淺談機械產品的數字化設計

孫留洋

【摘要】介紹了數字化設計的基本概念和特點，闡述了在機械產品領域數字化設計的一般過程和主要技術，分析了機械產品數字化設計的現狀和發展前景，以及智能CAD技術在機械產品設計中的應用。

【關鍵詞】數字化設計；機械設計；機械產品；CAD技術

1引言

隨著全球經濟一體化的進程加快以及信息技術的迅猛發展，現代制造業環境發生了重大的變化。與此同時，現代制造業隨之出現了適應這種發展的新模式和新哲理，其核心在于：在制造企業中全面推行數字設計與制造技術，通過在產品全生命周期中的各個環節普及與深化計算機輔助技術，系統及集成技術的應用，促進傳統機械產業在各方面的技術革新，使企業的設計、制造、管理技術水平全面提升，在全球市場競爭環境中生存發展并不斷地擴大其競爭優勢。

2 數字化設計的概念

“數字化”是指信息（計算機）領域的數字（二進制）技術向人類生活各個領域全面推進的過程。“數字化設計與制造技術”是指利用計算機軟硬件及網絡環境，實現產品開發全過程的一種技術，即在網絡和計算機輔助下通過產品數據模型，全面模擬產品的設計、分析、裝配、制造等過程。數字化設計與制造不僅貫穿企業生產的全過程，而且涉及企業的設備布置、物流物料、生產計劃、成本分析等多個方面。數字化設計與制造技術的應用可以大大提高農業機械產品開發能力、縮短產品研制周期、降低開發成本、實現最佳設計目標和企業間的協作，使企業能在最短時間內組織全球范圍的設計制造資源共同開發出新產品，大大提高企業的競爭能力。

3 機械產品領域的數字化設計

3.1機械產品數字化設計的一般過程

機械產品的數字化設計形象直觀，干涉檢查、強度分析、動態模擬、優化設計、外觀及色彩設計等采用數字樣機實現，設計錯誤少，設計周期短、成本低。

（1）總體方案設計是根據希望達到的目的或應實現的功能，考慮已知約束，進行機械產品的全局設計，構思形成比較完善的設計方案。

（2）建立參數化運動模型是指進行機械各部分的具體設計，首先確定各零件的形狀、結構、尺寸和公差等，并在計算機上進行參數化建模。

（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，裝配關系的正確與否直接影響著運動仿真的結果，裝配前首先要確定運動的各構件以及各構件之間的運動副。確定好各構件及各構件之間的運動副之后，即可通過選擇構件和運動副組成機構，最后由各機構組成整機，并為仿真做準備。

3.2機械產品數字化設計的主要技術

機械產品的數字化設計與制造技術集成了現代設計制造過程中的多項先進技術，包括三維建模、裝配分析、優化設計、系統集成、產品信息管理、虛擬設計與制造、多媒體和網絡通訊等，是一項多學科的綜合技術。其核心技術主要有：

（1）CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM。CAD/CAE/CAPP/CAM分別是計算機輔助設計、計算機輔助工程、計算機輔助工藝過程設計和計算機輔助制造的英文縮寫，它們是制造業信息化中數字化設計與制造技術的核心，是實現計算機輔助產品開發的主要工具。PDM技術集成是管理與產品有關的信息、過程及人與組織，實現分布環境中的數據共享，為異構計算機環境提供了集成應用平臺，從而支持CAD/CAPP/CAM/CAE系統過程的實現。

（2）異地、協同設計。在因特網和企業內部網的環境中，進行產品定義與建模、產品分析與設計、產品數據管理及產品數據交換等，異地、協同設計系統在網絡設計環境下為多人、異地實施產品協同開發提供支持工具。

（3）基于知識的設計。將產品設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計系統之中，支持產品的設計過程，是實現產品創新開發的重要工具。

（4）虛擬設計、虛擬制造。綜合利用建模、分析、仿真以及虛擬現實等技術和工具，在網絡支持下，采用群組協同工作，實現產品設計、制造的本質過程，包括產品的設計、工藝規劃、加工制造、性能分析、質量檢驗，并進行過程管理與控制等。

（5）綠色設計。是面向環保的設計，包括支持資源和能源的優化利用、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節的設計。

4機械產品數字化設計的應用現狀及發展趨勢

機械產品門類廣，種類多，市場需求潛力巨大。目前，我國機械領域的數字化程度在具體行業中存在較大差距。如農機企業普遍采用傳統設計方法，在應用現代設計方法上遠遠落后于航天、汽車等其他行業，農機企業之間重復型設計多，企業信息資源利用率低。

同時，在同一行業的不同企業中，產品的數字化也有一定程度差別。雖然有些企業具備一般制造業運用CAD技術的能力，且已達到一定的水平，但由于技術儲備、裝備水平以及新產品的研發能力等方面相對落后，三維CAD軟件在機械制造企業中的應用還不夠普遍。盡管有些領先的企業已經探討“數字樣機”、“并行工程”、“虛擬仿真”等前沿課題，但總體來說離大規模推廣應用還有很大距離。再次，機械產品的整體技術水平、質量、生產規模、企業素質與發達國家相比差距也很大，特別是新產品品種不多，發展滯后，可靠性、使用壽命滿足不了用戶要求。

5 結語

目前，數字化設計與制造技術已經成為制造企業提高產品競爭力的重要手段。在計算機上完成產品的開發，通過對產品模型的分析，改進產品設計方案，在數字狀態下進行產品 的虛擬試驗和制造，然后再對設計進行改進或完善的數字化產品開發技術變得越來越重要。加快科技進步，提高技術創新能力，將數字化設計技術引入機械行業是改變傳統機械產品生產方式，用新技術改造傳統制造業，支持新興技術，提高中國機械產品競爭力的重要手段。它將會對傳統的機械行業的設計水平、機械產品制造業的水平起到重要的推動作用，將會使傳統的機械設計、制造技術發生革命性的變化。

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