付 凱
(濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)有限公司,山東 濟(jì)南 250022)
智能自動(dòng)化是一門涉及機(jī)械、微電子、計(jì)算機(jī)、電氣自動(dòng)化等多門學(xué)科的綜合技術(shù),目前已經(jīng)在機(jī)械制造、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在我國制造業(yè)向高端發(fā)展的過程中,迫切需要一大批高精尖、多功能的機(jī)械設(shè)備。由于其結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜和精密,傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)模式已經(jīng)無法滿足要求,將智能自動(dòng)化技術(shù)運(yùn)用到機(jī)械設(shè)計(jì)中勢(shì)在必行。從機(jī)械設(shè)計(jì)人員角度來看,一方面要辯證看待智能自動(dòng)化技術(shù)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)工作產(chǎn)生的多方面利好影響,另一方面又要熟練應(yīng)用智能自動(dòng)化技術(shù),尤其是集成化、柔性化、虛擬化等技術(shù)。在智能自動(dòng)化技術(shù)的輔助下,將機(jī)械設(shè)計(jì)人員腦海中的創(chuàng)意以三維立體模型的方式呈現(xiàn),為設(shè)計(jì)人員不斷修改、完善設(shè)計(jì)方案以及提高機(jī)械制造精度提供幫助。
機(jī)械設(shè)計(jì)是機(jī)械制造的必要前提。對(duì)于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件精密的大型機(jī)械產(chǎn)品,前期設(shè)計(jì)是一項(xiàng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作。設(shè)計(jì)人員既要從機(jī)械產(chǎn)品的實(shí)用功能出發(fā)展開設(shè)計(jì),保證設(shè)計(jì)出來的方案能夠支持各項(xiàng)功能的順利實(shí)現(xiàn);還要兼顧機(jī)械產(chǎn)品中各個(gè)零部件之間的協(xié)調(diào)配合,并在尺寸精度方面滿足要求。在這種情況下,以人工為主的繪圖設(shè)計(jì)需要花費(fèi)大量的時(shí)間,在設(shè)計(jì)中還會(huì)因?yàn)槭韬龃笠鈱?dǎo)致設(shè)計(jì)方案的實(shí)用性不強(qiáng),對(duì)后續(xù)機(jī)械產(chǎn)品的加工制造也產(chǎn)生了不良影響。對(duì)比來看,使用智能自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì),可以在人工智能技術(shù)和計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的幫助下,代替設(shè)計(jì)人員完成一部分機(jī)械設(shè)計(jì)任務(wù),極大地提升了機(jī)械設(shè)計(jì)效率,縮短了機(jī)械產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到制造的周期,間接地降低了企業(yè)的機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)成本。
機(jī)械產(chǎn)品是由若干個(gè)零部件組成的復(fù)合體,任何一個(gè)零部件出現(xiàn)質(zhì)量問題,都會(huì)對(duì)整個(gè)機(jī)械裝置的可靠運(yùn)行產(chǎn)生影響,甚至?xí)a(chǎn)生嚴(yán)重的安全事故。因此,在機(jī)械設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)人員既要關(guān)注機(jī)械產(chǎn)品各項(xiàng)功能的順利實(shí)現(xiàn),同時(shí)也必須提高各零部件之間的協(xié)調(diào)性以及機(jī)械產(chǎn)品整體的可靠性。將智能自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械設(shè)計(jì)中,不僅能夠讓機(jī)械設(shè)計(jì)內(nèi)容可視化,以三維模型的形式呈現(xiàn)出來,提高設(shè)計(jì)方案的立體感;而且還能支持虛擬漫游、碰撞檢測(cè)等高級(jí)功能[1],這就為設(shè)計(jì)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)方案存在的缺陷以及開展設(shè)計(jì)優(yōu)化工作提供了支持。通過虛擬漫游,設(shè)計(jì)人員可以發(fā)現(xiàn)機(jī)械三維模型隱藏區(qū)域的不合理之處,及時(shí)進(jìn)行修改,提高了機(jī)械設(shè)計(jì)方案的參考價(jià)值。
