智能自动化技术在机械设计中的应用研究

2019-01-14崔世超焦可如候天阳

装备制造技术 2019年5期

关键词：并联机械设计机械

鑫龙，崔世超，焦可如，候天阳

（1.沈阳理工大学机械工程学院，辽宁沈阳 110159；2.沈阳新松机器人自动化股份有限公司，辽宁沈阳110159）

0 引言

随着十三五规划的推进与工业技术的不断发展，智能自动化已经成为目前机械设计制造业的必然发展趋势与表现形式，为整个工业发展带来了巨大的活力，也使我国新兴技术得到了迅猛发展，智能自动化技术也成为目前我国工业发展所需的核心力量与技术。

1 智能自动化技术

智能自动化是以机械自动化为基础发展而来的，整合了传统机械自动化技术、智能化技术，自动化程度更高，整合了传统自动化与集成自动化两种技术，是通过人工智能、神经元网络、大系统理论等相关理论，利用具备一些智能特征的系统替代人的脑力劳动，进而使脑力劳动向智能自动化发展[1]。集成自动化则整合了信息技术、系统控制技术等新技术，实现了智能一体化。机械设计作为机械工程的一处重要环节，是先于机械生产制造与应用的环节，是机械产品生产与使用功能实现的初始环节。智能自动化技术使机械设计生产过程实现了全自动化，可以完全依赖器械完成整个设计制造过程，生产效率、产品质量更高，交互性更为明显[2]。

2 机械设计中智能自动化技术的应用现状

2.1 有限元设计法

有限元设计是目前机械设计中应用广泛的一种技术，设计核心是结构离散模式，对原有大量设计单元分解后，将各个有限的相对简单的设计单元通过科学变现方式合理处理，并运用数学知识进行计算，进而使求解过程更为简单方便，最大限度降低解答难度[3]。机械设计中，通过有限元设计法能够对机械结构中的各个参数及其转变进行准确计算，对于设计过程中的结果精确程度关注度降低，对于所得设计结果与设计所需的符合性更为关注。

2.2 优化设计法

优化设计法是机械设计技术不断发展的产物，是将机械设计问题通过科学合理的转换方法将其转变成一种对应的数学模型，机械设计人员围绕这一数学模型逐步进行解答与深层次设计，使机械设计所需的各个参数、指标达到最优化，从而获得一种理想度最高的设计效果。整个过程中计算问题的解决就意味着机械设计过程中相应重要问题的解决，问题解决后，设计人员能够获得明确的设计方案[4]。计算机技术的发展使这一设计过程中的相关计算全部由计算机所取代，计算精度更高、计算速度更快、准确性更好。这种方法是目前机械设计中应用最为广泛的一种方法。优化设计法还使设计人员设计技术水平与设计质量获得了很大的提高，减少了设计任务，提高了设计效率，间接降低了产品生产成本。

2.3 模糊设计法

模糊设计法是基于数学理论中的模糊理论及相关知识发展而来的一种设计方法。科学技术的不断发展，使机械结构更为繁杂，机械使用要求也不断提高，机械设计时要考虑的因素也在不断增加，各个因素之间关联密切，进而使机械结构更为繁琐，细节也更为模糊[5]。因此，设计人员为提高设计效率与质量，从模糊理论出发，在科学衡量各个要素之间的关系的基础上，模糊各要素界限，打破传统设计理念的要素束缚，通过模糊设计使设计工作更为简单、快捷，同时保证了设计质量与效果。

