王 姚 ， 李汝翀

（湖南交通工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001）

在信息技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，各行各業(yè)在信息技術(shù)的輔助下都取得了一定的發(fā)展優(yōu)勢(shì)，機(jī)械制造行業(yè)作為現(xiàn)代工業(yè)化社會(huì)發(fā)展過程中極為重要的行業(yè)，為進(jìn)一步提升這一行業(yè)的發(fā)展質(zhì)量，將信息技術(shù)與機(jī)械設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造融為一體已經(jīng)成為降低人力資源消耗、提升機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)質(zhì)量的最有效的方式之一。

1 信息技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化中的優(yōu)勢(shì)

1.1 提升機(jī)械設(shè)計(jì)制造效率

在當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)制造工作開展的過程中，信息技術(shù)的合理應(yīng)用可以在一定程度上簡(jiǎn)化傳統(tǒng)手工機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)操作的流程，縮短生產(chǎn)時(shí)間，達(dá)到提升機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造效率的目的。同時(shí)，這種自動(dòng)化程度較高的設(shè)計(jì)制造方式還能提升機(jī)械設(shè)計(jì)制造產(chǎn)品的精確度，便于生產(chǎn)企業(yè)有效地控制產(chǎn)品的質(zhì)量，降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，提高自身的經(jīng)濟(jì)效益。以汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造為例，過去的發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)過程中，受零件裝配、零件質(zhì)量等因素的影響，發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)質(zhì)量、效率往往存在較大的不確定性?，F(xiàn)階段，將自動(dòng)化機(jī)械設(shè)計(jì)制造應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)過程中，由自動(dòng)化打號(hào)機(jī)、擰緊機(jī)、可調(diào)機(jī)械臂等設(shè)備代替人工組裝零部件[1]。

1.2 提升機(jī)械設(shè)計(jì)制造安全性

在傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)制造過程中，大多由人工操作機(jī)械設(shè)備，進(jìn)行產(chǎn)品的生產(chǎn)，受機(jī)械設(shè)備故障、人員操作失誤等問題的影響，這種生產(chǎn)方式往往存在較多的安全隱患?，F(xiàn)階段，為了在降低安全隱患出現(xiàn)概率的基礎(chǔ)上，切實(shí)降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，將信息技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程中，減少人工工作量，在提升機(jī)械設(shè)計(jì)生產(chǎn)自動(dòng)化水平的同時(shí)，有助于降低機(jī)械設(shè)備對(duì)人員的傷害。同時(shí)，將信息技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)制造工作中，可以由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有效監(jiān)控機(jī)械設(shè)計(jì)制作的流程，并且通過對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析記錄的方式，及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)制造過程中設(shè)備中的故障并處理，避免對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造活動(dòng)產(chǎn)生不利影響。

1.3 便于遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)械設(shè)計(jì)制造流程

現(xiàn)階段，大部分融入信息技術(shù)的自動(dòng)化機(jī)械設(shè)計(jì)制造設(shè)備可以由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備的工作情況，這種情況的出現(xiàn)使得工作人員往往不需要在機(jī)械設(shè)備邊上，就可以借助計(jì)算機(jī)系統(tǒng)了解設(shè)備的實(shí)際情況，并通過對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造流程進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的方式切實(shí)保證產(chǎn)品生產(chǎn)流程的穩(wěn)定性。

2 信息技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化中的應(yīng)用

筆者以某制造企業(yè)為例，該企業(yè)為了提升機(jī)械制造加工的效率，考慮升級(jí)改造現(xiàn)有機(jī)械加工設(shè)備。為此，該企業(yè)利用信息技術(shù)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行自動(dòng)化改造，具體設(shè)計(jì)方案如下。

2.1 大型閉式壓力機(jī)自動(dòng)上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案

在當(dāng)前的自動(dòng)化機(jī)械設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程中，用自動(dòng)化上下料機(jī)械手代替人工完成取料、送料、取件等工作，不僅能夠降低生產(chǎn)的危險(xiǎn)性，還能節(jié)約生產(chǎn)成本、提升工件的加工質(zhì)量?，F(xiàn)階段，在大型閉式壓力機(jī)自動(dòng)上下料機(jī)械手的生產(chǎn)制造過程中，明確機(jī)械手的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，為其設(shè)定合適的生產(chǎn)節(jié)拍，確定其主要的機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)，成為了極為重要的工作。

