現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)在機(jī)械工程設(shè)計中的應(yīng)用

摘 要：傳統(tǒng)的人工設(shè)計方式存在效率低、誤差大等問題，無法保障機(jī)械工程設(shè)計水平?，F(xiàn)代設(shè)計技術(shù)是互聯(lián)網(wǎng)時代下衍生出來的新技術(shù)，融合了多種現(xiàn)代理論與技術(shù)，在當(dāng)前及未來都有較大的發(fā)展空間?；诖?，重點(diǎn)分析了機(jī)械工程設(shè)計中現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的具體應(yīng)用，以期指導(dǎo)相關(guān)工作。

關(guān)鍵詞：機(jī)械工程設(shè)計；現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)；應(yīng)用

0引言

經(jīng)濟(jì)社會穩(wěn)步發(fā)展進(jìn)程中，各行各業(yè)對機(jī)械設(shè)備的依賴性顯著增大，在新理論和新技術(shù)的支持下產(chǎn)生了很多現(xiàn)代化機(jī)械設(shè)備，這些設(shè)備都有各自的功能，可在生產(chǎn)生活領(lǐng)域發(fā)揮優(yōu)勢。

相關(guān)人員需根據(jù)機(jī)械工程要求，采用全新的設(shè)計理念、方法與技術(shù)，建立現(xiàn)代化機(jī)械工程設(shè)計體系。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，機(jī)械工程設(shè)計中的有關(guān)人員需繼續(xù)把握行業(yè)動向，創(chuàng)新技術(shù)形式與路徑，用現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)取代新技術(shù)。

1 現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的特點(diǎn)

1.1 多學(xué)科的交叉和融合

現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)為多種技術(shù)的綜合，如計算機(jī)技術(shù)、綠色設(shè)計技術(shù)等，每種技術(shù)都有各自的特點(diǎn)，利用技術(shù)融合可發(fā)揮合力作用，克服在機(jī)械工程設(shè)計中的諸多困難。機(jī)械工程設(shè)計中可選擇的技術(shù)少，一些技術(shù)相對落后，很難提高設(shè)計質(zhì)量水平，無法保障機(jī)械工程的質(zhì)量、安全?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)具有多學(xué)科交叉與融合的特性，面對機(jī)械工程設(shè)計任務(wù)，有關(guān)人員可合理選擇現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)，依據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行創(chuàng)新，提高機(jī)械設(shè)計水平[1]。

1.2 傳統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的延伸和發(fā)展

現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)依托傳統(tǒng)設(shè)計技術(shù)而出現(xiàn)，在新技術(shù)陸續(xù)出現(xiàn)和發(fā)展的過程中，取代了傳統(tǒng)技術(shù)或者與傳統(tǒng)技術(shù)相融合，能滿足現(xiàn)代工程設(shè)計的現(xiàn)實(shí)需求。綜合當(dāng)下現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的發(fā)展趨勢及特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)其技術(shù)形式、方向多為傳統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的延伸、發(fā)展，有關(guān)人員在創(chuàng)新應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)時可對傳統(tǒng)設(shè)計技術(shù)取其精華、棄其糟粕，以提高機(jī)械工程中的技術(shù)水平，使設(shè)計的機(jī)械工程能滿足生產(chǎn)、生活所需，保持穩(wěn)定運(yùn)行，創(chuàng)造更大的效益。

1.3 設(shè)計手段的精確化

信息時代下，計算機(jī)技術(shù)在全社會范圍內(nèi)的影響力顯著擴(kuò)大，且這些技術(shù)逐步被應(yīng)用到了更多方面，特別是在設(shè)計方面，計算機(jī)技術(shù)開創(chuàng)了現(xiàn)代化設(shè)計方向。多年來計算機(jī)軟硬件、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等都保持高速發(fā)展，在機(jī)械工程設(shè)計中應(yīng)用新技術(shù)可按需設(shè)計，選定最優(yōu)設(shè)計方案。與此同時，借助各種專業(yè)化設(shè)計可輔助設(shè)計工作、提高設(shè)計效率，即使需修改或者檢查設(shè)計，也能由軟件自主完成，無需人工反復(fù)修改，操作便捷性高，可提高設(shè)計精度，體現(xiàn)設(shè)計手段精確化的特點(diǎn)。