衡量機(jī)械產(chǎn)品性能的指標(biāo)有多種,例如功能實(shí)現(xiàn)情況、運(yùn)行能耗、機(jī)械磨損、使用壽命、安全性等。基于智能自動(dòng)化技術(shù)的機(jī)械設(shè)計(jì),在按照設(shè)計(jì)方案搭建起機(jī)械產(chǎn)品的三維模型后,可以在虛擬環(huán)境下開展仿真實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證機(jī)械產(chǎn)品各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)情況,以及機(jī)械產(chǎn)品在運(yùn)行中的運(yùn)行能耗、機(jī)械磨損,并預(yù)測(cè)機(jī)械產(chǎn)品的使用壽命等。根據(jù)仿真結(jié)果,設(shè)計(jì)人員可以一目了然地掌握機(jī)械模型在哪些方面達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期,在哪些方面還需要改進(jìn)。在改進(jìn)—仿真—優(yōu)化的循環(huán)過程中,讓機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案得到持續(xù)完善,機(jī)械產(chǎn)品的性能也會(huì)進(jìn)一步提升。
以往的機(jī)械設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)人員手動(dòng)繪制草圖,或者是借助于CAD 等制圖軟件繪制機(jī)械產(chǎn)品的二維圖紙。雖然也能滿足機(jī)械設(shè)計(jì)與制造的需求,但是費(fèi)時(shí)費(fèi)力,并且二維平面圖紙無法反映出一些復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品的細(xì)部設(shè)計(jì)內(nèi)容,制造出來的機(jī)械產(chǎn)品與設(shè)計(jì)人員的預(yù)期存在差異。智能自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的成熟運(yùn)用,能夠解決上述問題,無論是提高機(jī)械設(shè)計(jì)效率,還是改進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)質(zhì)量,均發(fā)揮了重要作用。
2.1.1 機(jī)械圖紙集成化管理系統(tǒng)的架構(gòu)
在精密、復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中,需要使用到大量的設(shè)計(jì)圖紙。將機(jī)械圖紙集成化管理系統(tǒng)應(yīng)用到機(jī)械設(shè)計(jì)中,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)圖紙的自動(dòng)保存和備份,并且支持?jǐn)?shù)據(jù)恢復(fù),解決了傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)中圖紙丟失的問題[2]。機(jī)械圖紙集成化管理系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。
圖1 機(jī)械圖紙集成化管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
該系統(tǒng)基于Windows 標(biāo)準(zhǔn)開發(fā),采用C/S 架構(gòu),數(shù)據(jù)庫為SQL Server 2008,采用面向?qū)ο蟮目梢暬幊碳夹g(shù)。具有以下應(yīng)用優(yōu)勢(shì):
1)與Windows 下的各種應(yīng)用程序保持良好兼容性,可以以圖像的方式完成數(shù)據(jù)文件和設(shè)計(jì)圖紙的瀏覽、編輯等操作。
2)可以智能捕捉機(jī)械設(shè)計(jì)CAD 圖紙上的各項(xiàng)屬性值,包括機(jī)械零件的尺寸、形狀、構(gòu)造等,方便設(shè)計(jì)人員直觀了解設(shè)計(jì)成果,為機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了支持。
3)支持文件在線共享,可以將機(jī)械設(shè)計(jì)文件共享給其他設(shè)計(jì)人員,方便設(shè)計(jì)人員交流討論并提出完善意見,有利于機(jī)械產(chǎn)品的深化設(shè)計(jì)。
2.1.2 機(jī)械圖紙集成化管理系統(tǒng)的應(yīng)用
現(xiàn)階段,機(jī)械圖紙集成化管理系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造等領(lǐng)域。該系統(tǒng)的應(yīng)用方法為:
1)數(shù)據(jù)錄入。將機(jī)械設(shè)計(jì)圖紙及圖紙中的各項(xiàng)參數(shù)錄入該系統(tǒng)中。如果設(shè)計(jì)圖紙為紙質(zhì)文件,可以借助于掃描儀將紙質(zhì)文件轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電子文件,然后通過轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)送到計(jì)算機(jī),并在機(jī)械圖紙集成化管理系統(tǒng)中打開。如果設(shè)計(jì)圖紙為電子文件,則直接讀取。數(shù)據(jù)錄入支持部件錄入、參數(shù)錄入。該系統(tǒng)基于ActiveX 控件輔助完成機(jī)械圖紙的數(shù)據(jù)錄入,并且通過預(yù)覽的方式在人機(jī)交互界面上呈現(xiàn)出來[3]。設(shè)計(jì)人員可通過當(dāng)前界面對(duì)錄入數(shù)據(jù)進(jìn)行修改、保存、刷新等操作。
