機(jī)械設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)的幾個(gè)特點(diǎn)

[摘 要] 從面向信息社會(huì)的角度，探討了機(jī)械設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)的幾個(gè)特點(diǎn)，如采用短梯升級(jí)結(jié)構(gòu)、關(guān)注早期設(shè)計(jì)、按生命周期進(jìn)行設(shè)計(jì)、技術(shù)構(gòu)成日益綜合化、CAD向概念設(shè)計(jì)階段延伸、CAD與設(shè)計(jì)方法學(xué)融合等。

[關(guān) 鍵 詞] 生命周期；概念設(shè)計(jì)；智能CAD；設(shè)計(jì)方法學(xué)

[中圖分類號(hào)] TH122 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 2096-0603（2016）17-0142-02

在信息社會(huì)，世界成為一個(gè)緊密的信息整體，現(xiàn)實(shí)生活中的時(shí)間和空間距離大為縮小，人類具有了前所未有的活動(dòng)范圍和創(chuàng)新能力。

一、機(jī)械設(shè)計(jì)理念的若干變化

（一）使用現(xiàn)成技術(shù)

信息時(shí)代的機(jī)械設(shè)計(jì)，最顯著的變化是用于創(chuàng)造一個(gè)成功產(chǎn)品的時(shí)間大大縮短。過(guò)去認(rèn)為，要加速產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)就必須做大量的研究工作，而現(xiàn)在的情況就不同了，實(shí)際需要的研究工作減少了，因?yàn)榭s短了的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期鼓勵(lì)設(shè)計(jì)師使用現(xiàn)成技術(shù)，發(fā)達(dá)的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)或其他信息系統(tǒng)為使用這些技術(shù)提供了便利條件。

（二）采用短梯升級(jí)結(jié)構(gòu)，使設(shè)計(jì)柔性化

完全摒棄原有設(shè)計(jì)，另起爐灶，重辟蹊徑，要耗費(fèi)巨大的人力物力，用戶還要從頭學(xué)習(xí)和掌握，而且還要做大量的再開(kāi)發(fā)工作，這是有風(fēng)險(xiǎn)的。而采用短梯升級(jí)結(jié)構(gòu)，使設(shè)計(jì)逐步升級(jí)實(shí)現(xiàn)柔性化，以適應(yīng)市場(chǎng)不斷增長(zhǎng)的需求，這種辦法更穩(wěn)妥，也更有效。一些聰明的設(shè)計(jì)者，懂得保護(hù)用戶投資的重要性，對(duì)已有產(chǎn)品進(jìn)行不斷改進(jìn)和提高，并且保護(hù)原有用戶的產(chǎn)品能隨之升級(jí)，這樣，既保住了自身的經(jīng)營(yíng)優(yōu)勢(shì)，又可以把一批新老用戶吸引在公司的周?chē)＿@樣做，成本一般較低。既保住了市場(chǎng)，又降低了開(kāi)發(fā)成本，國(guó)外有些企業(yè)提出“產(chǎn)品賣(mài)不出去就是設(shè)計(jì)的失敗”，認(rèn)為保證產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力是設(shè)計(jì)師的首要職責(zé)，工業(yè)品的競(jìng)爭(zhēng)歸根到底是產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的競(jìng)爭(zhēng)。

（三）關(guān)注產(chǎn)品的早期設(shè)計(jì)階段

由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的早期構(gòu)思（或稱為概念設(shè)計(jì)）階段決定產(chǎn)品質(zhì)量、成本的70%或更多，所以，解決問(wèn)題的最好時(shí)刻是在產(chǎn)品的構(gòu)思階段。此時(shí)的設(shè)計(jì)是柔性的，對(duì)設(shè)計(jì)方案的修改或變動(dòng)，付出的代價(jià)比較少。不要把改進(jìn)產(chǎn)品的重點(diǎn)放在以后的制造和裝配階段去。如果等到樣機(jī)或產(chǎn)品制造出來(lái)以后，發(fā)現(xiàn)重大問(wèn)題再來(lái)修改，工程上的返工所付出的代價(jià)是巨大的。

（四）按產(chǎn)品的生命周期進(jìn)行設(shè)計(jì)

