機械設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化及發(fā)展趨勢研究

簡櫟洪

【摘要】? ? 本文首先對機械設(shè)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展歷程作以簡要闡述，接著對目前我國主流應(yīng)用的一種基于自動化技術(shù)進行機械設(shè)計的現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)化機械設(shè)計技術(shù)進行解讀，最后結(jié)合現(xiàn)階段的時代發(fā)展環(huán)境，從經(jīng)濟效益、環(huán)境效益與技術(shù)創(chuàng)新上對現(xiàn)代機械設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展趨勢方向進行分析。希望通過此文，可以讓我國機械制造行業(yè)能夠注重創(chuàng)新驅(qū)動，在新的時代背景下能夠保持優(yōu)勢，實現(xiàn)向高精度、智能化領(lǐng)域邁進。

【關(guān)鍵詞】? ? 機械設(shè)計? ? 發(fā)展趨勢? ? 標(biāo)準(zhǔn)化

引言：

機械生產(chǎn)制造是最能影響一個國民經(jīng)濟的行業(yè)，它是一個國家整體制造水平的客觀體現(xiàn)。工業(yè)是國民經(jīng)濟的主導(dǎo)，沒有先進的機械技術(shù)，就沒有鞏固的國防作為軍事基礎(chǔ)，就沒有人民安居樂業(yè)的經(jīng)濟基礎(chǔ)。而機械設(shè)計作為機械生產(chǎn)制造的基礎(chǔ)技術(shù)部分，它將直接影響到機械生產(chǎn)制造的質(zhì)量。因此深入探究機械設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化問題以及它的發(fā)展趨勢，對于實現(xiàn)民族富強崛起來說，有著重要的現(xiàn)實作用。

一、機械設(shè)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化

1.1機械設(shè)計的定義

機械設(shè)計是指根據(jù)機械的使用需求，對機械實現(xiàn)功能的工作原理、結(jié)構(gòu)運動方式以及能量供給系統(tǒng)進行全方位的設(shè)計，隨著現(xiàn)代重工業(yè)的振興發(fā)展，現(xiàn)代機械設(shè)計還要求要在機械使用功能基礎(chǔ)上有專門的潤滑設(shè)計以及方便保養(yǎng)維修的技術(shù)設(shè)計。這是機械設(shè)計的第一步，在實際將設(shè)計方案投入批量制造之前，還要從機械使用環(huán)境、操作安全等方面對機械設(shè)計方案進行優(yōu)化設(shè)計，如減震設(shè)計、安全防護設(shè)計等主功能之外的設(shè)計[1]。機械設(shè)計通常遵循著以下原則：最優(yōu)的使用性能、最便于批量制造的結(jié)構(gòu)、使用中最佳的可靠性與穩(wěn)定性。

1.2機械設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展過程

機械設(shè)計是一個具有極深遠(yuǎn)發(fā)展歷史的行業(yè)，可以追溯到近代手工制造業(yè)的工業(yè)發(fā)展史。作為機械生產(chǎn)制造中的重要組成部分，機械設(shè)計全程跟隨著機械生產(chǎn)經(jīng)歷了三個重要發(fā)展階段：直覺設(shè)計階段、經(jīng)驗設(shè)計階段與理論設(shè)計階段。

第一個階段直覺設(shè)計階段是指，應(yīng)用于只能實現(xiàn)簡單功能的簡單機械設(shè)計，如手工的石器設(shè)計等，雖然能滿足于切割的使用功能，但既無法進行批量生產(chǎn)，也難以實現(xiàn)突破性的技術(shù)優(yōu)化。

第二個階段叫做經(jīng)驗設(shè)計階段，是具備機械設(shè)計能力的手工匠人通過聯(lián)合協(xié)作，根據(jù)制造經(jīng)驗將自己的設(shè)計構(gòu)思按照圖紙的方式表達(dá)出來，在經(jīng)驗設(shè)計階段，初步完善了“繪圖-讀圖制造-出產(chǎn)成品”的機械設(shè)計流程。

