機械產品數字化設計及關鍵技術應用與研究

吳敏嬌，蒲為國

（1.蘭州資源環境職業技術學院；2.甘肅能源化工職業學院，甘肅 蘭州 730000）

數字化設計隨著科學技術的發展快速發展、創新，而數字化設計的發展、完善，會反過來推動相關科學的進步。相比傳統機械產品，基于數字化設計的機械產品，已迅速占領農業、汽車等行業。數字化設計在設計、生產機械產品的應用，能降低設計的時間，提升設計的精確性，使機械產品能更快地被生產從而產生工業價值；數字化設計推動機械產品向更現代化、自動化、智能化的方向發展，使產品擁有了更好的性能、更多元且充足的生產力，能滿足生活、生產中多元的需求。因此，應當積極探索、設計機械制造的數字化設計技術，應用其設計出更科學、高性能的現代機械產品。

1 機械產品的數字化設計技術及技術綜述

機械產品的數字化設計，多采用CAD、UG 等軟件實現，并以CAD、UG 軟件操作技術為基礎，集合其他軟件技術操作以實現機械產品設計、生產等過程，隨著相關技術、軟件的創新發展，數字化機械設計技術也出現了更多元的分支技術。

1.1 二維CAD 技術

二維平面設計是CAD 技術的基本功能，也是進行數字化機械品設設計最初采用的技術。相比傳統手繪設計技術，二維CAD 技術首次實現了機械產品的數字化設計，因其操作方便，設計師只需用電腦、軟件及其使用技術，結合機械產品的設計方法、設計知識，就能根據設計需求快速設計出機械的二維結構和相關參數，制造機械產品時根據詳細、直觀的二維設計圖和參數，即可快速、精確進行生產。

1.2 UG 曲面擬合造型技術

二維設計技術能反映產品不同視角下的尺寸、造型等具體參數和情況，但使用者無法看到實體的三維效果，需要通過其他三維建模軟件或實體建模等方式，才能展現產品的整體效果，這降低了產品生產等環節的效率。此后，UG 等軟件實現了曲面造型技術，不再局限于基本的曲線設計，還能實現更靈活的造型設計和調整，設計時根據CAD 等二維圖紙線條，在UG 軟件中將各視圖進行三維轉換，變換到相應的空間位置，然后，針對各曲面機械零件的類型、參數，利用不同視圖輪廓線，完成曲面造型，最后，根據曲面間關系進行倒角、裁剪等細節處理，以實現更靈活、精度較高的機械產品設計。

1.3 UG 三維實體造型技術

曲面造型無法展示產品的質量、重心等特性，而實體造型技術不僅具備三位技術多角度、全方位設計、觀察產品造型的功能，還能反映產品的質量、重心等性能，使設計者可以研究機械產品更為復雜的質量等特性問題，使數字化機械設計不再局限于實現產品的造型、基礎屬性，使設計師能更靈活的觀察和調整機械產品的整體質量、零件屬性。設計時，常利用UG 軟件強大的三維造型功能，首先，將產品構思付諸于初步的三維模型，為產品外部、內部結構提供可視化界面，然后，通過不同界面對結構、零件等方面進行逐步深入的設計、修改，創建、裝配和整合具體的部件，最后，進行結構尺寸、設計參數和運行情況等方面的合理性檢驗，保證產品符合設計要求，并保證其在實際的運行環境下保持較高的使用壽命和優秀的可靠性。

1.4 虛擬仿真技術

在產品三維原型設計基礎上，結合先進的計算機成像技術，將圖像轉為數字模型，進而結合具體設計數據實現虛擬的產品仿真模型。虛擬仿真不僅能展示機械產品結構和尺寸、質量等參數，還能利用仿真技術觀察、測試機械產品的各種性，減少設計中的技術等誤差，降低產品投入生產、運行時的故障率。另外，虛擬仿真模型不同于一般的三維模型，可以動態演示虛擬產品。虛擬仿真應用于產品設計，也應用于產品制造過程，制造中通過虛擬仿真可實現動態觀測、控制生產過程，而設計中可以虛擬呈現產品的具體內容，縮短了產品開發的周期，虛擬仿真技術在產品設計、制造過程中的綜合應用，將提高產品的生產效率和質量。