1.4 產(chǎn)品壽命周期全面提高

隨著生活質(zhì)量顯著提高，人們對產(chǎn)品質(zhì)量、性能等提出了全新的要求。因為機(jī)械設(shè)備的普遍應(yīng)用，人們不單單追求對機(jī)械產(chǎn)品的基本功能，還需要確保機(jī)械設(shè)備具有更高的可靠性，以保障在設(shè)備投入使用后可穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，能滿足人們的各方面需求。隨著時代進(jìn)步，現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)廣受關(guān)注，在利用此類技術(shù)設(shè)計機(jī)械工程時，有嚴(yán)格的設(shè)計流程及技術(shù)規(guī)范，能提高產(chǎn)品的壽命周期。

2 現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的發(fā)展

2.1.1 計算機(jī)輔助設(shè)計

20世紀(jì)中期，通常通過簡單的數(shù)字圖形界面控制與操作計算機(jī)、機(jī)床，在此過程中機(jī)械設(shè)計方面需關(guān)注設(shè)計人員與機(jī)械之間的互動?；诖?，相關(guān)學(xué)者提出了人機(jī)圖形通信系統(tǒng)對工程設(shè)計輔助系統(tǒng)開發(fā)與優(yōu)化的作用，計算機(jī)圖形、技術(shù)圖形的設(shè)計方面可借助相應(yīng)程序來完成，逐步優(yōu)化機(jī)械系統(tǒng)，增強(qiáng)設(shè)計人員與計算機(jī)系統(tǒng)之間的配合度。

20世紀(jì)60年代，計算機(jī)技術(shù)進(jìn)入了全新的發(fā)展階段，由此帶動了設(shè)計技術(shù)的現(xiàn)代化，市場上出現(xiàn)了首批具備圖形界面功能的計算機(jī)。因為當(dāng)時的技術(shù)條件有限，這些計算機(jī)的軟硬件功能不足，且相互之間的兼容性不夠[2]。

此后隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，市面上的計算機(jī)體積大大減小，這些計算機(jī)被應(yīng)用在辦公場所，體現(xiàn)了計算機(jī)的微型化發(fā)展趨勢，逐步誕生了更為精簡的編程語言。這是計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng)（CAD）產(chǎn)生的前提條件，該階段下的CAD系統(tǒng)的交互性顯著，具備二維繪圖、三維線框繪圖功能，體現(xiàn)了設(shè)計方面的技術(shù)進(jìn)步。

2.1.2 幾何建模

20世紀(jì)70年代，機(jī)械工程中計算機(jī)輔助設(shè)計的應(yīng)用范圍顯著擴(kuò)大，當(dāng)機(jī)械工程中涉及幾何形狀的描述時，一般可采用計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計幾何形狀。結(jié)合當(dāng)時的技術(shù)情況，計算機(jī)輔助設(shè)計的典型特點(diǎn)為利用自由曲線曲面生成算法、幾何表面造型。早期關(guān)于形狀的理論為歐幾里得幾何理論、柏拉圖固體學(xué)說，雖有這些理論支撐，但因為當(dāng)時人們對物體形狀的認(rèn)識和描述還處于初級水平，也很難真正利用這些理論來優(yōu)化設(shè)計技術(shù)。

在有關(guān)專家的相關(guān)研究與分析中，清晰指出了在實(shí)體建模過程中計算機(jī)的不可或缺性，在此期間尤其需關(guān)注數(shù)字化形狀在幾何方面的應(yīng)用。此后隨著理論與實(shí)踐的增多，幾何形狀、固體形狀等在數(shù)學(xué)、計算機(jī)學(xué)科等的理論、算法發(fā)展下，可從二維、基礎(chǔ)三維形狀逐步變?yōu)槿S實(shí)體結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)其更為真實(shí)的狀態(tài)。在現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的發(fā)展中，幾何建模為其中的一大代表，在原有CAD系統(tǒng)中引入了Bezier、B樣條法等算法，可增強(qiáng)圖形設(shè)計效果的立體性[3]。

