大數(shù)據(jù)時(shí)代機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)探究

摘 要：以機(jī)械設(shè)計(jì)與制造為代表的制造業(yè)是國家工業(yè)生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)建設(shè)的命脈，我國機(jī)械行業(yè)在近二十年間保持了飛速發(fā)展態(tài)勢(shì)，中國制造已經(jīng)成為了國家名片，這也為我國綜合國力的全面提升奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，但在激烈的世界競(jìng)爭(zhēng)及持續(xù)進(jìn)步的科技水平面前，我國機(jī)械行業(yè)同樣面臨著巨大的轉(zhuǎn)型升級(jí)壓力。信息技術(shù)的發(fā)展?jié)B透使大數(shù)據(jù)日趨成熟，大數(shù)據(jù)能夠?yàn)槭褂谜咛峁└泳珳?zhǔn)和全面的數(shù)據(jù)資源，進(jìn)而有效開展數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)利用。機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)在大數(shù)據(jù)的支撐下將向著全新方向發(fā)展，特別是將提升設(shè)計(jì)的科學(xué)性與可靠性，逐步進(jìn)入人工智能機(jī)械設(shè)計(jì)階段。筆者結(jié)合相關(guān)理論及個(gè)人經(jīng)驗(yàn)對(duì)大數(shù)據(jù)時(shí)代機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探究。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù);機(jī)械設(shè)計(jì);發(fā)展趨勢(shì)

大數(shù)據(jù)技術(shù)隨著信息技術(shù)及科技的發(fā)展而進(jìn)入了成熟期，它為各行各業(yè)的發(fā)展提供了有效支持，正在為生產(chǎn)力的提升注入動(dòng)力。傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)者的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)及思維能力具有較高的依賴性，設(shè)計(jì)者在很大程度上決定了機(jī)械設(shè)計(jì)的成敗與最終產(chǎn)品的優(yōu)劣。大數(shù)據(jù)時(shí)代設(shè)計(jì)者能夠利用的信息資源更為豐富，通過大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等等新興技術(shù)的運(yùn)用使得機(jī)械設(shè)計(jì)效率與設(shè)計(jì)可靠性同步提升，有效滿足市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的需求。在大數(shù)據(jù)時(shí)代機(jī)械設(shè)計(jì)的主要發(fā)展趨勢(shì)將包括以下幾個(gè)方面：

一、人工智能支持下的機(jī)械設(shè)計(jì)

人工智能相較于人類的自然智能而言主要來自于機(jī)器智能，機(jī)器根據(jù)預(yù)定程序?qū)ο嚓P(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，能夠在不同場(chǎng)景下做出反應(yīng)，這就需要程序?qū)赡艹霈F(xiàn)的場(chǎng)景做出預(yù)判，如果出現(xiàn)了程序面對(duì)預(yù)先設(shè)定的場(chǎng)景則會(huì)出現(xiàn)崩潰。人工智能與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)程序的主要差別就是能夠展開深度學(xué)習(xí)，通過訓(xùn)練實(shí)現(xiàn)獨(dú)立探索，人們不再需要錄入所有場(chǎng)景就能夠讓人工智能獨(dú)立完成工作。大數(shù)據(jù)的快速發(fā)展為人工智能的自我深度學(xué)習(xí)提供了支持，因此人工智能在近年來保持了高速發(fā)展。

（一）專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)是一個(gè)計(jì)算機(jī)程序，同時(shí)也是人工智能的主要應(yīng)用法相，基于知識(shí)系統(tǒng)建立的專家系統(tǒng)能夠?yàn)槿祟愄峁椭?，在不同專業(yè)領(lǐng)域給予使用者專業(yè)化的支持。專家系統(tǒng)能夠利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)展開深度分析，最終得到專業(yè)化的結(jié)論，這有助于人類專家的成熟經(jīng)驗(yàn)和豐富資源能夠被更多人使用，有效避免了不必要的曲折。專家系統(tǒng)主要包括知識(shí)庫和推理機(jī)制，知識(shí)庫有效涵蓋了不同領(lǐng)域的知識(shí)與規(guī)則，通過搜索系統(tǒng)與推理機(jī)制將數(shù)據(jù)庫的資源充分調(diào)用，最終形成了有助于機(jī)械設(shè)計(jì)的解決方法，提升了設(shè)計(jì)的一致性、可用性及高效性。

（二）生成式機(jī)械設(shè)計(jì)

