機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用與研究

吳敏嬌，蒲為國

（1.蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2.甘肅能源化工職業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

數(shù)字化設(shè)計隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展快速發(fā)展、創(chuàng)新，而數(shù)字化設(shè)計的發(fā)展、完善，會反過來推動相關(guān)科學(xué)的進(jìn)步。相比傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品，基于數(shù)字化設(shè)計的機(jī)械產(chǎn)品，已迅速占領(lǐng)農(nóng)業(yè)、汽車等行業(yè)。數(shù)字化設(shè)計在設(shè)計、生產(chǎn)機(jī)械產(chǎn)品的應(yīng)用，能降低設(shè)計的時間，提升設(shè)計的精確性，使機(jī)械產(chǎn)品能更快地被生產(chǎn)從而產(chǎn)生工業(yè)價值；數(shù)字化設(shè)計推動機(jī)械產(chǎn)品向更現(xiàn)代化、自動化、智能化的方向發(fā)展，使產(chǎn)品擁有了更好的性能、更多元且充足的生產(chǎn)力，能滿足生活、生產(chǎn)中多元的需求。因此，應(yīng)當(dāng)積極探索、設(shè)計機(jī)械制造的數(shù)字化設(shè)計技術(shù)，應(yīng)用其設(shè)計出更科學(xué)、高性能的現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品。

1 機(jī)械產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計技術(shù)及技術(shù)綜述

機(jī)械產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計，多采用CAD、UG 等軟件實(shí)現(xiàn)，并以CAD、UG 軟件操作技術(shù)為基礎(chǔ)，集合其他軟件技術(shù)操作以實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)等過程，隨著相關(guān)技術(shù)、軟件的創(chuàng)新發(fā)展，數(shù)字化機(jī)械設(shè)計技術(shù)也出現(xiàn)了更多元的分支技術(shù)。

1.1 二維CAD 技術(shù)

二維平面設(shè)計是CAD 技術(shù)的基本功能，也是進(jìn)行數(shù)字化機(jī)械品設(shè)設(shè)計最初采用的技術(shù)。相比傳統(tǒng)手繪設(shè)計技術(shù)，二維CAD 技術(shù)首次實(shí)現(xiàn)了機(jī)械產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計，因其操作方便，設(shè)計師只需用電腦、軟件及其使用技術(shù)，結(jié)合機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計方法、設(shè)計知識，就能根據(jù)設(shè)計需求快速設(shè)計出機(jī)械的二維結(jié)構(gòu)和相關(guān)參數(shù)，制造機(jī)械產(chǎn)品時根據(jù)詳細(xì)、直觀的二維設(shè)計圖和參數(shù)，即可快速、精確進(jìn)行生產(chǎn)。

1.2 UG 曲面擬合造型技術(shù)

二維設(shè)計技術(shù)能反映產(chǎn)品不同視角下的尺寸、造型等具體參數(shù)和情況，但使用者無法看到實(shí)體的三維效果，需要通過其他三維建模軟件或?qū)嶓w建模等方式，才能展現(xiàn)產(chǎn)品的整體效果，這降低了產(chǎn)品生產(chǎn)等環(huán)節(jié)的效率。此后，UG 等軟件實(shí)現(xiàn)了曲面造型技術(shù)，不再局限于基本的曲線設(shè)計，還能實(shí)現(xiàn)更靈活的造型設(shè)計和調(diào)整，設(shè)計時根據(jù)CAD 等二維圖紙線條，在UG 軟件中將各視圖進(jìn)行三維轉(zhuǎn)換，變換到相應(yīng)的空間位置，然后，針對各曲面機(jī)械零件的類型、參數(shù)，利用不同視圖輪廓線，完成曲面造型，最后，根據(jù)曲面間關(guān)系進(jìn)行倒角、裁剪等細(xì)節(jié)處理，以實(shí)現(xiàn)更靈活、精度較高的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計。

