关于智能制造时代机械设计技术的几点思考

2021-04-03沈晓辉

中国设备工程 2021年12期

关键词：手爪机械设计智能化

沈晓辉

（临沂临工金利机械有限公司，山东临沂 276023）

在智能制造时代背景下，设计技术对于智能机械制造业的发展有着不可或缺的作用。就我国而言，在智能机械制造方面还处于初级阶段，尤其是在设计环节还比较薄弱，同时又是整个制造环节的重点，所以需要在设计技术方面强化研究。笔者就此进行以下几点思考。

1 智能制造时代机械设计的特点分析

1.1 安全性更高

机械智能化设计过程较为漫长，且具有较强的整体性，在设计中，为彰显科学合理性，需要利用网络载体来传输和监督数据，确保操作技术不断完善，且制造存在异常时，能及时地进行故障自检，确保问题得到解决，不仅整个设计的过程安全，而且对机械产品的安全性和智能性要求更高。

1.2 资源能耗低

智能机械制造业是通过智能化技术手段制造机械，能在很大程度上降低材料损耗，这主要得益于智能机械设计中能精确计算材料，同时也满足当前节能降耗的需要，尤其是在当前对机械的智能化程度和节能水平要求日益提升的今天，使得资源能耗的需求更低。

1.3 智能便捷化

智能机械最大的优势就在于具有较强的智能化水平，且整个机械制造过程属于智能化运行的全过程，只要在一键操作下就能确保所有制造工具完成，使得制造过程的便捷化程度更高。通过智能机械制造，使得整个流程更加安全、完整、简洁，同时能节约大量的资金，尤其是人性化和智能化水平的提升从而适应时代发展的需求。

2 智能制造时代机械设计的技术问题梳理

由于目前的智能机械制造技术处于初级发展环节，存在的技术问题较多，具体主要体现在以下几个方面：一是齿轮故障，比如，突发性避障、突然剥落故障，常见形式有磨损、裂纹等；二是轴承故障，常见的有U性剥落故障，进而发生烧伤、变形的问题；三是轴故障，常见的有的疲劳坑深度，V型剥落故障，磨损、断裂等；四是油封故障，深层裂纹、硬化剥落故障，比如，老化、变形、裂纹的问题。

3 技术思考

3.1 资源分类

智能制造中，产品制造与技术应用有着十分紧密的联系，智能制造在资源分类方面有着十分重要的作用。在智能系统运行时，能采集相关设计信息，再根据信息要求对模拟制造流程进行监理，构建基于机械的资源共享，在控制器中显示机械标识的部分，进而把信息存储在制造链中，再结合材料商提供数据，从而有效掌控机械制造活动。比如，在机械制造时，当信号指示灯出现变化后，设计和制造均需要进行相应的调整，若没有变化则不用调整和改变。且在智能家居机械制造中，智能系统与传统制造系统存在不同，因此在对其精准性判断时，应安装电子机械控制软件，从而及时有效地进行检测和分析，并通过选择重要信息，对材料使用情况及时地掌握，再针对性地进行调整和优化，且利用智能化制造系统选择材料时，还要计算其重复使用率，同时结合现有环境为基本，对产品生产周期进行计算，并通过科学分类，满足智能机械制造的需要。

3.2 智能技术

在智能机械制造设计中，采用的智能技术较多，在实际设计过程中，应紧密结合自身实际情况，有效考量产品的综合性，从而确保智能技术与产品生产过程相结合。例如，在智能化系统中将质量实现过程输入后，智能系统就能对输入的设计方案进行分析，并结合实际需要，针对性地对方案进行优化和完善，以确保设计方案的最优化。而且在应用智能技术时，需要在节能方面加强重视，比如，在智能终端上进行谐波过滤器的安装，从而更好地感知存在的混乱信号，使机械的智能化水平不断提升。

