智能制造時代下機械設計技術探析

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（浙江省寧波晶鉆工業(yè)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(fā)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(huán)節(jié)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(xiàn)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(wǎng)絡載體進行數(shù)據(jù)的傳輸與監(jiān)督，保證不斷完善操作技術。當制造出現(xiàn)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(chǎn)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(yōu)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(jié)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(fā)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(jié)能降耗需求。特別是當下機械制造的智能化水平、節(jié)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(yōu)化力度、積極引入創(chuàng)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(xiàn)充分利用。在實際利用環(huán)節(jié)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(chǎn)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(tǒng)準確率高、分析速度快等優(yōu)勢做好對輸入指令的分析，并根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)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(chǎn)產(chǎn)品性能測試，接下來按照反饋的信息和數(shù)據(jù)調整生產(chǎn)流程，確保機械制造質量達標。如果生產(chǎn)操作存在問題，就要按照檢測數(shù)據(jù)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(jié)能降耗的目的。比如在智能操作系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(chǎn)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(tǒng)收集機械制造數(shù)據(jù)和信息，結合產(chǎn)出設計模擬整個機械制造過程，及時發(fā)現(xiàn)其中的問題和不足。第二，打造資源共享中心，實時監(jiān)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(tǒng)的內控制模塊，可以直接在系統(tǒng)內部存儲機械制造數(shù)據(jù)，在生產(chǎn)制造過程中就可以讀取產(chǎn)品數(shù)據(jù)，據(jù)此調整生產(chǎn)制造工藝，保證達到生產(chǎn)標準。若檢測器發(fā)出預警，就意味著機械設計標準和生產(chǎn)工藝之間不匹配，工作人員需要及時設置系統(tǒng)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(tǒng)內部進行電子控制模塊的設置，以實現(xiàn)對產(chǎn)品信息的實時收集，為后期分析產(chǎn)品質量提供準確的信息、數(shù)據(jù)。第三，科學使用大數(shù)據(jù)技術展開分析，在虛擬數(shù)據(jù)庫里存儲海量機械產(chǎn)品信息，按照所需生產(chǎn)信息調用科學有效的生產(chǎn)工藝，提升智能機械制造效果。在對生產(chǎn)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(huán)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(yōu)化力度

和許多發(fā)達國家相比，中國的機械設計行業(yè)技術表現(xiàn)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(fā)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(jīng)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(xiàn)并突出機械設計管理的靈活優(yōu)勢，降低經(jīng)濟生產(chǎn)成本。與此同時，在優(yōu)化機械設計技術操作管理時要從產(chǎn)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(xiàn)的機械設計管理新技術、生產(chǎn)管理新模式，持續(xù)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(chuàng)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(jù)的GDP比重也在不斷的提高，這樣也呈現(xiàn)出快速發(fā)展的態(tài)勢，這樣就使得我們的科學教育高新技術的水平與發(fā)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(chuàng)新來渠道發(fā)展政策的基本理念。對于工業(yè)智能機械裝備制造而言，就要求能夠將工業(yè)創(chuàng)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(xiàn)代化的工業(yè)智能機械技術的研發(fā)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(yè)涉及管理方法的持續(xù)優(yōu)化、創(chuàng)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(jīng)濟性良好，在簡單水下作業(yè)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(yè)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(tǒng)，模擬其自由度。機械臂只進行簡單水下作業(yè)，自由度不高，可以保證樣品采集即可。然而水下作業(yè)環(huán)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(jù)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(shù)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(jié)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(yè)要求、作業(yè)環(huán)境結合起來考慮。因為機械臂要在水下作業(yè)，既要擁有較強的穩(wěn)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(wěn)定性、經(jīng)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(shù)的設置中，機械臂的初始關節(jié)角值為0.09，初始關節(jié)角速度值為0，期望關節(jié)角運動指令為0.1sint。做好參數(shù)設置以后通過模糊RBF神經(jīng)網(wǎng)絡進行控制，即利用滑模函、高斯函數(shù)，分析模糊FRB神經(jīng)網(wǎng)絡的控制算法。為了保證精度控制，隱性層數(shù)是31，在機械臂的模型控制中進行Matlab、Simulink的聯(lián)合仿真，由此得到5個基本相同的關節(jié)響應數(shù)據(jù)。在驗證機械臂設計技術參數(shù)指標之后，發(fā)現(xiàn)設計強度、設計經(jīng)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(wǎng)絡為基礎的數(shù)控加工平臺開發(fā)，并且利用以Windows為基礎的IDE操作系統(tǒng)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(yè)的情況都可以由人機界面來呈現(xiàn)。同時設計傳感手臂的數(shù)據(jù)采集模塊，采集機械臂的所有運行數(shù)據(jù)，保證通過任務管理模塊及時掌握水下機械臂作業(yè)狀態(tài)，進行智能化的水下采集。所以在實際設計環(huán)節(jié)要有機整合智能技術、機械設計，通過關節(jié)驅動電機讓機械臂關節(jié)驅動質量、舵機驅動都能滿足作業(yè)要求。

4 結束語

智能制造是時代發(fā)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(xiàn)階段出現(xiàn)的問題和不足，通過運用智能技術妥善解決，推動技術的創(chuàng)新發(fā)展，最終保障智能機械制造的穩(wěn)健發(fā)展。