智能制造时代机械设计技术

2022-05-31潘艳飞

中国金属通报 2022年3期

潘艳飞，王琳

智能制造时代背景下，机械制造技术得到了一定的进步，特别是在智能机械设计方面取得了良好的成果。但相较于发达国家，仍然存在一些不足，不利于智能化机械制造技术的发展。因此，需加强对当前机械制造技术的分析，有针对性的进行完善，进而促进我国制造业的稳定发展。

1 智能制造技术概述

随着科学技术的发展，智能技术逐渐得到普及应用，并将其与制造技术相结合，融入到设计工作、生产制造等各个环节当中。智能化制造技术的应用，可以实现对工程产品质量的有效管控，增强产品质量，所以相关部门应不断加强对该技术的探索，不断夯实技术应用基础，并加强创新工作。智能制造技术系统具有较强的综合性，不仅融合了现代网络技术，也结合了机械制造技术，促进了我国智能制造技术的升级发展。智能技术的应用范围不断拓展，如数控设备操作、自动化生产流水线等各种设备上。相较于传统的机械制造，智能机械制造技术具有明显的优势。一方面其主要利用计算机进行生产制造，能够实现对产品参数的准确把控，并根据计算机程序进行生产，产品质量得到保障。并且通过计算机的智能系统，可以实现对制造流程的实时监督，一旦产生运行故障，会自动发出预警，进而快速解决问题。另一方面可以有效降低生产成本，通过控制系统就可以实现对生产流程的监管，不再需要使用大量劳动力，减少了人力成本。

2 智能制造技术特点与发展必然性

2.1 智能机械制造特点

智能机械制造的特点主要包括：首先，具有较强的安全性。在之前的机械制造过程中，往往需要依靠大量人工劳动力，如在机械运转过程中，需要人工监督管理，而一旦由于人为因素出现制造失误，将会严重影响制造质量。而智能化技术的应用，取代了传统的人工模式，实现了对机械运行情况的实时监督，并且一旦出现运行问题，会自动进行预警，不仅能够提高机械制造效率，还能有效保障质量。在机械制造的过程中，确保制造流程的合理性才能保障制造的完整性，而通过智能化技术的应用，可以选择最恰当的工艺技术，从而减少发生制造问题的情况，保障制造的安全进行。其次，耗能低。机械制造行业对能源的消耗问题比较严重，并且还会影响机械制造效率。而智能机械制造可以有效弥补这一弊端，铜火锅对变压器的控制，实现对生产轨道的调整，达到减少能源消耗的目的。最后具有较强的操作性。智能制造在实际操作之前，只要输入相应的生产指令，就可以自行进行生产，具有较高的生产效率。

2.2 智能制造技术发展的必然性

随着信息技术的不断发展，在各行各业中得到了普及与应用，所以智能化技术在机械制造行业的应用也是时代发展的必然趋势。智能化机械制造发展的必然性主要体现在以下两个方面：其一，符合我国我国可持续发展的理念，在机械制造的过程中加强对绿色材料的使用，进一步优化运行性能，提升了机械制造效率，并减少了能源消耗。其二，增强了控制方式的灵活性。由于在智能机械制造的过程中可以实现自动生产和监督，所以可以增强整体控制工作的灵活性。

3 智能制造时代机械设计存在的问题

我国智能机械的发展水平相对来说比较高，并且操作步骤已经相当熟练，设计技术具有较强的专业性。但制造行业还存在很多细节问题，尤其是一些比较尖端的技术问题，还需要进一步完善。由于智能机械制造技术具有较强的专业性，所以要重视细节问题的处理，进而不断提升智能机械设计水平。同时，智能机械制造对专业技术有较高的要求，所以相关操作人员应具有丰富的操作经验，能够熟练完成相应操作，避免由于操作不当引起的制造问题。在制造生产的过程中，比较常见的故障问题有轴承以及齿轮故障，其中齿轮故障发生得最为频繁，并且比较突然，若齿轮突然剥离，不仅会导致机械不能正常运转，还会损伤其他部件。另外，轴承故障也是比较常见的一种故障，在高强度的运转状态下，会导致轴承吹散严重的变形或者磨损，进而导致机械产生故障。同时，轴故障也是一种比较常见的故障，主要由于疲劳坑深度造成，会出现断裂等情况，具体的影响取决于故障部位。另外，还有一种不常见到的故障，即油封故障，但是该故障的影响比较严重，并且具有较大的处理难度，主要种类包括硬化剥落等故障，外表会出现裂纹等变化。

