智能制造时代下机械设计技术探析

2023-01-11张天翊

机电产品开发与创新 2022年2期

关键词：机械设计机械智能化

张天翊

（浙江省宁波晶钻工业科技有限公司，浙江宁波 315202）

0 引言

在智能制造时代，设计技术对智能机械制造的发展有重要作用。中国的智能机械制造在目前处于初级阶段，特别是设计环节相对薄弱，而设计是机械制造的重点所在，有必要在智能设计技术上加强探索和研究。

1 智能制造时代下机械设计技术的主要特征

智能制造时代下机械设计技术的特征主要表现在安全、便捷、低消耗几个方面。

1.1 更安全

智能化设计比较漫长，整体性特征较强。在设计智能机械时，为了提升科学性、合理性，需要基于网络载体进行数据的传输与监督，保证不断完善操作技术。当制造出现异常情况时，利用智能化设计技术可以及时自检故障，妥善解决问题，提升整个设计过程的安全性，同时对机械产品提出更高的安全性要求。

1.2 更便捷

智能化水平较高是智能机械制造最显著的优势，机械制造的整个过程也属于智能化运行过程，只需一键操作就可以完成所有制造流程，进一步提高便捷化程度。通过智能技术应用，机械设计制造流程更加安全、简洁、完整，并节省大量资金，特别是智能化水平、人性化水平有极大的提升，满足智能制造时代发展需要[1]。

1.3 低消耗

智能机械制造是利用智能技术进行机械制造，可以有效减少材料损耗。因为利用能机械设计技术可以精确计算材料，适应当今的节能降耗需求。特别是当下机械制造的智能化水平、节能要求都在不断提高，资源能耗需求越来越低。

2 智能制造时代下机械设计技术运用要点

在智能制造时代下，分析机械设计技术运用要点，其主要包含了引进智能技术、强化资源分类、加大优化力度、积极引入创新设计思维，基于这几个方面的分析，就可以对机械设计技术运用有一个全面的认识。

2.1 引进智能技术

为了在智能制造时代下有效提高机械设计技术应用成效，在机械设计制造中就应引进智能技术，实现充分利用。在实际利用环节需要注意两点：第一，科学使用智能技术。机械设计制造工序复杂多样，要基于对产品实际情况的全面分析，科学选择智能技术，确保技术运用的科学性、合理性[2]。这主要涉及到凭借智能化系统准确率高、分析速度快等优势做好对输入指令的分析，并根据生产数据判断计划的合理性，得到最科学合理的机械设计方案。比如在机械制造中要先进行生产产品性能测试，接下来按照反馈的信息和数据调整生产流程，确保机械制造质量达标。如果生产操作存在问题，就要按照检测数据建立科学的调试方案。第二，极大地降低机械制造成本。将智能技术引入机械设计制造，可以达到节能降耗的目的。比如在智能操作系统的终端安装谐波过滤器，及时清除掉混乱的信号，确保传输信号的准确性、有效性，进而提升传输数据的效率与质量。

2.2 强化资源分类

考虑到机械制造需要结合产品、工艺、技术等，进行合理的资源分类对保证制造智能机械的效率与质量有重要作用。第一，利用智能系统收集机械制造数据和信息，结合产出设计模拟整个机械制造过程，及时发现其中的问题和不足。第二，打造资源共享中心，实时监督智能机械制造过程，有针对性地制定改进策略，提升机械制造效率。对于智能系统的内控制模块，可以直接在系统内部存储机械制造数据，在生产制造过程中就可以读取产品数据，据此调整生产制造工艺，保证达到生产标准。若检测器发出预警，就意味着机械设计标准和生产工艺之间不匹配，工作人员需要及时设置系统信息，确保机械设计技术在智能制造时代的运用效果。比如在智能系统内部进行电子控制模块的设置，以实现对产品信息的实时收集，为后期分析产品质量提供准确的信息、数据。第三，科学使用大数据技术展开分析，在虚拟数据库里存储海量机械产品信息，按照所需生产信息调用科学有效的生产工艺，提升智能机械制造效果。在对生产材料的选择方面，机械制造人员要关注材料的重复使用，尽量选择绿色环保性、低污染甚至无污染的材料，通过合理使用材料资源提升智能机械制造设计技术的运用效率和质量。