2.1.3 實(shí)體建模

20世紀(jì)70年代末期，數(shù)字化設(shè)計水平顯著提高，在已有技術(shù)的支持下，數(shù)字化設(shè)計能達(dá)到大多數(shù)情況下的表面加工與設(shè)計需求，但也存在一定的設(shè)計不足，就是難以準(zhǔn)確、直觀地表示形態(tài)和質(zhì)量等更為具象的特征。

20世紀(jì)80年代，在飛機(jī)與汽車的設(shè)計方面采用了數(shù)字化設(shè)計技術(shù)，即使面對相對復(fù)雜的實(shí)體形狀設(shè)計任務(wù)，同樣能得到相對理想的設(shè)計效果。美國、英國、日本、德國等發(fā)達(dá)國家，率先采用邊界表示法、構(gòu)造實(shí)體幾何數(shù)表示法，開發(fā)了專門軟件，為更多的設(shè)計任務(wù)提供了軟件支持。CSG建模方法在當(dāng)時廣受關(guān)注，利用基礎(chǔ)幾何形狀，如立方體、圓柱體、錐體等基礎(chǔ)性元素，再引入布爾算法即可建立立體形狀數(shù)字化模型，在此設(shè)計方式下的部件、組件處理、可視化、交換等都相對便捷。在實(shí)體建模過程中邊界表示法為一大理論條件，就是通過面片、三角形等曲面組合包圍構(gòu)成封閉空間，此過程就是實(shí)體數(shù)字化建模的流程。

實(shí)體建模與幾何建模具有高度的相似性，但二者之間也存在明顯區(qū)別，前者呈現(xiàn)的物體信息更為全面、準(zhǔn)確與直觀，保真度更高。實(shí)體建模技術(shù)支持下，各模型均能對應(yīng)真實(shí)的物體形態(tài)，這一特點(diǎn)為后續(xù)的3D打印技術(shù)發(fā)展提供了更多可能。

2.1.4雕刻建模與掃描建模

隨著理論和實(shí)踐的增多，各種建模軟件也逐漸出現(xiàn)，雕刻建模、掃描建模的形式打開了建模軟件發(fā)展的新格局。ZBrush為美國Pixologic公司研發(fā)的建模軟件，其功能相對多樣，即使面對相對復(fù)雜的設(shè)計任務(wù)，利用該軟件也能輔助建模，真實(shí)還原物體原貌[4]。軟件以傳統(tǒng)雕刻技法為前提，保障了三維建模的便捷性，設(shè)計人員通過操控鼠標(biāo)即可完成相應(yīng)的建模任務(wù)，最后再在模型中進(jìn)行深化設(shè)計與調(diào)整。

2.2 國內(nèi)數(shù)字化設(shè)計發(fā)展

2.2.1 數(shù)字信息整合

隨著CAD/CIMS在應(yīng)用工程中的投入逐漸增大，在國家政策、資金與技術(shù)支持下，機(jī)械設(shè)計制造中可選擇的數(shù)字化技術(shù)越發(fā)多樣和先進(jìn)，相關(guān)技術(shù)在具體的應(yīng)用中取得了良好的應(yīng)用效果。在此階段，我國制造業(yè)加大了對信息資源的利用與開發(fā)，再加上行業(yè)內(nèi)制定了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，許多主體單位建有數(shù)據(jù)中心，促進(jìn)了企業(yè)間、行業(yè)內(nèi)的數(shù)據(jù)共享，為設(shè)計制造一體化創(chuàng)造了更大的可能性。

2.2.2 一體化生產(chǎn)

制造業(yè)信息化工程的實(shí)施，促進(jìn)了信息、自動化、管理制造等相關(guān)技術(shù)的融合，在數(shù)字化設(shè)計、生產(chǎn)、管理方面獲得了更多的技術(shù)成果，陸續(xù)產(chǎn)生了很多全新的設(shè)計方法、思路、工具，帶動了行業(yè)的整體進(jìn)步。在計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、智能化等技術(shù)支持下，機(jī)械工程設(shè)計呈現(xiàn)一體化特征，從產(chǎn)品的設(shè)計構(gòu)思開始到制造完成的全生命周期內(nèi)，均可發(fā)揮數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的作用，提高設(shè)計質(zhì)量。

