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智能自动化技术在机械设计的应用

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摘要:随着世界的进步与发展,科技水平也在不断地提高。几十年前,机械自动化的出现大大提高了生产效率,也改变了依靠人力的生产模式,给机械生产产业带来了翻天覆地的变化。如今智能化技术在机械工程中得到越来越多的应用,使得机械生产越来越向高效、高产、高质量、低成本的方向靠近,给机械生产带来了新的生命力——例如并联机器人AdeptQuattro的应用。本文以并联机器人AdeptQuattro为例,浅析智能化技术在机械生产中的应用现状,及其带来的改变及影响。

关键词:并联机器人;自动化技术;智能化;机械设计

1并联机器人简述

并联机构是指通过两个以上的独立运动链将动平台与定平台相连接,机构的自由度大于等于2,用并联方式驱动的一种闭环结构。其最早出现于20世纪30年代左右,当时其是一种基于球面的并联机构娱乐装置,随着发展逐渐被应用于飞行模拟器、汽车喷涂等。一个固定基座、两条以上能独立动作的运动链和具有n自由度(n=2、3、4、5、6)的末端执行器组成了并联机构。与串联机构相比,并联机构刚度更大,结构也比较稳定,承载能力大而又运动负荷小,但因其工作空间较小,负载能力有限,机构复杂导致其应用受限,但应用仍旧十分广泛,例如Stewart、Delta等。1978年,澳大利亚著名机构学教授提出将并联机构用于机器人手臂。并联机器人AdeptQuattro被称为是世界上运行速度最快的机器人,运用高级算法进行控制,拥有灵活的机械臂,其所占空间极小,可以在大的工作范围内(工作半径可达650mm和800mm)进行工作,能够在高速工作下保持平稳的工作状态。因此,AdeptQuattro机器人在装配、加工、包装和其他制造中的应用非常广泛。这种机器人不仅提高了空间利用率,其高速的运行方式也减少了周期时间,能够以180个/分钟的速度从运送的传送带上夹取零部件,性能高达普通机器人的两倍。第一代机器人delta——被誉为“最成功的并联机器人”,在1990年就在世界各国申请专利并被广泛应用在装配、自动化和医疗设备领域中。随着人类对机器人不断的深入研究,并联机器人越来越多地被应用,其结构紧凑、承载能力较强、精度较高且无累计误差,又不需占用很大的工作空间,由于运动的部分重量很轻,只要固定在平台或接近平台的位置,运行起来就可以达到很高的速度。如被用于飞行模拟器的运动模拟器,是目前各类飞行员必备的训练工具,及在工业中应用越来越广泛的工业机器人、医疗中的医疗机器人等等。并联机器人AdeptQuattro只是智能自动化技术应用在机械行业领域的冰山一角,正是因为这些智能自动化技术越来越成熟也越来越多的被应用,使得机械生产越来越高效。

2机械自动化的发展

机械自动化是指以机械方式实现机器或装置在无人为干预的情况下,可以按照预先设定的程序或指令运行或操作的过程,而且是最早出现的自动化控制系统。

2.1机械自动化的发展历程

据《墨子》记载,春秋战国时期鲁班制造出的木鸟,能通过风力飞上天空且三天不降落,这便是我国最早出现的自动化装置。在近代西方工业革命时期,瓦特在蒸汽机中使用的离心式调速器,运用了多个机械自动控制系统,从此机械自动化进入了一个新的阶段。1870年美国发明的自动螺丝生产机器,采用纯机械控制是典型的单机自动化系统,随着流水作业的自动加工线和汽车发动机气缸自动线的产生,自动化技术开始由单机向更高级别的自动化系统转变;直至1965年,计算机数控机床的出现,为制造自动化系统奠定了新的基础,一直到现在,数控技术几乎是经济型实现小批量生产的唯一技术。纵观机械自动化的历史进程,计算机集成制造系统是21世纪的制造业新模式的主要发展目标。

2.2机械自动化的现状

“自动化”是工业领域企业中常提到的一个词,企业都希望通过自动化来提高生产率,减少成本,使各种资源得到最大化利用,从而提升企业的竞争力。从上世纪90年代至今,我国许多企业都采用了自动化技术。但与国外相比,仍然存在差距。(1)生产水平方面。21世纪以来,我国制造业无论是在数量上还是质量上都取得了很大进步,但由于我国核心技术缺乏,自主产品较少,很多关键零件或机器都来自国外自动化水平比较高的国家,如美国、德国,因此我国在技术上还有很大的提升空间。(2)制造方面。我国制造业晚了发达国家约几年的时间,至上世纪70年代左右,我国制造业才开始慢慢向机械自动化转型。由于技术水平的限制,当时并没有使工作效率有很大提高。而现在尽管自动化已经在我国很普及,但在一个工业的生产流程中,依靠更多的还是人力。(3)管理方面。工业发达国家重视管理体制,多采用计算机进行管理。我国不少企业采用计算机辅助管理,但仍有企业通过“经验模式”进行管理,并且缺乏创新型人才,导致核心技术的研发更多依靠的是国外技术。