1.5 參數化技術

參數化技術加快了數字化產品設計的發展，該技術實現了從某一特征出發，將所有數據相關聯、全尺約束的技術，設計者可利用這一技術修改尺寸驅動設計的零件參數等方面，大大提高了產品設計、生產效率。設計時常用UG 等軟件進行參數化設計，利用UG 參數化草圖、WAVE 技術，以產品的形狀、尺寸等基本特征參數為依據構建參數化建模，設計師可以對各部件參數及其數據關聯進行調整，如泵體設計、螺栓設計中，能十分靈活、快速地進行參數調整，以完善產品的性能，使其于設計要求、造價等需求較好平衡，具體的實現方法有尺寸約束、電子表格、表達式驅動等。

1.6 變量化技術

變量化技術是一種更復雜的技術創新，卻進一步提升了產品設計的便捷性和效率，該技術在參數化技術基礎上，結合二維、曲面、實體等設計技術，可以設計出參數更全面、數據關聯性更強的復合模型，其集成性可以使設計嚴格按照產品實際要求，通過變量化處理準確、便捷修改機械產品的各種尺寸信息。

2 機械產品數字化設計的應用實例研究

本節以縱向軸流收割機為實例，探究數字化設計技術。為應對現代化農業生產的工作需求，需要更多地考慮收割機等機械的體積、重量及效能，縱向軸流收割機結構對稱、緊湊，脫凈率高、分離面積大，能收割稻、麥、玉米等多種作物，因此，廣泛應用于農業生產中，其部件包括撥禾輪、切割器、分離裝置等。

2.1 撥禾輪的數字化設計

收割機前進時，收割臺推開作物，撥禾裝置幫助其切割莖稈，撥禾輪的具體作用為：（1）將作物引入切割器；（2）支撐切割；（3）將切割的作物鋪排整齊，放在割臺上，并清理切割器上殘留作物。目前，常用撥禾輪有板式、偏心式兩種撥禾輪，適用于倒伏度不同的作物，數字化設計時，多通過實體模型技術，對其不同視圖進行設計、觀察、和調整。

2.2 切割器的數字化設計

切割器是收割機最重要的部件，其性能好壞直接影響收割機的收割質量。切割器應具有將密植作物順利、快速切割的性能，考慮作物根莖尺寸、硬度等工作情況，設計時，需要用虛擬仿真等技術，檢查切割器在運行時是否會產生堵塞、負荷過重等問題，且要考慮其動力損耗、振動等因素，保證其工作的可靠性。常用的切割器有回轉、往復轉兩種形式，多用于谷物收獲，切割能力強、切割平穩且功率消耗小，設計中通過實體模型來設計機器的具體割幅、往復運動等工作特性，保證設計的切割器復合工作要求。

2.3 傾斜喂入室數字化設計

喂入室是收割時，將作物從收割臺推入脫谷部分的結構，作用為推運器作物，并拉薄、均勻地送至機械脫谷部分，傾斜喂入室輸送裝置有鏈耙、喂入輪兩種結構，設計時，多利用實體模型技術觀察、調整喂入室的結構、細節和零部件。

2.4 脫粒裝置的數字化設計

脫粒裝置是收割機實現作物脫離的部件，其性能與脫粒質量直接相關，且對其他工作的分離、清選等工作影響較大，脫粒裝置對谷物進行脫粒，將已脫谷粒通過凹板篩分離，脫粒裝置有全喂入型、半喂入型兩大類，設計全喂入型裝置時，根據作物運動的流向進行切流、軸流等不同類型的設計，利用虛擬仿真技術進行檢測，保證作物喂入后，可以快速沿滾筒流動、完成脫粒，脫粒時間一般長于滾筒裝置許多，因此，需要考慮滾筒的速度，保證各設備間能協調的工作。

2.5 谷物推運器、升運器及整機裝配

谷物推運器、升運器一般聯成一體，結構較為簡單，可利用實體模型等技術設計和調整。整機裝配是機械設計的最后環節，通過虛擬仿真、變量化技術，對模型的整體性能、細節參數進行描述、分析、評價和調整，保證收割機產品一次開發成功，縮短產品開發周期。

3 結語

綜上，現代機械產品設計廣泛應用數字化設計技術，不僅提高了產品設計的效率、質量，還縮短了設計周期，節約了開發成本，推動了相關企業和行業快速發展。本文探究了機械產品數字化設計中的曲面、實體、虛擬模型、變量化等先進技術，并以農業機械為實例，淺析數字化技術在機械產品設計中的實際應用，希望能為相關人員、企業提供有價值的參考。