4 智能制造时代机械设计技术要点

4.1 实现技术的综合性应用

对各种智能制造技术的综合应用，需要相关工作人员具备相应的能力，掌握关于智能技术的相关知识，并能够正确使用智能技术，确保工作人员能够满足设备制造基本技术的需求。这样不仅对工作人员自身的职业发展具有促进作用，也能更好地设计出符合专业设计师理念的产品。另外，在对各种智能系统设备进行运行管理的过程中，应严格遵守相关操作运行规范，并符合国家相关运行标准，因为设备主要就是依靠预定参数和系统设定来进行相关操作的，所以在符合相关标准规范要求的基础上，才能充分发挥系统的智能性。

4.2 合理进行资源分类

在智能机械制造的过程中，不仅要根据工艺技术特点，还要结合产品进行制造，所以要想保障其效率和质量，就要对资源进行合理分类。为了能够及时发现机械制造过程中出现的问题，智能系统需要对整体的制造过程进行模拟。要想保障机械制造效率。还需建立资源共享中心，这样才能掌握机械制造的实际情况，对其中存在的不足及时进行改进。同时，产生的制造数据将会自动储存到智能系统内部，这样在实际生产制造的过程中就能根据相应信息对制造工艺进行调整，进而生产出符合相应标准的产品。一旦生产工艺不符合标准，系统会自动出现预警，工作人员就能及时修改信息，确保生产制造的顺利进行。并且通过对产品信息的收集，便于之后产品质量分析工作的开展。通过大数据分析技术的使用，获取到大量的产品信息，据此来调整生产工艺，大大提升了智能机械制造的效率和质量。对于机械制造单位而言，在选择生产材料时，应尽量选择绿色环保材料，材料选择的合理性才能保障智能机械技术的应用得到理想的效果。

4.3 引入创新思维

现阶段，我国愈加重视科教研发工作的进展，对相关领域也投入了大量的资金，逐渐缩小了与发达国家的差距。在这一过程中，逐渐凸显出了创新驱动发展的重要性。对于智能机械制造行业来说，更应该根据实际生产情况，积极引入创新技术思维，实现智能机械制造的进一步发展。通过对先进智能技术的借鉴参考，从中获取有价值的信息，进而促进我国智能机械制造技术的创新发展。

4.4 结合智能技术

在智能制造时代背景下，为了保障机械制造设计技术具有良好的应用成效，应结合智能技术进行机械制造设计。在实际生产制造过程中，应确保智能技术应用的合理性。因为机械制造具有较强的复杂性，所以应基于产品选择智能技术，并合理利用该技术的优势，如较高的准确性、以及非常快的分析速度等，通过这些对生产计划进行分析，找出其中的不足，及时进行改进，保障设计方案的合理性。如在对产品的性能进行分析后，再根据产生的数据信息进行机械制造，可以有效提高产品的质量。如数控机床是在现代工业生产中比较常用到的一种自动化设备，其集机械与传感器等多种技术为一体。在智能制造时代背景下，其核心控制器也发生了转变，数控系统可以实现对其他元件的控制，生产出所需工件，其主要功能模块如图1 所示。另外，智能技术的融入也能减少机械制造成本，具有节能的良好效益。如通过安装谐波过滤器，可以清除混乱信号，进而确保数据传输的准确性。

图1 功能模块

4.5 不断优化机械设计技术

我国的机械设计行业技术虽然取得了较大的进步，但与发达国家相比，还存在一定的滞后性，所以需要针对存在的技术不足进行完善。但在这一过程中，不应过度依赖国外的设计技术，而应结合我国机械设计技术的实际情况，合理利用国内外机械设计技术。一方面，相关企业机械设计管理人员应重视该项工作，建立完善的设计分析管理制度，在制定相应制度的过程中，应根据企业机械设计技术，并结合实际情况进行制定，保障制度的科学性和合理性。同时，这样也有利于降低企业实际生产成本，增加企业经济效益。另一方面，在建立完善的管理制度的基础上，应从机械制造的各个环节入手，对产品的设计质量进行严格的控制，并对产品性能进行有效管理，结合先进的机械设计管理技术，不断完善机械设计操作流程，进而体现出工业智能化的特征。

4.6 合理应用网络技术

在智能制造机械设计技术发展的过程中，网络技术是保障其数据传输的重要渠道，对其创新发展具有重要作用。相较于传统的加工形式，网络技术的应用大幅降低了工作人员的压力，并实现了对操作流程的远程监控。在实际生产制造的过程中，通过使用网络技术，能够保障相应生产指令传输的准确性和及时性，进而保障生产制造的有效进行。同时，通过该技术还能收集生产制造产生的数据信息，经过分析处理，及时发现其中存在的问题，并制定有效的解决方案。由于机械制造需要使用到大量的材料，施工工序具有较强的复杂性，所以通过网络技术的使用，可以实现对材料的分析对比，从中选取最为优质的材料，保障最终取得理想的制造产品。

