信息时代机械设计制造及自动化研究

王 姚 ， 李汝翀

（湖南交通工程学院，湖南 衡阳 421001）

在信息技术飞速发展的背景下，各行各业在信息技术的辅助下都取得了一定的发展优势，机械制造行业作为现代工业化社会发展过程中极为重要的行业，为进一步提升这一行业的发展质量，将信息技术与机械设计生产制造融为一体已经成为降低人力资源消耗、提升机械设备生产质量的最有效的方式之一。

1 信息技术在机械设计制造及自动化中的优势

1.1 提升机械设计制造效率

在当前机械设计制造工作开展的过程中，信息技术的合理应用可以在一定程度上简化传统手工机械设备生产操作的流程，缩短生产时间，达到提升机械设备设计生产制造效率的目的。同时，这种自动化程度较高的设计制造方式还能提升机械设计制造产品的精确度，便于生产企业有效地控制产品的质量，降低产品的生产成本，提高自身的经济效益。以汽车发动机制造为例，过去的发动机生产过程中，受零件装配、零件质量等因素的影响，发动机的生产质量、效率往往存在较大的不确定性。现阶段，将自动化机械设计制造应用于汽车发动机生产过程中，由自动化打号机、拧紧机、可调机械臂等设备代替人工组装零部件[1]。

1.2 提升机械设计制造安全性

在传统的机械设计制造过程中，大多由人工操作机械设备，进行产品的生产，受机械设备故障、人员操作失误等问题的影响，这种生产方式往往存在较多的安全隐患。现阶段，为了在降低安全隐患出现概率的基础上，切实降低产品的生产成本，将信息技术应用于机械设计生产过程中，减少人工工作量，在提升机械设计生产自动化水平的同时，有助于降低机械设备对人员的伤害。同时，将信息技术应用于机械设计制造工作中，可以由计算机系统有效监控机械设计制作的流程，并且通过对各项数据进行分析记录的方式，及时发现机械设计制造过程中设备中的故障并处理，避免对机械设计制造活动产生不利影响。

1.3 便于远程监控机械设计制造流程

现阶段，大部分融入信息技术的自动化机械设计制造设备可以由计算机系统远程监控设备的工作情况，这种情况的出现使得工作人员往往不需要在机械设备边上，就可以借助计算机系统了解设备的实际情况，并通过对机械设计制造流程进行远程监控的方式切实保证产品生产流程的稳定性。

2 信息技术在机械设计制造及自动化中的应用

笔者以某制造企业为例，该企业为了提升机械制造加工的效率，考虑升级改造现有机械加工设备。为此，该企业利用信息技术对机械手进行自动化改造，具体设计方案如下。

2.1 大型闭式压力机自动上下料机械手的设计方案

在当前的自动化机械设计生产过程中，用自动化上下料机械手代替人工完成取料、送料、取件等工作，不仅能够降低生产的危险性，还能节约生产成本、提升工件的加工质量。现阶段，在大型闭式压力机自动上下料机械手的生产制造过程中，明确机械手的实际应用环境，为其设定合适的生产节拍，确定其主要的机械结构参数，成为了极为重要的工作。

2.1.1 机械手的需求分析

在当前的大型闭式压力机自动上下料机械手需求分析的过程中，设计人员可以从企业生产需求、冲压设备实际需要、订单及自动化系统、机械手设计要求等方面进行分析，以便为后续机械手的设计生产工作提供有效的支持。具体来说，在分析机械手的实际应用需求的过程中，设计人员需明确大型闭式压力机自动上下料机械手主要被应用于材料的冲压工作当中，并且机械手在其中的具体应用方式为，先将材料放在冲压机的相应位置，由压力机与模具对材料施加适当的压力，使材料成为有着一定尺寸与形状的冲压件，然后将冲压件取下，放在另一相应位置。因此，机械手在设计过程中，需要能用上料机械手拾取中台上的板料、等待压力机的上料信号、将板料及时送到压机下模具上、在冲压完成后取出冲压件，并且保证这一系列操作节拍具有高塑性与安全性的特点。