第三個階段叫做理論設(shè)計階段，由于科技不斷的發(fā)展進步，以設(shè)計者的學(xué)識經(jīng)驗作為設(shè)計圖紙繪制的靈感來源，將人類社會長期生活形成的公式定理作為設(shè)計的理論依據(jù)，通過經(jīng)驗公式、近似系數(shù)或者類比辦法得出一個細(xì)化機械設(shè)備尺寸的設(shè)計圖紙，依照這重方法進行機械設(shè)計的階段。理論設(shè)計階段也被稱為傳統(tǒng)機械設(shè)計，是機械設(shè)計走向標(biāo)準(zhǔn)化的重要發(fā)展轉(zhuǎn)折階段，在傳統(tǒng)機械設(shè)計階段中，對一次設(shè)計進行多次的優(yōu)化稱為了可能，設(shè)計精度得到了極大提升，并且可以將這種設(shè)計成果用批量生產(chǎn)的方式來最大化機械設(shè)計的收益。

二、基于自動化技術(shù)的現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)化機械設(shè)計

2.1自動化機械設(shè)計的基本概念

隨著人類社會工業(yè)制造生產(chǎn)技術(shù)的不斷提高，人們漸漸意識到單單依靠設(shè)計的主觀判斷和知識理論，難以突破機械制造的技術(shù)瓶頸。在機械工程理論、統(tǒng)籌分析、計算機技術(shù)等新興學(xué)科的出現(xiàn)和發(fā)展，逐漸在機械設(shè)計中舍棄了人的主觀判斷，采用更加科學(xué)客觀的計算機計算分析作為理論依據(jù)，這便實現(xiàn)了傳統(tǒng)機械設(shè)計到現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)化機械設(shè)計階段的跨越。

現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)化機械設(shè)計中，目前主流使用的是一種基于計算機科學(xué)、信息技術(shù)、自動控制技術(shù)上的機械設(shè)計技術(shù)，應(yīng)用計算機分析結(jié)果，結(jié)合機械工程基礎(chǔ)理論，生成的一種先進機械設(shè)計制造理論與方法，用來解決現(xiàn)代機械領(lǐng)域的復(fù)雜技術(shù)問題[2]。在這種自動化機械設(shè)計模式下，設(shè)計理論更加科學(xué)可靠，機械制造出的成品設(shè)備更加契合使用環(huán)境，結(jié)構(gòu)上更為合理，使用性能也更加優(yōu)異。自動化機械設(shè)計如今已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機械、泵機械、壓縮機機械、機床機械等各個工業(yè)機械生產(chǎn)領(lǐng)域中。

2.2現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)化機械設(shè)計的優(yōu)勢

2.2.1設(shè)計功能多樣復(fù)雜

傳統(tǒng)機械設(shè)計階段雖然也能對現(xiàn)有技術(shù)進行優(yōu)化改良，但可供參考優(yōu)化的信息量十分有限，難以讓生產(chǎn)機械擁有完美的使用性能?，F(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)化機械設(shè)計在設(shè)計功能上更加多樣化，它包含了三種設(shè)計類型：一是新型設(shè)計，即設(shè)計出一款技術(shù)實現(xiàn)上過去從未出現(xiàn)過的機械，相比傳統(tǒng)機械設(shè)計中實現(xiàn)新型設(shè)計由于沒有計算機結(jié)果分析的輔助，實現(xiàn)新型技術(shù)的研發(fā)往往需要數(shù)年時間;二是繼承設(shè)計，在原有的機械設(shè)計技術(shù)上，做以提高性能或者減少制造成本的相關(guān)優(yōu)化設(shè)計;三是變型設(shè)計，為了特殊用途對一些已有設(shè)備的功能進行調(diào)整修改，使之成為不同型號用途的系列產(chǎn)品，這些設(shè)計功能都是傳統(tǒng)機械設(shè)計難以實現(xiàn)的。