2)瀏覽查詢。完成數(shù)據(jù)錄入后,可以將機(jī)械設(shè)計(jì)圖紙中的零件、部件名稱、參數(shù)等保存到數(shù)據(jù)庫中。后期需要瀏覽機(jī)械設(shè)計(jì)圖紙時(shí),可在系統(tǒng)的搜索欄中輸入關(guān)鍵詞(如機(jī)械設(shè)計(jì)圖紙的名稱、錄入時(shí)間等),點(diǎn)擊搜索后即可查詢并瀏覽相應(yīng)的機(jī)械圖紙。
3)報(bào)表打印。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)圖紙內(nèi)容,系統(tǒng)可以自動(dòng)識(shí)別機(jī)械制造所需的物料和零件清單,并生成明細(xì)表。在后續(xù)的機(jī)械制造中,可打印明細(xì)清單,保證機(jī)械制造的順利進(jìn)行。
2.2.1 柔性設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的架構(gòu)
柔性制造系統(tǒng)(FMS)是一種集在線設(shè)計(jì)、數(shù)控加工、仿真驗(yàn)證等多種功能于一體的復(fù)合系統(tǒng)。利用柔性系統(tǒng)開展機(jī)械設(shè)計(jì),其優(yōu)勢(shì)在于進(jìn)一步提高了機(jī)械設(shè)計(jì)的自動(dòng)化程度,進(jìn)而提升了設(shè)計(jì)效率。在機(jī)械設(shè)計(jì)中,從確定工藝路線到繪制機(jī)械草圖,再到構(gòu)建機(jī)械三維模型,整個(gè)過程較為煩瑣且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。基于柔性化技術(shù)的機(jī)械設(shè)計(jì),在完成CAD 圖紙?jiān)O(shè)計(jì)后,可以自動(dòng)生成機(jī)械設(shè)計(jì)工藝路線,并根據(jù)工藝卡生成機(jī)械制造所需要的物料清單。根據(jù)工藝文件,啟動(dòng)CAM 軟件,調(diào)動(dòng)代碼庫中的基礎(chǔ)模型,可以設(shè)計(jì)出機(jī)械產(chǎn)品的三維模型。該模型被保存到工藝數(shù)據(jù)庫中,在機(jī)械制造環(huán)節(jié)可以直接從CAPP 數(shù)據(jù)庫中調(diào)用機(jī)械模型,然后在數(shù)控機(jī)床上完成加工制造[4]。
2.2.2 柔性設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的應(yīng)用
基于柔性設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法如下:
1)參數(shù)化建模??紤]到機(jī)械產(chǎn)品的組成部件形狀多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在柔性設(shè)計(jì)系統(tǒng)中無法直接提供符合機(jī)械設(shè)計(jì)要求的零件。借助于柔性化設(shè)計(jì)技術(shù),可以先建立通用零件的數(shù)據(jù)庫,存儲(chǔ)一些機(jī)械設(shè)計(jì)中常用的標(biāo)準(zhǔn)零件,如夾具、刀具、定位銷等。然后根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)需要,對(duì)這些通用零件進(jìn)行參數(shù)化建模。設(shè)計(jì)人員根據(jù)實(shí)際需要,靈活調(diào)節(jié)通用零件的尺寸或形狀,即可得到符合機(jī)械設(shè)計(jì)要求的專用零件。
2)數(shù)字化裝配設(shè)計(jì)。在數(shù)字化軟件仿真環(huán)境中,利用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)接口可以接收已經(jīng)繪制完成的CAD圖紙。然后從數(shù)據(jù)庫中調(diào)用已經(jīng)設(shè)計(jì)好的專用零件,完成數(shù)字化裝配,得到機(jī)械產(chǎn)品的三維模型。完成初步裝配設(shè)計(jì)后,設(shè)計(jì)人員還要采取三維仿真的方式,對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的功能進(jìn)行仿真模擬,驗(yàn)證機(jī)械產(chǎn)品各部件是否能協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)以及各項(xiàng)功能能否正常實(shí)現(xiàn)[5]。
3)優(yōu)化設(shè)計(jì)與產(chǎn)品定型。根據(jù)三維仿真結(jié)果,如果存在瑕疵,則需要繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并在優(yōu)化結(jié)束后重新進(jìn)行仿真驗(yàn)證。在確定不存在問題后,即可保存當(dāng)前的機(jī)械模型。