5 机械技术的应用前景

5.1 人机交流效率与机械操作效率不断提升

随着智能化制造技术的发展逐渐趋于成熟，对我国现代化机械制造产业的发展起到了极大的促进作用，引领了整个机械行业的发展方向，朝着更加智能化的方向前进。由于计算机技术的综合应用，极大地提升了处理信息数据的效率，进而人机交换接口的智能设备逐渐得到应用，实现了设备操作的全自动化，并能够对数据进行准确处理。同时，随着可视化设备的应用，进一步促进了人机交流技术的发展，并且大大增强了相关操作的便捷性。现阶段，在我国工业机械设计领域已经不再使用传统的手工方式制图，而是使用绘图软件的方式制图，使得机械施工操作的效率得到显著提升。这样不仅缩短了机械设计的施工周期，也能够有效保障穷设计的准确性，使得机械设计得到实际应用。多媒体处理软件具有良好的处理操作系统性能，不仅能够处理视频声音，还能处理各种图形图像，得到了广大使用者的青睐，经常使用该软件处理各种实时信息。同时，一旦操作系统产生比较严重的故障，该软件还能自主进行故障检测，并且能够在短时间内处理好故障。对于企业而言，要实现产品智能化应用，离不开技术支持，这也是企业实现生产管理的基础，并且是提升一个企业产品核心技术竞争力的重要保障。

5.2 智能生产制造

对于整个工程机械制造设备行业而言，不仅要依托智能化数控技术的发展，还要借助微型精密制造技术的发展。在汽车制造业中，为了有效控制每个单片机进行工作，需要使用多种传感器件，这样才能保障产品的使用质量，增强工作的紧密性，并能够深挖制造设备的实际使用性能。随着新型人工科学技术的发展，衍生出了纳米技术，在多个领域得到了普及和应用，如机械制造领域，并且使用效果比较理想。同时，该技术的应用也促进了机械行业的人工智能化发展，通过与相关技术的合理搭配应用，充分融合了多种超精密的加工技术，经过不断的发展，成为了该行业领域中的核心技术。技术的结合不仅提升了工业智能生产水平，也进一步促进了生产管理效率的提升。另外，可持续集成电力的应用也促进了机械制造领域的技术发展，再加上相关芯片的广泛应用，大大提升了机械产品的可用性。总体来看，人工智能技术的广泛应用，有效提升了人工设备的实用性和设备生产管理中的数据实时性。

5.3 实现模块化的产业发展

当前我国机械制造设备领域不断趋向于模块化和自动化发展，这主要由于科学制造技术的不断发展，并且随着技术逐渐趋向于成熟，机械设备内部的空间体积也在不断缩小，并不断提升其功能性。随着机械生产设备行业的不断创新发展，不论面临多么复杂的环境，都能够适应不同科学技术的要求，满足各种行业对应用功能的要求，具有较强的适应能力。在我国制造业不断发展的过程中，可以明显发现其主流技术趋势朝向模块化产业发展，设备柔韧性能不断提升，体积不断缩小，能够更好地符合实际应用需求。

6 案例分析

为了加强智能机械设计技术的应用，选取了水下轻小型电动机械臂的设计案例。这类机械臂具有较小的体积，并且结构简单，比较适合水下作业，主要依靠电动驱动，作业半径为450mm,空气质量不能大于3kg，自由度为5+1。在设计其自由度时，主要通过智能设计系统进行模拟，确保其能够采集样品即可。但其自由度不能过小，不然难以适应水下比较复杂的工作环境。在此基础上，将机械臂的相关参数设计指标输入到建模软件中，如技术指标和标准负载等。在设计其结构时，应遵循简单便捷的原则，采取模块化设计，确保每个模块中都含有连接固定件与电机等，并保障每个模块都能正常连接。其中通过螺栓按照底座，利用电机和连接轴连接底座回转模块，并使用电机轴对其他模块进行连接。另外，腕部模块末端要保障手爪回转的自由度，所以需要使用电机轴和手爪模块进行连接，其中后者主要为齿轮双铰式结构，利用电机带动手指完成转动。

在选取材料时，应保障材料具有较强的耐腐蚀性，这样才能在水下正常运行，并且要充分考虑到水下作业各种因素的影响，综合强度、经济性、密度、稳定性等多方面选择材料。本案例设计中选择的是铝合金材料。在选好材料的基础上，可以开始进行运动控制仿真试验，对设计的各项参数指标进行验证，确保其符合实际需求，并提升其智能化水平。另外，为了满足智能化制造的需求，还应开发相应的数控加工平台，对其操作过程进行人际交互界面设计，这样能够充分展示出来机械臂的实际运行情况，并在这个过程中采集其运行数据，及时掌握运行动态。因此，通过在设计过程中智能技术与机械设计的结合，使得机械臂能够满足实际运行的需求。