2.1.2 机械手的驱动方式分析

在当前大型闭式压力机自动上下料机械手的设计过程中，能够保证机械手正常驱动的方式包括液压驱动、电气驱动与气动驱动，并且不同的驱动方式与机械手操作的稳定性、精确性之间存在着一定的联系。

首先，液压驱动为机械手提供的推力与转矩都比较大，可以有效实现低速大吨位机械手的运动。在功率相同的情况下，液压驱动装置的结构较为紧凑，体积较小，这种情况以液压驱动方式机械手的布局安装灵活性更高。同时，在液压油的作用下，机械手中的液压元件可以实现自润滑，达到延长机械手整体使用寿命的目的。但需要注意的是，受液压油在实际应用过程中无法在过高或过低温度下稳定发挥自身作用的影响，若外界环境温度过高或过低都可能导致机械手的传动能量损失大大增加，并且在系统出现故障时，其检查难度也比较大。

其次，电气驱动的动力源主要为伺服电机，在实际应用过程中，伺服电机与PLC、控制器等部件结合，通过分析传感器、编码器等控制装置，实现对使用这种驱动方式的机械手进行快速响应与确定定位。若机械手的驱动方式为电气驱动，那么在应用过程中，机械手的运动噪声、污染源都比较少，并且由于机械手中不存在液压油、气泵等部件，可以在一定程度上节约后期设备检修维护的成本。但需要注意的是，电气驱动动力源中往往存在电机、传感器等部件，这些部件的元件成本相对较高，往往会增大机械手制造成本。

最后，气动驱动的动力源主要介质为压缩的空气，气动驱动可以在高温、灰尘、潮湿等恶劣环境中稳定工作，并且对环境的影响比较小。气动驱动元件的结构较为简单，维护难度比较小。但需要注意的是，气动系统无法做高压负载输出，并且随着空气的压缩性增大，系统动作的稳定性将会降低，在工作过程中往往会产生噪声。同时，由于气动驱动在使用过程中负载变化与元件速度之间存在着直接的联系，因此，气动驱动的速度控制难度比较大，无法满足精密运动的需要[2]。由于大型闭式压力机自动上下料机械手在实际应用过程中，对定位精度有着较高的要求，并且需要具有一定的位置自锁功能，对上述三种驱动方式进行分析后，可以选择电气驱动作为机械手的驱动方式。

2.1.3 机械手设计方案

大型闭式压力机自动上下料机械手的方案设计主要可以分成整体结构设计、端拾器设计、主要参数设计等。

首先，在进行机械手整体结构设计的过程中，可以以桁架式机械手为基础，研究机械手各部分功能。1）承载座是机械手实现两侧支撑的方式，桁架的两端被固定在承载座上，在实际连接过程中，与压力机相连接的那部分承载座需要避开压力机立柱上的管路。2）桁架式机械手的主要承载部件，安有导轨、齿轮等部件。3）X轴机械臂可以利用齿轮齿条的传动，实现桁架上的运动，同时，为切实满足X轴机械臂较大运动行程、精度误差需小于0.1 mm的要求，需要使用导轨滑块作为其导向与支撑部件。4）Z轴机械臂主要是以齿轮齿条作为传动方式，并且行程较短，为避免在停机状态下，Z轴机械臂受自重的影响出现滑动现象，需要在安装过程中保证Z轴机械臂有抱闸功能。5）Y轴机械臂作为车间内主要承担行车换模、换料功能的部件，在实际应用过程中，与压力机之间的距离往往在5 m左右，其Y轴方向的移动距离在2.5 m左右，现阶段，为避免Y机械臂在使用过程中对压力机的正常工作产生影响，可以在Y轴方向上，将Y轴机械臂分成Y1与Y2轴机械臂两部分。