2.3.1 虛擬樣機(jī)系統(tǒng)的架構(gòu)
將虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械設(shè)計(jì)中,能夠讓機(jī)械設(shè)計(jì)內(nèi)容可視化,達(dá)到“所見即所得”的效果,這對(duì)于提高機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量與設(shè)計(jì)效率有積極幫助。基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的機(jī)械設(shè)計(jì),相比于傳統(tǒng)的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)具有以下優(yōu)勢(shì):
1)降低了設(shè)計(jì)成本。在設(shè)計(jì)一些大型的、精密的機(jī)械產(chǎn)品時(shí),可以利用虛擬樣機(jī)構(gòu)建的三維模型代替實(shí)物模型,并且后期可以零成本更改機(jī)械設(shè)計(jì)方案,節(jié)約了資金和人力。
2)直觀展示設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。設(shè)計(jì)機(jī)械產(chǎn)品的三維模型,能夠全方位展示每一處設(shè)計(jì)細(xì)節(jié),方便設(shè)計(jì)人員修改設(shè)計(jì)方案,不斷提高模型精度,為后續(xù)的機(jī)械產(chǎn)品高精度加工制造奠定了基礎(chǔ)[6]。基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬樣機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)系統(tǒng)如圖2所示。
圖2 虛擬樣機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成
結(jié)合圖2,該系統(tǒng)的運(yùn)行流程為:檢測(cè)模塊可以動(dòng)態(tài)檢測(cè)是否有操作請(qǐng)求,如果檢測(cè)到來自用戶的操作命令,則通過傳感器啟動(dòng)虛擬樣機(jī),建立用于進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)的虛擬環(huán)境。利用建模模塊提供的各種幾何模型,進(jìn)行組合、編輯,設(shè)計(jì)出機(jī)械產(chǎn)品的3D 模型,并通過計(jì)算機(jī)的人機(jī)交互界面將設(shè)計(jì)成果反饋給用戶。用戶根據(jù)反饋結(jié)果,對(duì)3D 模型進(jìn)行優(yōu)化,直到該模型符合設(shè)計(jì)要求或達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期。
2.3.2 虛擬樣機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用
虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言(VRML)是一種專門應(yīng)用于虛擬環(huán)境下模型建構(gòu)的程序語言,除了支持在計(jì)算機(jī)上建立虛擬場(chǎng)景外,還能進(jìn)行場(chǎng)景漫游,讓設(shè)計(jì)師能夠以第一人稱觀察機(jī)械模型的各個(gè)維度和設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)?;赩RML的虛擬樣機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用方法如下:
1)設(shè)計(jì)機(jī)械產(chǎn)品的三維造型。結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)需求,使用CAD 軟件建立機(jī)械產(chǎn)品的二維設(shè)計(jì)方案,并且將初步設(shè)計(jì)成果以VRML 格式文件存儲(chǔ),這樣就能將機(jī)械產(chǎn)品的幾何模型轉(zhuǎn)化成可以在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的仿真模型。
2 )機(jī)械零件的裝配。 在計(jì)算機(jī)上啟動(dòng)CosmoWorlds 軟件,在該軟件中打開已經(jīng)生成的VRML 文件,得到機(jī)械產(chǎn)品的整體框架。然后設(shè)計(jì)人員從素材庫中尋找合適的基礎(chǔ)物體,如球體、圓柱體、正方體等,添加到機(jī)械產(chǎn)品框架中,并通過修改、編輯得到最終的三維機(jī)械模型。
3)在CosmoWorlds 軟件提供的虛擬場(chǎng)景中,通過拖動(dòng)鼠標(biāo)的方式可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械模型的翻轉(zhuǎn)、放大,觀察設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)并確定是否需要更改、優(yōu)化。如果不需要進(jìn)行模型修改,則保存該模型,仍然存儲(chǔ)為VRML格式文件,至此完成機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)[7]。
