自動(dòng)化設(shè)備中有關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)體會(huì)

陸葉星

（鹽城高周波熱煉有限公司，江蘇 鹽城 224100）

在現(xiàn)代自動(dòng)化設(shè)備中，機(jī)械結(jié)構(gòu)的實(shí)用性和可靠性將對設(shè)備整體運(yùn)轉(zhuǎn)效率、工作性能產(chǎn)生較大的影響。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)屬于自動(dòng)化設(shè)備設(shè)計(jì)中十分重要的部分，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮設(shè)備的形狀、尺寸以及應(yīng)用需求等關(guān)鍵要素，然后對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，從而保證自動(dòng)化設(shè)備的運(yùn)行性能，使之具備較為豐富的功能[1]。因此，當(dāng)前加強(qiáng)對自動(dòng)化設(shè)備中有關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)研究具有較為積極的意義，有助于推進(jìn)我國機(jī)械制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 自動(dòng)化設(shè)備中機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容及特點(diǎn)

1.1 自動(dòng)化設(shè)備中機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容

自動(dòng)化設(shè)備中機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要指的是基于設(shè)備整體功能需求，確定并畫出機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)圖，以此來保證自動(dòng)化設(shè)備的運(yùn)行性能和可靠性。在此設(shè)計(jì)過程中，主要是將一些抽象的機(jī)械原理轉(zhuǎn)化成為具體的機(jī)械構(gòu)件。從具體設(shè)計(jì)內(nèi)容來看，主要需設(shè)計(jì)人員對機(jī)械構(gòu)件的材料、形狀、尺寸大小、表面粗糙度、公差大小等展開設(shè)計(jì)，同時(shí)在設(shè)計(jì)中明確相關(guān)加工工藝，應(yīng)達(dá)到的強(qiáng)度、剛度要求以及與其他零部件之間的配合情況等。從設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容來看，雖然最終直接產(chǎn)物為設(shè)計(jì)圖紙，但期間需要設(shè)計(jì)人員考慮的問題卻較多，需要將眾多設(shè)計(jì)內(nèi)容轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)方案語言，以便后期生產(chǎn)加工能夠順利開展進(jìn)行[2]。

1.2 自動(dòng)化設(shè)備中機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

在自動(dòng)化設(shè)備中機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程具有較為鮮明的特點(diǎn)，其主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的綜合性，屬于自動(dòng)化設(shè)備設(shè)計(jì)中工作量較大的環(huán)節(jié)，需要設(shè)計(jì)人員綜合設(shè)備應(yīng)用需求，進(jìn)行計(jì)算、繪圖，必要時(shí)需結(jié)合一定的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行；（2）設(shè)計(jì)存在多解性特點(diǎn)，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中對某些問題的解決，不止一種設(shè)計(jì)解決方案，但各種方案的應(yīng)用性能通常存在差異，需要設(shè)計(jì)人員綜合比對，然后做出科學(xué)優(yōu)化；（3）設(shè)計(jì)過程常存在反復(fù)交叉性，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)性能受影響因素較多，在設(shè)計(jì)過程中可能出現(xiàn)許多考慮不全面的因素，在后期發(fā)現(xiàn)問題時(shí)又需要進(jìn)行反復(fù)性修改調(diào)整，也正因?yàn)檫@方面特點(diǎn)，使得機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)耗時(shí)較多。基于自動(dòng)化設(shè)備中機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)表現(xiàn)出來的特點(diǎn)，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)在設(shè)計(jì)之初盡可能了解機(jī)械結(jié)構(gòu)的相關(guān)基本要求，由此降低后期優(yōu)化流程，從而達(dá)到提升設(shè)計(jì)效率的目的。

2 自動(dòng)化設(shè)備中機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求分析

自動(dòng)化設(shè)備對運(yùn)行性能和功能提出較高要求，為滿足其運(yùn)行性能和功能要求，在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分把握設(shè)計(jì)要點(diǎn)，明確設(shè)計(jì)要求，并在設(shè)計(jì)中注意對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新，從而提升機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整體性能，提升自動(dòng)化設(shè)備的市場競爭力。