1.3 UG 三維實(shí)體造型技術(shù)

曲面造型無法展示產(chǎn)品的質(zhì)量、重心等特性，而實(shí)體造型技術(shù)不僅具備三位技術(shù)多角度、全方位設(shè)計、觀察產(chǎn)品造型的功能，還能反映產(chǎn)品的質(zhì)量、重心等性能，使設(shè)計者可以研究機(jī)械產(chǎn)品更為復(fù)雜的質(zhì)量等特性問題，使數(shù)字化機(jī)械設(shè)計不再局限于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的造型、基礎(chǔ)屬性，使設(shè)計師能更靈活的觀察和調(diào)整機(jī)械產(chǎn)品的整體質(zhì)量、零件屬性。設(shè)計時，常利用UG 軟件強(qiáng)大的三維造型功能，首先，將產(chǎn)品構(gòu)思付諸于初步的三維模型，為產(chǎn)品外部、內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供可視化界面，然后，通過不同界面對結(jié)構(gòu)、零件等方面進(jìn)行逐步深入的設(shè)計、修改，創(chuàng)建、裝配和整合具體的部件，最后，進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸、設(shè)計參數(shù)和運(yùn)行情況等方面的合理性檢驗(yàn)，保證產(chǎn)品符合設(shè)計要求，并保證其在實(shí)際的運(yùn)行環(huán)境下保持較高的使用壽命和優(yōu)秀的可靠性。

1.4 虛擬仿真技術(shù)

在產(chǎn)品三維原型設(shè)計基礎(chǔ)上，結(jié)合先進(jìn)的計算機(jī)成像技術(shù)，將圖像轉(zhuǎn)為數(shù)字模型，進(jìn)而結(jié)合具體設(shè)計數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)虛擬的產(chǎn)品仿真模型。虛擬仿真不僅能展示機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和尺寸、質(zhì)量等參數(shù)，還能利用仿真技術(shù)觀察、測試機(jī)械產(chǎn)品的各種性，減少設(shè)計中的技術(shù)等誤差，降低產(chǎn)品投入生產(chǎn)、運(yùn)行時的故障率。另外，虛擬仿真模型不同于一般的三維模型，可以動態(tài)演示虛擬產(chǎn)品。虛擬仿真應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計，也應(yīng)用于產(chǎn)品制造過程，制造中通過虛擬仿真可實(shí)現(xiàn)動態(tài)觀測、控制生產(chǎn)過程，而設(shè)計中可以虛擬呈現(xiàn)產(chǎn)品的具體內(nèi)容，縮短了產(chǎn)品開發(fā)的周期，虛擬仿真技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計、制造過程中的綜合應(yīng)用，將提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

1.5 參數(shù)化技術(shù)

參數(shù)化技術(shù)加快了數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計的發(fā)展，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從某一特征出發(fā)，將所有數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)、全尺約束的技術(shù)，設(shè)計者可利用這一技術(shù)修改尺寸驅(qū)動設(shè)計的零件參數(shù)等方面，大大提高了產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)效率。設(shè)計時常用UG 等軟件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計，利用UG 參數(shù)化草圖、WAVE 技術(shù)，以產(chǎn)品的形狀、尺寸等基本特征參數(shù)為依據(jù)構(gòu)建參數(shù)化建模，設(shè)計師可以對各部件參數(shù)及其數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)進(jìn)行調(diào)整，如泵體設(shè)計、螺栓設(shè)計中，能十分靈活、快速地進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，以完善產(chǎn)品的性能，使其于設(shè)計要求、造價等需求較好平衡，具體的實(shí)現(xiàn)方法有尺寸約束、電子表格、表達(dá)式驅(qū)動等。

1.6 變量化技術(shù)

變量化技術(shù)是一種更復(fù)雜的技術(shù)創(chuàng)新，卻進(jìn)一步提升了產(chǎn)品設(shè)計的便捷性和效率，該技術(shù)在參數(shù)化技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合二維、曲面、實(shí)體等設(shè)計技術(shù)，可以設(shè)計出參數(shù)更全面、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性更強(qiáng)的復(fù)合模型，其集成性可以使設(shè)計嚴(yán)格按照產(chǎn)品實(shí)際要求，通過變量化處理準(zhǔn)確、便捷修改機(jī)械產(chǎn)品的各種尺寸信息。

2 機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計的應(yīng)用實(shí)例研究

本節(jié)以縱向軸流收割機(jī)為實(shí)例，探究數(shù)字化設(shè)計技術(shù)。為應(yīng)對現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的工作需求，需要更多地考慮收割機(jī)等機(jī)械的體積、重量及效能，縱向軸流收割機(jī)結(jié)構(gòu)對稱、緊湊，脫凈率高、分離面積大，能收割稻、麥、玉米等多種作物，因此，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，其部件包括撥禾輪、切割器、分離裝置等。