2.4.1 光電檢測(cè)原理
現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的運(yùn)用,能夠利用化學(xué)、物理等技術(shù)對(duì)被檢測(cè)的機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量判斷,并出具量化的檢測(cè)報(bào)告。機(jī)械設(shè)計(jì)人員根據(jù)檢測(cè)報(bào)告,可以了解機(jī)械產(chǎn)品在哪些方面還存在缺陷,從而為機(jī)械產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考,這對(duì)實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品的高精度加工有積極幫助。在機(jī)械設(shè)計(jì)中,推廣使用自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)成為提升設(shè)計(jì)效率、提高設(shè)計(jì)精度的重要保障。在目前應(yīng)用比較成熟的幾種檢測(cè)技術(shù)中,光電檢測(cè)具有檢測(cè)精度高(可以達(dá)到0.05 μm/m)、檢測(cè)效率高、避免直接接觸被檢測(cè)物體的優(yōu)勢(shì)[8]。其檢測(cè)原理為:當(dāng)被檢測(cè)的機(jī)械產(chǎn)品受到光照后,會(huì)反射出光線。利用前端的受光器可以捕捉反射的光信號(hào),并且經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換后,將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可識(shí)別的電信號(hào)。然后通過計(jì)算機(jī)的分析、處理,了解機(jī)械運(yùn)行情況,并對(duì)機(jī)械運(yùn)行加以控制[9]。
2.4.2 檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用
隨著光電檢測(cè)技術(shù)的日益成熟,目前該技術(shù)已經(jīng)在包裝機(jī)械、打印機(jī)、洗衣機(jī)等多種機(jī)械的設(shè)計(jì)中得到了廣泛運(yùn)用。這里以牙膏包裝機(jī)械為例,將光電檢測(cè)技術(shù)與計(jì)算機(jī)信息技術(shù)相結(jié)合,優(yōu)化包裝機(jī)械設(shè)計(jì)。在包裝作業(yè)流水線上,以相同間隔布置反射型光電檢測(cè)裝置。當(dāng)包裝好的牙膏傳送到光電檢測(cè)儀器的檢測(cè)范圍內(nèi)時(shí),會(huì)捕捉到光信號(hào),并將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)反饋給PLC。然后PLC 發(fā)送控制指令,讓前端的凸輪驅(qū)動(dòng)杠桿,將牙膏連通底座在合適的位置托起,并做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)光電接收頭與牙膏管表面印刷商標(biāo)的位置重合后,此處有色標(biāo)記不再發(fā)出反射光。此時(shí),光電檢測(cè)儀器根據(jù)光信號(hào)的變化,重新調(diào)節(jié)控制指令,保證牙膏管底部與商標(biāo)位于同一平面[10]。在包裝機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用光電檢測(cè)技術(shù),能夠提高機(jī)械檢測(cè)的精準(zhǔn)性,并且顯著提高檢測(cè)效率,降低企業(yè)成本。
從技術(shù)應(yīng)用效果來看,智能自動(dòng)化技術(shù)不僅可以提供通用零件、虛擬漫游等實(shí)用功能,降低機(jī)械設(shè)計(jì)難度;而且還能讓機(jī)械設(shè)計(jì)達(dá)到“所見即所得”的效果,讓機(jī)械設(shè)計(jì)成果能夠直觀地呈現(xiàn)在設(shè)計(jì)人員面前,方便設(shè)計(jì)人員及時(shí)調(diào)整機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案?,F(xiàn)階段,集成化技術(shù)、虛擬化技術(shù)、柔性化技術(shù)、自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)等,已經(jīng)在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了成熟運(yùn)用。下一步,要繼續(xù)推進(jìn)大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等前沿信息技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的深度應(yīng)用,從而為我國制造業(yè)沖擊高端、健康發(fā)展提供技術(shù)支持。