淺談現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法

劉愛華　黃鼎圖

摘要：在當(dāng)前科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的過程中，各種生產(chǎn)單位不斷的增多，各種生產(chǎn)器械和生產(chǎn)設(shè)備的要求也在不斷地增加。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與信息技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的不斷應(yīng)用，機(jī)械設(shè)計(jì)也展現(xiàn)出日新月異的變化，特征明顯的現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法越來越受到推崇。

1.現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的特征

現(xiàn)代設(shè)計(jì)是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的深入、豐富和完善，而非獨(dú)立于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的全新設(shè)計(jì)。雖然目前對現(xiàn)代設(shè)計(jì)尚無確切定義，但可從以下特征來理解。

1.1以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心

這是現(xiàn)代設(shè)計(jì)的主要特征。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展對設(shè)計(jì)產(chǎn)生的影響，表現(xiàn)為以下幾方面：

①使設(shè)計(jì)手段從“手工”向“自動(dòng)”的轉(zhuǎn)變。

②推動(dòng)產(chǎn)品表示從“二維”向“三維”的轉(zhuǎn)變。

③促進(jìn)一些新的設(shè)計(jì)方法的出現(xiàn)。有限元分析、優(yōu)化、模態(tài)分析等，都涉及大量復(fù)雜計(jì)算。并行設(shè)計(jì)、虛擬設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)仿真這些新方法已經(jīng)開始推廣使用。

④使設(shè)計(jì)方式從“串行”到“并行”的變化。

⑤提高了產(chǎn)品開發(fā)的效率。設(shè)計(jì)與制造一體化存在于計(jì)算機(jī)內(nèi)的產(chǎn)品模型可直接進(jìn)入CAPP系統(tǒng)進(jìn)行工藝規(guī)劃和NC編程，進(jìn)而加工代碼可直接傳入NC機(jī)床、加工中心進(jìn)行加工。產(chǎn)品模型加強(qiáng)了設(shè)計(jì)與制造兩個(gè)環(huán)節(jié)的連接。

⑥提高了設(shè)計(jì)管理水平。數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展改變了傳統(tǒng)的手工管理模式，各種MIS、PDM系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用大大提高了設(shè)計(jì)的管理水平，保證了設(shè)計(jì)過程的高效、協(xié)同和安全。

⑦提高了設(shè)計(jì)效率和水平。組織模式的開放網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展加快了數(shù)據(jù)通訊速度，形成了不受行政隸屬關(guān)系約束的、多企業(yè)共同參與的異地設(shè)計(jì)，達(dá)到了優(yōu)勢互補(bǔ)和資源共享。

1.2以設(shè)計(jì)理論為指導(dǎo)

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)是以生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，以運(yùn)用力學(xué)和數(shù)學(xué)形成的計(jì)算公式、經(jīng)驗(yàn)公式、圖表、手冊等作為依據(jù)進(jìn)行的。而現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是基于科學(xué)理論形成的，這樣能減小經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的盲目性和隨意性，提高設(shè)計(jì)的主動(dòng)性、科學(xué)性和準(zhǔn)確性。因此，現(xiàn)代設(shè)計(jì)是以理論指導(dǎo)為主、經(jīng)驗(yàn)為輔的一種設(shè)計(jì)。

1.3技術(shù)上的特征

（1）智能化

大型復(fù)雜機(jī)械的設(shè)計(jì)必須完成“分析一分解一綜合”的過程，其中包含了大量創(chuàng)造性思維過程和智能活動(dòng)。

（2）經(jīng)濟(jì)性

市場的競爭、用戶的選擇使對產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性要求越來越高。

（3）并行性

必須超前考慮后續(xù)的過程，實(shí)現(xiàn)DFM、DFA，以壓縮廢品、庫存的消耗，確保經(jīng)濟(jì)性。

（4）集成化

樹立人一機(jī)一體化、機(jī)電一體化、硬一軟件一體化的觀念，綜合多方面測試分析數(shù)據(jù)指導(dǎo)、評價(jià)設(shè)計(jì)，融多種現(xiàn)代科技成果和技術(shù)，特別是CAD技術(shù)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)之中。

（5）精確性

機(jī)械產(chǎn)品復(fù)雜度、綜合性提高的必然結(jié)果要求設(shè)計(jì)過程中要采用先進(jìn)的計(jì)算技術(shù)、計(jì)算理論和計(jì)算分析工具，使設(shè)計(jì)的分析更為準(zhǔn)確、設(shè)計(jì)參數(shù)更為精確。