生成式設(shè)計(jì)是模仿自然進(jìn)化的一種自然進(jìn)化的設(shè)計(jì)方式，設(shè)計(jì)者可以將設(shè)計(jì)目標(biāo)、設(shè)計(jì)材料、制造工藝、成本控制等等條件錄入系統(tǒng)，生成式設(shè)計(jì)程序可以根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)給出多種方案，圍繞不同方案的可行性與生成可能性進(jìn)行分析，逐步測(cè)試各種方案是否適用于設(shè)計(jì)需求，在哪些環(huán)節(jié)可能存在問題。生成式機(jī)械設(shè)計(jì)具有非常顯著的優(yōu)點(diǎn)，首先它能夠給出多種設(shè)計(jì)方案，人類可能需要長時(shí)間思考才能得到一個(gè)方案，而它則能夠在短時(shí)間內(nèi)給出大量方案，同時(shí)對(duì)方案進(jìn)行論證;其次生成式設(shè)計(jì)能夠進(jìn)行復(fù)雜而精細(xì)的設(shè)計(jì)，特別是3D打印等制造技術(shù)的應(yīng)用使得傳統(tǒng)制造方式無法實(shí)現(xiàn)的方案能夠順利完成;最后生成式設(shè)計(jì)能夠預(yù)先對(duì)約束條件進(jìn)行區(qū)分，有效避免了不同條件間的沖突，設(shè)計(jì)師能夠?qū)⒆⒁饬杏趧?chuàng)新設(shè)計(jì)領(lǐng)域。生成式設(shè)計(jì)保持了高速發(fā)展，Autodesk公司已經(jīng)與美國宇航局展開合作，利用生成式設(shè)計(jì)方式進(jìn)行航天器的設(shè)計(jì)。

二、大數(shù)據(jù)支持下的模塊化機(jī)械設(shè)計(jì)

模塊化設(shè)計(jì)就是將具有標(biāo)準(zhǔn)接口的獨(dú)立部件進(jìn)行分塊設(shè)計(jì)，不同部件通過組合將會(huì)得到最終的機(jī)械，模塊化設(shè)計(jì)大大降低產(chǎn)品的生產(chǎn)難度，同時(shí)有利于后期的維護(hù)和使用，有效境地了生產(chǎn)與使用成本。大數(shù)據(jù)時(shí)代機(jī)械設(shè)計(jì)逐漸向模塊化方向發(fā)展，很多供應(yīng)商開始為用戶提供通用或標(biāo)準(zhǔn)化的部件，企業(yè)通過通用數(shù)據(jù)庫和自由數(shù)據(jù)庫的建立能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行全面的分析，在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中更加準(zhǔn)確地調(diào)用需要的數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)整個(gè)行業(yè)與市場(chǎng)展開分析，進(jìn)而設(shè)計(jì)生產(chǎn)更加符合企業(yè)需求的產(chǎn)品，為機(jī)械行業(yè)發(fā)展提供支持，同時(shí)也為機(jī)械設(shè)計(jì)提供了寶貴的數(shù)據(jù)。

三、增材制造技術(shù)支持下的機(jī)械設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)機(jī)械制造主要采用去除材料的加工方式，很多復(fù)雜零部件的生產(chǎn)需要經(jīng)過多個(gè)步驟加工完成，整體投入的成本較高，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)不僅僅要考慮制造需要，同時(shí)也要考慮裝配需要。增材制造通過連續(xù)添加層來完成零件的制造，這恰恰與傳統(tǒng)零件加工方式相反，生產(chǎn)環(huán)節(jié)能夠選擇的方式更加多樣，例如3D打印、連續(xù)融化材料層都是其中的典型代表。增材制造技術(shù)充分利用了現(xiàn)有材料進(jìn)行零部件加工，大大減少了材料的浪費(fèi)，又能夠快速完成復(fù)雜部件加工，整個(gè)生產(chǎn)過程的成本相對(duì)較低。例如NASA利用3D打印完成的火箭燃料噴射機(jī)設(shè)計(jì)制造，整個(gè)噴射器只有兩個(gè)部件構(gòu)成，而傳統(tǒng)制造方式下需要生產(chǎn)數(shù)百個(gè)零件。隨著國家上關(guān)于增材制造研究的不斷深入，該技術(shù)也得到了快速發(fā)展，機(jī)械設(shè)計(jì)由此變得更加靈活。

四、數(shù)字孿生技術(shù)支持下的機(jī)械設(shè)計(jì)

數(shù)字孿生將物理資產(chǎn)、流程、系統(tǒng)、設(shè)備的數(shù)字副本進(jìn)行了有效集成，利用產(chǎn)品模型和傳感器等等方式獲取產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和使用整個(gè)周期的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，進(jìn)而利用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建仿真模型，通過模型的變化和調(diào)整更加真實(shí)地反映出機(jī)械情況，通過模擬來判斷評(píng)價(jià)機(jī)械設(shè)計(jì)是否合理，進(jìn)而為下一步的優(yōu)化調(diào)整提供依據(jù)和參考。數(shù)字孿生從多個(gè)角度對(duì)機(jī)械狀態(tài)進(jìn)行學(xué)習(xí)與更新，非常接近現(xiàn)實(shí)情況。數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的機(jī)械設(shè)計(jì)不但能夠進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，也能夠進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)和虛擬驗(yàn)證，將極大地縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。在可以預(yù)見的未來，數(shù)字孿生技術(shù)將在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到更為廣泛的使用。

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作者簡(jiǎn)介：陳堅(jiān)（1972-），男，機(jī)電工程系教師，實(shí)驗(yàn)師，高級(jí)技師，研究方向：車工數(shù)控加工等。