2.1.1 機(jī)械手的需求分析

在當(dāng)前的大型閉式壓力機(jī)自動(dòng)上下料機(jī)械手需求分析的過程中，設(shè)計(jì)人員可以從企業(yè)生產(chǎn)需求、沖壓設(shè)備實(shí)際需要、訂單及自動(dòng)化系統(tǒng)、機(jī)械手設(shè)計(jì)要求等方面進(jìn)行分析，以便為后續(xù)機(jī)械手的設(shè)計(jì)生產(chǎn)工作提供有效的支持。具體來說，在分析機(jī)械手的實(shí)際應(yīng)用需求的過程中，設(shè)計(jì)人員需明確大型閉式壓力機(jī)自動(dòng)上下料機(jī)械手主要被應(yīng)用于材料的沖壓工作當(dāng)中，并且機(jī)械手在其中的具體應(yīng)用方式為，先將材料放在沖壓機(jī)的相應(yīng)位置，由壓力機(jī)與模具對(duì)材料施加適當(dāng)?shù)膲毫Γ共牧铣蔀橛兄欢ǔ叽缗c形狀的沖壓件，然后將沖壓件取下，放在另一相應(yīng)位置。因此，機(jī)械手在設(shè)計(jì)過程中，需要能用上料機(jī)械手拾取中臺(tái)上的板料、等待壓力機(jī)的上料信號(hào)、將板料及時(shí)送到壓機(jī)下模具上、在沖壓完成后取出沖壓件，并且保證這一系列操作節(jié)拍具有高塑性與安全性的特點(diǎn)。

2.1.2 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式分析

在當(dāng)前大型閉式壓力機(jī)自動(dòng)上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)過程中，能夠保證機(jī)械手正常驅(qū)動(dòng)的方式包括液壓驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)與氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，并且不同的驅(qū)動(dòng)方式與機(jī)械手操作的穩(wěn)定性、精確性之間存在著一定的聯(lián)系。

首先，液壓驅(qū)動(dòng)為機(jī)械手提供的推力與轉(zhuǎn)矩都比較大，可以有效實(shí)現(xiàn)低速大噸位機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)。在功率相同的情況下，液壓驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)較為緊湊，體積較小，這種情況以液壓驅(qū)動(dòng)方式機(jī)械手的布局安裝靈活性更高。同時(shí)，在液壓油的作用下，機(jī)械手中的液壓元件可以實(shí)現(xiàn)自潤滑，達(dá)到延長機(jī)械手整體使用壽命的目的。但需要注意的是，受液壓油在實(shí)際應(yīng)用過程中無法在過高或過低溫度下穩(wěn)定發(fā)揮自身作用的影響，若外界環(huán)境溫度過高或過低都可能導(dǎo)致機(jī)械手的傳動(dòng)能量損失大大增加，并且在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，其檢查難度也比較大。

其次，電氣驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力源主要為伺服電機(jī)，在實(shí)際應(yīng)用過程中，伺服電機(jī)與PLC、控制器等部件結(jié)合，通過分析傳感器、編碼器等控制裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)使用這種驅(qū)動(dòng)方式的機(jī)械手進(jìn)行快速響應(yīng)與確定定位。若機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式為電氣驅(qū)動(dòng)，那么在應(yīng)用過程中，機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)噪聲、污染源都比較少，并且由于機(jī)械手中不存在液壓油、氣泵等部件，可以在一定程度上節(jié)約后期設(shè)備檢修維護(hù)的成本。但需要注意的是，電氣驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源中往往存在電機(jī)、傳感器等部件，這些部件的元件成本相對(duì)較高，往往會(huì)增大機(jī)械手制造成本。