（6）動(dòng)態(tài)性

設(shè)計(jì)對象處在動(dòng)態(tài)環(huán)境中，把握其動(dòng)態(tài)過程對于提高產(chǎn)品的可靠性具有重要意義，同時(shí)設(shè)計(jì)組織的協(xié)調(diào)也具有動(dòng)態(tài)性，所以要求設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)集成和設(shè)計(jì)系統(tǒng)必須無縫連接。

2.現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的方法

2.1結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)方法

從規(guī)劃產(chǎn)品的角度提出：定義設(shè)計(jì)任務(wù)以功能化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，引用已有的產(chǎn)品解如通用零件部件等描述設(shè)計(jì)任務(wù)，即分解任務(wù)時(shí)就考慮每個(gè)分任務(wù)是否存在對應(yīng)的產(chǎn)品解。這樣，能夠在產(chǎn)品規(guī)劃階段就消除設(shè)計(jì)任務(wù)中可能存在的矛盾，早期預(yù)測生產(chǎn)能力、費(fèi)用，以及開發(fā)設(shè)計(jì)過程中計(jì)劃的可調(diào)整性，由此提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)的可靠性，同時(shí)也降低成本。理想的模塊化基本結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有標(biāo)準(zhǔn)化的接口聯(lián)接和配合部，并且是系列化、通用化、集成化、層次化、靈便化、經(jīng)濟(jì)化，具有互換性、相容性和相關(guān)性。我國結(jié)合軟件構(gòu)件技術(shù)和CAD技術(shù)，將變形設(shè)計(jì)與組合設(shè)計(jì)相結(jié)合。根據(jù)分級模塊化原理，將加工中心機(jī)床由大到小分為產(chǎn)品級、部件級、組件級和元件級。并利用專家知識和CAD技術(shù)將它們組合成不同品種和規(guī)格的功能模塊，再將這些功能模塊組合成不同的加工中心總體方案。

2.2基于產(chǎn)品特征知識的設(shè)計(jì)方法

用計(jì)算機(jī)能夠識別的語言描述產(chǎn)品的特征及其設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗(yàn)，建立相應(yīng)的知識庫及推理機(jī)，再利用已存儲(chǔ)的領(lǐng)域知識和建立的推理機(jī)制實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)。機(jī)械系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)主要是依據(jù)產(chǎn)品所具有的特征，以及設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推量和決策，完成機(jī)構(gòu)的型、數(shù)綜合。欲實(shí)現(xiàn)這一階段的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，必須研究知識的自動(dòng)獲取、表達(dá)、集成、協(xié)調(diào)、管理和使用。 2.3系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法

將設(shè)計(jì)看成由若干個(gè)設(shè)計(jì)要素組成的一個(gè)系統(tǒng)，每個(gè)設(shè)計(jì)要素具有獨(dú)立性，各要素間存在著有機(jī)的聯(lián)系，并具有層次性。所有的設(shè)計(jì)要素結(jié)合后，即可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)需完成的任務(wù)。 2.4智能化設(shè)計(jì)方法 根據(jù)設(shè)計(jì)方法學(xué)理論，借助于三維圖形軟件、智能化設(shè)計(jì)軟件和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，以及多媒體、超媒體工具進(jìn)行產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)、表達(dá)產(chǎn)品的構(gòu)思、描述產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)。機(jī)械產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)通常無法采用純數(shù)學(xué)演算的方法進(jìn)行，也難以用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行完整的描述，而需根據(jù)產(chǎn)品特征進(jìn)行形式化的描述，借助于設(shè)計(jì)專家的知識和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推理和決策。目前，智能化設(shè)計(jì)方法主要是利用三維圖形軟件和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，直觀性較好，開發(fā)初期用戶可以在一定程度上直接參與到設(shè)計(jì)中，要求軟件具有較高的智能化程度，或者有豐富經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者參與。

3.結(jié)束語

機(jī)械設(shè)計(jì)的過程中，各種手段和設(shè)計(jì)手法是一個(gè)系統(tǒng)化的過程，各類方法之間都存在一定程度上的聯(lián)系，保證設(shè)計(jì)過程中的規(guī)范化，簡單化，更能夠提高設(shè)計(jì)質(zhì)量與效率，降低其成本，我們只有充分利用各種設(shè)計(jì)方法，才可以更精確、更經(jīng)濟(jì)，更有效率的進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

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