2.2.2設(shè)計效率高

傳統(tǒng)機械設(shè)計往往需要依靠大量的實地性能試驗來進行調(diào)整完善，設(shè)計周期很難滿足現(xiàn)代工業(yè)的需求，而現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)化機械設(shè)計在優(yōu)化設(shè)計階段可以全程依靠計算機建模來完成，可以根據(jù)最佳的模擬結(jié)果及時調(diào)整的設(shè)計元素與設(shè)計尺寸，因此現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)化機械設(shè)計的效率更高，常見的如泵機械上的設(shè)計周期長度僅為傳統(tǒng)機械設(shè)計的十幾分之一。

三、現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)化機械設(shè)計的發(fā)展趨勢

縱觀我國的機械設(shè)計制造水平現(xiàn)狀，現(xiàn)已成為世界范圍上第一制造大國，現(xiàn)有的500余種主要工業(yè)產(chǎn)品中，有200余種產(chǎn)量名列前茅，掌握著高端生產(chǎn)技術(shù)，這主要得益于我國成熟的現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)化機械設(shè)計制造技術(shù)。但盡管在機械設(shè)計制造技術(shù)上發(fā)展迅速，在各個不同行業(yè)領(lǐng)域均有突破進展，也不能因此自滿，在經(jīng)濟發(fā)展的同時，環(huán)境惡化問題、資源浪費問題和社會勞動力成本里上漲的問題隨之暴露出來，因此在機械設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展方向上，還要將經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和尖端技術(shù)作為立足點：

3.1經(jīng)濟效益

為了使我國機械設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)在經(jīng)濟貿(mào)易全球化趨勢中具備一定的競爭優(yōu)勢，應(yīng)當(dāng)從經(jīng)濟效益方面作為突破點，完善機械設(shè)計的理論技術(shù)。實現(xiàn)機械設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化的經(jīng)濟效益主要有兩個途徑：一是縮減機械設(shè)計的理論周期;二是減少人工的勞動量?？梢酝ㄟ^完善設(shè)計軟件的功能來實現(xiàn)機械設(shè)計的技術(shù)突破，如傳統(tǒng)的CAD自動化技術(shù)僅僅能夠減少人工繪制設(shè)計圖紙的時長，或者進行一些設(shè)計尺寸的計算，難以滿足現(xiàn)代機械投入市場的更新?lián)Q代速度，可以在機械設(shè)計中應(yīng)用CATIA或Pro/e這樣既能滿足圖形處理與數(shù)值計算，同時還兼?zhèn)浣Ｑ菔九c環(huán)境模擬功能的三維軟件。以上兩個軟件除了提供圖紙繪制功能以外，還有加工功能模塊，特別是為數(shù)控編程提供了極大的便利性，這樣就極大地減小了機械設(shè)計工作的強度與難度，也就縮減了機械設(shè)計所需的時長。而關(guān)于減少人力勞動方面，可以通過融入人工智能技術(shù)來實現(xiàn)，智能技術(shù)是21世紀(jì)以來機械自動化的主要發(fā)展方向，它是一種基于計算機科學(xué)、心理學(xué)、統(tǒng)籌學(xué)等多種學(xué)科上的交叉技術(shù)，通過模擬人類智能的方式，使它具備一定的初等智能和邏輯判斷能力，以此來協(xié)助或是取代人類進行一些低中難度的生產(chǎn)勞動。從經(jīng)濟效益上來看機械設(shè)計的發(fā)展趨勢有兩個方面，一是以三維模型軟件作為設(shè)計理論提供的技術(shù)突破，二是以設(shè)計智能化尖端機械設(shè)備為主要方向。

