淺談機械產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計

孫衛(wèi)星

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

【關(guān)鍵詞】數(shù)字化設(shè)計；機械設(shè)計；機械產(chǎn)品；CAD技術(shù)

1引言

隨著全球經(jīng)濟一體化的進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，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)計與制造技術(shù)，通過在產(chǎn)品全生命周期中的各個環(huán)節(jié)普及與深化計算機輔助技術(shù)，系統(tǒng)及集成技術(shù)的應(yīng)用，促進傳統(tǒng)機械產(chǎn)業(yè)在各方面的技術(shù)革新，使企業(yè)的設(shè)計、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)展并不斷地擴大其競爭優(yōu)勢。

2 數(shù)字化設(shè)計的概念

“數(shù)字化”是指信息（計算機）領(lǐng)域的數(shù)字（二進制）技術(shù)向人類生活各個領(lǐng)域全面推進的過程?！皵?shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)”是指利用計算機軟硬件及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)全過程的一種技術(shù)，即在網(wǎng)絡(luò)和計算機輔助下通過產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型，全面模擬產(chǎn)品的設(shè)計、分析、裝配、制造等過程。數(shù)字化設(shè)計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)計劃、成本分析等多個方面。數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)的應(yīng)用可以大大提高農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品開發(fā)能力、縮短產(chǎn)品研制周期、降低開發(fā)成本、實現(xiàn)最佳設(shè)計目標(biāo)和企業(yè)間的協(xié)作，使企業(yè)能在最短時間內(nèi)組織全球范圍的設(shè)計制造資源共同開發(fā)出新產(chǎn)品，大大提高企業(yè)的競爭能力。

3 機械產(chǎn)品領(lǐng)域的數(shù)字化設(shè)計

3.1機械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計的一般過程

機械產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計形象直觀，干涉檢查、強度分析、動態(tài)模擬、優(yōu)化設(shè)計、外觀及色彩設(shè)計等采用數(shù)字樣機實現(xiàn)，設(shè)計錯誤少，設(shè)計周期短、成本低。

（1）總體方案設(shè)計是根據(jù)希望達到的目的或應(yīng)實現(xiàn)的功能，考慮已知約束，進行機械產(chǎn)品的全局設(shè)計，構(gòu)思形成比較完善的設(shè)計方案。

（2）建立參數(shù)化運動模型是指進行機械各部分的具體設(shè)計，首先確定各零件的形狀、結(jié)構(gòu)、尺寸和公差等，并在計算機上進行參數(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。裝配是運動仿真的前提保障，裝配關(guān)系的正確與否直接影響著運動仿真的結(jié)果，裝配前首先要確定運動的各構(gòu)件以及各構(gòu)件之間的運動副。確定好各構(gòu)件及各構(gòu)件之間的運動副之后，即可通過選擇構(gòu)件和運動副組成機構(gòu)，最后由各機構(gòu)組成整機，并為仿真做準(zhǔn)備。

3.2機械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計的主要技術(shù)

機械產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)集成了現(xiàn)代設(shè)計制造過程中的多項先進技術(shù)，包括三維建模、裝配分析、優(yōu)化設(shè)計、系統(tǒng)集成、產(chǎn)品信息管理、虛擬設(shè)計與制造、多媒體和網(wǎng)絡(luò)通訊等，是一項多學(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分別是計算機輔助設(shè)計、計算機輔助工程、計算機輔助工藝過程設(shè)計和計算機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)計與制造技術(shù)的核心，是實現(xiàn)計算機輔助產(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，實現(xiàn)分布環(huán)境中的數(shù)據(jù)共享，為異構(gòu)計算機環(huán)境提供了集成應(yīng)用平臺，從而支持CAD/CAPP/CAM/CAE系統(tǒng)過程的實現(xiàn)。

（2）異地、協(xié)同設(shè)計。在因特網(wǎng)和企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)的環(huán)境中，進行產(chǎn)品定義與建模、產(chǎn)品分析與設(shè)計、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)計系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計環(huán)境下為多人、異地實施產(chǎn)品協(xié)同開發(fā)提供支持工具。

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

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

（5）綠色設(shè)計。是面向環(huán)保的設(shè)計，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。

4機械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

機械產(chǎn)品門類廣，種類多，市場需求潛力巨大。目前，我國機械領(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)機企業(yè)普遍采用傳統(tǒng)設(shè)計方法，在應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計方法上遠遠落后于航天、汽車等其他行業(yè)，農(nóng)機企業(yè)之間重復(fù)型設(shè)計多，企業(yè)信息資源利用率低。

同時，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)運用CAD技術(shù)的能力，且已達到一定的水平，但由于技術(shù)儲備、裝備水平以及新產(chǎn)品的研發(fā)能力等方面相對落后，三維CAD軟件在機械制造企業(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”、“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。在計算機上完成產(chǎn)品的開發(fā)，通過對產(chǎn)品模型的分析，改進產(chǎn)品設(shè)計方案，在數(shù)字狀態(tài)下進行產(chǎn)品 的虛擬試驗和制造，然后再對設(shè)計進行改進或完善的數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)變得越來越重要。加快科技進步，提高技術(shù)創(chuàng)新能力，將數(shù)字化設(shè)計技術(shù)引入機械行業(yè)是改變傳統(tǒng)機械產(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)，提高中國機械產(chǎn)品競爭力的重要手段。它將會對傳統(tǒng)的機械行業(yè)的設(shè)計水平、機械產(chǎn)品制造業(yè)的水平起到重要的推動作用，將會使傳統(tǒng)的機械設(shè)計、制造技術(shù)發(fā)生革命性的變化。

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