基于智能自动化技术的机械设计研究

付 凯

（济南二机床集团有限公司，山东 济南 250022）

智能自动化是一门涉及机械、微电子、计算机、电气自动化等多门学科的综合技术，目前已经在机械制造、交通运输等领域得到了广泛应用。在我国制造业向高端发展的过程中，迫切需要一大批高精尖、多功能的机械设备。由于其结构更加复杂和精密，传统的机械设计模式已经无法满足要求，将智能自动化技术运用到机械设计中势在必行。从机械设计人员角度来看，一方面要辩证看待智能自动化技术对机械设计工作产生的多方面利好影响，另一方面又要熟练应用智能自动化技术，尤其是集成化、柔性化、虚拟化等技术。在智能自动化技术的辅助下，将机械设计人员脑海中的创意以三维立体模型的方式呈现，为设计人员不断修改、完善设计方案以及提高机械制造精度提供帮助。

1 机械设计中应用智能自动化技术的重要性

1.1 提高了机械设计效率

机械设计是机械制造的必要前提。对于一些结构复杂、零件精密的大型机械产品，前期设计是一项费时费力的工作。设计人员既要从机械产品的实用功能出发展开设计，保证设计出来的方案能够支持各项功能的顺利实现；还要兼顾机械产品中各个零部件之间的协调配合，并在尺寸精度方面满足要求。在这种情况下，以人工为主的绘图设计需要花费大量的时间，在设计中还会因为疏忽大意导致设计方案的实用性不强，对后续机械产品的加工制造也产生了不良影响。对比来看，使用智能自动化技术进行机械设计，可以在人工智能技术和计算机信息技术的帮助下，代替设计人员完成一部分机械设计任务，极大地提升了机械设计效率，缩短了机械产品从设计到制造的周期，间接地降低了企业的机械产品研发成本。

1.2 增强了产品的可靠性

机械产品是由若干个零部件组成的复合体，任何一个零部件出现质量问题，都会对整个机械装置的可靠运行产生影响，甚至会产生严重的安全事故。因此，在机械设计中，设计人员既要关注机械产品各项功能的顺利实现，同时也必须提高各零部件之间的协调性以及机械产品整体的可靠性。将智能自动化技术应用到机械设计中，不仅能够让机械设计内容可视化，以三维模型的形式呈现出来，提高设计方案的立体感；而且还能支持虚拟漫游、碰撞检测等高级功能[1]，这就为设计人员及时发现机械设计方案存在的缺陷以及开展设计优化工作提供了支持。通过虚拟漫游，设计人员可以发现机械三维模型隐藏区域的不合理之处，及时进行修改，提高了机械设计方案的参考价值。

1.3 改善了机械产品性能

衡量机械产品性能的指标有多种，例如功能实现情况、运行能耗、机械磨损、使用寿命、安全性等。基于智能自动化技术的机械设计，在按照设计方案搭建起机械产品的三维模型后，可以在虚拟环境下开展仿真实验，验证机械产品各项功能的实现情况，以及机械产品在运行中的运行能耗、机械磨损，并预测机械产品的使用寿命等。根据仿真结果，设计人员可以一目了然地掌握机械模型在哪些方面达到了设计预期，在哪些方面还需要改进。在改进—仿真—优化的循环过程中，让机械产品的设计方案得到持续完善，机械产品的性能也会进一步提升。

2 智能自动化技术在机械设计中的应用

以往的机械设计需要设计人员手动绘制草图，或者是借助于CAD 等制图软件绘制机械产品的二维图纸。虽然也能满足机械设计与制造的需求，但是费时费力，并且二维平面图纸无法反映出一些复杂机械产品的细部设计内容，制造出来的机械产品与设计人员的预期存在差异。智能自动化技术在机械设计中的成熟运用，能够解决上述问题，无论是提高机械设计效率，还是改进机械设计质量，均发挥了重要作用。

2.1 集成化技术在机械设计中的应用

2.1.1 机械图纸集成化管理系统的架构

在精密、复杂机械产品的设计中，需要使用到大量的设计图纸。将机械图纸集成化管理系统应用到机械设计中，可以实现对设计图纸的自动保存和备份，并且支持数据恢复，解决了传统机械设计中图纸丢失的问题[2]。机械图纸集成化管理系统的整体架构如图1所示。

