淺談機(jī)械產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)

程曉龍++郭延剛++李世偉

[摘 要]介紹了數(shù)字化設(shè)計(jì)的基本概念和特點(diǎn)，闡述了在機(jī)械產(chǎn)品領(lǐng)域數(shù)字化設(shè)計(jì)的一般過程和主要技術(shù)，分析了機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀和發(fā)展前景，以及智能CAD技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]數(shù)字化設(shè)計(jì) 機(jī)械設(shè)計(jì) 機(jī)械產(chǎn)品 CAD技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP391.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）17-0350-01

1引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化的進(jìn)程加快以及信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代制造業(yè)環(huán)境發(fā)生了重大的變化。與此同時(shí)，現(xiàn)代制造業(yè)隨之出現(xiàn)了適應(yīng)這種發(fā)展的新模式和新哲理，其核心在于：在制造企業(yè)中全面推行數(shù)字設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，通過在產(chǎn)品全生命周期中的各個(gè)環(huán)節(jié)普及與深化計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，系統(tǒng)及集成技術(shù)的應(yīng)用，促進(jìn)傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)業(yè)在各方面的技術(shù)革新，使企業(yè)的設(shè)計(jì)、制造、管理技術(shù)水平全面提升，在全球市場競爭環(huán)境中生存發(fā)展并不斷地?cái)U(kuò)大其競爭優(yōu)勢。

2？數(shù)字化設(shè)計(jì)的概念

“數(shù)字化”是指信息（計(jì)算機(jī)）領(lǐng)域的數(shù)字（二進(jìn)制）技術(shù)向人類生活各個(gè)領(lǐng)域全面推進(jìn)的過程。“數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)”是指利用計(jì)算機(jī)軟硬件及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)全過程的一種技術(shù)，即在網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)輔助下通過產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型，全面模擬產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析、裝配、制造等過程。數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造不僅貫穿企業(yè)生產(chǎn)的全過程，而且涉及企業(yè)的設(shè)備布置、物流物料、生產(chǎn)計(jì)劃、成本分析等多個(gè)方面。數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的應(yīng)用可以大大提高農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)能力、縮短產(chǎn)品研制周期、降低開發(fā)成本、實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)目標(biāo)和企業(yè)間的協(xié)作，使企業(yè)能在最短時(shí)間內(nèi)組織全球范圍的設(shè)計(jì)制造資源共同開發(fā)出新產(chǎn)品，大大提高企業(yè)的競爭能力。

3？機(jī)械產(chǎn)品領(lǐng)域的數(shù)字化設(shè)計(jì)

3.1機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)的一般過程

機(jī)械產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)形象直觀，干涉檢查、強(qiáng)度分析、動(dòng)態(tài)模擬、優(yōu)化設(shè)計(jì)、外觀及色彩設(shè)計(jì)等采用數(shù)字樣機(jī)實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)錯(cuò)誤少，設(shè)計(jì)周期短、成本低。

（1）總體方案設(shè)計(jì)是根據(jù)希望達(dá)到的目的或應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能，考慮已知約束，進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品的全局設(shè)計(jì)，構(gòu)思形成比較完善的設(shè)計(jì)方案。

（2）建立參數(shù)化運(yùn)動(dòng)模型是指進(jìn)行機(jī)械各部分的具體設(shè)計(jì)，首先確定各零件的形狀、結(jié)構(gòu)、尺寸和公差等，并在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行參數(shù)化建模。

（3）虛擬裝配是通過裝配模塊完成各零件的組裝，形成整機(jī)。裝配是運(yùn)動(dòng)仿真的前提保障，裝配關(guān)系的正確與否直接影響著運(yùn)動(dòng)仿真的結(jié)果，裝配前首先要確定運(yùn)動(dòng)的各構(gòu)件以及各構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)副。確定好各構(gòu)件及各構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)副之后，即可通過選擇構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副組成機(jī)構(gòu)，最后由各機(jī)構(gòu)組成整機(jī)，并為仿真做準(zhǔn)備。

3.2機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)的主要技術(shù)

機(jī)械產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)集成了現(xiàn)代設(shè)計(jì)制造過程中的多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，包括三維建模、裝配分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成、產(chǎn)品信息管理、虛擬設(shè)計(jì)與制造、多媒體和網(wǎng)絡(luò)通訊等，是一項(xiàng)多學(xué)科的綜合技術(shù)。其核心技術(shù)主要有：