3 智能自动化技术在机械设计中的发展方向

3.1 系统化

计算机集成制造系统是基于智能自动化技术发展而来的一种集成系统化技术，集成了大量智能化、自动化、数字化技术，在机械设计中通过多种计算机辅助技术的整合，实现综合自动化，为机械设计提供多项辅助技术，将机械产品智能化与自动化开发视一个完整的系统工程，在机械设计智能自动化的基础上，更好地协调人与机械操作过程中的操作人、机械运行环境的关系，使人、机器及运行环境实现协调一体性，进一步推进机械设计智能自动化发展[6]。一些实际操作中难以试验与检验的机械设备，如受季节性与地域性影响较严重的农业机械设计时，就能够通过模型等方法的运用，对机械产品性能进行科学预测，并对设计合理性与实际使用方法进行最优化预测，最终设计产品再置于人工模拟环境下检验其效果[7]。随着互联网技术的发展，机械设计领域也衍生出了一系列新技术，如柔性化技术、数控技术等，将这些技术运用在集成制造系统设计中，可以通过智能化自动技术使系统更为集成化，即以系统工程理论为基础对机械设计智能自动化技术进行指导，借助信息化技术，使机械设备能够达到智能化控制与操作[8]。

3.2 数字化

数字化技术能够不断改进传统机械设计的各种弊端，如，机械设计前，利用计算机建模功能辅助设计，再根据模型对相应参数、指标进行持续优化，从而避免机械产品可能出现的弊端。计算机技术为机械设计数字化的实现提供了重要的帮助，利用计算机能够不断完善整个建模及设计过程。在设计过程中，设计人员以各类参考数据为设计依据，利用计算机对机械设计中可能影响机械产品质量与机械设计效率的相关因素进行优化与提高，提升设计质量与效率。

3.3 产业化

机械设计的智能自动化使机械设计实现了产业化，机械设计与其他科技领域的整合，使其不再局限于单一的机械设计目标，不再满足于某个领域的个体化需求，而是逐步渗透到了生物工程、机械人、无人机、纳米科技等诸多行业的设计制造中。机械设计人员也不再专一于某个单一领域的技术升级，需要充分考虑跨领域技术的交叉与整合，使机械设计产业化不断提高。

4 智能自动化在机械设计中的应用

智能自动化在机械设计中的实际应用很广泛，例如并联机器人。并联机器人是将运动平台与定平台利用两个或两两一行的独立运行链相互连接后，使其机械自由度达到2以上，进而形成并联驱动模式。20世纪30年代是并联机器人的最早提出年代，1978年并联机器人被安装到机械手臂上，其紧凑的结构、较强的承载力、较高的精确度迅速在制造领域发挥了重要作用[9]。

目前，并联机器人已经在多个领域得到了广泛的应用。第一，并联机床。并联机床是目前并联机械实际应用吸引力最高的一个领域。并联机床具有结构简单、刚度更大、传动链短、质量轻且成本更低等优势，能够实现6轴驱动，可以加工复杂的三维曲面。通过重组与模块化设计，还能够使机械布局形式更为多样化，自由度组合更灵活，机械环境适应性更强。如德国Micromat公司开发研制的6X并联机床，安装了一个伸缩杆，具备了更为灵活的长度变化，能够灵活地驱动主轴部件，完成加工轨迹所需的各种运动，同时，工作台上的工件则始终保持固定不动。第二，工业机器人。工业机器人也是目前工业领域具有广阔发展前景的一种智能自动化技术，在保证产品质量的同时，还能够替代人工在特殊环境下的作用，降低特殊工作环境所面临的危险，提高了工作人员的保护意识，降低了劳动强度。如天津大学发明了一种全铰接2平动轻型并联机械手，具有调整的自由度、更高的精度，极大地解放了人工。第三，医疗机器人。目前医学外科领域、机器人研究领域对医疗机器人的开发与应用关注度很高，已投入使用的各种医疗机器人能够实现准确的选位、精细地临床操作，在提高临床操作精确度与效率的同时，还极大地降低了院内感染风险。第四，操作器，目前空间飞船与空间对接器对接机构中的并联机器人就是作为操作器功能而存在的，上下平台之间留有通孔以作为对接通道，上下两个平台为对接环，通过6个直线驱动器能够驱动飞船对正，并驱动对接机构完成能量吸收、减振、主动抓取、柔性结合、对正拉紧、锁住卡紧等各项工作。一些地方挖掘及地下开采等也能够通过并联机构完成。此外，并联机器人还在造船起重机、传感器、体感模拟娱乐机械等各个方面得到了应用，是目前智能自动化在机械设计领域中的一个应用热点[10]。