图1 机械图纸集成化管理系统的结构

该系统基于Windows 标准开发，采用C/S 架构，数据库为SQL Server 2008，采用面向对象的可视化编程技术。具有以下应用优势：

1）与Windows 下的各种应用程序保持良好兼容性，可以以图像的方式完成数据文件和设计图纸的浏览、编辑等操作。

2）可以智能捕捉机械设计CAD 图纸上的各项属性值，包括机械零件的尺寸、形状、构造等，方便设计人员直观了解设计成果，为机械设计优化提供了支持。

3）支持文件在线共享，可以将机械设计文件共享给其他设计人员，方便设计人员交流讨论并提出完善意见，有利于机械产品的深化设计。

2.1.2 机械图纸集成化管理系统的应用

现阶段，机械图纸集成化管理系统已经被广泛应用到机械设计、机械制造等领域。该系统的应用方法为：

1）数据录入。将机械设计图纸及图纸中的各项参数录入该系统中。如果设计图纸为纸质文件，可以借助于扫描仪将纸质文件转化为相应的电子文件，然后通过转发器发送到计算机，并在机械图纸集成化管理系统中打开。如果设计图纸为电子文件，则直接读取。数据录入支持部件录入、参数录入。该系统基于ActiveX 控件辅助完成机械图纸的数据录入，并且通过预览的方式在人机交互界面上呈现出来[3]。设计人员可通过当前界面对录入数据进行修改、保存、刷新等操作。

2）浏览查询。完成数据录入后，可以将机械设计图纸中的零件、部件名称、参数等保存到数据库中。后期需要浏览机械设计图纸时，可在系统的搜索栏中输入关键词（如机械设计图纸的名称、录入时间等），点击搜索后即可查询并浏览相应的机械图纸。

3）报表打印。根据机械设计图纸内容，系统可以自动识别机械制造所需的物料和零件清单，并生成明细表。在后续的机械制造中，可打印明细清单，保证机械制造的顺利进行。

2.2 柔性化技术在机械设计中的应用

2.2.1 柔性设计与制造系统的架构

柔性制造系统（FMS）是一种集在线设计、数控加工、仿真验证等多种功能于一体的复合系统。利用柔性系统开展机械设计，其优势在于进一步提高了机械设计的自动化程度，进而提升了设计效率。在机械设计中，从确定工艺路线到绘制机械草图，再到构建机械三维模型，整个过程较为烦琐且费时费力。基于柔性化技术的机械设计，在完成CAD 图纸设计后，可以自动生成机械设计工艺路线，并根据工艺卡生成机械制造所需要的物料清单。根据工艺文件，启动CAM 软件，调动代码库中的基础模型，可以设计出机械产品的三维模型。该模型被保存到工艺数据库中，在机械制造环节可以直接从CAPP 数据库中调用机械模型，然后在数控机床上完成加工制造[4]。

2.2.2 柔性设计与制造系统的应用

基于柔性设计与制造系统的机械产品设计方法如下：

1）参数化建模。考虑到机械产品的组成部件形状多样、结构复杂，在柔性设计系统中无法直接提供符合机械设计要求的零件。借助于柔性化设计技术，可以先建立通用零件的数据库，存储一些机械设计中常用的标准零件，如夹具、刀具、定位销等。然后根据机械设计需要，对这些通用零件进行参数化建模。设计人员根据实际需要，灵活调节通用零件的尺寸或形状，即可得到符合机械设计要求的专用零件。

2）数字化装配设计。在数字化软件仿真环境中，利用计算机数据接口可以接收已经绘制完成的CAD图纸。然后从数据库中调用已经设计好的专用零件，完成数字化装配，得到机械产品的三维模型。完成初步装配设计后，设计人员还要采取三维仿真的方式，对机械产品的功能进行仿真模拟，验证机械产品各部件是否能协调运动以及各项功能能否正常实现[5]。

3）优化设计与产品定型。根据三维仿真结果，如果存在瑕疵，则需要继续进行优化设计，并在优化结束后重新进行仿真验证。在确定不存在问题后，即可保存当前的机械模型。

2.3 虚拟化技术在机械设计中的应用

2.3.1 虚拟样机系统的架构

将虚拟现实（VR）技术应用到机械设计中，能够让机械设计内容可视化，达到“所见即所得”的效果，这对于提高机械产品的设计质量与设计效率有积极帮助。基于虚拟现实技术的机械设计，相比于传统的图纸设计具有以下优势：

1）降低了设计成本。在设计一些大型的、精密的机械产品时，可以利用虚拟样机构建的三维模型代替实物模型，并且后期可以零成本更改机械设计方案，节约了资金和人力。

2）直观展示设计细节。设计机械产品的三维模型，能够全方位展示每一处设计细节，方便设计人员修改设计方案，不断提高模型精度，为后续的机械产品高精度加工制造奠定了基础[6]。基于虚拟现实技术的虚拟样机机械设计系统如图2所示。

