行補償，再將不合格工件運送到機床中加工，由機器人單元完成加工、檢測、自動補償等操作，最終實現對工件的智能制造。該系統中機器人卡爪帶有傳感器，一旦抓取工件失敗會自動糾正，再次抓取，從而實現智能運輸。該系統主要功能如下：①倉儲單元，對原材料、殘次品與成品等進行自動出入庫管理;②數控加工，主要負責產品加工;③自動檢測，依靠自動檢測技術，保障產品質量與工業全閉環相符;④自動清洗烘干，對工件自動清洗、烘干;⑤信息管理單元，采用信息手段對機床上下料、數控單元運行過程動態監控，并對機器人運行中的關鍵信息進行處理，實時監測機器人運行全過程，保障設備持續運行，降低停機頻率，使加工程序管理更加高效，同時也方便對設備進行科學維護。

2.3 應用方法

在系統運行期間，當機器人抓取到相應工件并運輸到指定地點后，可將信號發送給數控機床，要求其開啟防護門。本文對機器人與機床間的信號傳遞進行重點分析。

2.3.1 機器人發送信號，機床接收

在該狀態下，機器人程序語句為：Signal：通知機床開啟防護門;然后查看機器人的接口地址，因機器人與主站間依靠I/O通信，可參考主站地址，對機器人傳輸信息與接口地址進行設計。根據圖紙可獲取機器人輸出signal硬件接口為OUT1，與之相對應的主站信號為I0.4;在確定輸入信號后，可在S7-300PLC中設計邏輯程序，根據S7-300與S7-200間的通信協議，得出S7-300信號與S7-200信號的V0.4相對應。在對機床PMC程序設計時，可先對S7-200信號接口地址Q0.1進行分析，與之對應的輸入信號為X0.1，在PMC中程序設計如圖2所示。當信號Y6.4為1時，將繼電器與接觸器相結合，可觸發防護門，使電磁閥與防護門開啟。待機床加工工件結束后，防護門便會自動開啟，此時液壓卡盤也會松開，機器人在接收信號后便會來抓取工件[3]。

2.3.2 機床發送信號，機器人接收

當機床防護門與液壓卡盤到位后，便會發出信號Y6.0。機床從站通過I/O通信方式對硬件接口地址進行查看，并與主站地址相對比，由此設計S7-200輸出與輸入信號地址。根據圖紙可知，機床加工完成信號M24對S7-200PLC進行觸發，輸入信號為I1.3;在確定輸入信號后，可在PLC中設計邏輯程序，根據通信協議，由S7-200輸出信號與S7-300輸入信號相對應，可將輸出信號發送給機器人。根據圖紙，將S7-300的輸出信號分別表示為Q0.3、Q0.4與Q0.5，分別對輸入的IN1、IN2與IN3機器人信號相對應，利用AS語言可將其轉變為1001、1002與1003，由此可對機器人程序進行設計，即wait：1001、1002、1003三個信號。待滿足等待條件后，機器人便會移動到指定位置，按照事先設定的指令抓取工件，并將其移動到指定地點，順利完成抓取任務。

2.3.3 數控PMC程序應用

PMC程序依靠梯形圖的方式表示，將程序在內部轉化為某格式，CPU對其進行譯碼，并將結果傳入ROM中保存。利用CPU可快速讀取存儲器內的各條指令，通過計算執行相應程序。在數控機床應用中，刀具選擇、輔助動作與開關均要通過PMC來完成，控制信號流程如圖3所示。

在加工程序指令應用中，M代碼利用4字節二進制數輸出，以M03為例對代碼流程進行分析。在代碼輸出后，可對指令MF信號進行讀取，這就意味著輸出M信號已經確定。在利用PMC進行代碼編譯時，利用DECB指令，可一次性對8個代碼進行編譯。一旦主軸正轉指令被實施后，正轉信號便會變成1。在M功能完畢后，代碼會變成0，此時MD0.3信號與會變為0。要想在同一個程序段完成移動、暫停等指令時，還應等待分配信號。該信號可向PMC發送主軸、輔助與道具等功能，并對PMC側的完成信號狀態進行控制。

3? 智能制造時代下機械設計技術的應用要點

在國內機械制造的實際發展中，因智能化水平較低，導致信息集成度降低、共享性減弱，不利于智能技術在機械制造中的充分應用。針對上述問題，可通過智能分類資源、強化創新思維、引入網絡技術等方式，使機械制造更加智能，滿足現代工業發展需求。

3.1 智能分類資源

在機械制造期間，應將產品與工藝有機結合起來，使資源得到合理分配，使智能制造效率與質量得到有效保障。對此，可設計合理方式對整體機械制造過程進行模擬，及時發現機械制造中存在的問題。通過創建資源共享中心，對機械制造情況實時監督，將生產制造數據存儲到系統內。在制造過程中，通過讀取產品要求的方式調整工藝，使其與生產標準相符合。當檢測器發出預警信號后，需要工作人員及時設置系統信息，確保其應用效果。

3.2 強化創新思維

在智能制造背景下，應將創新思維引入制造設計中，不但使制造技術得以優化，還要結合生產情況進行創新，更有利于智能制造的長遠發展。對此，應加強技術交流，學習發達國家的智能技術，并對其補充和完善，挖掘信息背后的價值，將其作為參考依據，為未來智能制造設計技術更新換代提供助力，彌補國內智能制造方面的技術缺口。

3.3 引入網絡技術

網絡技術可為數據傳輸提供有利通道，使傳輸內容更加準確全面，推動智能機械技術更新優化甚至換代;網絡技術的應用還打破傳統的加工方式方法，通過變量調整控制整個機械運行流程，從而實現對制造過程的遠程監控;網絡技術的應用還可將系統指令迅速傳遞到生產中，使制造效率與質量顯著提升;由于機械制造工藝的復雜性，網絡技術可有效支持對大量所需需材料的信息對比，擇優選擇，顯著提升機械制造水平。

4? 結論

綜上所述，在現代制造業發展中，以數控系統為核心，設計并應用機器人群控智能制造系統，實現智能運輸是實現產品智能制造的有益探索。在實際應用中，還應通過智能分類資源、強化創新思維、引入網絡技術等方式，不斷提高智能機械制造水平，實現由人工到機器的過渡，提高運行效率，推動國內制造業的健康長久發展。

參考文獻：

[1]馮振華，胡延鶴.探究智能制造時代機械設計技術的幾點研究[J].內燃機與配件，2019（11）：218-219.

[2]黃少華.智能制造時代背景下機械設計技術問題及措施研究[J].世界有色金屬，2020（01）：200，203.

[3]呂光.關于智能制造時代機械設計技術的幾點探討[J].經營者，2019，033（009）：138.