沈曉輝

（臨沂臨工金利機械有限公司，山東 臨沂 276023）

在智能制造時代背景下，設(shè)計技術(shù)對于智能機械制造業(yè)的發(fā)展有著不可或缺的作用。就我國而言，在智能機械制造方面還處于初級階段，尤其是在設(shè)計環(huán)節(jié)還比較薄弱，同時又是整個制造環(huán)節(jié)的重點，所以需要在設(shè)計技術(shù)方面強化研究。筆者就此進(jìn)行以下幾點思考。

1 智能制造時代機械設(shè)計的特點分析

1.1 安全性更高

機械智能化設(shè)計過程較為漫長，且具有較強的整體性，在設(shè)計中，為彰顯科學(xué)合理性，需要利用網(wǎng)絡(luò)載體來傳輸和監(jiān)督數(shù)據(jù)，確保操作技術(shù)不斷完善，且制造存在異常時，能及時地進(jìn)行故障自檢，確保問題得到解決，不僅整個設(shè)計的過程安全，而且對機械產(chǎn)品的安全性和智能性要求更高。

1.2 資源能耗低

智能機械制造業(yè)是通過智能化技術(shù)手段制造機械，能在很大程度上降低材料損耗，這主要得益于智能機械設(shè)計中能精確計算材料，同時也滿足當(dāng)前節(jié)能降耗的需要，尤其是在當(dāng)前對機械的智能化程度和節(jié)能水平要求日益提升的今天，使得資源能耗的需求更低。

1.3 智能便捷化

智能機械最大的優(yōu)勢就在于具有較強的智能化水平，且整個機械制造過程屬于智能化運行的全過程，只要在一鍵操作下就能確保所有制造工具完成，使得制造過程的便捷化程度更高。通過智能機械制造，使得整個流程更加安全、完整、簡潔，同時能節(jié)約大量的資金，尤其是人性化和智能化水平的提升從而適應(yīng)時代發(fā)展的需求。

2 智能制造時代機械設(shè)計的技術(shù)問題梳理

由于目前的智能機械制造技術(shù)處于初級發(fā)展環(huán)節(jié)，存在的技術(shù)問題較多，具體主要體現(xiàn)在以下幾個方面：一是齒輪故障，比如，突發(fā)性避障、突然剝落故障，常見形式有磨損、裂紋等；二是軸承故障，常見的有U性剝落故障，進(jìn)而發(fā)生燒傷、變形的問題；三是軸故障，常見的有的疲勞坑深度，V型剝落故障，磨損、斷裂等；四是油封故障，深層裂紋、硬化剝落故障，比如，老化、變形、裂紋的問題。

3 技術(shù)思考

3.1 資源分類

智能制造中，產(chǎn)品制造與技術(shù)應(yīng)用有著十分緊密的聯(lián)系，智能制造在資源分類方面有著十分重要的作用。在智能系統(tǒng)運行時，能采集相關(guān)設(shè)計信息，再根據(jù)信息要求對模擬制造流程進(jìn)行監(jiān)理，構(gòu)建基于機械的資源共享，在控制器中顯示機械標(biāo)識的部分，進(jìn)而把信息存儲在制造鏈中，再結(jié)合材料商提供數(shù)據(jù)，從而有效掌控機械制造活動。比如，在機械制造時，當(dāng)信號指示燈出現(xiàn)變化后，設(shè)計和制造均需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，若沒有變化則不用調(diào)整和改變。且在智能家居機械制造中，智能系統(tǒng)與傳統(tǒng)制造系統(tǒng)存在不同，因此在對其精準(zhǔn)性判斷時，應(yīng)安裝電子機械控制軟件，從而及時有效地進(jìn)行檢測和分析，并通過選擇重要信息，對材料使用情況及時地掌握，再針對性地進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，且利用智能化制造系統(tǒng)選擇材料時，還要計算其重復(fù)使用率，同時結(jié)合現(xiàn)有環(huán)境為基本，對產(chǎn)品生產(chǎn)周期進(jìn)行計算，并通過科學(xué)分類，滿足智能機械制造的需要。

3.2 智能技術(shù)

在智能機械制造設(shè)計中，采用的智能技術(shù)較多，在實際設(shè)計過程中，應(yīng)緊密結(jié)合自身實際情況，有效考量產(chǎn)品的綜合性，從而確保智能技術(shù)與產(chǎn)品生產(chǎn)過程相結(jié)合。例如，在智能化系統(tǒng)中將質(zhì)量實現(xiàn)過程輸入后，智能系統(tǒng)就能對輸入的設(shè)計方案進(jìn)行分析，并結(jié)合實際需要，針對性地對方案進(jìn)行優(yōu)化和完善，以確保設(shè)計方案的最優(yōu)化。而且在應(yīng)用智能技術(shù)時，需要在節(jié)能方面加強重視，比如，在智能終端上進(jìn)行諧波過濾器的安裝，從而更好地感知存在的混亂信號，使機械的智能化水平不斷提升。

3.3 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

智能網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在機械制造過程中的應(yīng)用，旨在促進(jìn)傳統(tǒng)制造工藝的完善和優(yōu)化。所以，在制造時利用智能網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，使得機械制造現(xiàn)場得到更加完善和有效。同時，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)確保產(chǎn)品能及時地得到監(jiān)控，使得整個設(shè)計過程更加科學(xué)。