其次，在端拾器设计过程中，为保证端拾器能够切实满足压力机自动化上下料的需要，端拾器可以先在料垛区完成垛料的分张、拆垛、对中与涂油，然后将板料送到指定位置，再由上料机将板料从中台上送到压力机上。现阶段，依据板料的拾取方式不同，拾取器可以分成电磁吸附式拾取器、机械夹钳式拾取器、永磁铁吸附式拾取器以及真空吸盘式拾取器，并且上述拾取器的具体工作原理与优缺点如表1所示。在本次机械手设计过程中考虑到压力机的实际使用需要，可以采用电磁吸附式端拾器对板料进行运输[3]。

表1 不同拾取器的比较

最后，面对不同的使用环境，桁架式上下料机械手的定位精度、运行速度尺寸等设计要求存在着一定的差异。在当前的机械手设计过程中，为切实减少机械手各部分设计计算的难度，可以应用Solid Works系统对其进行建模处理，然后得到设计参数如表2所示。并且在机械手的实际应用过程中，为尽量延长机械手的使用寿命，可以在满足节拍器要求的基础上，应用信息技术对设备的最优运动速度、加速度、位置等信息进行分析，并通过将其应用于机械手的实际应用过程中的方式，切实满足机械手的使用需要。

表2 大型闭式压力机自动上下料机械手的主要参数

2.1.4 机械手的总体控制方案

在自动化机械设计生产过程中，控制系统的信息化程度与其自动化程度之间存在着直接的联系。现阶段，为进一步提升大型闭式压力机自动上下料机械手工作的协调性、安全性与稳定性，选择一种合适的控制方式，为机械手设计合适的控制系统成为了极为必要的工作。具体来说，当前工业生产过程中，较为常用的自动化控制系统主要包括单片机、继电逻辑、可编程控制器等控制系统，相较于工作频率较低的继电逻辑控制系统，可编程控制器具有操作简单、运行稳定性高、程序设计灵活等优点，并且在实际应用过程中，可以实现故障自检。为切实降低自动化管理的难度，可编程控制器的使用范围不断扩大。因此，在大型闭式压力机自动上下料机械手设计过程中，为更好地实现对机械手行为的有效控制，可以应用可编程控制系统，为其编写控制程序，实现机械手的自动化运转。

2.2 大型闭式压力机自动上下料机械手系统设计

近年来，随着工业自动化的不断发展，为了在尽可能控制大型闭式压力机自动上下料机械手整体成本的同时，进一步提升系统操作的可靠性与稳定性，可以将具有较强抗干扰能力、功能完善的工业可编程控制程序应用到机械手当中。具体来说，在可编程控制器的应用过程中，可以通过语句描述、图形、功能表图等语言编程的方式，实现人机交互、故障自动诊断等功能，进一步提升机械手功能控制的可靠性，降低人员控制机械手的难度，提升管控的安全性。以上料机械手控制系统需实现的功能为例，上料机械手的功能是将涂油板料送到压力机下模具上，具体工作流程为：在中台上拾取板料—等待压力机的上料信号—当信号发出后将板料放到压力机下模具上—端拾器移动到送料位—释放板料。为保证上述流程操作的准确性，在进行上料机械手的系统设计过程中，可以将其坐标方式设置为绝对式坐标系，当机械手出现急停、开机错误等问题时，为保证定位的准确度，机械手需要先回到原点位置，然后再重复上述工作流程。同时，保证机械手在工作过程中位置可以移动，并且控制机械手的定位误 差在0.1 mm以下[4]。

3 结论

综上所述，在信息时代的发展背景下，自动化技术得到了有效的发展，并且这种情况的存在切实推动了机械制造行业的可持续发展。现阶段，为切实提升机械设计制造行业的整体生产效率与生产质量，深入研究信息技术与机械设计制造行业之间的联系，成为了一项极为必要的工作。