2.1 將用戶需求作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

在自動(dòng)化設(shè)備設(shè)計(jì)過程中，其最終目的是滿足用戶應(yīng)用需求，因此在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將用戶需求作為整個(gè)設(shè)計(jì)過程的基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)初始階段，對用戶需求、市場需求等進(jìn)行全面的調(diào)查了解，在充分了解需求的情況下才能讓最終設(shè)計(jì)與實(shí)際所需更加吻合的產(chǎn)品，從而讓設(shè)計(jì)的產(chǎn)品發(fā)揮出應(yīng)有的價(jià)值[3]。如：在設(shè)計(jì)之前，應(yīng)了解用戶對自動(dòng)化設(shè)備整體形體的需求，然后在針對機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，在保證設(shè)備整體運(yùn)轉(zhuǎn)性能的基礎(chǔ)上盡可能滿足用戶對設(shè)備形體的需求，提升客戶對自動(dòng)化設(shè)備的滿意度。如圖1所示，為較為常見的五軸關(guān)節(jié)型機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行此類機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，首先應(yīng)明確工作環(huán)境的抓取需求，然后對設(shè)計(jì)自由度做出限制，以最大化提升運(yùn)轉(zhuǎn)工作時(shí)的效率和準(zhǔn)確性。

圖1 五軸關(guān)節(jié)型機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)

2.2 滿足自動(dòng)化設(shè)備質(zhì)量要求

自動(dòng)化設(shè)備對產(chǎn)品質(zhì)量提出較高要求，而機(jī)械結(jié)構(gòu)屬于自動(dòng)化設(shè)備中的重要組成部分，其質(zhì)量對自動(dòng)化設(shè)備質(zhì)量有著較大的影響，因此在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)對機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量予以高度重視，確保機(jī)械結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性等都能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，設(shè)計(jì)中還需結(jié)合應(yīng)用便捷性、安全性、環(huán)保性、節(jié)能性等多方面因素考慮，使得最終自動(dòng)化設(shè)備具有較高的自動(dòng)化控制性能。這實(shí)質(zhì)上決定了自動(dòng)化設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)化特性，需在設(shè)計(jì)中不斷獲取應(yīng)用數(shù)據(jù)，然后基于獲取到的數(shù)據(jù)信息分析現(xiàn)階段機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的不足，最后采取科學(xué)的優(yōu)化措施，以促進(jìn)自動(dòng)化設(shè)備整體質(zhì)量的提升。

2.3 滿足使用功能需求

在進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證自動(dòng)化設(shè)備發(fā)揮出應(yīng)有的功能，其在功能設(shè)計(jì)方面通常需要滿足兩點(diǎn)要求：（1）基礎(chǔ)功能要求，設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)工作的基礎(chǔ)要求，尤其是應(yīng)用者需要的一些功能，必須在設(shè)計(jì)中得到保證；（2）創(chuàng)新功能要求，為保證設(shè)計(jì)自動(dòng)化設(shè)備整體更具競爭力，在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)做出一定的功能創(chuàng)新，提升機(jī)械設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性以及節(jié)能性[4]。如圖1所示的機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為提升其靈活性，可在結(jié)構(gòu)的下端安裝橫向或縱向的滑動(dòng)裝置，然后通過自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，能夠使其應(yīng)用范圍得到大幅度提升。

2.4 強(qiáng)化產(chǎn)品后期優(yōu)化設(shè)計(jì)

面對高速發(fā)展的科學(xué)技術(shù)，自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備表現(xiàn)出較快的更新速度，整體性能也在不斷更新發(fā)展中得到提升。在此背景下，進(jìn)行自動(dòng)化設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)在思維上保持先進(jìn)性，不斷基于使用者需求、市場需求，加強(qiáng)對產(chǎn)品的后期優(yōu)化設(shè)計(jì)，以促進(jìn)設(shè)備整體性能不斷提升，這是現(xiàn)代企業(yè)保持較強(qiáng)競爭力的重要基礎(chǔ)，同時(shí)這也是現(xiàn)代機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)具備的基本素質(zhì)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意保持創(chuàng)造性思維，并將這種思維與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)結(jié)合，在機(jī)械結(jié)構(gòu)零部件尺寸、形狀、連接等方面做出改良創(chuàng)新，提升自動(dòng)化設(shè)備的整體控制性能、運(yùn)轉(zhuǎn)性能。

3 自動(dòng)化設(shè)備中機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的體會(huì)