3.4 案例分析

本案例選取水下電動機械臂的設(shè)計為例，為加強智能機械設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用，本工程設(shè)計的案例采用輕小型機械臂，不僅體積小，而且質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)較為簡單，有良好的經(jīng)濟性，主要適用于簡單水下作業(yè)，自由度為5+1，采用電動驅(qū)動，空氣質(zhì)量小于3kg，負(fù)載0.5kg，作業(yè)半徑為450mm，最大下潛深度為100m，最大抓取尺寸為70mm。

在對機械臂的自由度進(jìn)行設(shè)計時，主要是采用智能設(shè)計系統(tǒng)對其自由度進(jìn)行模擬，由于只是進(jìn)行簡單的水下工作，所以自由度不高，能確保采集樣品即可，但是，水下工作環(huán)境復(fù)雜，所以需要降低本體運動消耗量，那么，機械臂的自由度也不能太小。

在對機械臂自由度結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計的基礎(chǔ)上，按照其設(shè)計技術(shù)指標(biāo)，將最大臂長、標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載和抓取目標(biāo)的最大直徑等參數(shù)設(shè)計指標(biāo)輸入三維設(shè)計軟件（SOLIDWORKS）開展虛擬建模。

在對該機械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，主要是采用簡單控制作為設(shè)計原則，結(jié)構(gòu)采取模塊化設(shè)計，每個關(guān)節(jié)模塊中都包含電機、角度傳感器、減速器和連接固定件，每個模塊在完成設(shè)計后需要確保關(guān)節(jié)模塊連接問題即可，其中底座主要是采用螺栓在本體上安裝，而底座回轉(zhuǎn)模塊則是借助連接軸和在底座內(nèi)安裝的電機進(jìn)行連接，其余模塊之間則是采用電機軸來連接，而另一側(cè)則是采用軸承來固定，腕部模塊末端則是采取電機軸和手爪模塊來連接，從而得到手爪回轉(zhuǎn)自由度。其中，手爪模塊的結(jié)構(gòu)采用齒輪雙鉸式結(jié)構(gòu)，在手爪一側(cè)安裝的電機帶動手爪的另一側(cè)手指來轉(zhuǎn)動。

而在選擇機械臂材料時，主要是結(jié)合工作環(huán)境和工作要求，由于需要在水下運行，不僅具有較強的可靠性和穩(wěn)定性，而且還具有較強的耐腐蝕性，同時，考慮水下作業(yè)時被附加質(zhì)量、浮力和水阻力帶來的影響，所以在本體重量上需要較輕，才能將運動慣性和水動力影響降到最低，在選擇機械臂材料時，應(yīng)根據(jù)強度、密度、剛度、耐腐蝕性、塑性、表面疏水性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性等因素的考慮。常見的機械臂材料有鋁合金、不銹鋼、鈦合金，在本設(shè)計中，主要選擇采用鋁合金，不僅能滿足材料質(zhì)量輕的要求，而且價格便宜，同時，密度高，可塑性強。

在做好各種材料選擇的基礎(chǔ)上，對該機械模型開展運動控制仿真試驗，以確保其智能化水平得到提升。在設(shè)置參數(shù)時，機械臂關(guān)節(jié)角度的初始值是0.09，關(guān)節(jié)角速度初始值是0，關(guān)節(jié)角度期望運動的指令是0.1sint。而在設(shè)置好參數(shù)的基礎(chǔ)上，利用模糊RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制參數(shù)設(shè)置，采用滑模函數(shù)和高斯函數(shù)對其模糊FRB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法進(jìn)行了分析，為確保控制精度得到保障，隱性層數(shù)為31，并對水下機械臂模型控制時，將MATLAB與SIMULINK進(jìn)行聯(lián)合仿真，得到的5個關(guān)節(jié)響應(yīng)數(shù)據(jù)基本相同，對設(shè)計的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行了驗證，發(fā)現(xiàn)設(shè)計的強度和經(jīng)濟性均與實際需求相符。

在設(shè)計過程中，為了滿足智能化制造的需要，還開發(fā)了基于DNC網(wǎng)絡(luò)的數(shù)控加工平臺，同時，利用基于windows的IDE操作系統(tǒng)，對整個機械臂的操作過程進(jìn)行了人機交互界面設(shè)計，這樣機械臂在水下的運行情況，均能通過人機界面展示出來，同時，在傳感手臂上設(shè)置的數(shù)據(jù)采集模塊，能對整個機械臂的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，確保整個任務(wù)管理模塊能及時地掌握機械臂的運行動態(tài)，從而在水下進(jìn)行智能化采集。因此，需要在實際設(shè)計中，切實加強智能技術(shù)與機械設(shè)計的有效結(jié)合，并采用關(guān)節(jié)驅(qū)動電機，使機械臂的關(guān)節(jié)驅(qū)動質(zhì)量和舵機驅(qū)動滿足節(jié)能運行的需要。

4 結(jié)語

綜上所述，本文采用理論與實踐相結(jié)合的方式，對智能制造時代的機械設(shè)計技術(shù)提出了幾點思考，需要我們緊密結(jié)合實際工作的需要，切實加強智能機械設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用，著力提升設(shè)計的智能化和科學(xué)化水平。