2.3机械自动化带来的影响

机械自动化的发展带来了很大的便利及改变。(1)生产条件的改善。机械自动化技术的应用,是通过机械代替部分人力工作,大大减轻了工人的工作量和劳动强度,从而在很大程度上提高了工作效率。而机械自动化的应用使得工业操作更为安全,一些高危的操作以前需要通过人力来完成,现在可以通过操作机器或设备达到目的。例如在煤矿生产方面,对煤矿的开采、挖掘、运输等,如果仅仅依靠人力开采、运输,这不仅需要花费大量的人力物力,而且由于煤矿中的一些不安全因素,经常会导致安全事故的发生。现在,通过机械自动化设备事先设定好程序,电牵引采煤机就能自动进行采煤作业。(2)控制成本,达到高效率,高质量。机械自动化设备一般耗能较低,能源利用率却很高,与传统的手工作业相比,节约了资源的同时就能使成本相对的减少。另一方面其生产效率高,可以批量生产,使原料、成本得到最大利用。(3)设备的调整、维修更加方便。在不同的生产类型中,机械自动化设备可以根据实际情况和需要进行安装调试,只需设备匹配,而不需要改变硬件的条件下就可以安装使用。在安全性上,机械自动化设备可以在工作过程中对故障进行自我监控及检查,进而使工作人员能及时发现故障及时解决。

3智能自动化技术在机械中的应用

机械自动化的出现大大提高了生产水平。近年来,智能自动化技术逐渐在机械领域被应用,智能化的机械相比于机械自动化,具有更高的生产效率,达到高质高量的效果,使其在机械领域逐渐成为一种趋势。

3.1智能自动化的特点

智能自动化技术源于机械自动化,是由传统的机械自动化技术与智能化技术相融合而成。机械自动化尽管已经高度自动化,但其操作仍然离不开人力,消耗量较大。例如设备需要人为控制,而智能化技术出现后,使得机械生产过程中更多的是依靠器械来完成。在智能自动化机械工程的生产中,其生产效率高,产品品质高,交互性也比较明显。智能化的机械生产,例如并联机器人AdeptQuattro的应用,在生产过程中不需要人力太多干预,通过特定的系统,就可以对整个操作过程的数据进行收集、并整合归纳,最后进行分析、处理,这样大大减少了对人力的需求。在医药企业的生产线上对输液袋进行装箱,生产线一般速度较快,而输液袋又是软的,导致非常不利于机器人抓取。但现在一台并联机器人可以代替一个班次,一分钟装箱可达180袋。综上来看,智能化自动化技术逐渐取代机械自动化技术是不可避免的趋势。

3.2智能化技术在机械自动化的应用

(1)机械生产设备逐渐智能化。在机械生产中,自动化所占的比重越来越重。而自动化生产的主要模式就是流水线操作,这样相比于人工操作,机械操作降低了人力成本,也减少了人为不稳定因素带来的影响。另外,机械操作不仅速度比较稳定,同时产品质量也相对较高,更是在一定程度上降低了次品率。例如在医疗、电子产品、食品等的生产流水线上,因并联机器人抓取精准、转动灵活、反应迅速,被广泛应用在最后的整理装箱环节,甚至可以将巧克力拼成花的形状装进盒子。(2)机械生产的管理智能化。机械生产的过程中,采用智能化的管理系统,可以边生产的同时边采集生产数据进而分析。如果生产过程中产生偏差,可以及时进行调整,在提高容错率的同时提升了生产线的效率。应用智能化的生产管理,进行智能化关联系统,能及时将生产、销售及反馈的数据整合,起到网络共享的作用。各项信息其及时性、准确性的保证,可以避免很多问题。以往的管理模式,更多的是依靠人力,而调研、设计、生产这些环节中如果有一个消息滞后,都可能为企业带来无法预料的后果。(3)机械产品智能化。随着智能化技术在机械工程中的应用,使得机械产品智能化也成为现实。并联机器人AdeptQuattro在工作过程中,不需要人为去指示下一步该做什么,它自己可以快速而准确的完成它的本职工作;特斯拉跑车的生产工厂中运用的几乎是全自动设备,一台设备可以完成几种动作而不冲突,有序进行;现在的智能汽车,已经可以在完全无驾驶员的情况下启动、停车。一系列的智能化技术在工业、生活中的应用,使机械产品更加人性化、个性化,同时也为生活带来更多的便利。

4结语

智能化的机械工程提高了工作效率,降低了人工成本,为生活及生产都带来很大便利。而智能化与自动化技术的结合,相辅相成,为人类带来更多的效益。

参考文献:

[1]王平.机械自动化在机械制造中的应用[J].中国高新技术企业,2013.

[2]任红.机械自动化在机械制造中的应用[J].科技传播,2012.

[3]隋小棠.关于加工智能化发展趋势的探讨[J].黑龙江科技,2014.

[4]朱剑英.机械工程智能化的发展趋势研究[J].航空制造技术,2014.

作者:林卓成 单位:广东省佛山市南海区南海中学

智能自动化技术在机械设计的应用责任编辑:张雨    阅读:人次