自動(dòng)化設(shè)備中機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)較為復(fù)雜的過程，需要考慮的因素較多，為有效保證設(shè)計(jì)質(zhì)量，使機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有更為良好的質(zhì)量和性能，在設(shè)計(jì)時(shí)主要可從方法創(chuàng)新和加強(qiáng)優(yōu)化設(shè)計(jì)兩個(gè)方面做出改善，通過設(shè)計(jì)方法創(chuàng)新提升設(shè)計(jì)效率，通過加強(qiáng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提升機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量。

3.1 重視機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法創(chuàng)新

隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能化技術(shù)的快速發(fā)展，在對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)善于靈活應(yīng)用智能化技術(shù)，提升設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。首先，可利用設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行三維建模，并模擬自動(dòng)化裝備所處環(huán)境，以便對零件尺寸、位置、形狀等信息做進(jìn)一步優(yōu)化，提升機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整體性能；其次，通過計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行裝配模擬設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中發(fā)現(xiàn)各個(gè)零部件之間存在的不匹配現(xiàn)象，然后對零部件結(jié)構(gòu)和尺寸做出優(yōu)化，促進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配工作的開展。同時(shí)，借助計(jì)算機(jī)軟件裝配模擬，也能夠?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)后期實(shí)際裝配制定具體的裝配方案，提升裝配質(zhì)量和效率；最后，借助計(jì)算機(jī)軟件展開設(shè)計(jì)，應(yīng)善于應(yīng)用其中有限元分析、材料性能數(shù)據(jù)調(diào)取等功能，這不僅能夠促進(jìn)設(shè)計(jì)效率的提升，而且能夠使之具備更高的合理性，從而保障最終的設(shè)計(jì)質(zhì)量[5]。

3.2 重視機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程

在自動(dòng)化設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，優(yōu)化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)是十分關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，對自動(dòng)化設(shè)備整體性能有著較大的影響，優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)從多個(gè)角度、多個(gè)方面展開全面分析，綜合比對各種機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，從中選取出最為合理的設(shè)計(jì)方案。

3.2.1 結(jié)合自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用場合進(jìn)行優(yōu)化

在不同的應(yīng)用場合下，對自動(dòng)化設(shè)備的應(yīng)用需求存在較大的差異，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)將此作為設(shè)計(jì)優(yōu)化重點(diǎn)內(nèi)容。如：在某自動(dòng)化教學(xué)設(shè)備的設(shè)計(jì)中，要求該設(shè)備擁有自主行走、遠(yuǎn)端遙控等功能，在初期機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中僅注重其仿生行走功能，應(yīng)用曲柄遙桿機(jī)構(gòu)、雙搖桿與曲軸連桿等機(jī)械部件進(jìn)行相互作用來實(shí)現(xiàn)行走，但是設(shè)計(jì)中忽略了教學(xué)應(yīng)用人員的攜帶問題，使得其實(shí)際應(yīng)用性能受到影響。后在優(yōu)化設(shè)計(jì)中對部分機(jī)械結(jié)構(gòu)做出優(yōu)化，使之能夠?qū)崿F(xiàn)折疊，提升其攜帶方便性，有效滿足教學(xué)應(yīng)用人員的實(shí)際應(yīng)用需求，在很大程度上提升其實(shí)際應(yīng)用性[6]。由該案例也可看出，在進(jìn)行自動(dòng)化設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要了解市場需求、用戶使用需求，然后結(jié)合這些需求進(jìn)行優(yōu)化，能夠讓設(shè)計(jì)產(chǎn)品的整體價(jià)值得到提升。

3.2.2 加強(qiáng)對材料應(yīng)用的優(yōu)化

在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)用不同類型的原材料，不僅會(huì)影響到設(shè)備的使用性能，還會(huì)對設(shè)備造價(jià)產(chǎn)生較大的影響，尤其在當(dāng)前新材料類型不斷增多的背景下，在實(shí)際設(shè)計(jì)中對加工應(yīng)用的原材料進(jìn)行合理選擇表現(xiàn)出較高的重要性。在設(shè)計(jì)中可從加工處理、材料性能、材料價(jià)格等多方面進(jìn)行考慮，在不影響設(shè)備使用的基礎(chǔ)上，選擇綜合性能更為突出的材料類型。