2.3 加大优化力度

和许多发达国家相比，中国的机械设计行业技术表现存在滞后性，因而机械设计技术依旧有诸多缺陷。为了预防发生过度重视、依赖国外设计技术的问题，应按照机械设计技术实施情况，有机整合国外技术运用资源，让国内的机械设计技术取得良好推广使用效果[3]。这就要求机械设计管理的相关单位和人员能够按照已经掌握的机械设计技术知识、基本原理，结合实际状况进行评价，构建比较完善的机械设计分析制度、管理制度，以便体现并突出机械设计管理的灵活优势，降低经济生产成本。与此同时，在优化机械设计技术操作管理时要从产品设计性能、质量等方面进行严格的控制，提升管理的科学性，从而密切结合当下市场上不断涌现的机械设计管理新技术、生产管理新模式，持续改进机械设计技术，让机械设计操作更加灵活，更有效地突出基本的智能化技术特征。

2.4 积极引入创新设计思维

伴随着各级政府部门对于科教研究力度的不断加大，相关领域投入资金占据的GDP比重也在不断的提高，这样也呈现出快速发展的态势，这样就使得我们的科学教育高新技术的水平与发达国家之间的水平正在逐渐的缩小。基于这一背景分析，各个地方政府部门就在积极倡导基于创新来渠道发展政策的基本理念。对于工业智能机械装备制造而言，就要求能够将工业创新技术思维融入其中，这样才能够让其完成更为先进的、更加现代化的工业智能机械技术的研发与应用工作。在长时间的理论研究基础上，结合实际工作，这样就可以满足智能机械装备制造企业涉及管理方法的持续优化、创新与完善处理，最终满足机械设计的整体性要求。

3 智能制造时代下机械设计技术运用案例

本案例选择轻小型水下电动机械臂设计，轻小型机械臂结构比较简单，而且质量轻、体积小，经济性良好，在简单水下作业中非常适用。这一机械臂的自由度是5+1，为电动驱动，负载0.5kg，空气质量不足3kg，作业半径是450mm，抓取的最大尺寸是70mm，下潜的最大深度是100m。

为了在机械设计中强化智能技术运用，在设计机械臂自由度时主要使用智能设计系统，模拟其自由度。机械臂只进行简单水下作业，自由度不高，可以保证样品采集即可。然而水下作业环境复杂，需要减少本体运作消耗量，所以机械臂自由度不能过小。基于对机械臂的自由度结构设计，根据设计技术指标把最大臂长和标准负载、抓取目标最大直径等指标参数输入SolidWorks（三维设计软件）进行虚拟建模。

设计机械臂的结构时遵循简单控制原则，进行模块化设计，其每一个模块都涵盖了电机和角度传感器、连接固定件、减速器，完成每一个模块的设计之后保证关节模块的连接[4]。其中的底座主要在本体上用螺栓安装，底座回转模块通过连接轴与安装在底座内的电机来连接，其他模块之间通过电机轴连接，另一侧通过轴承固定，而腕部模块末端通过电机轴、手爪模块进行连接，形成手爪回转自由度。手爪模块结构是齿轮双铰式，在其一侧安装电机，将手爪另一侧的手指带动起来运转。

对于机械臂材料的选择，要与作业要求、作业环境结合起来考虑。因为机械臂要在水下作业，既要拥有较强的稳定性、可靠性，又要具备良好的耐腐蚀性能，并且考虑水下工作时的附加质量和浮力、水阻力等因素，需要机械臂本体质量较轻，才能最大限度降低运动惯性、水动力的影响。所以选择机械臂的材料时要满足密度、强度、刚度、塑性、耐腐蚀性、表面疏水性和稳定性、经济性等要求。机械臂设计中常用的材料包括铝合金、钛合金与不锈钢，本设计选择铝合金材料，不仅密度高、质量轻，拥有较强的可塑性，价格也较低。

选好机械臂设计材料之后进行模型运动控制的仿真实验，保证提高智能化水平。在参数的设置中，机械臂的初始关节角值为0.09，初始关节角速度值为0，期望关节角运动指令为0.1sint。做好参数设置以后通过模糊RBF神经网络进行控制，即利用滑模函、高斯函数，分析模糊FRB神经网络的控制算法。为了保证精度控制，隐性层数是31，在机械臂的模型控制中进行Matlab、Simulink的联合仿真，由此得到5个基本相同的关节响应数据。在验证机械臂设计技术参数指标之后，发现设计强度、设计经济性都符合实际需求。

在水下机械臂设计中，为了适应智能化制造，还进行了以DNC网络为基础的数控加工平台开发，并且利用以Windows为基础的IDE操作系统设计了机械臂操作全过程的人机交互界面。如此，机械臂在水下作业的情况都可以由人机界面来呈现。同时设计传感手臂的数据采集模块，采集机械臂的所有运行数据，保证通过任务管理模块及时掌握水下机械臂作业状态，进行智能化的水下采集。所以在实际设计环节要有机整合智能技术、机械设计，通过关节驱动电机让机械臂关节驱动质量、舵机驱动都能满足作业要求。