拓寬和更新設(shè)計(jì)觀念，最重要的轉(zhuǎn)變是按產(chǎn)品的生命周期進(jìn)行設(shè)計(jì)。即從產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段開(kāi)始就要考慮設(shè)計(jì)、制造、供貨、使用、維修、直到廢棄或再生等生命周期中的所有環(huán)節(jié)。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要是針對(duì)產(chǎn)品的一組技術(shù)規(guī)格，而沒(méi)有對(duì)產(chǎn)品的供貨、使用、維修、報(bào)廢處理或再生等環(huán)節(jié)予以足夠重視，企業(yè)只管把生產(chǎn)的產(chǎn)品投向市場(chǎng)，而使用是用戶的事，報(bào)廢后的處理或再生則是社會(huì)的事。按產(chǎn)品生命周期進(jìn)行設(shè)計(jì)，符合“可持續(xù)發(fā)展”的戰(zhàn)略要求，可以使產(chǎn)品設(shè)計(jì)從一開(kāi)始就全面地考慮多方面的問(wèn)題，避免設(shè)計(jì)中的全面性，防止重大的失誤和返工。對(duì)產(chǎn)品的理解不應(yīng)再是一系列零部件的組合體，而應(yīng)看成是生命周期中的各個(gè)環(huán)節(jié)的所有作業(yè)或勞務(wù)的總和。一個(gè)產(chǎn)品是一系列相互關(guān)聯(lián)的作業(yè)或勞務(wù)的結(jié)果，它們從設(shè)計(jì)活動(dòng)開(kāi)始，直到生命周期終點(diǎn)最后處理為止。這從根本上保證了產(chǎn)品的質(zhì)量、成本和效益。

二、機(jī)械設(shè)計(jì)的技術(shù)構(gòu)成日益綜合化

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，學(xué)科之間的界限越來(lái)越模糊，學(xué)科之間的影響和滲透越來(lái)越強(qiáng)烈，社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的因素日益滲入設(shè)計(jì)過(guò)程，改變了機(jī)械設(shè)計(jì)是單一技術(shù)內(nèi)容的面貌，使設(shè)計(jì)過(guò)程納入了人—機(jī)—環(huán)境的系統(tǒng)工程中。現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)越來(lái)越需要高新技術(shù)群體的支持，其產(chǎn)品的技術(shù)構(gòu)成日益綜合化，對(duì)產(chǎn)品的綜合性能要求越來(lái)越高。

現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)使產(chǎn)品具有多功能、高效率、高智能、高可靠性，同時(shí)又能省材料、省能源，并使產(chǎn)品向輕、薄、細(xì)、小、巧的方向發(fā)展，以不斷滿足人們生活多樣化、高品位的要求和生產(chǎn)的省力化、自動(dòng)化需求。現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)通過(guò)綜合利用各種高新技術(shù)的優(yōu)勢(shì)、揚(yáng)長(zhǎng)補(bǔ)短、有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品內(nèi)部各組成部分的合理匹配和外部整體效能最佳。

現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品的突出特點(diǎn)在于注入了過(guò)去所沒(méi)有的新技術(shù)，越來(lái)越多地把電子器件的信息處理和自動(dòng)控制等功能“柔和”到機(jī)械裝置中，從而獲得了過(guò)去單靠機(jī)械技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能和效果。在現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品中，單純機(jī)械技術(shù)的附加值含量越來(lái)越少，而微電子技術(shù)的附加值含量卻越來(lái)越高。

由于現(xiàn)代高新技術(shù)的迅速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的方法和手段越來(lái)越豐富，只要技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上能更合理地實(shí)現(xiàn)規(guī)定的功能，不論來(lái)自何種理論體系的何種理論，不論來(lái)自何種產(chǎn)品門(mén)類的何種經(jīng)驗(yàn)，都可以取之所用，這極大地拓展了設(shè)計(jì)空間。同一功能的實(shí)現(xiàn)有多種可行的技術(shù)方案，必須對(duì)各種技術(shù)方案進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，在充分考慮同其他功能單元的連接與匹配的條件下，選擇最優(yōu)的技術(shù)方案。

在某些情況下，產(chǎn)品的功能必須通過(guò)多種技術(shù)的配合才能實(shí)現(xiàn)，這時(shí)各種技術(shù)是相互關(guān)聯(lián)、相互補(bǔ)充的，即具有互補(bǔ)性。如，機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)及其控制，僅靠電子裝置或機(jī)構(gòu)都無(wú)法實(shí)現(xiàn)，只有兩者結(jié)合起來(lái)，并充分考慮機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性與控制裝置硬、軟件控制性能之間的相互影響和相互補(bǔ)充，才能獲得最佳的實(shí)現(xiàn)方案。當(dāng)多種可行的技術(shù)方案同時(shí)存在時(shí)，說(shuō)明在實(shí)現(xiàn)具體功能上它們具有等效性，如，在機(jī)床上加工螺紋或齒輪，工件與刀具之間的內(nèi)聯(lián)系可以通過(guò)機(jī)械方案實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)電氣方案實(shí)現(xiàn)。然而等效并非等價(jià)，誰(shuí)優(yōu)誰(shuí)劣，需要通過(guò)評(píng)價(jià)才能知道。由于不同的技術(shù)方案往往具有不同的參量，評(píng)價(jià)時(shí)需選擇具有相同量綱的性能指標(biāo)（如成本、可靠性、精度等），以保證各種技術(shù)方案之間具有可比性。