3.2.3 針對結(jié)構(gòu)零部件數(shù)量展開優(yōu)化

對于自動(dòng)化設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)來講，其更加關(guān)注的是設(shè)備的性能和造價(jià)，需要設(shè)備在滿足使用性能要求的基礎(chǔ)上，盡可能降低設(shè)備的造價(jià)，以此來達(dá)到最大的經(jīng)濟(jì)效益。而機(jī)械結(jié)構(gòu)的零部件數(shù)量對設(shè)備的造價(jià)有著較大的影響，如何優(yōu)化結(jié)構(gòu)零部件數(shù)量，降低機(jī)械結(jié)構(gòu)的造價(jià)表現(xiàn)出較高的重要性[7]。在此種情況下，設(shè)計(jì)人員一方面應(yīng)注意后期零部件的測評，測評各個(gè)零部件實(shí)際發(fā)揮作用；另一方面應(yīng)對測評結(jié)果進(jìn)行綜合性分析，將其中個(gè)別作用較低的零部件剔除，以此能夠促進(jìn)自動(dòng)化設(shè)備整體性價(jià)比提升。

3.2.4 優(yōu)化零部件的局部安裝位置

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，各個(gè)零部件的安裝位置也屬于重要的優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)容，零部件所處位置不同，所應(yīng)用的排列方式不同，都會(huì)對設(shè)備整體的運(yùn)行質(zhì)量產(chǎn)生影響。因此，在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮到零件之間的關(guān)聯(lián)性、結(jié)構(gòu)整體的貼合程度等，然后對局部零部件所處位置做出調(diào)整，有效控制零部件之間的間隔距離，使自動(dòng)化設(shè)備的整體質(zhì)量和性能得到提升。此外，零部件的安裝位置還可能對結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性造成影響，尤其是一些立式機(jī)械結(jié)構(gòu)，應(yīng)避免上端結(jié)構(gòu)過重引發(fā)傾倒危險(xiǎn)。

3.2.5 優(yōu)化自動(dòng)化設(shè)備的外形

從消費(fèi)者的角度進(jìn)行考慮，對產(chǎn)品的外形表現(xiàn)出較高的關(guān)注度，自動(dòng)化設(shè)備的外形直接影響到消費(fèi)者的第一印象，而機(jī)械結(jié)構(gòu)是決定自動(dòng)化設(shè)備外形的重要因素，因此在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)對設(shè)備整體外形引起關(guān)注，盡可能讓設(shè)備擁有較為美觀的外形[8]。為達(dá)到該目的，在完成機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)部零部件設(shè)計(jì)后，應(yīng)再次對零部件的形狀和尺寸做出優(yōu)化，并為之配備合適的防護(hù)外殼，保證自動(dòng)化設(shè)備的美觀和性能共存。

3.2.6 優(yōu)化自動(dòng)化設(shè)備的綠色性能

綠色化、節(jié)能化是新時(shí)代背景下設(shè)計(jì)工作開展高度關(guān)注的問題，在對自動(dòng)化設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)展開設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)在設(shè)計(jì)之初便明確“綠色化、節(jié)能化、環(huán)保性”的主題，降低自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)行能耗，提升其運(yùn)行綜合性能[9]。具體來看，首先，要求設(shè)計(jì)人員考慮到機(jī)械結(jié)構(gòu)傳動(dòng)方式，在滿足應(yīng)用可靠性的情況下，盡可能采用更為節(jié)能的傳動(dòng)方式，降低機(jī)械結(jié)構(gòu)工作過程中產(chǎn)生的損耗；其次，對不同設(shè)計(jì)方案對能源的消耗進(jìn)行試驗(yàn)對比分析，找出增大能耗的結(jié)構(gòu)原因，然后對相關(guān)部位做出針對性優(yōu)化，這樣才能提升運(yùn)行的實(shí)際效果。

4 結(jié)束語

綜上所述，在現(xiàn)代自動(dòng)化設(shè)備設(shè)計(jì)中，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)屬于十分重要的組成部分，自動(dòng)化設(shè)備整體性能影響較大，因此應(yīng)把握設(shè)計(jì)要點(diǎn)，對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先在設(shè)計(jì)中應(yīng)滿足各種基本需求，如：功能需求、質(zhì)量需求、使用需求等，然后在滿足這些需求的基礎(chǔ)上，應(yīng)用更為先進(jìn)的設(shè)計(jì)方式，從設(shè)備外形、綠色性能、零部件數(shù)量、零部件安裝位置等方面展開優(yōu)化設(shè)計(jì)，全面提升自動(dòng)化設(shè)備的綜合性能，使設(shè)計(jì)出來的自動(dòng)化設(shè)備在市場環(huán)境中擁有較高的競爭力。