2.2.3 智能化設(shè)計制造

在機(jī)械工程設(shè)計中大力推廣現(xiàn)代信息技術(shù)，在互聯(lián)網(wǎng)、云計算與人工智能等技術(shù)支持下，許多專業(yè)的機(jī)械設(shè)計企業(yè)開始了對智能化數(shù)字設(shè)計的探索。設(shè)計人員在設(shè)計各種機(jī)械設(shè)備時可采用大數(shù)據(jù)技術(shù)處理大量的數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)分析用戶需求，以人工智能為支撐完成簡單的設(shè)計任務(wù)，以提高設(shè)計效率。由互聯(lián)網(wǎng)、云存儲等技術(shù)可展示虛擬模型。在這些新技術(shù)支持下的機(jī)械工程設(shè)計，各環(huán)節(jié)之間的銜接更為緊密，大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，即使面臨復(fù)雜的設(shè)計問題或者難題，也能利用新技術(shù)來處理。

3 現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)在機(jī)械工程設(shè)計中的具體應(yīng)用

3.1 綠色設(shè)計

當(dāng)下經(jīng)濟(jì)社會穩(wěn)步發(fā)展的過程中，人們的環(huán)保意識顯著增強(qiáng)。在國家大力推行低碳經(jīng)濟(jì)的同時，各行各業(yè)的發(fā)展也非常強(qiáng)調(diào)綠色化，帶動全社會范圍內(nèi)的可持續(xù)發(fā)展理念。以機(jī)械工程設(shè)計為例，在傳統(tǒng)的設(shè)計理念及方式下，人們更為關(guān)注機(jī)械工程的基本功能及經(jīng)濟(jì)效益，對綠色環(huán)保的關(guān)注不夠。在現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)支持下，機(jī)械工程方面的設(shè)計任務(wù)應(yīng)大力推廣綠色設(shè)計理念。設(shè)計人員需清楚綠色設(shè)計的內(nèi)涵，確保機(jī)械設(shè)備在應(yīng)用于生產(chǎn)后，對環(huán)境造成的影響較小，并確保設(shè)計全過程中合理執(zhí)行污染標(biāo)準(zhǔn)。

綠色設(shè)計的難度較大，必須協(xié)調(diào)機(jī)械性能與環(huán)境污染的關(guān)系。機(jī)械工程設(shè)計中需將綠色化放在重要位置。在任何類型的機(jī)械工程設(shè)計中，都需全面推行綠色設(shè)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，滿足機(jī)械基本的功能與作用，并適當(dāng)延長設(shè)備的使用壽命。在選材方面堅持綠色化，優(yōu)先采用綠色環(huán)保型材料，以最大程度上減少資源消耗，降低機(jī)械工程對環(huán)境的污染。當(dāng)然，在設(shè)計過程中也需關(guān)注材料拆卸與回收方面，以盡可能滿足拆卸、回收便捷性要求。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計

現(xiàn)階段各方面所需的機(jī)械類型相對較多，每種機(jī)械設(shè)備都有其結(jié)構(gòu)與功能特點(diǎn)，不同部件之間存在緊密聯(lián)系。因此，在機(jī)械工程設(shè)計中有關(guān)人員也需推行系統(tǒng)設(shè)計理念與技術(shù)。機(jī)械的功能主要包含動力、傳動、操作等子系統(tǒng)，每一子系統(tǒng)下又可進(jìn)一步細(xì)分。

為提高機(jī)械工程設(shè)計水平，有關(guān)人員需注意以下兩方面：①清楚設(shè)計的具體方向與路徑，考慮設(shè)計目的，分析在設(shè)計下需達(dá)到的功能特點(diǎn)，以整合相應(yīng)的數(shù)據(jù)，總結(jié)設(shè)計中的問題及難點(diǎn)，制定解決措施，優(yōu)化設(shè)計路徑。②分析影響設(shè)計效果的因素，了解各因素對設(shè)計效果的影響程度，以這些為前提確定設(shè)計方案，保障此方案的科學(xué)性與可行性，在確定方案時可采用數(shù)學(xué)規(guī)劃等方式，以數(shù)據(jù)分析、算法檢驗等結(jié)果作為依據(jù)，調(diào)整方案細(xì)節(jié)。