三、CAD系統(tǒng)的日益智能化

（一）CAD向機(jī)械設(shè)計(jì)的早期階段延伸

21世紀(jì)將是計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)等和機(jī)械設(shè)計(jì)融為一體的時(shí)代，自動(dòng)化+智能化成為機(jī)械科學(xué)發(fā)展的重要特征。普及CAD技術(shù)，擺脫手工計(jì)算，甩掉繪圖板，提高設(shè)計(jì)工作的效率和質(zhì)量，成為今后我國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)現(xiàn)代化的重要目標(biāo)。

傳統(tǒng)的CAD著眼于以計(jì)算機(jī)代替手工繪圖，提高繪圖的速度，現(xiàn)代的CAD研究重點(diǎn)已轉(zhuǎn)向從根本上改善設(shè)計(jì)水平和產(chǎn)品質(zhì)量，其標(biāo)志就是CAD的工作領(lǐng)域越來(lái)越向機(jī)械設(shè)計(jì)的早期階段，即向概念設(shè)計(jì)階段延伸，成為智能CAD。所謂智能CAD系統(tǒng)，主要反映在CAD系統(tǒng)參與產(chǎn)品規(guī)劃及概念設(shè)計(jì)的能力上。在概念設(shè)計(jì)階段，主要由設(shè)計(jì)師根據(jù)豐富的經(jīng)驗(yàn)、定性的信息進(jìn)行直接推斷，此時(shí)，信息量少，加之難以用算法語(yǔ)言描述，因此，一般的CAD系統(tǒng)難以參與概念設(shè)計(jì)。在草圖階段，有些問(wèn)題已可以用算法語(yǔ)言解決，但在評(píng)價(jià)決策等問(wèn)題上還必須靠設(shè)計(jì)師的直觀推斷。目前的CAD在概念設(shè)計(jì)階段還不成熟，在草圖階段的作用亦還有限。智能CAD系統(tǒng)區(qū)別于一般CAD系統(tǒng)的重要標(biāo)志就在于它能夠完成概念設(shè)計(jì)階段的工作及草圖階段的大部分工作。可以設(shè)想，隨著智能CAD系統(tǒng)的日益完善，在未來(lái)可以取代相當(dāng)一批設(shè)計(jì)師。為了使計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析、推理、判斷，應(yīng)把一切設(shè)計(jì)對(duì)象的使用目的歸結(jié)為有限的基本功能單元，建立模型。模型的產(chǎn)生是一個(gè)綜合的過(guò)程，分別用圖形、符號(hào)、數(shù)字、邏輯關(guān)系及物理過(guò)程的數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行描述。這樣，整個(gè)概念設(shè)計(jì)過(guò)程就是把設(shè)計(jì)對(duì)象的特性與模型特性進(jìn)行比較、分析和綜合的過(guò)程。

（二）CAD與設(shè)計(jì)方法學(xué)的融合

CAD系統(tǒng)的發(fā)展，需要設(shè)計(jì)方法學(xué)的指導(dǎo)，設(shè)計(jì)方法描述的設(shè)計(jì)過(guò)程，為CAD系統(tǒng)提供了體系的框架，按設(shè)計(jì)方法學(xué)建立的各個(gè)工作步驟的設(shè)計(jì)目錄、專用及通用知識(shí)模塊，為智能CAD系統(tǒng)提供了實(shí)用的知識(shí)庫(kù)基礎(chǔ)。因?yàn)橛?jì)算機(jī)缺乏系統(tǒng)規(guī)劃和綜合的能力，更沒(méi)有創(chuàng)造能力，而設(shè)計(jì)方法學(xué)提供了解決設(shè)計(jì)問(wèn)題的一般思路，設(shè)計(jì)目錄歸納、概括了每一設(shè)計(jì)工作步驟所需要的數(shù)據(jù)、信息和知識(shí)，可以認(rèn)為，建立智能CAD系統(tǒng)的主要任務(wù)就是把這些知識(shí)進(jìn)行適當(dāng)描述，使之成為計(jì)算機(jī)能理解、辨識(shí)和運(yùn)用的知識(shí)。計(jì)算機(jī)在能夠?qū)W習(xí)和接受人的推理、邏輯分析、判斷能力之后，就能使CAD系統(tǒng)不依賴或少依賴人而自動(dòng)完成設(shè)計(jì)。用設(shè)計(jì)方法學(xué)的觀點(diǎn)建立現(xiàn)代CAD系統(tǒng)是設(shè)計(jì)方法學(xué)工作者和CAD工作者不約而同的具有遠(yuǎn)大發(fā)展前景的重要課題。

參考文獻(xiàn)：

北京機(jī)械工程學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)方法學(xué)研究會(huì).設(shè)計(jì)方法學(xué)：原理·方法·應(yīng)用[M].北京機(jī)械工程學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)方法學(xué)研究會(huì)，1989.