機械設計制造及其自動化技術的智能應用分析

李雪凝

（長沙理工大學， 湖南 長沙 410000）

1 智能制造時代機械設計制造概述

1.1 智能機械制造的優勢

在智能制造中，由于機械制造具備了高精度、生產過程能源耗費較低、生產作業簡便等的特征。在生產制造中，按照特定的生產過程檢查和調節制造參數、生產流程和生產工藝，有效地提高了機器制造的效率；在制造流程中，能及時地發現存在的不良現象，并經過檢測、預警、查詢、處理等流程，能有效提升機械制造的準確度；另外，由于在機器中配置了變壓器系統，增強了設備間的可靠性，降低了設備之間的摩擦，減少了能源耗費。

1.2 智能機械制造的發展趨勢

機械設備制造業已經成為我國國民經濟發展的主要支柱產業之一，并正向著自動化、智能化趨勢發展。在智能時代，機械設備制造商應該提高環境保護能力，并加強在設計環節中采用綠色環保的材料，以使機械制造設計更符合可持續發展的原則；并且在實際使用過程中的機械特性也需要進一步改善，以增加設備的生產能力；另外，企業還需要增加管理技術的實用性。通過增加企業對機械制造優勢與特點的研究，以及通過智能化技術的運用，提高企業對生產過程的控制，增加企業生產流程的彈性[1-2]。

2 機械設計制造自動化的特點

2.1 可靠性

智能自動化技術的應用能夠較好地避免事故發生，同時相關工作人員也可以不再進行手工操作，通過計算機程序就能實現遠程操控。但在這一過程中難免會出現問題，因此，均需在程序編寫過程中反復檢查，避免出現安全隱患，如若發生重大事故應立即采取相應的補救手段，這能降低或避免工作人員在作業過程中出現事故。

2.2 高效性

工程機械設計制造自動化具有高效性，盡管實際參與制造的人較少，但其過程擁有很好的秩序性和條理性，而且沒有出現延遲的現象。采用自動化控制，能有效提高工作效率。通過傳感器技術和電腦系統等設備對產品及工序進行檢測分析進行加工處理，利用PLC 程序實現對整個生產過程的監控和管理。

2.3 機械自動化技術的意義

機械自動化技術帶來了新的工作環境與新的發展方向。它不僅是一種先進的技術，更是一種先進的科學管理理念。

3 機械自動化技術的實際應用（以機器人為例）

3.1 工業機器人

不同的機器人有不同的結構類型，通過對機器人的結構上的分析可以進一步對機器人進行分類。

工業機器人可分為直角坐標型機器人、球坐標型機器人、圓柱坐標型機器人和多關節型機器人。碼垛機器人在進行構型選擇與設計時，需要遵循四個原則：保證機械臂的工作空間能夠滿足作業要求；在滿足工作環境的條件下，盡可能減少自由度；為了避免出現機械臂不可控制和損壞機械臂的情況，需要消除機械臂的奇異位型；以及合理設計機構，機械臂能夠正常運動和方便制造。從機械手的坐標結構來看主要分為直角坐標、圓柱坐標、球坐標、關節坐標。氣爪的氣動控制，氣爪部分是用來實現抓取的功能，是實現現代機械手控制的關鍵，氣爪由氣缸提供抓取力，可以實現對于重物的抓取，如圖1 所示。

圖1 氣爪形態示意圖

3.2 農業機器人

采摘機器人分別由視覺定位系統、機械臂系統、末端執行機構系統以及總控制系統組成。具體實例如下：

1）椰子機器人：可以像人一樣對物品進行抓取，有類似于人的關節，同時也有類似與人的大腦的控制系統，來控制不同的關節之間的移動，簡單說這類機器人是有驅動、傳統以及控制的系統三部分組成，由視覺識別系統對椰子進行識別，識別后有升降臺將小車的執行部件運送到指定的位置，從而實現抓取的操作。抓取下椰子之后，直接將椰子放到地面上。

2）自動噴藥機器人：目前最常見的噴藥機是人操作的背負式噴霧器，對于高大的植物則采取了使用航空噴霧的方法。噴藥機器是通過機器運動的手段對噴藥裝置進行驅動，大部分是使用輪子進行驅動，同樣也有使用履帶驅動。

無論什么形式的噴藥裝置，最大的特點都是可以通過各種手段實現對人力的替代，提高工作效率。但我國額定噴藥機器的研究仍然較落后，傳統噴藥方式的缺點主要為效率低，人力成本大。經過不斷研究發現，國內諸多果蔬的采摘、施肥、噴藥等工作已經采用自動噴藥裝置來取代人工操作。噴藥裝置的應用可以極大提高工作效率，達到靈活噴藥的目的，這些噴藥裝置基本上都應用于園林的護工等工作上[3]。

通過研究調查多個自動噴藥裝置發現，果園噴藥裝置主要分成三部分，即噴藥系統、行走系統和控制系統。噴藥裝置的設計重點是在底盤的結構設計，即行走機構的設計；噴藥系統的設計，即噴藥的方式以及噴藥用的藥水存儲方式，以及基本的控制系統組成，不同的系統有不同的控制邏輯以及基本的控制方法。其底盤布局和整體結構如圖2、圖3 所示。

圖2 底盤布局

圖3 整體結構

由于果園中的環境比較復雜，噴藥裝置在操作時為了適應果園復雜的工作環境，設計一個履帶行走機構，來實現爬坡等操作。行走機構外側是通過履帶和地面直接接觸，履帶的作用是為了增加與小車與地面之間的接觸面積從而減小壓強。當履帶行走機構運動的時候，有電機驅動鏈輪選擇，由鏈輪的轉動帶動著履帶的運動，由于履帶板與路面之間的附著力大于驅動鏈輪、支重輪和導向輪的滾動阻力，所以履帶板不會滑動，而驅動鏈輪、支重輪和導向輪則沿著鋪設的鏈軌滾動，從而驅使整機行走。

4 結語

我國機械制造自動化技術的廣泛應用，促進了機械領域的發展。但我國的此類技術與發達國家相比仍存在一定的差距，應針對目前的問題與難題展開深入的研究，讓智能技術在機械制造技術中得到全面的提升，以此來增強國民經濟的快速發展。