3.3 网络技术

智能网络技术在机械制造过程中的应用，旨在促进传统制造工艺的完善和优化。所以，在制造时利用智能网络技术能实现远程操控，使得机械制造现场得到更加完善和有效。同时，应用网络技术确保产品能及时地得到监控，使得整个设计过程更加科学。

3.4 案例分析

本案例选取水下电动机械臂的设计为例，为加强智能机械设计技术的应用，本工程设计的案例采用轻小型机械臂，不仅体积小，而且质量轻，结构较为简单，有良好的经济性，主要适用于简单水下作业，自由度为5+1，采用电动驱动，空气质量小于3kg，负载0.5kg，作业半径为450mm，最大下潜深度为100m，最大抓取尺寸为70mm。

在对机械臂的自由度进行设计时，主要是采用智能设计系统对其自由度进行模拟，由于只是进行简单的水下工作，所以自由度不高，能确保采集样品即可，但是，水下工作环境复杂，所以需要降低本体运动消耗量，那么，机械臂的自由度也不能太小。

在对机械臂自由度结构进行设计的基础上，按照其设计技术指标，将最大臂长、标准负载和抓取目标的最大直径等参数设计指标输入三维设计软件（SOLIDWORKS）开展虚拟建模。

在对该机械臂的结构设计时，主要是采用简单控制作为设计原则，结构采取模块化设计，每个关节模块中都包含电机、角度传感器、减速器和连接固定件，每个模块在完成设计后需要确保关节模块连接问题即可，其中底座主要是采用螺栓在本体上安装，而底座回转模块则是借助连接轴和在底座内安装的电机进行连接，其余模块之间则是采用电机轴来连接，而另一侧则是采用轴承来固定，腕部模块末端则是采取电机轴和手爪模块来连接，从而得到手爪回转自由度。其中，手爪模块的结构采用齿轮双铰式结构，在手爪一侧安装的电机带动手爪的另一侧手指来转动。

而在选择机械臂材料时，主要是结合工作环境和工作要求，由于需要在水下运行，不仅具有较强的可靠性和稳定性，而且还具有较强的耐腐蚀性，同时，考虑水下作业时被附加质量、浮力和水阻力带来的影响，所以在本体重量上需要较轻，才能将运动惯性和水动力影响降到最低，在选择机械臂材料时，应根据强度、密度、刚度、耐腐蚀性、塑性、表面疏水性、稳定性和经济性等因素的考虑。常见的机械臂材料有铝合金、不锈钢、钛合金，在本设计中，主要选择采用铝合金，不仅能满足材料质量轻的要求，而且价格便宜，同时，密度高，可塑性强。

在做好各种材料选择的基础上，对该机械模型开展运动控制仿真试验，以确保其智能化水平得到提升。在设置参数时，机械臂关节角度的初始值是0.09，关节角速度初始值是0，关节角度期望运动的指令是0.1sint。而在设置好参数的基础上，利用模糊RBF神经网络控制参数设置，采用滑模函数和高斯函数对其模糊FRB神经网络控制算法进行了分析，为确保控制精度得到保障，隐性层数为31，并对水下机械臂模型控制时，将MATLAB与SIMULINK进行联合仿真，得到的5个关节响应数据基本相同，对设计的技术参数指标进行了验证，发现设计的强度和经济性均与实际需求相符。

在设计过程中，为了满足智能化制造的需要，还开发了基于DNC网络的数控加工平台，同时，利用基于windows的IDE操作系统，对整个机械臂的操作过程进行了人机交互界面设计，这样机械臂在水下的运行情况，均能通过人机界面展示出来，同时，在传感手臂上设置的数据采集模块，能对整个机械臂的运行数据进行采集，确保整个任务管理模块能及时地掌握机械臂的运行动态，从而在水下进行智能化采集。因此，需要在实际设计中，切实加强智能技术与机械设计的有效结合，并采用关节驱动电机，使机械臂的关节驱动质量和舵机驱动满足节能运行的需要。