自动化设备中有关机械结构设计的几点体会

陆叶星

（盐城高周波热炼有限公司，江苏 盐城 224100）

在现代自动化设备中，机械结构的实用性和可靠性将对设备整体运转效率、工作性能产生较大的影响。机械结构设计属于自动化设备设计中十分重要的部分，在进行设计时应充分考虑设备的形状、尺寸以及应用需求等关键要素，然后对机械结构进行创新性设计，从而保证自动化设备的运行性能，使之具备较为丰富的功能[1]。因此，当前加强对自动化设备中有关机械结构部分的设计研究具有较为积极的意义，有助于推进我国机械制造业的可持续发展。

1 自动化设备中机械结构设计内容及特点

1.1 自动化设备中机械结构设计内容

自动化设备中机械结构设计主要指的是基于设备整体功能需求，确定并画出机械部分的结构图，以此来保证自动化设备的运行性能和可靠性。在此设计过程中，主要是将一些抽象的机械原理转化成为具体的机械构件。从具体设计内容来看，主要需设计人员对机械构件的材料、形状、尺寸大小、表面粗糙度、公差大小等展开设计，同时在设计中明确相关加工工艺，应达到的强度、刚度要求以及与其他零部件之间的配合情况等。从设计的具体内容来看，虽然最终直接产物为设计图纸，但期间需要设计人员考虑的问题却较多，需要将众多设计内容转化为设计方案语言，以便后期生产加工能够顺利开展进行[2]。

1.2 自动化设备中机械结构设计特点

在自动化设备中机械结构设计过程具有较为鲜明的特点，其主要体现在以下几个方面：（1）设计具有较强的综合性，属于自动化设备设计中工作量较大的环节，需要设计人员综合设备应用需求，进行计算、绘图，必要时需结合一定的实验进行；（2）设计存在多解性特点，机械结构设计过程中对某些问题的解决，不止一种设计解决方案，但各种方案的应用性能通常存在差异，需要设计人员综合比对，然后做出科学优化；（3）设计过程常存在反复交叉性，由于机械结构性能受影响因素较多，在设计过程中可能出现许多考虑不全面的因素，在后期发现问题时又需要进行反复性修改调整，也正因为这方面特点，使得机械结构设计耗时较多。基于自动化设备中机械结构设计表现出来的特点，在实际设计过程中，应在设计之初尽可能了解机械结构的相关基本要求，由此降低后期优化流程，从而达到提升设计效率的目的。

2 自动化设备中机械结构设计的要求分析

自动化设备对运行性能和功能提出较高要求，为满足其运行性能和功能要求，在机械结构设计中，应充分把握设计要点，明确设计要求，并在设计中注意对机械结构进行优化和创新，从而提升机械结构设计的整体性能，提升自动化设备的市场竞争力。

2.1 将用户需求作为设计基础

在自动化设备设计过程中，其最终目的是满足用户应用需求，因此在进行设计时应将用户需求作为整个设计过程的基础。在设计初始阶段，对用户需求、市场需求等进行全面的调查了解，在充分了解需求的情况下才能让最终设计与实际所需更加吻合的产品，从而让设计的产品发挥出应有的价值[3]。如：在设计之前，应了解用户对自动化设备整体形体的需求，然后在针对机械结构设计时，在保证设备整体运转性能的基础上尽可能满足用户对设备形体的需求，提升客户对自动化设备的满意度。如图1所示，为较为常见的五轴关节型机器人手臂结构，在进行此类机器人手臂结构设计过程中，首先应明确工作环境的抓取需求，然后对设计自由度做出限制，以最大化提升运转工作时的效率和准确性。