图2 虚拟样机系统的构成

结合图2，该系统的运行流程为：检测模块可以动态检测是否有操作请求，如果检测到来自用户的操作命令，则通过传感器启动虚拟样机，建立用于进行机械设计的虚拟环境。利用建模模块提供的各种几何模型，进行组合、编辑，设计出机械产品的3D 模型，并通过计算机的人机交互界面将设计成果反馈给用户。用户根据反馈结果，对3D 模型进行优化，直到该模型符合设计要求或达到设计预期。

2.3.2 虚拟样机系统的应用

虚拟现实建模语言（VRML）是一种专门应用于虚拟环境下模型建构的程序语言，除了支持在计算机上建立虚拟场景外，还能进行场景漫游，让设计师能够以第一人称观察机械模型的各个维度和设计细节。基于VRML的虚拟样机系统应用方法如下：

1）设计机械产品的三维造型。结合机械设计需求，使用CAD 软件建立机械产品的二维设计方案，并且将初步设计成果以VRML 格式文件存储，这样就能将机械产品的几何模型转化成可以在计算机虚拟环境下进行运动的仿真模型。

2 ）机械零件的装配。 在计算机上启动CosmoWorlds 软件，在该软件中打开已经生成的VRML 文件，得到机械产品的整体框架。然后设计人员从素材库中寻找合适的基础物体，如球体、圆柱体、正方体等，添加到机械产品框架中，并通过修改、编辑得到最终的三维机械模型。

3）在CosmoWorlds 软件提供的虚拟场景中，通过拖动鼠标的方式可以实现机械模型的翻转、放大，观察设计细节并确定是否需要更改、优化。如果不需要进行模型修改，则保存该模型，仍然存储为VRML格式文件，至此完成机械产品设计[7]。

2.4 检测技术在机械设计中的应用

2.4.1 光电检测原理

现代检测技术的运用，能够利用化学、物理等技术对被检测的机械产品进行质量判断，并出具量化的检测报告。机械设计人员根据检测报告，可以了解机械产品在哪些方面还存在缺陷，从而为机械产品的优化设计提供了参考，这对实现机械产品的高精度加工有积极帮助。在机械设计中，推广使用自动检测技术成为提升设计效率、提高设计精度的重要保障。在目前应用比较成熟的几种检测技术中，光电检测具有检测精度高（可以达到0.05 μm/m）、检测效率高、避免直接接触被检测物体的优势[8]。其检测原理为：当被检测的机械产品受到光照后，会反射出光线。利用前端的受光器可以捕捉反射的光信号，并且经过A/D 转换后，将光信号转化为计算机可识别的电信号。然后通过计算机的分析、处理，了解机械运行情况，并对机械运行加以控制[9]。

2.4.2 检测技术的应用

随着光电检测技术的日益成熟，目前该技术已经在包装机械、打印机、洗衣机等多种机械的设计中得到了广泛运用。这里以牙膏包装机械为例，将光电检测技术与计算机信息技术相结合，优化包装机械设计。在包装作业流水线上，以相同间隔布置反射型光电检测装置。当包装好的牙膏传送到光电检测仪器的检测范围内时，会捕捉到光信号，并将光信号转化成电信号反馈给PLC。然后PLC 发送控制指令，让前端的凸轮驱动杠杆，将牙膏连通底座在合适的位置托起，并做旋转运动。当光电接收头与牙膏管表面印刷商标的位置重合后，此处有色标记不再发出反射光。此时，光电检测仪器根据光信号的变化，重新调节控制指令，保证牙膏管底部与商标位于同一平面[10]。在包装机械设计中应用光电检测技术，能够提高机械检测的精准性，并且显著提高检测效率，降低企业成本。

3 结语

从技术应用效果来看，智能自动化技术不仅可以提供通用零件、虚拟漫游等实用功能，降低机械设计难度；而且还能让机械设计达到“所见即所得”的效果，让机械设计成果能够直观地呈现在设计人员面前，方便设计人员及时调整机械产品的设计方案。现阶段，集成化技术、虚拟化技术、柔性化技术、自动检测技术等，已经在机械设计领域得到了成熟运用。下一步，要继续推进大数据、互联网、人工智能等前沿信息技术在机械设计中的深度应用，从而为我国制造业冲击高端、健康发展提供技术支持。