3.2環(huán)境效益

為了防止社會生產(chǎn)過度開發(fā)給自然環(huán)境帶來的破壞，近年來我國開始越來越注重走維護生態(tài)環(huán)境、合理使用自然資源的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，現(xiàn)代機械設(shè)計的發(fā)展方向就要考慮到節(jié)能環(huán)保技術(shù)的應(yīng)用。在各個行業(yè)用途的機械設(shè)備上，除了使用功能要有保障外，還應(yīng)當(dāng)充分考慮到機械設(shè)備本身在生產(chǎn)制造中的材料利用率問題。在設(shè)備加工環(huán)節(jié)的設(shè)計上，應(yīng)當(dāng)盡量減少使用的加工材料和工序中產(chǎn)生的有害物質(zhì)與污染物質(zhì)，因機械制造產(chǎn)生的工業(yè)廢料要求可以被很好地處理成無害或低害廢料，這都需要在機械設(shè)備在設(shè)計環(huán)節(jié)進行周全考慮。此外除了機械設(shè)備在生產(chǎn)加工中的環(huán)境污染問題外，還應(yīng)當(dāng)在機械設(shè)備使用壽命不受影響的前提上，考慮到機械設(shè)備在投入使用后的報廢回收問題，實現(xiàn)材料重復(fù)使用[3]。盡管已經(jīng)有在機械設(shè)計上采用環(huán)保設(shè)計的先例，但從現(xiàn)況來看，機械設(shè)計在帶來環(huán)境效益的發(fā)展方向上任重且道遠(yuǎn)。

3.3尖端技術(shù)

為了滿足新時代的工業(yè)需求，機械設(shè)計向尖端技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展已是一種必然趨勢，當(dāng)下我國已經(jīng)掌握的機械設(shè)計尖端技術(shù)包括：運行信息反饋系統(tǒng)設(shè)計，基于傳感器與信息可視化技術(shù)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對機械運行情況進行全程直觀呈現(xiàn)的機械設(shè)計技術(shù)，包括對機械的振動頻率、運行功率、外部環(huán)境等運行信息的反饋;防腐蝕設(shè)計，保持機械結(jié)構(gòu)強度的同時，利用外殼保護或者環(huán)境補償?shù)姆绞教岣邫C械設(shè)備耐受腐蝕程度，延長機械理論使用壽命的技術(shù);可靠性設(shè)計，借助模型分析，推算出較為精確的到機械投入使用后受到外因?qū)е虏考l(fā)生故障的概率，以此作為機械使用壽命計算的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。但目前還仍有一些尖端領(lǐng)域的機械設(shè)計上還亟待研發(fā)與優(yōu)化，如微電子機械的設(shè)計制造，這是一種體積不超過1立方厘米的微型機械，并且尺寸正在向毫米級、微米級發(fā)展，它的體積雖然小巧，但功能齊全，在生物醫(yī)療、信息技術(shù)和軍事偵查等方面均有寬廣前景。盡管我國也有自主研發(fā)的微電子機械設(shè)備型號，但大多數(shù)目前還未實現(xiàn)大范圍普及，這是因為微電子機械設(shè)計需要高水平的超精密機械加工技術(shù)，而這種技術(shù)在我國目前的機械設(shè)計制造階段還仍有未突破的技術(shù)瓶頸，如成本問題等。在新的時代背景下，我國機械設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)當(dāng)不斷向尖端技術(shù)領(lǐng)域探索，引進國外的先進技術(shù)，從電子計算機、材料學(xué)、機械工程實踐等多個領(lǐng)域?qū)ふ彝黄破款i問題的辦法，爭取早日攻克多個尖端領(lǐng)域的機械設(shè)計制造技術(shù)難題。

四、結(jié)束語

綜上所述，目前主流使用的自動化機械設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)，在設(shè)計功能與設(shè)計效率上有著傳統(tǒng)機械設(shè)計無法比擬的技術(shù)優(yōu)勢。在不久的將來，自動化機械設(shè)計技術(shù)會朝著環(huán)境效益、經(jīng)濟效益與技術(shù)創(chuàng)新三個方向不斷發(fā)展，需要我國機械設(shè)計制造行業(yè)始終堅持理念創(chuàng)新，將機械設(shè)計制造面臨的問題壓力轉(zhuǎn)化為新動力，努力推動機械設(shè)計朝著精密化、服務(wù)化和智能化發(fā)展。

參? 考? 文? 獻

[1]張潔溪.機械設(shè)計技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].大眾標(biāo)準(zhǔn)化， 2021（15）：37-39.

[2]王芳.智能機械設(shè)計制造自動化特點與發(fā)展趨勢[J].科技風(fēng)， 2021（21）：191-192.

[3]張緒勇.機械設(shè)計制造及其自動化的特點優(yōu)勢與發(fā)展趨勢探究[J].中國設(shè)備工程，2021（14）：100-101.