最后，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力源主要介質(zhì)為壓縮的空氣，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)可以在高溫、灰塵、潮濕等惡劣環(huán)境中穩(wěn)定工作，并且對(duì)環(huán)境的影響比較小。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)元件的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，維護(hù)難度比較小。但需要注意的是，氣動(dòng)系統(tǒng)無法做高壓負(fù)載輸出，并且隨著空氣的壓縮性增大，系統(tǒng)動(dòng)作的穩(wěn)定性將會(huì)降低，在工作過程中往往會(huì)產(chǎn)生噪聲。同時(shí)，由于氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)在使用過程中負(fù)載變化與元件速度之間存在著直接的聯(lián)系，因此，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的速度控制難度比較大，無法滿足精密運(yùn)動(dòng)的需要[2]。由于大型閉式壓力機(jī)自動(dòng)上下料機(jī)械手在實(shí)際應(yīng)用過程中，對(duì)定位精度有著較高的要求，并且需要具有一定的位置自鎖功能，對(duì)上述三種驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行分析后，可以選擇電氣驅(qū)動(dòng)作為機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式。

2.1.3 機(jī)械手設(shè)計(jì)方案

大型閉式壓力機(jī)自動(dòng)上下料機(jī)械手的方案設(shè)計(jì)主要可以分成整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、端拾器設(shè)計(jì)、主要參數(shù)設(shè)計(jì)等。

首先，在進(jìn)行機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，可以以桁架式機(jī)械手為基礎(chǔ)，研究機(jī)械手各部分功能。1）承載座是機(jī)械手實(shí)現(xiàn)兩側(cè)支撐的方式，桁架的兩端被固定在承載座上，在實(shí)際連接過程中，與壓力機(jī)相連接的那部分承載座需要避開壓力機(jī)立柱上的管路。2）桁架式機(jī)械手的主要承載部件，安有導(dǎo)軌、齒輪等部件。3）X軸機(jī)械臂可以利用齒輪齒條的傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)桁架上的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，為切實(shí)滿足X軸機(jī)械臂較大運(yùn)動(dòng)行程、精度誤差需小于0.1 mm的要求，需要使用導(dǎo)軌滑塊作為其導(dǎo)向與支撐部件。4）Z軸機(jī)械臂主要是以齒輪齒條作為傳動(dòng)方式，并且行程較短，為避免在停機(jī)狀態(tài)下，Z軸機(jī)械臂受自重的影響出現(xiàn)滑動(dòng)現(xiàn)象，需要在安裝過程中保證Z軸機(jī)械臂有抱閘功能。5）Y軸機(jī)械臂作為車間內(nèi)主要承擔(dān)行車換模、換料功能的部件，在實(shí)際應(yīng)用過程中，與壓力機(jī)之間的距離往往在5 m左右，其Y軸方向的移動(dòng)距離在2.5 m左右，現(xiàn)階段，為避免Y機(jī)械臂在使用過程中對(duì)壓力機(jī)的正常工作產(chǎn)生影響，可以在Y軸方向上，將Y軸機(jī)械臂分成Y1與Y2軸機(jī)械臂兩部分。

其次，在端拾器設(shè)計(jì)過程中，為保證端拾器能夠切實(shí)滿足壓力機(jī)自動(dòng)化上下料的需要，端拾器可以先在料垛區(qū)完成垛料的分張、拆垛、對(duì)中與涂油，然后將板料送到指定位置，再由上料機(jī)將板料從中臺(tái)上送到壓力機(jī)上?，F(xiàn)階段，依據(jù)板料的拾取方式不同，拾取器可以分成電磁吸附式拾取器、機(jī)械夾鉗式拾取器、永磁鐵吸附式拾取器以及真空吸盤式拾取器，并且上述拾取器的具體工作原理與優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。在本次機(jī)械手設(shè)計(jì)過程中考慮到壓力機(jī)的實(shí)際使用需要，可以采用電磁吸附式端拾器對(duì)板料進(jìn)行運(yùn)輸[3]。

表1 不同拾取器的比較

最后，面對(duì)不同的使用環(huán)境，桁架式上下料機(jī)械手的定位精度、運(yùn)行速度尺寸等設(shè)計(jì)要求存在著一定的差異。在當(dāng)前的機(jī)械手設(shè)計(jì)過程中，為切實(shí)減少機(jī)械手各部分設(shè)計(jì)計(jì)算的難度，可以應(yīng)用Solid Works系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行建模處理，然后得到設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。并且在機(jī)械手的實(shí)際應(yīng)用過程中，為盡量延長機(jī)械手的使用壽命，可以在滿足節(jié)拍器要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)用信息技術(shù)對(duì)設(shè)備的最優(yōu)運(yùn)動(dòng)速度、加速度、位置等信息進(jìn)行分析，并通過將其應(yīng)用于機(jī)械手的實(shí)際應(yīng)用過程中的方式，切實(shí)滿足機(jī)械手的使用需要。