图1 五轴关节型机器人手臂结构

2.2 满足自动化设备质量要求

自动化设备对产品质量提出较高要求，而机械结构属于自动化设备中的重要组成部分，其质量对自动化设备质量有着较大的影响，因此在设计过程中应对机械结构设计质量予以高度重视，确保机械结构的刚度、强度、稳定性等都能够达到设计要求。同时，设计中还需结合应用便捷性、安全性、环保性、节能性等多方面因素考虑，使得最终自动化设备具有较高的自动化控制性能。这实质上决定了自动化设备机械结构设计的动态化特性，需在设计中不断获取应用数据，然后基于获取到的数据信息分析现阶段机械结构设计存在的不足，最后采取科学的优化措施，以促进自动化设备整体质量的提升。

2.3 满足使用功能需求

在进行机械结构设计时，应保证自动化设备发挥出应有的功能，其在功能设计方面通常需要满足两点要求：（1）基础功能要求，设计机械结构应满足自动化设备运转工作的基础要求，尤其是应用者需要的一些功能，必须在设计中得到保证；（2）创新功能要求，为保证设计自动化设备整体更具竞争力，在机械结构设计时还应做出一定的功能创新，提升机械设备运行稳定性、可靠性以及节能性[4]。如图1所示的机器人手臂结构设计中，为提升其灵活性，可在结构的下端安装横向或纵向的滑动装置，然后通过自动化控制系统进行控制，能够使其应用范围得到大幅度提升。

2.4 强化产品后期优化设计

面对高速发展的科学技术，自动化机械设备表现出较快的更新速度，整体性能也在不断更新发展中得到提升。在此背景下，进行自动化设备机械结构设计应在思维上保持先进性，不断基于使用者需求、市场需求，加强对产品的后期优化设计，以促进设备整体性能不断提升，这是现代企业保持较强竞争力的重要基础，同时这也是现代机械结构设计人员应具备的基本素质。在实际设计中，应注意保持创造性思维，并将这种思维与现代科学技术结合，在机械结构零部件尺寸、形状、连接等方面做出改良创新，提升自动化设备的整体控制性能、运转性能。

3 自动化设备中机械结构设计的体会

自动化设备中机械结构设计是一个较为复杂的过程，需要考虑的因素较多，为有效保证设计质量，使机械结构设计具有更为良好的质量和性能，在设计时主要可从方法创新和加强优化设计两个方面做出改善，通过设计方法创新提升设计效率，通过加强优化设计提升机械结构设计质量。

3.1 重视机械结构设计的方法创新

随着现代计算机技术、智能化技术的快速发展，在对机械结构进行设计的过程中，应善于灵活应用智能化技术，提升设计的效率和质量。首先，可利用设计软件进行三维建模，并模拟自动化装备所处环境，以便对零件尺寸、位置、形状等信息做进一步优化，提升机械结构设计的整体性能；其次，通过计算机软件进行装配模拟设计，在设计环节中发现各个零部件之间存在的不匹配现象，然后对零部件结构和尺寸做出优化，促进机械结构装配工作的开展。同时，借助计算机软件装配模拟，也能够为机械结构后期实际装配制定具体的装配方案，提升装配质量和效率；最后，借助计算机软件展开设计，应善于应用其中有限元分析、材料性能数据调取等功能，这不仅能够促进设计效率的提升，而且能够使之具备更高的合理性，从而保障最终的设计质量[5]。

3.2 重视机械结构设计中的优化设计过程

在自动化设备机械结构设计中，优化设计环节是十分关键的一个环节，对自动化设备整体性能有着较大的影响，优化设计应从多个角度、多个方面展开全面分析，综合比对各种机械结构设计方案，从中选取出最为合理的设计方案。