3.3 并行設(shè)計

機(jī)械工程設(shè)計中并行設(shè)計也廣受人們的關(guān)注，這屬于綜合性設(shè)計方式，其中融合了工程設(shè)計、制造管理、操作運(yùn)營等思想及方法。主要任務(wù)就是要讓設(shè)計人員在具體的設(shè)計過程中，做好機(jī)械產(chǎn)品的綜合分析與評估，重點(diǎn)關(guān)注機(jī)械工程的設(shè)計、制造、檢驗、維護(hù)、運(yùn)行、成本等方面，強(qiáng)調(diào)一體化、集成化的設(shè)計思路，以縮短設(shè)計周期，保障機(jī)械工程的設(shè)計水平。

在機(jī)械工程設(shè)計中推行并行設(shè)計，必須采用多種現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)，如建模技術(shù)，在機(jī)械開發(fā)階段，通過建模技術(shù)來整合已有的機(jī)械信息，以建立符合要求的模型，通過該模型確定設(shè)計理論、方法等。模擬仿真技術(shù)可應(yīng)用在機(jī)械工程設(shè)計、加工、裝配、維修等各個環(huán)節(jié)，涵蓋模擬建模、設(shè)計等全過程，可清晰還原過程與結(jié)果，便于相關(guān)人員及時發(fā)現(xiàn)問題，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。

3.4 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

任何機(jī)械工程的設(shè)計中，結(jié)構(gòu)設(shè)計都為重點(diǎn)和難點(diǎn)，是需要重點(diǎn)關(guān)注的部分。為提高機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，相關(guān)人員可借助CAD軟件進(jìn)行設(shè)計。該軟件具有多重功能，能快速設(shè)計機(jī)械結(jié)構(gòu)并進(jìn)行繪制，得到平面圖、立體圖和剖視圖，設(shè)計人員能在計算機(jī)中進(jìn)行多維度的結(jié)構(gòu)設(shè)計與模擬。與原先的手工繪圖與模型制作相比，CAD下的設(shè)計工作更為便捷，很多設(shè)計工作均可由軟件自動完成，不僅設(shè)計效率高還能降低設(shè)計誤差。

以農(nóng)業(yè)機(jī)械工程為例，引入CAD軟件能設(shè)計多種農(nóng)業(yè)機(jī)械的結(jié)構(gòu)，如拖拉機(jī)、收割機(jī)、灌溉設(shè)備等。設(shè)計人員在正式設(shè)計之前，需了解農(nóng)戶對機(jī)械產(chǎn)品的功能、性能等要求，在此前提下進(jìn)行一系列優(yōu)化與調(diào)整。比如拖拉機(jī)，屬于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中相對常見的設(shè)備，在設(shè)計其結(jié)構(gòu)時，利用CAD軟件能自動設(shè)計、合理組合駕駛室、發(fā)動機(jī)、變速箱、傳動系統(tǒng)等各種零部件，不僅能提高設(shè)計效率，還能保障設(shè)計效果。當(dāng)然，在具體的設(shè)計過程中也能利用CAD軟件進(jìn)行仿真與優(yōu)化，幫助設(shè)計人員及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷并處理。

4 結(jié)束語

當(dāng)前隨著人們對機(jī)械工程設(shè)計要求的提高，各種規(guī)模及類型的機(jī)械工程中都應(yīng)引入全新的設(shè)計理念與方法，推廣現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的不足，構(gòu)建現(xiàn)代化設(shè)計技術(shù)體系，提高設(shè)計整體水平。在未來的機(jī)械工程設(shè)計中，需繼續(xù)研究和推廣現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)。

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收稿日期：2023-10-22

作者簡介：馮宜超（1991—），男，壯族，廣西崇左人，本科，工程師，研究方向：機(jī)械工程設(shè)備研發(fā)。