表2 大型閉式壓力機(jī)自動(dòng)上下料機(jī)械手的主要參數(shù)

2.1.4 機(jī)械手的總體控制方案

在自動(dòng)化機(jī)械設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程中，控制系統(tǒng)的信息化程度與其自動(dòng)化程度之間存在著直接的聯(lián)系。現(xiàn)階段，為進(jìn)一步提升大型閉式壓力機(jī)自動(dòng)上下料機(jī)械手工作的協(xié)調(diào)性、安全性與穩(wěn)定性，選擇一種合適的控制方式，為機(jī)械手設(shè)計(jì)合適的控制系統(tǒng)成為了極為必要的工作。具體來說，當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)過程中，較為常用的自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要包括單片機(jī)、繼電邏輯、可編程控制器等控制系統(tǒng)，相較于工作頻率較低的繼電邏輯控制系統(tǒng)，可編程控制器具有操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定性高、程序設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)，并且在實(shí)際應(yīng)用過程中，可以實(shí)現(xiàn)故障自檢。為切實(shí)降低自動(dòng)化管理的難度，可編程控制器的使用范圍不斷擴(kuò)大。因此，在大型閉式壓力機(jī)自動(dòng)上下料機(jī)械手設(shè)計(jì)過程中，為更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手行為的有效控制，可以應(yīng)用可編程控制系統(tǒng)，為其編寫控制程序，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的自動(dòng)化運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2 大型閉式壓力機(jī)自動(dòng)上下料機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)

近年來，隨著工業(yè)自動(dòng)化的不斷發(fā)展，為了在盡可能控制大型閉式壓力機(jī)自動(dòng)上下料機(jī)械手整體成本的同時(shí)，進(jìn)一步提升系統(tǒng)操作的可靠性與穩(wěn)定性，可以將具有較強(qiáng)抗干擾能力、功能完善的工業(yè)可編程控制程序應(yīng)用到機(jī)械手當(dāng)中。具體來說，在可編程控制器的應(yīng)用過程中，可以通過語句描述、圖形、功能表圖等語言編程的方式，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、故障自動(dòng)診斷等功能，進(jìn)一步提升機(jī)械手功能控制的可靠性，降低人員控制機(jī)械手的難度，提升管控的安全性。以上料機(jī)械手控制系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)的功能為例，上料機(jī)械手的功能是將涂油板料送到壓力機(jī)下模具上，具體工作流程為：在中臺(tái)上拾取板料—等待壓力機(jī)的上料信號(hào)—當(dāng)信號(hào)發(fā)出后將板料放到壓力機(jī)下模具上—端拾器移動(dòng)到送料位—釋放板料。為保證上述流程操作的準(zhǔn)確性，在進(jìn)行上料機(jī)械手的系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，可以將其坐標(biāo)方式設(shè)置為絕對(duì)式坐標(biāo)系，當(dāng)機(jī)械手出現(xiàn)急停、開機(jī)錯(cuò)誤等問題時(shí)，為保證定位的準(zhǔn)確度，機(jī)械手需要先回到原點(diǎn)位置，然后再重復(fù)上述工作流程。同時(shí)，保證機(jī)械手在工作過程中位置可以移動(dòng)，并且控制機(jī)械手的定位誤 差在0.1 mm以下[4]。

3 結(jié)論

綜上所述，在信息時(shí)代的發(fā)展背景下，自動(dòng)化技術(shù)得到了有效的發(fā)展，并且這種情況的存在切實(shí)推動(dòng)了機(jī)械制造行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。現(xiàn)階段，為切實(shí)提升機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)的整體生產(chǎn)效率與生產(chǎn)質(zhì)量，深入研究信息技術(shù)與機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)之間的聯(lián)系，成為了一項(xiàng)極為必要的工作。