（1）CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM。CAD/CAE/CAPP/CAM分別是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助工程、計(jì)算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造的英文縮寫，它們是制造業(yè)信息化中數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的核心，是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品開發(fā)的主要工具。PDM技術(shù)集成是管理與產(chǎn)品有關(guān)的信息、過程及人與組織，實(shí)現(xiàn)分布環(huán)境中的數(shù)據(jù)共享，為異構(gòu)計(jì)算機(jī)環(huán)境提供了集成應(yīng)用平臺(tái)，從而支持CAD/CAPP/CAM/CAE系統(tǒng)過程的實(shí)現(xiàn)？。

（2）異地、協(xié)同設(shè)計(jì)。在因特網(wǎng)和企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)的環(huán)境中，進(jìn)行產(chǎn)品定義與建模、產(chǎn)品分析與設(shè)計(jì)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理及產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換等，異地、協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)環(huán)境下為多人、異地實(shí)施產(chǎn)品協(xié)同開發(fā)提供支持工具。

（3）基于知識(shí)的設(shè)計(jì)。將產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中需要用到的各類知識(shí)、資源和工具融到基于知識(shí)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)之中，支持產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新開發(fā)的重要工具。

（4）虛擬設(shè)計(jì)、虛擬制造。綜合利用建模、分析、仿真以及虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)和工具，在網(wǎng)絡(luò)支持下，采用群組協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造的本質(zhì)過程，包括產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質(zhì)量檢驗(yàn)，并進(jìn)行過程管理與控制等。

（5）綠色設(shè)計(jì)。是面向環(huán)保的設(shè)計(jì)，包括支持資源和能源的優(yōu)化利用、污染的防止和處理、資源的回收再利用和廢棄物處理等諸多環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)。

4機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

機(jī)械產(chǎn)品門類廣，種類多，市場需求潛力巨大。目前，我國機(jī)械領(lǐng)域的數(shù)字化程度在具體行業(yè)中存在較大差距。如農(nóng)機(jī)企業(yè)普遍采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，在應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法上遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于航天、汽車等其他行業(yè)，農(nóng)機(jī)企業(yè)之間重復(fù)型設(shè)計(jì)多，企業(yè)信息資源利用率低。

同時(shí)，在同一行業(yè)的不同企業(yè)中，產(chǎn)品的數(shù)字化也有一定程度差別。雖然有些企業(yè)具備一般制造業(yè)運(yùn)用CAD技術(shù)的能力，且已達(dá)到一定的水平，但由于技術(shù)儲(chǔ)備、裝備水平以及新產(chǎn)品的研發(fā)能力等方面相對(duì)落后，三維CAD軟件在機(jī)械制造企業(yè)中的應(yīng)用還不夠普遍。盡管有些領(lǐng)先的企業(yè)已經(jīng)探討“數(shù)字樣機(jī)”、“并行工程”、“虛擬仿真”等前沿課題，但總體來說離大規(guī)模推廣應(yīng)用還有很大距離。再次，機(jī)械產(chǎn)品的整體技術(shù)水平、質(zhì)量、生產(chǎn)規(guī)模、企業(yè)素質(zhì)與發(fā)達(dá)國家相比差距也很大，特別是新產(chǎn)品品種不多，發(fā)展滯后，可靠性、使用壽命滿足不了用戶要求。

5？結(jié)語

目前，數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)已經(jīng)成為制造企業(yè)提高產(chǎn)品競爭力的重要手段。在計(jì)算機(jī)上完成產(chǎn)品的開發(fā)，通過對(duì)產(chǎn)品模型的分析，改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，在數(shù)字狀態(tài)下進(jìn)行產(chǎn)品？的虛擬試驗(yàn)和制造，然后再對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)或完善的數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)變得越來越重要。加快科技進(jìn)步，提高技術(shù)創(chuàng)新能力，將數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)引入機(jī)械行業(yè)是改變傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)方式，用新技術(shù)改造傳統(tǒng)制造業(yè)，支持新興技術(shù)，提高中國機(jī)械產(chǎn)品競爭力的重要手段。它將會(huì)對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械行業(yè)的設(shè)計(jì)水平、機(jī)械產(chǎn)品制造業(yè)的水平起到重要的推動(dòng)作用，將會(huì)使傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)、制造技術(shù)發(fā)生革命性的變化。

參考文獻(xiàn)

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