2.1 撥禾輪的數(shù)字化設(shè)計

收割機(jī)前進(jìn)時，收割臺推開作物，撥禾裝置幫助其切割莖稈，撥禾輪的具體作用為：（1）將作物引入切割器；（2）支撐切割；（3）將切割的作物鋪排整齊，放在割臺上，并清理切割器上殘留作物。目前，常用撥禾輪有板式、偏心式兩種撥禾輪，適用于倒伏度不同的作物，數(shù)字化設(shè)計時，多通過實(shí)體模型技術(shù)，對其不同視圖進(jìn)行設(shè)計、觀察、和調(diào)整。

2.2 切割器的數(shù)字化設(shè)計

切割器是收割機(jī)最重要的部件，其性能好壞直接影響收割機(jī)的收割質(zhì)量。切割器應(yīng)具有將密植作物順利、快速切割的性能，考慮作物根莖尺寸、硬度等工作情況，設(shè)計時，需要用虛擬仿真等技術(shù)，檢查切割器在運(yùn)行時是否會產(chǎn)生堵塞、負(fù)荷過重等問題，且要考慮其動力損耗、振動等因素，保證其工作的可靠性。常用的切割器有回轉(zhuǎn)、往復(fù)轉(zhuǎn)兩種形式，多用于谷物收獲，切割能力強(qiáng)、切割平穩(wěn)且功率消耗小，設(shè)計中通過實(shí)體模型來設(shè)計機(jī)器的具體割幅、往復(fù)運(yùn)動等工作特性，保證設(shè)計的切割器復(fù)合工作要求。

2.3 傾斜喂入室數(shù)字化設(shè)計

喂入室是收割時，將作物從收割臺推入脫谷部分的結(jié)構(gòu)，作用為推運(yùn)器作物，并拉薄、均勻地送至機(jī)械脫谷部分，傾斜喂入室輸送裝置有鏈耙、喂入輪兩種結(jié)構(gòu)，設(shè)計時，多利用實(shí)體模型技術(shù)觀察、調(diào)整喂入室的結(jié)構(gòu)、細(xì)節(jié)和零部件。

2.4 脫粒裝置的數(shù)字化設(shè)計

脫粒裝置是收割機(jī)實(shí)現(xiàn)作物脫離的部件，其性能與脫粒質(zhì)量直接相關(guān)，且對其他工作的分離、清選等工作影響較大，脫粒裝置對谷物進(jìn)行脫粒，將已脫谷粒通過凹板篩分離，脫粒裝置有全喂入型、半喂入型兩大類，設(shè)計全喂入型裝置時，根據(jù)作物運(yùn)動的流向進(jìn)行切流、軸流等不同類型的設(shè)計，利用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行檢測，保證作物喂入后，可以快速沿滾筒流動、完成脫粒，脫粒時間一般長于滾筒裝置許多，因此，需要考慮滾筒的速度，保證各設(shè)備間能協(xié)調(diào)的工作。

2.5 谷物推運(yùn)器、升運(yùn)器及整機(jī)裝配

谷物推運(yùn)器、升運(yùn)器一般聯(lián)成一體，結(jié)構(gòu)較為簡單，可利用實(shí)體模型等技術(shù)設(shè)計和調(diào)整。整機(jī)裝配是機(jī)械設(shè)計的最后環(huán)節(jié)，通過虛擬仿真、變量化技術(shù)，對模型的整體性能、細(xì)節(jié)參數(shù)進(jìn)行描述、分析、評價和調(diào)整，保證收割機(jī)產(chǎn)品一次開發(fā)成功，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

3 結(jié)語

綜上，現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計廣泛應(yīng)用數(shù)字化設(shè)計技術(shù)，不僅提高了產(chǎn)品設(shè)計的效率、質(zhì)量，還縮短了設(shè)計周期，節(jié)約了開發(fā)成本，推動了相關(guān)企業(yè)和行業(yè)快速發(fā)展。本文探究了機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計中的曲面、實(shí)體、虛擬模型、變量化等先進(jìn)技術(shù)，并以農(nóng)業(yè)機(jī)械為實(shí)例，淺析數(shù)字化技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計中的實(shí)際應(yīng)用，希望能為相關(guān)人員、企業(yè)提供有價值的參考。