3.2.1 结合自动化设备应用场合进行优化

在不同的应用场合下，对自动化设备的应用需求存在较大的差异，在设计过程中应将此作为设计优化重点内容。如：在某自动化教学设备的设计中，要求该设备拥有自主行走、远端遥控等功能，在初期机械结构设计中仅注重其仿生行走功能，应用曲柄遥杆机构、双摇杆与曲轴连杆等机械部件进行相互作用来实现行走，但是设计中忽略了教学应用人员的携带问题，使得其实际应用性能受到影响。后在优化设计中对部分机械结构做出优化，使之能够实现折叠，提升其携带方便性，有效满足教学应用人员的实际应用需求，在很大程度上提升其实际应用性[6]。由该案例也可看出，在进行自动化设备机械结构设计中，要了解市场需求、用户使用需求，然后结合这些需求进行优化，能够让设计产品的整体价值得到提升。

3.2.2 加强对材料应用的优化

在机械结构设计中，应用不同类型的原材料，不仅会影响到设备的使用性能，还会对设备造价产生较大的影响，尤其在当前新材料类型不断增多的背景下，在实际设计中对加工应用的原材料进行合理选择表现出较高的重要性。在设计中可从加工处理、材料性能、材料价格等多方面进行考虑，在不影响设备使用的基础上，选择综合性能更为突出的材料类型。

3.2.3 针对结构零部件数量展开优化

对于自动化设备生产企业来讲，其更加关注的是设备的性能和造价，需要设备在满足使用性能要求的基础上，尽可能降低设备的造价，以此来达到最大的经济效益。而机械结构的零部件数量对设备的造价有着较大的影响，如何优化结构零部件数量，降低机械结构的造价表现出较高的重要性[7]。在此种情况下，设计人员一方面应注意后期零部件的测评，测评各个零部件实际发挥作用；另一方面应对测评结果进行综合性分析，将其中个别作用较低的零部件剔除，以此能够促进自动化设备整体性价比提升。

3.2.4 优化零部件的局部安装位置

机械结构设计中，各个零部件的安装位置也属于重要的优化设计内容，零部件所处位置不同，所应用的排列方式不同，都会对设备整体的运行质量产生影响。因此，在优化设计中，应考虑到零件之间的关联性、结构整体的贴合程度等，然后对局部零部件所处位置做出调整，有效控制零部件之间的间隔距离，使自动化设备的整体质量和性能得到提升。此外，零部件的安装位置还可能对结构的整体稳定性造成影响，尤其是一些立式机械结构，应避免上端结构过重引发倾倒危险。

3.2.5 优化自动化设备的外形

从消费者的角度进行考虑，对产品的外形表现出较高的关注度，自动化设备的外形直接影响到消费者的第一印象，而机械结构是决定自动化设备外形的重要因素，因此在机械结构设计中应对设备整体外形引起关注，尽可能让设备拥有较为美观的外形[8]。为达到该目的，在完成机械结构内部零部件设计后，应再次对零部件的形状和尺寸做出优化，并为之配备合适的防护外壳，保证自动化设备的美观和性能共存。

3.2.6 优化自动化设备的绿色性能

绿色化、节能化是新时代背景下设计工作开展高度关注的问题，在对自动化设备机械结构展开设计的过程中，应在设计之初便明确“绿色化、节能化、环保性”的主题，降低自动化设备运行能耗，提升其运行综合性能[9]。具体来看，首先，要求设计人员考虑到机械结构传动方式，在满足应用可靠性的情况下，尽可能采用更为节能的传动方式，降低机械结构工作过程中产生的损耗；其次，对不同设计方案对能源的消耗进行试验对比分析，找出增大能耗的结构原因，然后对相关部位做出针对性优化，这样才能提升运行的实际效果。

4 结束语

综上所述，在现代自动化设备设计中，机械结构设计属于十分重要的组成部分，自动化设备整体性能影响较大，因此应把握设计要点，对机械结构进行优化设计。首先在设计中应满足各种基本需求，如：功能需求、质量需求、使用需求等，然后在满足这些需求的基础上，应用更为先进的设计方式，从设备外形、绿色性能、零部件数量、零部件安装位置等方面展开优化设计，全面提升自动化设备的综合性能，使设计出来的自动化设备在市场环境中拥有较高的竞争力。